ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА И НЕСТАЦИОНАРНУЮ ДИНАМИКУ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В НИЗКОВОЛЬТНОМ ВИРКАТОРЕ

January 26, 2013 by admin Комментировать »

Егоров Е. Н., Калинин Ю. А., Короновский А. А., Трубецков Д. И., Храмов А. Е.

Саратовский государственный университет

г.                                                                              Саратов, 410012, Россия Тел.: (8452) 514294, e-mail: egoroven@nonlin.sgu.ru, aeh@nonlin.sgu.ru

Аннотация – Приведены результаты исследования в рамках двумерной численной модели нелинейных нестационарных процессов, происходящих в нерелятивистском электронном пучке в режиме образования виртуального катода, формирующемся в тормозящем поле (низковольтном виркаторе). В работе сравниваются результаты, полученные при наличии ведущего магнитного поля и без него.

I.                                       Введение

Явление неустойчивости, связанной с образованием виртуального катода (ВК) в потоке заряженных частиц, известно достаточно давно [1,2], однако использовать ЭТО явление для генерации СВЧ излучения стали сравнительно недавно – порядка тридцати лет назад. В настоящий момент известен ряд модификаций приборов с ВК (см., например, [3-5] и литературу в них). Известно также [6, 7], что существует возможность формирования в нерелятивистских электронных пучках виртуального катода при наличии дополнительного торможения пучка. На данном принципе построена работа так называемого низковольтного виркатора [6, 7], схема которого исследовалась в данной работе. Особенностью прибора является то, что существует возможность работы без фокусирующего магнитного поля. Ранее [7] было показано хорошее качественное, а в ряде случаев и количественное соответствие результатов экспериментальных исследований макета низковольтного виркатора результатам теоретического и численного анализа подобной системы в рамках одномерной теории, когда движение электронов пучка предполагается полностью замагни- ченным. Вместе с тем, данные оценки и дополнительные исследования показали, что в ряде случаев принципиальным становится учёт двумерного характера движения заряженных частиц.

В данной работе приведены результаты численного моделирования процессов, происходящих в не- релятивистском электронном пучке в режиме образования ВК в пространстве взаимодействия с тормозящим полем, с учетом принципиально двумерных эффектов динамики заряженных частиц. Исследовалась физика образования ВК и нестационарная динамика заряженных частиц и ВК в целом при различных величинах ведущего магнитного поля.

II.                              Основная часть

Исследования проводились с помощью двумерной численной модели, основанной на решении самосогласованной системы уравнений Пуассона- Власова. Численно исследовалась следующая схема НИЗКОВОЛЬТНОГО виркатора.

Пространство взаимодействия электронного потока в рассматриваемой модели представляет собой проводящую трубу дрейфа круглого сечения, которая закрыта с обоих концов сеточными электродами [6, 7]. На левый электрод и проводящий цилиндр подаётся одинаковый (ускоряющий) потенциал Vo. На правый электрод подаётся тормозящий потенциал меньший ИЛИ равный ускоряющему (Vt<Vo). Аксиально-симметричный электронный пучок инжектируется в пространство взаимодействия через левую (входную) границу пространства взаимодействия и ВЫВОДИТСЯ через правую (выходную), а также может оседать на боковой стенке трубы дрейфа.

В результате численного моделирования было показано, что в отсутствии внешнего фокусирующего магнитного поля процесс образования ВК в пучке начинается в периферийной области, наиболее удалённой ОТ ОСИ пучка. По мере развития этого процесса, охватывается область всего сечения пучка, при ЭТОМ ВК приобретает форму «линзы» (рис. 1). В областях ДО И после ВК за счёт модуляции скорости электронов колебаниями нестационарного ВК и дальнейшей группировки формируются электронные сгустки, которые начинают двигаться от ВК к входной И ВЫХОДНОЙ границе системы, а затем покидают пространство взаимодействия либо через выходную сетку, либо через входную сетку или боковую стенку. Указанный процесс повторяется с определённой степенью периодичности.

Рис. 1. Распределение величины плотности пространственного заряда, усреднённой за характерный период колебаний в отсутствии магнитного поля.

Fig. 1. Distribution ofthe value ofthe density of the space charge averaged over the typical oscillation period in the absence ofthe focusing magnetic field

В случае наличия ведущего магнитного поля в системе можно выделить ряд основных отличий в динамике системы. Прежде всего, исследования показали, ЧТО наличие магнитного поля позволяет снизить стартовый ТОК, при котором в системе образуется ВК. При ЭТОМ, чем больше величина магнитного ПОЛЯ, тем меньше необходимая величина стартового тока. Показано также, что наличие ведущего магнитного ПОЛЯ принципиально меняет характер движения заряженных частиц. Так, при отсутствии магнитного ПОЛЯ, преимущественным направлением движения частиц является движение по радиусу в стороны от ОСИ системы (см. рис. 1). В случае же наличия внешнего магнитного поля чётко видно, что часть электронов проходит в глубь пространства взаимодействия, а часть поворачивает в сторону входной сетки ОТ области виртуального катода (рис. 2), несколько отклоняясь ОТ первоначальной траектории (ср. рис. 1 и 2), однако, не удаляясь значительно от оси системы, чему препятствует наличие ведущего магнитного ПОЛЯ. Движение заряженных частиц в системе, в ЭТОМ случае, происходит преимущественно в продольном направлении.

Рис. 2. Распределение величины плотности пространственного заряда, усреднённой за характерный период колебаний. Величина магнитного поля В=360 Гаусс.

Fig. 2 – Distribution of the value of the density of the space charge averaged over the typical oscillation period. The value of the magnetic field is equal B=360 Gauss

Таким образом, можно говорить ο наличии принципиально двух различных типов динамики виртуального катода при отсутствии и наличии фокусирующего магнитного поля. Соответственно нами выделены два типа нестационарных ВК в пространстве взаимодействия – продольный ВК (формируется в пучке при больших величинах магнитного поля) и поперечный ВК (формируется при малых величинах магнитного поля).

III.                                  Заключение

в работе численно были исследованы процессы образования ВК и развития нестационарной динамики нерелятивистского электронного пучка в тормозящем поле. Проводилось сравнение физических процессов в нерелятивистском пучке электронов при наличии и отсутствии фокусирующего магнитного ПОЛЯ. Показано наличие двух принципиально различных ТИПОВ динамки заряженных частиц пучка, появление которых обусловлено наличием или отсутствием внешнего фокусирующего магнитного поля.

Работа поддержана РФФИ (грант № № 05-02- 16286, 05-03-08030, 06-02-81013), Федеральной программой поддержки ведущих научных школ (НШ- 4167.2006.2).

IV.                          Список литературы

[1]  Langmuirl., Blodgett К. В. Н Phys. Rev 22 (1923), 347.

[2]  ТрубецковД. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 1. М.: Физматлит, 2003.

[3]  Рухадзе А. А., Столбецов С. Д., Тараканов В. П. Н Радиотехника и электроника. 37 (1992), № 3, С. 385.

[4]  Дубинов А. Е., Селемир В. Д. Н Радиотехника и электроника. 47 (2002), № 6, С. 575.

[5]  ТрубецковД. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 2. М.: Физматлит,

2004.

[6]  Егоров Е. Н., Калинин Ю. А., Левин Ю. И., ТрубецковД. И., Храмов А. Е. Н Изв. РАН, сер. физич. 69 (2005), № 12, 1724.

[7]  Калинин Ю. А., Короновский А. А., Храмов А. Е., Егоров Е. Н., Филатов Р. А. Н Физика плазмы 31 (2005), № 11, 1009-1025.

STUDY OF INFLUENCE OF MAGNETIC FIELD ON THE PROCESSES OF VIRTUAL CATHODE FORMATION AND THE NONSTATIONARY DYNAMICS OF PARTICLES OF ELECTRON BEAM IN LOW-VOLTAGE VIRCATOR

Egorov E. N., Kalinin Yu. A., Koronovskiy A. A., Trubetskov D. I., Khramov A. E.

Saratov State University Saratov, 410012, Russia e-mail: egoroven@nonlin.sgu.ru, aeh@nonlin.sgu.ru

Abstract – The results of the study of nonlinear nonstationary processes in the non-relativistic electron beam in the breaking field (the scheme of the low-voltage vircator) in the regime of the virtual cathode (VC) presence are given. The analysis has been carried out in the framework of 2D numerical model. The results of the modeling of the system with and without focusing the electrons by the external magnetic field are compared.

I.                                         Introduction

It is known that the non-stationary VC may be formed in the non-relativistic electron beam in the presence of the external breaking field (the low-voltage vircator). The characteristic property of the low-voltage vircator (LW) is the possibility of working with or without the external focusing magnetic field. The good agreement of the results of theoretical and 1 D-numerical study of LW has been shown recently. The ID-numerical study is equal to the consideration of the system with the infinite external focusing magnetic field. The aim of this work is the analysis of the influence of the finite value of the magnetic field on the dynamics of the charged particles and the dynamics of VC.

II.                                        Main Part

The numerical model studied in the present report is the following. The drift tunnel of the device is made in the form of the cylinder with the grids on the both ends of it. The potential of the cylinder and left grid is equal to the accelerating potential Vo. The potential of the right grid is the retarding potential Vt being less in comparison with Vo (Vt<Vo). The axial-symmetric electron beam injects in the drift tunnel through the left grid and may be led out through the right grid or accumulated on the wall of the drift tunnel.

The physical processes of the dynamics of the charged particles and the VC in the presence and absence of the magnetic field have been studied in this work. We have shown that the value of the critical current corresponding to the VC formation decreases with the increase of the magnetic field. The character of 2D-movement of charged particles has also been studied. The movement of the electrons in the absence of the magnetic field takes place mainly in the radial direction. Alternatively, the movement of the charged particles in the presence of magnetic field takes place in the longitudinal direction. Thus, the existence of two types of the VC (longitudinal and transversal VC) in the electron beam in the breaking field has been shown.

III.                                       Conclusion

The results of the 2D-numerical study of the processes of the VC formation and the charged particles dynamics in the electron beam in the breaking field are discussed. The possibility of the existence of two types of the VC depending on the value of the external magnetic field has been shown.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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