Моделирование регулярной и хаотической динамики мощных СВЧ-генераторов с распределенным электронно-волновым взаимодействием

Руководитель группы –д.ф.-м.н. чл.-корр. РАН Н. С. Гинзбург

Ключевые сотрудники – к.ф.-м.н.  Р. М. Розенталь.

План работ

2022

Ожидаемые результаты научных исследований

Разработка нестационарной самосогласованной модели, описывающая влияние разброса по скоростям в электронном пучке на взаимодействие в гирорезонансных приборах с рабочим пространством в виде волноводов с многозаходной винтовой гофрировкой, обеспечивающей связь двух парциальных волн, одна из которых является бегущей, а вторая – квазикритической модой регулярного волновода. Предлагаемая модель будет основана на системе уравнений связанных волн, которая включает уравнение параболического типа для квазикритической волны и уравнение переноса для пространственной гармоники бегущей волны. Считается, что электронный пучок непосредственно возбуждает квазикритическую волну, для чего в правую часть параболического уравнения вводится фактор возбуждения пропорциональный гармонике высокочастотного тока. Указанный ток, в свою очередь, находится из уравнений движения электронов, которые, также как и в модели гиротрона, представляют собой уравнения неизохронных осцилляторов. При этом принципиальным будет являться удержание в левой части уравнений движения производной по времени, которая, фактически, отвечает за конечность времени пролета через пространство взаимодействия. На языке дисперсионных характеристик учет этого члена приводит к наклону линии электронного пучка на плоскости «волновое число – частота» с углом наклона, определяемым поступательной скоростью частиц. Введение разброса по скоростям приводит к тому, что различным фракциям электронного пучка соответствуют дисперсионные характеристики с различным углом наклона. В свою очередь интегрирование уравнений движения каждой фракции пучка будет выполняться по своей характеристике. Результат: программный код, позволяющий выполнять расчеты нестационарных процессов в гирорезонансных приборах на основе винтового гофрированного волновода с учетом начального разброса электронов по поперечным скоростям.

Способ обнародования результатов: 1 статья, индексируемая в WoS/Scopus, квартиль журнала Q2; 1 доклад на научной конференции. (Н. С. Гинзбург, ИПФ РАН)

2023

Ожидаемые результаты научных исследований

Поиск способов регуляризации процессов возникновения экстремальных событий большой интенсивности (т.н. “волн-убийц”) в гиротронах в условиях большой надкритичности. Пиковая мощность подобных событий может на порядок превосходить среднюю мощность запитывающего электронного потока, при этом получаемые электромагнитные импульсы характеризуются чрезвычайно малой длительностью, составляющей несколько десятков периодов высокочастотного поля и, как следствие, имеют значительную ширину спектра (10-50%). К настоящему моменту достаточно понятным является механизм возникновения волн-убийц в гиротронах, включающий в себя формирование относительно длинного импульса на обратной волне, преобразование его в импульс на бегущей волне и последующий процесс усиления, включающий в себя отбор не только поперечной, но и продольной энергии электронного потока, сопровождающийся укорочением длительности импульса. Вместе с тем, случайный характер формирования инициирующих импульсов на обратной волне приводит к очень большому разбросу параметров волн-убийц, вследствие чего их практическое применение становится весьма непростой задачей. Можно предположить, что регуляризация возникновения инициирующих импульсов позволит реализовать генератор периодических последовательностей мощных ультракоротких импульсов. Среди возможных путей достижения этого будут рассмотрены режимы пространственной самосинхронизации мод в гиротроне, а также режимы внешнего синхронизирующего воздействия одночастотным и многочастотными сигналами. Результат: схемы генераторов регулярных последовательностей мощных ультракоротких СВЧ импульсов на основе гиротронов. 

Способ обнародования результатов: 1 статья, индексируемая в WoS/Scopus, квартиль журнала Q2; 1 доклад на научной конференции. (Н. С. Гинзбург, ИПФ РАН)

2024

Ожидаемые результаты научных исследований

Исследование процессов обобщенной синхронизации в моделях гирорезонансных приборов, работающих в хаотических и гипер-хаотичесикх режимах. Гирезонансные приборы играют значительную роль в физике и технике миллиметровых волн, представляющих значительный интерес с точки зрения развития систем связи. При этом ведутся активные исследования путей повышения защищенности каналов связи, основанные на использовании излучения с хаотической динамикой. В частности, на основе режимов обобщенной синхронизации. Для исследования подобных задач необходима разработка математической модели двух связанных генераторов, включающей в себя нестационарные усредненные интегро-дифференциальные уравнения, описывающие возбуждение рабочей волны винтовым электронным потоком, и уравнения движения макрочастиц в поле рабочей волны. Одновременно в уравнениях движения, наряду с учетом изменения поперечного импульса макрочастиц, необходимо учесть и изменения продольного импульса для корректного моделирования короткоимпульсных процессов. Обязательным при этом является и учет начального разброса электронов по поперечным скоростям, оказывающий заметное влияние на бифуркационные значения токов, соответствующих реализации автомодуляционных и хаотических режимов генерации. Результат: программный код, позволяющий исследовать процессы обобщенной синхронизации в связанных генераторах гирорезонансного типа. 

Способ обнародования результатов: 1 статья, индексируемая в WoS/Scopus, квартиль журнала Q2; 1 доклад на научной конференции.(Н. С. Гинзбург, ИПФ РАН)