Нестійкість електронного пучка в резонаторі, вивчення механізму. Чисельне моделювання процесів взаємодії немодульованого електронного пучка з власними електромагнітними коливаннями резонатора повільної хвилі. Визначення інкременту пучкової нестійкості.
Аннотация к работе
Серед проявів цих процесів слід відзначити розвиток нестійкостей в плазмових, пучкових та плазмово-пучкових системах, прискорення пучків заряджених частинок. Серед елементарних механізмів, що застосовуються в таких приладах, одними з добре досліджених і широко використовуваних є черенковський та допплерівський, коли частинка довгий час взаємодіє з електромагнітним полем. Але існують випадки, коли ця умова порушується і взаємодія з полем відбувається на довжині декількох хвиль. Метою дисертаційної роботи є вивчення взаємодії частинок з електромагнітними полями в пучкових та плазмових системах, а також продемонструвати можливість суттєвого впливу флуктуацій параметрів фізичних систем на розвиток тих процесів, що в них відбуваються, і полягає в розвязанні таких завдань: 1. Довести, що нестійкість електронного пучка в резонаторі ґрунтується на елементарному механізмі випромінювання окремого електрона, який рухається вздовж вісі резонатора зі сталою швидкістю, а когерентність загального поля забезпечується частинками, що знаходяться в згустках, які утворюються внаслідок зворотного впливу цього поля на пучок.Другий розділ «Елементарний механізм збудження коливань електронним пучком в резонаторі» присвячений теоретичному дослідженню монотронної нестійкості на мікроскопічному рівні, спираючись на наочні фізичні міркування. Добре відомі результати дослідження перехідного випромінювання в випадку, коли частинка, що рухається зі сталою швидкістю перетинає межу двох середовищ з різними діелектричними проникливістями, або при вході її з вакууму в метал. Це свідчить, що монотронна нестійкість дійсно ґрунтується на елементарному механізмі випромінювання окремого електрона, що рухається зі сталою швидкістю в резонаторі, а когерентність випромінювання забезпечується згустками, які формуються внаслідок зворотного впливу поля на пучок. В першому діапазоні для низьких подовжніх номерів коливань на відміну від хвилевіда, де амплітуди коливаються з баунс-частотою, в резонаторі на нелінійній стадії вони були сталими. Він починає обертатись у фазовому просторі, але не зробивши навіть одного оберту, виходить з резонатора, тобто частинки, які входять до нього не встигають захопитись.Вперше строго розкрито фізичний механізм монотронної нестійкості, що виникає, коли пучок заряджених частинок рухається в резонаторі. Шляхом чисельного моделювання в межах самоузгодженої моделі проведене дослідження процесу збудження коливань немодульованим електронним пучком в короткому резонаторі повільної хвилі з лінійною дисперсією в припущенні, що пучок не змінює структуру електромагнітного поля. В першому діапазоні відхилень на відміну від хвилевідних систем амплітуди власних коливань з невеликими подовжніми номерами були сталими, а захоплення частинок пучка супутньою хвилею не відбувалось. В двох розглянутих режимах роботи резонатора відбувалось збільшення кількості частинок в резонаторі на нелінійній стадії порівняно з лінійною в 1.4-1.5 рази. В резонаторі він може визначатись таким значенням амплітуди коливань, коли частинки пучка гальмуються на довжині резонатора.
План
Основний зміст дисертації
Вывод
У дисертації проведене теоретичне дослідження та чисельне моделювання динаміки заряджених частинок та електромагнітних полів в плазмових та пучкових системах. Основні результати дисертації полягають в наступному: 1. Вперше строго розкрито фізичний механізм монотронної нестійкості, що виникає, коли пучок заряджених частинок рухається в резонаторі. Він являє собою випромінювання окремого електрона під час його руху зі сталою швидкістю через резонатор. Це випромінювання можливо розглядати як перехідне при вході частинки до резонатора та при виході з нього. Отримані результати дозволяють остаточно зрозуміти природу монотронної нестійкості.
2. Шляхом чисельного моделювання в межах самоузгодженої моделі проведене дослідження процесу збудження коливань немодульованим електронним пучком в короткому резонаторі повільної хвилі з лінійною дисперсією в припущенні, що пучок не змінює структуру електромагнітного поля. Моделювання проводилось для двох діапазонів відхилення швидкості пучка від фазової швидкості хвиль. Перший був близький до черенковського резонансу, в другому відхилення дорівнювало 3.1.
В першому діапазоні відхилень на відміну від хвилевідних систем амплітуди власних коливань з невеликими подовжніми номерами були сталими, а захоплення частинок пучка супутньою хвилею не відбувалось.
В другому діапазоні відхилень при переході до нелінійної стадії після експоненційного зростання відбувалось швидке стрибкоподібне зростання амплітуд власних коливань. Динаміка частинок пучка на нелінійній стадії істотно відрізнялась від першого діапазону та від тої, що спостерігається в хвилеводі. Вона була періодичною з періодом найнижчої частоти, який складається з трьох етапів. При цьому фазові портрети, які відповідають кожному з них, істотно відрізняються між собою. Амплітуди власних коливань на нелінійній стадії були як сталими так і коливались з деяким періодом та розмахом.
В двох розглянутих режимах роботи резонатора відбувалось збільшення кількості частинок в резонаторі на нелінійній стадії порівняно з лінійною в 1.4-1.5 рази. В другому діапазоні відхилень можливий інший механізм нелінійного обмеження амплітуд гармонік, порівняно з тим який існує в хвилевідних системах. В резонаторі він може визначатись таким значенням амплітуди коливань, коли частинки пучка гальмуються на довжині резонатора.
Таким чином, в резонаторі існує широке коло недосліджених явищ, які можуть бути використані для розробки потужних та ефективних генераторів електромагнітних коливань.
3. Знайдені стаціонарні фази в умовах серфотронного механізму прискорення, визначена їх стійкість. Враховано вплив флуктуацій фази та амплітуди електричного поля подовжньої хвилі. Визначено, що в наближенні великого часу прискорення вони істотно не впливають на стійкість стаціонарних фаз, а для малого можуть перетворити стійку фазу в нестійку, якщо їх рівень перевищить деяку межу. Наявність стійких фаз вказує на можливість групування частинок в серфотроні та формування обмежених в просторі згустків.
4. При збудженні плазмово-пучкової системи в режимі черенковського резонансу можливі такі умови, що навіть при малій густині пучка є неприйнятним метод збурювань першого порядку для визначення інкремента пучкової нестійкості. Це відповідає випадку, коли незважаючи на малу густину, пучок істотно змінює структуру поля. Така особливість черенковського механізму не відзначалась раніше, тому потребує додаткового дослідження. Для визначення інкремента був запропонований ефективний алгоритм.
5. Розглянута система, яка складається з двох звязаних осциляторів та знаходиться під впливом флуктуацій частоти одного з них, які мають мультиплікативний характер і є малими гаусівськими дельта-корельованими. Як і в випадку одного осцилятора, існує нестійкість других моментів. Порівняно з одним, в системі з двох осциляторів можуть існувати умови, які викличуть істотне збільшення інкремента такої нестійкості. Це відбувається тоді, коли характеристичне рівняння для других моментів в відсутності флуктуацій має кратні корені. В цьому випадку інкременти будуть пропорційними кореню тієї степені з рівня флуктуацій, якою є ступінь кратності характеристичного числа. Таке зростання інкремента не відбувається тоді, коли права частина, характеристичного рівняння, зумовлена впливом флуктуацій, має такі саме корені, як і ліва. Таким чином, флуктуації можуть суттєво впливати на явища в сильно нерівноважних системах, якими є плазмово-пучкові.
Список робіт, опублікованих здобувачем за темою дисертації
1. Буц В.А., Ковальчук И.К., Моисеев С.С., Мухин В.В. Фазовая фокусировка и дефокусировка заряженных частиц при ускорении и торможении частиц в серфотроне // Журнал технической физики. - 1992. - Т. 62, вып. 5. - С. 130-137.
2. Буц В.О., Ковальчук І.К. Елементарний механізм збудження коливань електронним пучком в резонаторі // Український фізичний журнал. - 1999. - Т. 44, №11. - С. 1356-1363.
3. Буц В.О., Ковальчук І.К. Динаміка системи звязаних лінійних осциляторів під дією мультиплікативних флуктуацій // Український фізичний журнал. - 2000. - Т. 45, №12. - С. 1426-1430.
4. Буц В.А., Ковальчук И.К., Онищенко И.Н., Толстолужский А.П. Электродинамика неравновесных спирально-плазменных систем. Часть 2 // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (2). - 2000. - №1. - С. 179-183.
5. Буц В.А., Ковальчук И.К., Мануйленко О.В., Мухин В.В., Толстолужский А.П. Нелинейная теория возбуждения короткого резонатора пучком заряженных частиц. Часть 1 // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1998. - Т. 3, - №4. - С. 23-36.
6. Буц В.А., Ковальчук И.К., Мануйленко О.В., Мухин В.В., Толстолужский А.П. Нелинейная теория возбуждения короткого резонатора пучком заряженных частиц. Часть 2 // Электромагнитные волны и электронные системы. - 1998. - Т. 3, - №5. - С. 21-33.
8. Буц В.А., Ковальчук И.К., Мануйленко О.В., Толстолужский А.П. Возбуждение колебаний электронным пучком в резонаторе медленной волны. I. Приближение заданного поля. // 5-ая Крымская конференция и выставка «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». Материалы конференции (Севастополь, Украина, 25-27 сентября 1995 г.). - 1995. - т. 1. - С. 323-326.
9. Буц В.А., Ковальчук И.К., Мануйленко О.В., Толстолужский А.П. Возбуждение колебаний электронным пучком в резонаторе медленной волны. II. Полная самосогласованная кинетическая нелинейная теория. // 5-ая Крымская конференция и выставка «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». Материалы конференции (Севастополь, Украина, 25-27 сентября 1995 г.). - 1995. - Т. 1. - С. 327-330.
10. Buts V.A., Kovalchuk I.K. On Mechanism for Oscillation Excitation by Electron Beam in Cavity // Third International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimiter and Submillimiter Waves» (Kharkov, Ukraine, September 15-17, 1998). - V. 1. - Kharkov, Ukraine. - 1998. - P. 203-205.
11. Буц В.А., Ковальчук И.К. О механизме возбуждения колебаний электронным пучком в резонаторе. Шестой Межгосударственный семинар «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (Харьков, Украина, 3-7 сентября 1998 г.) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. - 1998. - Выпуск 1 (1). - С. 54.
12. Буц В.А., Ковальчук И.К. Динамика системы линейных связанных осцилляторов под действием мультипликативных флуктуаций. Шестой Межгосударственный семинар «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (Харьков, Украина, 3-7 сентября 1998 г.) // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. - 1998. - Выпуск 1 (1). - С. 75.