ТУРБУЛЕНТНОСТЬ В ЭЛЕКТРОНИКЕ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Представлен обзор современного состояния различных теоретических подходов к описанию турбулентности в электронных потоках и электронных приборах сверхвысоких частот (СВЧ). Выделены и рассмотрены три вида турбулентных (неламинарных) электронных потоков. Первый вид обусловлен пересечением электронных траекторий (например, за счет тепловых скоростей) и присущ всем электронным потокам. Турбулентность второго вида возникает благодаря неустойчивости электронных потоков, из-за которой малые возмущения нарастают экспоненциально (к таким неустойчивостям относятся диокотронная и slipping-неустойчивость). Третий вид – вихревая турбулентность, начало которой кладёт филаментаризация потока. Образующиеся заряженные нити взаимодействуют между собой, что приводит к образованию вихревых структур; присутствие последних повышает число коллективных степеней свободы и может привести к турбулентности. Изложены результаты экспериментального исследования турбулентных электронных потоков и генераторов с их использованием в автономном режиме и при подаче внешнего сигнала. Исследованы различные типы широкополосных генераторов СВЧ-колебаний. Обсуждаются феноменологические модели турбулентного электронного потока, представляющие собой цепочки из сверхизлучающих сгустков, содержащих электроны-осцилляторы, цепочки «вихрей», которые описываются модифицированными уравнениями ван дер Поля.

DOI: 10.18500/0869-6632-2016-24-5-4-36

 

Ссылка на статью: Трубецков Д.И., Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Фокин А.С. Турбулентность в электронике сверхвысоких частот: Теоретические подходы и результаты экспериментов // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2016. Т. 24, No 5. С. 4–36.

 
 
Литература

1. Гладун А.Д. Феноменологическая теория турбулентных электронных потоков // Электронная техника. 1966. No 8. С. 39–53.

2. Miller M. Quasi-Brillouin electron stream // Journal of Applied Physics. 1961. Vol. 32, Iss. 9. P. 1791–1793.

3. Мурье Ж. Теория слабого сигнала // «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями». Том I, разделы V и XII. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961.

4. Kyhl R.L. and Webster H.R. Breakup of hollow cylindrical electron beams // IRE Transactions on Electron Devices. 1956. ED-3. P. 172–183.

5. Levy R.H. Diocotron instability in cylindrical geometry // The Physics of Fields.1965. Vol. 8, Iss. 7. P. 1288–1295.

6. Levy R.H. and Hockney R.W. Computer experiments on flow-density cross-fields electron beam // The Physics of Fields. 1968. Vol. 8. P. 766–771.

7. Лейман В.Г. Адиабатическая теория неустойчивости электронных потоков в скрещенных полях // Электронная техника. 1968. No 8. C. 26–34.

8. Гладун А.Д., Лейман В.Г. К теории гидродинамической устойчивости электронных потоков в вакууме // ЖТФ. 1970. Т. 15, No 12. C. 2513–2517.

9. Карбушев Н.И., Удовиченко С.Ю. К теории slipping-неустойчивости релятивистских электронных пучков // ЖТФ. 1983. Т. 53, No 9. C. 1706–1709.

10. Лейман В.Г., Никулин М.Г., Розанов Н.Е. Слиппинг-неустойчивость электронного пучка с произвольной степенью замагниченности // ЖТФ. 1989. Т. 59, No 4. C. 111–117.

11. Кузнецов С.П. Турбулентное движение электронного потока в скрещенных полях // ЖТФ. 1977. Т. 47, No 12. C. 2483–2486.

12. Кравченя П.Д. Неустойчивости в релятивистских потоках в скрещенных полях. Дисссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (01.04.04). Волгоград, 2014. ФГАОУ ВПО «Волгоградский государственный университет». 116 с.

13. Шевчик В.Н., Трубецков Д.Н. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.: Сов. радио, 1970. 584 с.

14. Pierce J.R. Instability of Hollow Beams // IRE Transactions on Electron Devices. 1956. ED-4. P. 183–190.

15. Krammer W. Diocotron instability in plasmas and gas discharges // Journal of Applied Physics. 1967. Vol. 37, Iss. 5. P. 602–611.

16. Лейман В.Г. Об устойчивости системы параллельных электронных потоков, фокусируемых магнитным полем // Электронная техника. 1967. Серия 1, No 8.C. 15–26.

17. Сингатуллин Р.М. Численное исследование динамики вихревых структур в сплошных средах, включая плазму. Дисссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (25.00.29, 01.04.03). Казань, 2004. ФГАОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет». 116 с.

18. Рабинович М.И., Сущик М.М. Когерентные структуры в турбулентных течениях. Нелинейные волны. Самоорганизация. М.: Наука, 1983. С. 53–85.

19. Колесниченко А.В. Синергетический подход к описанию стационарно-неравновесной турбулентности астро-геофизических систем // Препринт ИМП им. Келдыша. М.: РАН, 2003. 37 с.

20. Абурджания Г.Д. Самоорганизация нелинейных волновых структур и вихревой турбулентности в диспергирующих средах. М.: КомКнига, 2006. 328 с.

21. Кервамишвили Н.А. Нелинейные нерегулярные структуры в заряженной электронной плазме в скрещенных (E⊥H) полях // ЖТФ. 1990. Т. 60, No 2. C. 78– 84.

22. Driscoll C.F. and Fine K.S. Experiments on vortex dynamics in pure electron plasmas // The Physics of Fields B. 1965. Vol. 2, Iss. 6. P. 1359–1366.

23. Голубь Ю.А., Никулин М.Г., Розанов Н.Е. Вихри в неоднородных некомпенсированных электронных пучках // ЖТФ. 1990. Т. 60, No 9. C. 78–82.

24. Гордеев А.В. Электростатическая вихревая электронная структура в плазме с внешним магнитным полем // Физика плазмы. 2008. Т. 34, No 6. C. 563–566.

25. Бендерский Б.Я. Аэрогидродинамика. Курс лекций с краткими биографиями и интересными случаями из жизни учёных. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2012. 500 с.

26. Калинин Ю.А., Стародубов А.В. Широкополосные генераторы хаотических колебаний на турбулентных электронных потоках с внутренней электронной обратной связью // ЖТФ. 2010. Т. 80, No 12. C. 80–81.

27. Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Муштаков А.В. О турбулентных электронных пучках, формируемых магнетронно-инжекторными пушками // ЖТФ. 2011. Т. 81, No 6. C. 92–96.

28. Калинин Ю.А., Волкова Л.Н. Генератор широкополосных шумоподобных СВЧ-колебаний на турбулентных электронных пучках // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, вып. 14. c. 65–72.

29. Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Волкова Л.Н. Перестраиваемый генератор широкополосных хаотических СВЧ-колебаний на турбулентных пучках // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, вып. 19. C. 52–58.

30. Калинин Ю.А., Стародубов А.В. Сверхнизковольтный генератор широкополосных хаотических СВЧ-колебаний на встречных электронных пучках // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 32, вып. 1. C. 32–39.

31. Мчедлова Е.С., Трубецков Д.И. Особенности излучения в цепочках связанных малых объёмов, содержащих электроны-осцилляторы // ЖТФ. 1994. Т. 64, No 10. C. 158–167.

32. Калинин Ю.А., Кильдякова О.А., Стародубов А.В., Трубецков Д.И. О возможности усиления и генерации гармоник высшей частоты в СВЧ приборе с турбулентным электронным потоком (натурный эксперимент и феноменологическая модель) // Доклады Академии Наук. 2016. Т. 467, No 2. C. 1–4.

33. Каганов В.И. Ветроэнергетические методы предотвращения развития тропического циклона // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, вып. 6. C. 42–48.

34. Жданов С.К., Трубников Б.А. Квазигазовые неустойчивые среды. М.: Наука, гл.ред. физ.-мат. лит., 2001. 176 с.

35. Трубников Б.А. Самоорганизация неустойчивых сред. Точные решения. // Природа. 2007. No 4. C. 68–73.

36. Буланов С.В., Сасоров П.В. Точная нелинейная теория распада электронного пучка на отдельные сгустки в плазме // ЖЭТФ. 1984. Т. 86, вып. 2. C. 479–482.

37. Kalinin Yu.A., Starodubov A.V., Fokin A.S. Effect of the ion background on the spectral and amplitude characteristics of the output signal from the oscillator with the turbulent electron beam // Physics of Wave Phenomena. 2016. Vol. 24, No 3. P. 1–4.

38. Калинин Ю.А., Есин А.Д. Методы физического эксперимента в вакуумной СВЧ- электронике. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1991.

39. Kurkin S.A., Hramov A.E.Influence of external nonuniform magnetic field on the spectral characteristics of a virtual cathode oscillator’s output radiation // Bulletin Russian Academy of Sciences Physics. 2011. Vol. 75(12). P. 1609.

40. Стюарт Иэн Величайшие математические задачи. М.: Альпина нон-фикшн, 2015. 460 с.

41. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных технологий, 2002. 656 с.

42. Фрик П.Г. Турбулентность: Подходы и модели. М.–Ижевск: Институт компьютерных технологий, 2003. 292 с.

43. Новиков Е.А., Стюарт Р.В. Перемежаемость турбулентности и спектр диссипации энергии // Изв. АН СССР. Сер. геофизическая. 1964. No 3. C. 408–413.

44. Frisch U., Sulem P.-L., Nelkin M. A simple dynamic model of intermittent fully developed turbulence // J. Fluid Mechanics. 1978. Vol. 87. P. 719–736.

Статус: 
одобрено к публикации
Краткое содержание (PDF):