К ТЕОРИИ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ В ГЕНЕРАТОРАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ

July 19, 2012 by admin Комментировать »

И. И. Магда, А. В. Пащенко, С. С. Романов, И. Н. Шаповал

ИПЭ и НМУ, ННТЦ «ХФТИ» НАНУ: пр,Курчатова, 1, 61108 Харьков, Украина

В. Е. Новиков

НТЦ «Электрофизической обработки» НАНУ’ а,я, 8812, Харьков 61002, Украина


Аннотация Рассмотрена самосогласованная нестационарная модель пучковой обратной связи в приборах с виртуальным катодом (ВК), использующая неустойчивость потока в катод-анодном промежутке и нелинейное взаимодействие частиц с колебаниями ВК. Нелинейные процессы в этих областях описываются на основе взаимодействия связанных генераторов Ван дер Поля Дуффинга.

I.  Введение

Обратные связи (ОС) по пучку и электромагнитному полю эффективно используются для повышения КПД и управления характеристиками реально существующих микроволновых приборов с ВК [1, 2]. Во многих работах выполнены численные эксперименты, подтверждающие эффективность их применения, однако к настоящему времени не создано приемлемой аналитической теории ОС для таких систем.

Физические области взаимодействия частиц и полей в виркаторе на пролетном пучке в простейшем случае показаны на Рис. 1.

Рис. 1. Характерные области виркатора:

I ускоряющий промежуток; II область между анодом и ВК; III -область ВК;

IV область прошедшего электронного пучка

Fig.1. Characteristic regions in vircator:

I accelerating gap; II area between anode and VC;

III  VC region; IV traveling beam region

Области I III содержат как прямой, так и отраженный от ВК пучки. В области / формируется электронный поток и ускоряется приложенной к катоданодному промежутку разностью потенциалов U(t). В области ВК (III) осуществляется отражение части прямого пучка, и возникают осцилляции электронов и полей. Характерный размер этой области в стационарном случае определяется близостью величин самосогласованного потенциала и эффективной температуры электронов вблизи ВК. В области IV распространяется прошедший через ВК пучок.

В рассматриваемом подходе предполагается, что обратные связи формируются потоками частиц (ПОС) и электромагнитными полями (ЭМОС), вносимыми из других областей. Они могут быть промоделированы введением в конкретную область эффективного потенциала. Также учитывается, что динамика сильноточного диода формируется неустойчивостью потока в катод-анодном промежутке. Ниже представлена самосогласованная модель ПОС в виркаторе, учитывающая нестационарность процессов в диоде со сверхкритическим током и области

ВК. Эта модель основывается на анализе стационарных состояний диодного промежутка и их устойчивости.

II.           Теория стационарных состояний электронного пучка в диоде и анализ их устойчивости

Замкнутые аналитические выражения для гидродинамических, полевых и спектральных характеристик потоков заряженных частиц в дрейфовом пространстве сильноточного пучка получены в работах [3-5].

Рассмотрим стационарные состояния в катоданодном промежутке и их устойчивость. Исходными являются гидродинамические уравнения движения и непрерывности, а также уравнение Пуассона для электрического поля:

Единицами измерения плотности п, скорости v, координаты z и времени / являются характерные параметры для невозмущенного потока: щ, v0, длина диодного промежутка / и время пролета l/v0. Безразмерный потенциал электрического поля Ф = mv02/2e. Качественно поведение возмущенной системы определяется одним параметром q = 4ne2n0l2/mvo

Введем лагранжевы переменные т и т00момент влета частиц в катод-анодный промежуток), определяемые формулой vQ(r) = dzldr. Тогда стационарная скорость потока

где (рi и (р2 потенциалы колебаний в области ВК и ускоряющего промежутка, к, и к2 прозрачности анода для прямого и отраженного пучка.

Известно, что по своей природе колебания в ускоряющем промежутке и в области ВК широкополосны. Используемая при анализе модель адекватно отражает нелинейную природу исходных объектов и их итоговые широкополосные спектры.

Далее рассматривается симметричный случай kt = к2= к. Здесь coh yh со2, 72 ~ частоты и инкременты соответствующих колебаний. Для колебаний в ускоряющем промежутке инкременты и частоты определялись из уравнения (4). Частота колебаний ВК предполагалась порядка электронной плазменной частоты пучка в области ВК.

На Рис. 4 представлены результаты решения системы (8) на плоскости (q>b q>2) для разных прозрачностей анода. Как видно, при малой прозрачности (слабой ПОС) кривые на плоскости (<рь q>2> имеют сложный характер и заполняют практически всю плоскость. С ростом прозрачности происходит синхронизация колебаний, разность фаз стабилизи-руется, и нелинейная система в целом генерирует в узкой области частот (максимального инкремента).

Ф2

Рис. 4. Колебания двух связанных осцилляторов на плоскости (ср^ срг)

Fig. 4. Oscillations of two coupled oscillators shown in space (cpi срг)

Качественный анализ взаимодействующих осцилляторов и полей, проведенный для случая вакуумных пучковых систем [6], соответствует выводам нашей модели. Показано, что электронные колебания, воспринимающие дополнительную энергию, могут уменьшать свое затухание вплоть до отрицательных значений. Для нашего случая это соответствует возбуждению и росту амплитуды пролетных колебаний диода, приводящих к увеличению мощности и сужению спектра генерации виркатора.

IV.  Заключение

В докладе предложены модели обратной связи и способы их организации. Рассмотрена устойчивость потока в ускоряющем промежутке. Найдены границы устойчивости в зависимости от параметров системы и частотные характеристики неустойчивости, связанной с особенностями динамики объемного заряда в диоде.

Предложен механизм обратной связи по пучку основанный на использовании неустойчивости в ускоряющем промежутке. Функционирование обратной связи промоделировано двумя связанными по пучку нелинейными осцилляторами Ван дер Поля Дуффинга. Показана синхронизация колебаний ВК и колебаний в ускоряющем промежутке за счет ПОС.

V.  Список литературы

[1]    Н. П. Гадецкий, И. И. Магда, С. И. Найстетер,

Ю. В. Прокопенко, В. И. Чумаков. Физика плазмы, 1993, т.19, в.4, с.530.

[2]    С. Д. Коровин, И. В. Пегель, С. Д. Полевин, В. В. Ростов. Вакуумная электроника, Сб обзоров. Нижний Новгород, 2002, с.149.

[3]    А. В. Пащенко, Б. Н. Руткевич. Физика Плазмы, 1977, т.3± с.774.

[4]    А. В. Пащенко, Б. Н. Руткевич, Радиоэлектроника и техника, 1979, т. 24, с.152.

[5]    А. В. Пащенко, Б. Н. Руткевич, В. Д. Федорченко,

Ю. П. Мазалов. ЖТФ, 1983, т.53, в.1, с.75.

[6]    Я А. Вайнштейн, Радиотехника и электроника, 1990, т.35, №4, с.837.

I. 

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты