Розв'язано теоретично й експериментально питання формування гвинтових електронних потоків різної щільності в магнітних полях з реверсом, у схрещених магнітних полях та у адіабатичних магнітних полях на окремих ділянках. Знайдено області проходження та непроходження щільного нерелятивістського електронного потоку в магнітних періодичних фокусувальних системах в залежності від параметрів реверсивних зон. Одержано умови вводу та транспортування щільного нерелятивістського електронного потоку в магнітній системі типу ондулятора Моца в присутності провідного магнітного поля. Знайдено режими вводу гвинтового електронного потоку в адіабатичне зростаюче магнітне поле для пучків з різною щільністю просторового заряду.

  Скачати повний текст

Об'єкт дослідження – формування та поширення нерелятивістських щільних стрічкових електронних пучків та процеси електронно-хвильової взаємодії в ТГц клінотронах. Мета – виявлення фізичних особливостей електронно-хвильової взаємодії в надрозмірних електро-динамічних системах ТГц клінотронів. Методи досліджень i апаратура – 3-D моделювання траєкторій електронних пучків та розрахунків електронно-хвильової взаємодії, вимірювання шорсткості поверхні методами оптичної інтерферометрії, дослідження параметрів випромі-нювання каліброваними приладами. Результати i новизна – розроблено розрахункову модель електронно-хвильової взаємодії клінотрона з урахуванням високочастотних омічних втрат, викликаних як шорсткістю поверхні, так і тепловим навантаженням на гребінку. Розроблена теоретична модель в ТГц клінотроні враховує відбиття і трансформацію електромагнітних хвиль в областях з'єднання системи, що сповільнює рух хвиль, з хвилеводними трактами, а також розкид повздовжніх швидкостей електронів за товщиною потоку. Розроблена модель дозволила пояснити ефекти резонансного збудження ТГц клінотронів, а також механізми підвищення потужності випромінювання і збудження багаточастотного режиму в ТГц клінотронах у разі застосування несиметричної електронно-оптичної системи, що були експериментально досліджені в діапазоні частот від 100 до 400 ГГц в клінотронах, що містять або звичайну плоску гребінку, або багатоступеневу гребінку. Було розроблено контур стабілізації потужності та частоти випромінювання для ТГц клінотронів із застосуванням розробленого високовольтного джерела живлення та схеми пропорційно-інтегрально-диференціального управління, за рахунок чого експериментально отримано довгострокову стабільність вихідної потужності 0,5% та стабільність частоти 5 МГц на частоті 300 ГГц для клінотрону з вихідною потужністю 100 мВт. Галузь застосування –ЯМР-ДПЯ спектроскопія, ТГц-бачення, ТГц-томографія, фізична електроніка.^UObject of the study – Formation and propagation of a nonrelativistic intensive sheet electron beams and the beam-wave interaction processes in THz clinotrons. Purpose – Physical features of beam-wave interaction revealing in oversized electromagnetic systems of THz clinotrons. Research Methods and Apparatus – 3-D simulation of electron beam trajectories and the simulation of beam-wave interaction, optical interferometry in measurements of surface roughness, precise equipment in measurements of electromagnetic radiation parameters. Results and novelty –Theoretical model of beam-wave interaction in clinotron oscillator considering high-frequency ohmic losses caused by both the surface roughness and thermal heating of the grating structure has been developed. The theoretical model of THz clinotron considers the reflections and transformation of electromagnetic waves at the edges of slow-wave structure connecting with waveguides and electron velocity spread along the beam thickness. Developed theoretical model allows us to explain the effect of the resonant excitation of THz clinotrons as well as both the enhancement of radiation power and the excitation of multimode operation in THz clinotrons in the case of the application of nonsymmetrical electron-optical system, that was experimentally studied in the frequency range from 100 to 400 GHz in clinotrons containing either conventional slow-wave structure or multistage grating. The power and frequency stabilization loops for THz clinotrons were developed using both in-house designed high-voltage power supply and the proportional-integral-differential control scheme, that resulted in experimentally achieved output power stability of 0.5% and the frequency stability of 5 MHz for 300 GHz clinotron with the output power of 100 mW. Field of application –DNP NMR spectroscopy, THz-vision, THz-tomography, physical electronics.

Мета роботи – визначення нових режимів генерації в компактних низьковольтних електронно-вакуумних приладах міліметрового та субміліметрового діапазонів з метою підвищення ефективності електронно-хвильової взаємодії. Об'єктом дослідження є процеси формування та транспортування низьковольтних інтенсивних електронних пучків різних конфігурацій, а також процеси їх взаємодії з електромагнітними хвилями в електронно-вакуумних приладах мм та субмм діапазонів. Методи дослідження: метод Рунге – Кутта, метод часткових областей, метод перерозкладень. Теоретичні та практичні результати: показано низьковольтний ефективний режим роботи мазерів на циклотронному резонансі з перестроюванням частоти, а також нові режими електронно-хвильової взаємодії в клинотронах міліметрового та субміліметрового діапазонів. Новизна: отримано нові режими генерації низьковольтних вакуумних електронних приладів міліметрового та субміліметрового діапазонів із підвищенною ефективністю та стабільністю. Ступень упровадження: Результати роботи можуть бути використаними при підготовці та проведені навчальних лекцій у вищих навчальних закладах Міністерства освіти і науки України, де досліджується науковий напрям з фізичної електроніки та фізики пучків заряджених частинок. Сфера використання: результати досліджень може бути використано в фізичній електроніці, спектроскопії медичних та біологічних об'єктів.^UThe purpose of the dissertation work is to determine new regimes of generation in compact low-voltage vacuum electron devices of millimeter and submillimeter ranges in order to increase the efficiency of beam-wave interaction. The object of the research is the processes of a formation and transportation of low-voltage intense electron beams of various configurations, as well as the processes of their interaction with electromagnetic waves in vacuum electron devices of millimeter and submillimeter ranges. Research methods: Runge - Kutta method, mode matching technique, method of decomposition. Theoretical and practical results: low-voltage effective operation of cyclotron resonance masers with frequency tuning is shown, as well as new regimes of beam-wave interaction in clinotrons of millimeter and submillimeter ranges. Novelty: new regimes of operation of low-voltage vacuum electron devices of millimeter and submillimeter ranges with increased efficiency and stability are obtained. Implementation: The results of the work can be used in the preparation and presentation of educational lectures in high educational institutions of the Ministry of Education and Science of Ukraine, which studies the scientific field of physical electronics and physics of charged particle beams. Scope: research results can be used in physical electronics, spectroscopy of medical and biological objects.