Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Рыскин Н. М., Рожнев А. Г., Гинзбург Н. С., Зотова И. В. Нелинейная динамика лампы обратной волны как отправная точка развития нестационарной СВЧ-электроники // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 4. С. 480-514. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-4-480-514

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 181)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Обзорная статья
УДК: 
530.182

Нелинейная динамика лампы обратной волны как отправная точка развития нестационарной СВЧ-электроники

Авторы: 
Рыскин Никита Михайлович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Рожнев Андрей Георгиевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Гинзбург Наум Самуилович, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Зотова Ирина Валерьевна, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Аннотация: 

Цель – обзор исследований нестационарных нелинейных явлений в лампах обратной волны (ЛОВ). Методы. Численное моделирование на основе нестационарной одномерной, двумерной и трехмерной нелинейной теории взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в приближении медленно меняющихся амплитуд. Результаты. Представлены основные результаты нестационарной нелинейной теории ЛОВ О- и М-типа. Описана типичная последовательность бифуркаций, которая наблюдается как в вычислительных, так и в натурных экспериментах при увеличении тока электронного пучка. Демонстрируется существование различных типов хаотического поведения. Обсуждаются нестационарные процессы в ЛОВ со сверхразмерными электродинамическими системами: дифракционная селекция мод, а также генерация импульсов черенковского сверхизлучения короткими электронными сгустками. Выводы. Нестационарная нелинейная теория явилась мощным инструментом для моделирования электронно-волнового взаимодействия в ЛОВ, а впоследствии и в других приборах сверхвысокочастотной электроники. На ее основе реализованы алгоритмы и компьютерные программы моделирования нестационарных процессов, которые в настоящее время широко используются в фундаментальных и прикладных исследованиях и не только обеспечивают анализ различных режимов взаимодействия в известных схемах электронных приборов, но и позволяют предлагать и проводить анализ новых схем, для которых малоэффективны стандартные стационарные подходы.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке государственных заданий Саратовского филиала ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и Института прикладной физики РАН, Нижний Новгород (номер темы 0035-2019-0001)
Список источников: 
  1. Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Две лекции по нестационарной теории взаимодействия электронных пучков с электромагнитными волнами // Лекции по электронике СВЧ (3-я зимняя школа–семинар инженеров). Кн. 5. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1974. C. 88–142.
  2. Электроника ламп с обратной волной / Под ред. В. Н. Шевчика и Д. И. Трубецкова. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975. 195 с.
  3. Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Нестационарные нелинейные явления при взаимодействии электронного потока, движущегося в скрещенных полях, с обратной электромагнитной волной // Известия вузов. Радиофизика. 1977. Т. 20, № 2. C. 300–312.
  4. Гинзбург Н. С., Кузнецов С. П., Федосеева Т. Н. Теория переходных процессов в релятивистской ЛОВ // Известия вузов. Радиофизика. 1978. Т. 21, № 7. C. 1037–1052.
  5. Безручко Б. П., Булгакова Л. В., Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Экспериментальное и теоретическое исследование стохастических автоколебаний в лампе обратной волны // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (5-я зимняя школа–семинар инженеров). Кн. 5. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1980. C. 25–77.
  6. Безручко Б. П., Кузнецов С. П. Экспериментальное исследование нестационарных процессов в ЛОВО генераторе // Известия вузов. Радиофизика. 1978. Т. 21, № 7. C. 1053–1059.
  7. Безручко Б. П., Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Экспериментальное наблюдение стохастических автоколебаний в динамической системе электронный пучок – обратная электромагнитная волна // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 29, № 3. C. 180–184.
  8. Безручко Б. П., Булгакова Л. В., Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Стохастические автоколебания и неустойчивость в лампе обратной волны // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, № 6. C. 1136–1139.
  9. Трубецков Д. И., Четвериков А. П. Автоколебания в распределенных системах «электронный поток – встречная (обратная) электромагнитная волна» // Известия вузов. ПНД. 1994. Т. 2, № 5. C. 9–34.
  10. Кузнецов С. П. Нелинейная динамика лампы обратной волны: автомодуляция, мультистабильность, контроль // Известия вузов. ПНД. 2006. Т. 14, № 4. C. 3–35. DOI: 10.18500/0869-6632-2006-14-4-3-35.
  11. Кузнецов А. П., Кузнецов С. П. Нелинейные нестационарные уравнения взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем вблизи границы зоны Бриллюэна // Известия вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27, № 12. C. 1575–1583.
  12. Ginzburg N. S., Nusinovich G. S., Zavolsky N. A. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low Q resonators // International Journal of Electronics. 1986. Vol. 61, no. 6. P. 881–894. DOI: 10.1080/00207218608920927.
  13. Бункин Б. В., Гапонов-Грехов А. В., Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д., Месяц Г. А., Осипов М. Л., Отливанчик Е. А., Петелин М. И., Прохоров А. М., Ростов В. В., Сараев А. П., Сисакян И. П., Сморгонский А. В., Суворов В. А. Радиолокатор на основе СВЧ-генератора с релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18, № 9. C. 61–65.
  14. Ginzburg N. S., Novozhilova N. Y., Zotova I. V., Sergeev A. S., Peskov N. Y., Phelps A. D. R., Wiggins S. M., Cross A. W., Ronald K., He W., Shpak V. G., Yalandin M. I., Shunailov S. A., Ulmaskulov M. R., Tarakanov V. P. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 60, no. 3. P. 3297–3304. DOI: 10.1103/PhysRevE.60.3297.
  15. Korovin S. D., Eltchaninov A. A., Rostov V. V., Shpak V. G., Yalandin M. I., Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Zotova I. V. Generation of Cherenkov superradiance pulses with a peak power exceeding the power of driving short electron beam // Phys. Rev. E. 2006. Vol. 74, no. 1. P. 016501. DOI: 10.1103/PhysRevE.74.016501.
  16. Месяц Г. А., Яландин М. И. Пикосекундная электроника больших мощностей // УФН. 2005. Т. 175, № 3. C. 225–246. DOI: 10.3367/UFNr.0175.200503a.0225.
  17. Deacon D. A. G., Elias L. R., Madey J. M. J., Ramian G. J., Schwettman H. A., Smith T. I. First operation of a free-electron laser // Phys. Rev. Lett. 1977. Vol. 38, no. 16. P. 892–894. DOI: 10.1103/PhysRevLett.38.892.
  18. Bogomolov Y. L., Bratman V. L., Ginzburg N. S., Petelin M. I., Yunakovsky A. D. Nonstationary generation in free electron lasers // Optics Communications. 1981. Vol. 36, no. 3. P. 209–212. DOI: 10.1016/0030-4018(81)90359-X.
  19. Dumbrajs O., Nusinovich G. S. Azimuthal instability of radiation in gyrotrons with overmoded resonators // Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12, no. 5. P. 053106. DOI: 10.1063/1.1900603.
  20. Гинзбург Н. С., Малкин А. М., Железнов И. В., Заславский В.Ю., Сергеев А. С. Стимулированное черенковское излучение релятивистского электронного пучка, движущегося над периодически-гофрированной поверхностью (квазиоптическая теория) // ЖЭТФ. 2013. Т. 144, № 6. C. 1115–1128.
  21. Ginzburg N. S., Peskov N. Y., Sergeev A. S., Phelps A. D. R., Konoplev I. V., Robb G. R. M., Cross A. W., Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L. Theory and design of a free-electron maser with two-dimensional feedback driven by a sheet electron beam // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 60, no. 1. P. 935–945. DOI: 10.1103/PhysRevE.60.935.
  22. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С., Заславский В.Ю., Аржанников А.В., Синицкий С.Л. Двумерная распределенная обратная связь как метод генерации мощного когерентного излучения от пространственно-развитых релятивистских электронных пучков // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 6. C. 575–632. DOI: 10.18500/0869-6632-2020-28-6-575-632.
  23. Гинзбург Н. С., Зотова И. В. Электроника СВЧ как искусство управления потоками энергии // Известия вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 5. C. 51–83. DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-5-51-83.
  24. Antonsen T. M., Levush B. Mode competition and suppression in free electron laser oscillators // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1989. Vol. 1, no. 5. P. 1097–1108. DOI: 10.1063/1.858980.
  25. Miller S. M., Antonsen T. M., Levush B., Bromborsky A., Abe D. K., Carmel Y. Theory of relativistic backward wave oscillators operating near cutoff // Phys. Plasmas. 1994. Vol. 1, no. 3. P. 730–740. DOI: 10.1063/1.870818.
  26. Ginzburg N. S., Malkin A. M., Sergeev A. S., Zotova I. V., Zaslavsky V. Y., Zheleznov I. V. 3D quasioptical theory of terahertz superradiance of an extended electron bunch moving over a corrugated surface // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110, no. 18. P. 184801. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.184801.
  27. Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Советское радио, 1973. 400 с.
  28. Вайнштейн Л. А. Переходные процессы при возбуждении волноводов // Известия вузов. ПНД. 1998. Т. 6, № 1. C. 21–24.
  29. Кац А. М., Ильина Е. М., Манькин И. А. Нелинейные явления в СВЧ приборах О–типа с длительным взаимодействием. М.: Советское радио, 1975. 296 с.
  30. Шевчик В. Н., Трубецков Д. И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.: Советское радио, 1970. 584 с.
  31. Бочаров Е. П., Гаврилов М. В., Лёвин Ю. И., Соколов Д. В., Трубецков Д. И., Шараевский Ю. П. Теория лучевых приборов магнетронного типа // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (2-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 5. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1972.
  32. Feinstein J., Kino G. S. The large-signal behavior of crossed-field traveling-wave devices // Proc. IRE. 1957. Vol. 45, no. 10. P. 1364–1373. DOI: 10.1109/JRPROC.1957.278222.
  33. Рыскин Н. М., Трубецков Д. И. Нелинейные волны. М.: ЛЕНАНД, 2017. 312 с.
  34. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984. 432 с.
  35. Кузнецов А. П., Кузнецов С. П., Рыскин Н. М. Нелинейные колебания. М.: ЛЕНАНД, 2020. 352 с.
  36. Кузнецов С. П. Динамический хаос. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 296 с.
  37. Рыскин Н. М., Титов В. Н., Трубецков Д. И. Детали перехода к хаосу в системе электронный пучок – обратная электромагнитная волна // Доклады Академии Наук. 1998. Т. 358, № 5. C. 620–623. 
  38. Рыскин Н. М., Титов В. Н. О сценарии перехода к хаосу в однопараметрической модели лампы обратной волны // Известия вузов. ПНД. 1998. Т. 6, № 1. C. 75–92.
  39. Ryskin N. M., Titov V. N. Nonlinear dynamics of the backward–wave oscillator // J. Commun. Technol. Electron. 2000. Vol. 45, Suppl. 1. P. S46–S52.
  40. Рыскин Н. М., Титов В. Н. Исследование автомодуляционных режимов колебаний в релятивистской лампе обратной волны // Известия вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 6. С. 566–572.
  41. Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. Хаос и гиперхаос в лампе обратной волны // Известия вузов. Радиофизика. 2004. Т. 48, № 5–6. С. 383–398.
  42. Blokhina E. V., Kuznetsov S. P., Rozhnev A. G. High-dimensional chaos in a gyrotron // IEEE Trans. Electron Devices. 2007. Vol. 54, no. 2. P. 188–193. DOI: 10.1109/TED.2006.888757.
  43. Розенталь Р. М., Исаева О. Б., Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С., Рожнев А. Г., Тараканов В. П. Автомодуляционные и хаотические режимы генерации в двухрезонаторном гироклистроне с запаздывающей обратной связью // Известия вузов. ПНД. 2018. Т. 26, № 3. С. 78–98. DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-3-78-98.
  44. Ковалев Н. Ф., Петелин М. И. Селекция мод в высокочастотных релятивистских электронных генераторах с распределенным взаимодействием // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Проблемы повышения мощности и частоты излучения. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. С. 62–100.
  45. Rehler N. E., Eberly J. H. Superradiance // Phys. Rev. A. 1971. Vol. 3, no. 5. P. 1735–1751. DOI: 10.1103/PhysRevA.3.1735.
  46. Каценеленбаум Б. З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 215 с.
  47. Power J. G. Overview of photoinjectors // AIP Conference Proceedings. 2010. Vol. 1299, no. 1. P. 20–28. DOI: 10.1063/1.3520316. 
Поступила в редакцию: 
16.06.2021
Принята к публикации: 
30.06.2021
Опубликована: 
30.07.2021