WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 7 01;10 Сложная динамика и явления динамического хаоса в потоке заряженных частиц, формируемом магнетронно-инжекторной пушкой (численный и физический эксперимент) © Ю.А. Калинин, В.Н. Кожевников, А.Г. Лазерсон, Г.И. Александров, Е.Е. Железовский Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410026 Саратов, Россия E-mail: trubnicov@sgu.ssu.runnet.ru (Поступило в Редакцию 4 марта 1998 г. В окончательной редакции 2 июля 1999 г.) Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования пространственно-временных колебаний тока в магнетронно-инжекторной пушке (МИП). Получены основные закономерности поведения системы, выявлена сложная динамика — наличие переходов от регулярных колебаний к хаотическим в результате изменения управляющих параметров. Заключения сделаны на основе анализа траекторий движения крупных частиц (электронов), реализаций тока пушки и их спектров. В физическом эксперименте определялись спектрограммы плотности тока, мощности шумоподобных колебаний и т. д. Показано, что в большом количестве значений длин эмиттирующей и не эмиттирующей областей катода в выходном токе МИП наблюдаются интенсивные широкополосные колебания в СВЧ диапазоне.

Введение Рассматриваемая модель и схема численного анализа Сложная динамика нелинейных колебательных систем, в особенности явления динамического хаоса в Схема реальной МИП представлена на рис. 1. Как этих системах, на протяжении многих лет вызывает видно, реальный прибор — сложная конструкция и, слеинтерес исследователей как в связи с фундаментальдовательно, описание процессов, происходящих в нем, — ными аспектами проблемы, так и в связи с многочрезвычайно сложная задача. Поэтому при математичисленными практическими приложениями. Несмотря ческом моделировании динамики электронного потока на значительное число работ, посвященных численнореальный прибор заменяется его моделью. В нашем му и физическому моделированию хаотической динамислучае рассматривается задача о плоском диоде, т. е.

ки, исследования распределенных систем или систем с имеется система двух плоских электродов, размеры кобольшим числом степеней свободы весьма немногочи- торых в поперечных направлениях велики по сравнению сленны. Это объясняется значительными трудностями с расстоянием между ними (рис. 2). Основой для численадекватного моделирования распределенных и много- ного анализа выбрана одна из моделей крупных частиц мерных систем именно в тех режимах, где они де- (КЧ) (см., например, [5]), в которой учитываются силы, монстрируют сложную динамику. В настоящее время действующие на крупную частицу в направлении анод– опубликовано много работ, посвященных исследованию катод (направление Y ) и вдоль магнитного поля (вдоль хаотической динамики колебаний в электронных потоках оси Z). Пространственный заряд учитывается только в направлении Y. Основы модели были сформулированы без магнитного поля (O-тип), однако относительно мало работ, посвященных анализу аналогичных явлений в скрещенных электрическом и магнитном полях (M-тип).

Еще в работах [1,2] было отмечено, что приборам Mтипа свойствен высокий уровень собственных шумов, что делает их перспективными в плане практического использования.

Однако причина аномально высокого уровня шума в приборах M-типа оставалась долгое время непонятной.

В работе [3] сделана попытка объяснить происхождение собственных шумов в диоде и пушке M-типа явлениями сложной динамики электронного потока в скрещенных полях. В данной работе рассматриваются явления Рис. 1. Схема магнетронно-инжекторной пушки: 1 —катод сложной динамики электронного потока в магнитронно(штриховой линией показана эмиттирующая область), 2 — инжекторной пушке (МИП), перспективной для разраобласть выбывания электронов из пушки, 3 — винтовой элекботки мощных источников шумов СВЧ диапазона [4].

тронный пучок, 4 — управляющий электрод, 5 —анод.

6 84 Ю.А. Калинин, В.Н. Кожевников, А.Г. Лазерсон, Г.И. Александров, Е.Е. Железовский Результаты численного эксперимента В результате проведенного численного анализа было обнаружено, что в данной системе возникает интенсивное хаотическое движение электронов типа турбулентности, сопровождаемое хаотическими шумоподобными колебаниями тока пушки. Характеристики этих шумоподобных колебаний сильно зависят от параметров I0 (максимальный ток эмиссии), Lk (длина катода), Ldr (длина дрейфа), P (см. выше).

Рис. 2. Модель реального прибора — плоский диод.

Сценарий перехода к хаосу во многом похож на аналогичные сценарии в магнитном диоде и пушке M-типа [3] и кардинально отличается от сценариев перехода к хаосу в работе [5], а в применении к изучению динамического в системах малой размерности.

хаоса в подобных системах — в работе [3]. Исходя из При малом токе эмиссии хаотизация движения элекгеометрии задачи в пренебрежении краевыми эффектами тронов и колебаний выходного тока МИП происходит рассматривается переменное электрическое поле, имею- с ростом длины катода либо с уменьшением параметра щее составляющую Ez, а в направлении Z действует тяну- P = Es/Ea. На рис. 3 представлены зависимости безщее электрическое поле, амплитуда которого зависит от размерной спектральной плотности интенсивности шума координаты Y по линейному закону Ez = Py и постоянна от безразмерной частоты (нормированной на циклотронпо координате Z. Магнитное поле имеет только одну ную частоту) при увеличении длины катода, а на рис. 4 — компоненту Bz = B0, не зависящую от координат. траектории электронов и спектральные плотности интенЭлектроны, вылетевшие с поверхности эмитирующего сивности шума (СПИШ) при увеличении параметра P.

пояска, под действием скрещенных постоянных полей Первоначально возникающие в потоке периодические Ey и B0 движутся в плоскости XY, а под действием колебания трансформируются в квазипериодические, а ”тянущего” электрического поля Ez — в направлении затем в хаотические, спектр которых сосредоточен в НЧ оси Z.

области (рис. 3). Механизм возникновения и развития колебаний данного типа связан в основном с колебаС учетом всех вышеперечисленных предположений, ниями границы пучка вследствие модуляции времени система уравнений, описывающая движение электронов выхода на нее различных групп электронов. Граница в приборах M-типа [3], для магнетронно-инжекторной пучка образована при этом группами, т. е. достаточно пушки дополняется уравнением, определяющим движебольшим числом одновременно попадающих в данную ние электронов вдоль оси Z, область пространства электронов. На рис. 5 видно, как начинаются хаотические колебания границы пучка (a, b), z = P · y, (1) как они разрастаются (c) и в результате движение турбулизуется во всем межэлектродном промежутке (d).

z, y — безразмерные координаты; P — параметр, равный При увеличении тока эмиссии (p/c > 0.5, где отношению амплитуды продольного электростатическоp — плазменная частота, c — циклотронная частота) го поля к поперечному.

в токе МИП возникают колебания, связанные с развиПри анализе сложной динамики движения электронов тием турбулентности в электронном потоке (рис. 5, d).

в МИП с помощью ЭВМ представляло интерес изучение Электронные траектории, начиная с некоторого моменповедения системы при изменении управляющих парата, под действием сил накопленного пространственного метров, коими в данном случае являлись ток эмиссии, заряда начинают совершать некоторый общий ”дрейф” в длина катода, длина дрейфа (под длиной дрейфа в данпродольном направлении. Характер электронных траекном случае понимается длина неэмиттирующей области торий с данного момента времени совершенно меняется, катода) и параметр P = Es/Ea (отношение продольной и часть электронного потока (этой критической длины) Es и поперечной Ea составляющих электрических полей).

напоминает жидкость с турбулентностью: существует Остальные параметры, такие как магнитная индукция, некоторое ”дрейфовое” движение ”струи”), на которое начальная скорость электронов, расстояние между анонакладывается неупорядоченное движение каждой отдом и катодом и пр., фиксировались. Следует отметить, дельной ”струи”, а также всех других ”струй”. Спектр что ток эмиссии, длины катода и дрейфа являются таких колебаний достаточно широк и сосредоточен в НЧ общими для моделей МИП, магнитного диода и пушки области (рис. 3, d). При еще большем токе эмиссии M-типа.

хаотизация в потоке возникает при меньших значениях Результатом проведенного численного эксперимента длины дрейфа и приводит к мощному широкополосному являются рисунки электронных траекторий, временные спектру выходного тока (рис. 6, a).

реализации тока пушки и наведенного тока, спектраль- Эти сценарии перехода к хаосу несколько напоминают ные характеристики (рис. 3–6). сценарии перехода к хаосу Ландау (для турбулентности), Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сложная динамика и явления динамического хаоса в потоке заряженных частиц... Рис. 3. Трансформация спектра выходного тока МИП с малым током эмиссии (p/c = 0.16) при изменении длины катода Lk = 1 (a), 2 (b), 5 (c), 10 mm(d).

однако имеются и некоторые отличия. При определенном выводится следующий слой (рис. 8, 9). В результате значении параметра в системе имеется стационарный можно сделать следующие выводы. Решение наиболее ток. Затем при изменении параметра возникают иногда устойчиво, когда слои вылетают на каждом шаге или одночастотные, а чаще сразу квазипериодические коле- максимум на каждом пятом–шестом шаге и когда шаг бания. Потом число составляющих в спектре растет, решения (число долей ) лежит в интервале от 15 до спектр начинает зашумляться. Далее, при продвижении 30 (оптимальное значение — 25). Следует отметить, по параметру происходит разрежение спектра, затем что выбор такого достаточно крупного значения шага опять зашумление, и так несколько раз. При дальней- решения диктуется вычислительными трудностями.

шем изменении параметра окончательно осуществляется переход в режим сильной турбулентности. Также было обнаружено, что при некоторых промежуточных пара- Результаты экспериментальных метрах колебания тока МИП могут вообще пропадать.

исследований Это происходит в достаточно узких областях значений параметров. Ток пушки становится стационарным. Затем Объектом исследования являлся макет МИП (рис. 10), снова устанавливаются квазипериодические колебания, в котором использовался катод конической формы с которые впоследствии трансформируются в турбулент- эмиттирующим металлопористым термопояском шириные, а затем вновь срываются. Подобные ”срывы” могут ной 1.5 mm, управляющие электроды и анод. Ширина повторяться несколько раз (наблюдали для фиксирован- зазора анод–коллектор составляла 3 mm. Угол наклона ных параметров три ”срыва”) (рис. 6).

поверхности катода к оси составлял 15.

Анализ величин спектральной плотности интенсивно- Для анализа колебательных явлений в пучках МИП иссти колебаний тока в магнетронно-инжекторной пушке пользовался анализатор, представляющий собой отрезок показал, что в режимах развитого хаоса они на 6-7 по- спиральной замедляющей системы, закрепленный в экрарядков выше, чем соответствующие величины, обус- не с помощью керамических стержней и согласованный ловленные дробовым эффектом в электронных пушках с выводом энергии (с помощью отрезка замедляющей (рис. 7).

системы измеряется спектральная плотность мощности Также был проведен анализ устойчивости решения шума (СПМШ)). За анализатором располагался коллекв различных интервалах значений управляющих пара- тор электронов (высокочастотный зонд), который через метров. В частности, было исследовано значение от- согласующие элементы соединялся с выводом энергии.

носительной ширины спектра от шага решения (числа Коллектор представляет собой отрезок коаксиальной долей ), а также от количества слоев, через которые линии, позволяющей измерять спектральную плотность Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 86 Ю.А. Калинин, В.Н. Кожевников, А.Г. Лазерсон, Г.И. Александров, Е.Е. Железовский Рис. 4. Трансформация траекторий электронов и вида спектров при изменении параметра P: a, b — 0.01; c, d — 0.25; e, f —2.(La-k — расстояние анод–катод).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сложная динамика и явления динамического хаоса в потоке заряженных частиц... Рис. 5. Трансформация электронных траекторий МИП при изменении длины катода.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 88 Ю.А. Калинин, В.Н. Кожевников, А.Г. Лазерсон, Г.И. Александров, Е.Е. Железовский Рис. 6. Спектры (a, d) и реализации тока пушки (Ip) и наведенного тока (Iint) (b, c, d) при увеличении тока эмиссии I0: a, b — 1.442; c — 1.443–1.449; d, e — 1.450 A.

интенсивности шума (СПИШ). Исследования проводи- от 200 MHz до 6 GHz при различных режимах работы лись на разборной вакуумной установке при непрерыв- МИП. Наиболее интенсивные колебания наблюдаются ной откачке [6]. Магнитное поле в исследуемом маке- в низкочастотной части СВЧ диапазона (400–500 MHz).

те создавалось постоянными магнитами; максимальная При увеличении ускоряющего напряжения и тока пучвеличина напряженности магнитного поля составляла 2000 Oe.

В установке была предусмотрена возможность продольного и поперечного перемещения магнитной фокусирующей системы. Измерения проводились в импульсном режиме (анодная модуляция). На другие электроды МИП напряжения подавались от источников постоянного напряжения. Сигналы с анализаторов (спираль, ВЧ зонд) измерялись с помощью анализатора спектра типа С4-60 (диапазон от 200 MHz до 19 GHz) и высокочастотного анализатора С1-74. Для анализатора использовались также высокодобротные (полоса частот 2–4 MHz) фильтры с полосами перестройки 1–2 и 2–4 GHz с записью детектируемого выходного сигнала с помощью ЭПП-09.

Рис. 7. Зависимость спектральной плотности интенсивности На рис. 11 представлены типичные спектры гене- шума S от тока эмиссии I0: 1 — теоретическая кривая, 2 — рации стохастических колебаний в пучке в диапазоне дробовой шум.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сложная динамика и явления динамического хаоса в потоке заряженных частиц... Таким образом, в интенсивных электронных пучках систем с МИП возникают хаотические колебания, механизм возникновения которых связан с наличием виртуальных катодов, а их параметры могут изменяться (регулироваться) путем изменения напряжения на электродах, амплитуды и распределения магнитного поля, а также величины и ”качества” (одночастотный, многочастотный, шумоподобный) внешнего сигнала, поступающего как от внешнего источника СВЧ колебаний, так и по цепи обратной связи с выхода отрезка спиральной системы.

Рис. 8. Зависимость относительной ширины спектра ( f / f0) от числа слоев, через которые выводится следующий слой (n).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.