Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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

Для цитирования:

Трубецков Д. И., Калинин Ю. А., Стародубов А. В., Фокин А. С. Турбулентность в электронике сверхвысоких частот: теоретические подходы и результаты экспериментов // Известия вузов. ПНД. 2016. Т. 24, вып. 5. С. 4-36. DOI: 10.18500/0869-6632-2016-24-5-4-36

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF 2016no5p004.pdf
(загрузок: 237)
Полный текст в формате PDF(En):
Иконка PDF trubetskov_eng.pdf
(загрузок: 86)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Обзоры актуальных проблем нелинейной динамики
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
533.9:530.182; 533.951.7, 537.86/.87:530.182, 621.385.6.029.6
DOI: 
10.18500/0869-6632-2016-24-5-4-36

Турбулентность в электронике сверхвысоких частот: теоретические подходы и результаты экспериментов

Авторы: 
Трубецков Дмитрий Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Калинин Юрий Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Стародубов Андрей Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Фокин Александр Сергеевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Аннотация: 

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. 

Ключевые слова: 
электронный поток
турбулентность
неустойчивость
вихрь
генератор
широкополосная СВЧ-генерация
Список источников: 
  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.
Поступила в редакцию: 
11.10.2016
Принята к публикации: 
31.10.2016
Опубликована: 
31.10.2016
Краткое содержание:
Иконка PDF a2016no5p004_0.pdf
(загрузок: 109)
  • 2046 просмотров