численное моделирование плазменного релятивистского свч

XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 14 – 18 февраля 2011 г.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧУСИЛИТЕЛЯ В ПОЛОСЕ ЧАСТОТ ОТ 2,7 ДО 3,5 ГГЦ
И.Л. Богданкевич, П.С. Стрелков
Институт общей физики им. А.М. Прохорова, Москва, Россия, bira@fpl.gpi.ru
Первые эксперименты [1-2] показали, что плазменный СВЧ-усилитель легко переходит в
режим генерации из-за отражений волн от перехода плазменного волновода в металлический
волновод выходного устройства, что обеспечивают положительную обратную связь. Только в
2004 году [3] удалось добиться устойчивого режима усиления. Это было достигнуто при
использовании СВЧ-поглотителя внутри плазменного волновода и при значениях магнитного
поля, при которых выполняется условие подавления волны отражённой от выходного
устройства. Это подавление основано на нормальном эффекте Доплера. В работе [4] было
продемонстрировано хорошее согласие результатов экспериментального исследования и
численного моделирования плазменного релятивистского СВЧ-усилителя на одной частоте
внешнего сигнала 3,24 ГГц. В экспериментальной работе [5] показано, что плазменный
усилитель может работать на двух частотах 2 и 3,24 ГГц. Однако коэффициент усиления на
этих двух частотах существенно отличался. На следующем этапе экспериментальных
исследований стоит задача достижения постоянства коэффициента усиления в полосе частот
2,7 - 3,5 ГГц. Электронная перестройка частоты в такой полосе является рекордной для
релятивистских СВЧ-приборов Для этой цели ведутся эксперименты на частотах 2,715; 2,831;
3,097; 3,24 и 3,5 ГГц. Настоящий доклад посвящён численному моделированию плазменного
релятивистского СВЧ-усилителя для этих значений частот входного сигнала. Численное
моделирование эксперимента проводилось с помощью программы «Карат» [6]. В результате
расчетов были получены зависимости амплитуды выходного электрического поля на частоте
входного сигнала от плотности плазмы, амплитуды внешнего сигнала и величины индукции
внешнего магнитного поля. Усиление на фиксированной частоте должно наблюдаться только в
определённом диапазоне значений плотности плазмы. Из расчетов следует, что для
достижения максимального коэффициента усиления на более высоких частотах входного
сигнала требуется более высокое значение плотности плазмы. Тем не менее, для каждой
частоты можно подобрать значение плотности плазмы плавно увеличивающееся с ростом
частоты, при котором амплитуда спектра напряжённости электрического поля будет постоянна
на уровне 25 -30 кВ/см. Существует такое значение входного сигнала, когда выходная
мощность около100 МВт для всех частот, а коэффициент усиления равен 40 дБ. Были
получены расчётные зависимости амплитуды спектра электрического поля выходного
излучения от величины магнитного поля при заданных частотах внешнего сигнала. Эти
зависимости имеют различный вид для разных частот, тем менее можно определить величину
внешнего магнитного поля, при которой на всех частотах входного сигнала в системе будет
наблюдаться режим усиления. Работа выполнена в рамках Государственного Контракта
№П940 Министерства науки и образования Российской Федерации.
Литература
[1]. Пономарев А.В., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г.//Физика плазмы, 1998, т24, №1, с5357
[2]. Пономарев А.В, Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. // Физика плазмы, 2000, т.26, №7,
с.633-638.
[3]. Пономарев А. В., Стрелков П. С. //Физика плазмы, 2004, т. 30, №1, с. 66-72.
[4]. И.Л.Богданкевич, И.Е.Иванов, П.С.Стрелков//Физика плазмы, 2010, т.36, №9,с.815–825
[5]. И.Е.Иванов, П.С.Стрелков, Д.В.Шумейко // РиЭ, 2009, т.54, №9, с.1091-1098.
[6]. V.P.Tarakanov. «User’s Manual for Code KARAT» - Springfield, VA: Berkley Research
Associates, Inc. — 1992.
1