close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101315

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Петров Петр Витальевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ
И РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКОИМПУЛЬСНОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Специальность 01.04.V2 «Теоретическая физика»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
г. Снежинск — 2005
Работа выполнена в Российском Федеральном Ядерном Центре —
Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики
им. академика Е.И. Забабахина.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Симоненко В.А.
доктор физико-математических наук, Терехин В.А.
доктор физико-математических наук, профессор Яловец А.П.
Ведущая организация:
Ф Г У П Научно-исследовательский институт импульсной техники
Защита состоится «23» декабря 2005 г. в
час.
на заседании диссертационного совета Д 212.296.03
в здании Челябинского государственного университета по адресу:
г. Челябинск, ул. Братьев Кашириных, д. 29
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государ­
ственного университета.
Автореферат разослан «
Ученый секретарь
Диссертахдаонного совета
^» ноября 2005 г.
^.-'-^f^T' доктор физико-математических наук
Е.А. Беленков
MVGzA
^2Ш{
SLWOHH^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В основе большинства современных радиотехнических средств лежит
использование гармонических сигналов и частотной селекции информаци­
онных каналов. Вследствие этого они функционируют в узкой полосе час­
тот, которая намного меньше их несущей частоты. Электромагнитные (ЭМ)
явления, встречающиеся в природе, в отличие от антропогенных, характе­
ризуются широким спектральным составом. Особый интерес вызывают так
называемые сверхширокополосные электромагнитные сигналы [1], которые
сопровождают такие физические явления, как молниевый разряд [2], земле­
трясение [3], магнитная буря [4], ядерный взрыв [5], и содержат данные
о динамике происходящих в них физических процессов. Использование
сверхширокополосного электромагнитного импульса (ЭМИ) в научных ис­
следованиях и технике связывают с решением таких актуальных проблем,
как осуществление направленной передачи энергии [6], повышение информатщонных возможностей систем связи и диагностических систем [7].
В отличие от «обычного» импульсного излучения, которое хфедставляет собой волновой пакет, содержащий внутри себя много колебательных
циклов, длительность сверхширокополосного импульса не превышает не­
скольких колебательных периодов. Например, видеоимпульс состоит из
одного колебания (рис. 1), а моноимпульс из половины (рис. 2).
. хЮ
SO
(О, о т ел.
too
Рис. 1. Видеоимпульс как функция времени (а)
и его частотный спектр (6)
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛНОТЕКА
CntT(
-s^s
1
1.6
0.9
х10
б)
1Л
а)
1.2
■
•5 •
5«*
i 08
Г'
ё. 06
^ ^ 3
и
•
\
04
\
0.2
50
0J
t, отнсц.
100
ISO
(О, 0111.ед.
Рис. 2. Моноимпульс как функция времени (а) и его частотный спектр (б)
Понятие «сверхширокополосный» было введено на основании определения относительной полосы частот [8] г\-
ifhfh—
нижняя
fh+fl
и верхняя граница частотного диапазона) для сигналов с Т1>0,25. При
0,01<Т1<0,25 сигнал считается широкополосньш, и при ri<0,01 —узкопо­
лосным. Такое определение оказывается не всегда удобным для приложе­
ний [9], и вводится более универсальное понятие — короткоимпульсный
сигнал (система), которое связывает ширину полосы с размерами излучаю­
щей системы (облучаемого объекта L) и длительностью генерируемого им­
пульса т [10]: L <t:cx —узкополосный сигнал; L~cx —широкополосный;
L » ст — сверхширокополосный.
Причина пристального внимания к сверхширокополосному Э М И за­
ключается в том, что его свойства могут сильно отличаться от свойств
«обычной» монохроматической электромагнитной волны [11]. В опреде­
ленных условиях энергия Э М импульса, излученного офаниченным в про­
странстве источником, может ослабляться более медленно, чем энергия
обычной сферической волны. Столь необычное поведение излучения при­
вело даже к введению новых терминов — электромагнитный снаряд
( Е М missile) [12], электромагнитная пуля ( Е М bullet) [13].
Концепция электромагнитного снаряда может быть понята, исходя из
следующего. Для непрерывной монохроматической электромагнитной вол­
ны с частотой ю убывание энергии, как квадрат обратного расстояния, про­
является на достаточно больших расстояниях от источника, когда
— п2„
r»Rf=D^(u/c,
(1)
где D — характерный размер апертуры излучателя, с — скорость света.
С другой стороны, из теории дифракции хорошо известно, что на
небольшом удалении от источника, в пределах зоны Френеля
г<Кр
(2)
изменение энергии отличается от г~^.
Для сверхширокополосных импульсов эти условия могут выполняться
одновременно для различных компонент спектра, и вместо условно опреде­
ленной границы для узкополосного сигнала имеется протяженная область
между зонами Френеля и Фраунгофера, где энергия убывает существенно
медленнее, чем г
[6]. В пределах этой области происходит существенное
изменение формы сигнала и модификация его спектра, а для оценки грани­
цы зоны Фраунгофера, в которой сигнал сохраняет свою форму и наблюда­
ется классическая зависимость спада энергии ~ г~^, можно использовать
соотношение [12,14]:
Rpw^D^/cx.
(3)
Исследование закономерностей генерации и распространения сверх­
широкополосного излучения проводилось рядом авторов [11—16]. Однако
все эти исследования имеют один недостаток — они рассматривают возбу­
ждение модельных тестовых сигналов на апертуре излучателя с нулевой
фазой. В реальности для генерации поля применяются вполне определенные
источники (диполь, рамка, раскрыв волновода), в которых происходит пре­
образование электрического тока в электромагнитное излучение с опреде­
ленной амплитудно-фазовой характеристикой, которую необходимо при­
нимать во внимание. Кроме этого, в этих элементах необходимо создать
соответствующий импульс тока с весьма крутым фронтом, что само по себе
является сложной задачей. Можно утверждать, что на сегодняшний день
задача создания излучателя, способного реализовать пространственновременное распределение тока (поля), обеспечивающего эффективную ге­
нерацию сверхширокополосного импульса, далека от решения, хотя именно
она является ключевой.
Одна из перспективных схем генерации направленного сверхшироко­
полосного Э М И С В Ч диапазона предложена Ю.Н.Лазаревым и автором
диссертации в работе [1А]. В ее основе лежит эффект возбуждения элек­
тромагнитного излучения импульсом тока, распространяющимся вдоль
проводящей поверхности со сверхсветовой скоростью, что имеет место при
наклонном падении фронта излучения, способного вызвать из вещества
электронную эмиссию.
Схематично устройство, излучающее сверхширокополосный Э М И , с
запиткой от фотоэмиссионного импульса тока, представляет собой плоский
ускоряющий диод с сетчатым анодом, облучаемый под некоторым углом
плоским потоком ионизирующего или светового излучения (рис. 3). Под
действием плоского фронта ионизирующего излучения на фотокатоде воз­
никает сверхсветовой импульс тока эмитированных электронов. Далее
электроны ускоряются в межэлектродном зазоре, пролетают через сетчатый
анод и формируют над ним сверхсветовой импульс тока ускоренных элек­
тронов, который и генерирует мощный и направленный видеоимпульс Э М
излучения.
Сетчатый
анод
Фотокатод
Рис. 3. Фотоэмиссионный источник сверхширокополосного ЭМИ
Новизна предложенной схемы влечет за собой целый ряд особенностей
как по формированию излучающего дипольного слоя, так и по генеращш
сверхширокополосного Э М И , которые в классических схемах не проявля­
лись и нуждаются в исследовании, в частности, к ним относится определе­
ние параметров системы, от которых зависят предельные характеристики
излучателя.
Для практических приложений интерес представляет не только моде­
лирование процессов возбуждения Э М И , но расчет его распространения,
поскольку параметры поля должны быть известны не только на выходе
СВЧ-генератора, но и на мишени, после прохождения волн через неодно­
родные и анизотропных слои вещества. В частности, такие задачи постоян­
но возникают при планировании и интерпретации экспериментов. Однако
в целом эта проблема имеет существенно более широкую область приложе­
ний, которая простирается от исследований распространения радиоволн
в атмосфере и земной коре до расчета Э М полей в элементах микроэлектро­
ники. Для решения задач распространения Э М излучения необходимы
трехмерные программы, в которых конечно-разностные методы для реше­
ния уравнений Максвелла обобщены на случай неоднородных и анизотроп­
ных сред.
Проблема моделирования генерации и взаимодействия широкополос­
ного электромагнитного излучения актуальна не только для создания и ис­
следования новых схем сверхширокополосных излучателей, но и для источ­
ников, построенных по «классическим» схемам. Современные генераторы
СВЧ-излучения высокой мощности на основе сильноточных релятивист­
ских электронных пучков характеризуются тем, что
- в них могут одновременно реализовываться несколько элементарных
механизмов возбуждения Э М волн (черепковский, доплеровский, переход­
ной и другие),
- процессы генерации носят многомодовый характер,
- существенными оказываются эффекты нелинейного взаимодействия
пучка с ограниченными в продольном направлении электродинамическими
структурами, при которых происходит трансформация волн [17],
- усложнились электродинамические структуры — появились новые
типы систем в виде отрезков сверхразмерных волноводов с гофрировкой
различного типа [18].
Эти особенности не позволяют в полной мере использовать преимуще­
ства традиционного подхода к математическому описанию мощных СВЧустройств, основанного на классической теории возбуждения волноводов
и усредненных уравнениях движения пучка [19], особенно на переходной
стадии, когда происходит формирование и электронного пучка, и Э М излу­
чения. Так как многомодовые процессы являются частным случаем широ­
кополосного излучения, то представляется очень привлекательным описать
их эволюцию во времени с помощью моделей, предназначенных для расче­
та короткоимпульсных Э М сигналов.
Особо надо выделить проблему моделирования электродинамических
систем СВЧ-генераторов, которая является одной из первоочередных и от­
нюдь не тривиальной, поскольку при расчетах всегда возникает вопрос
о достоверности и сходимости численного решения, и без знания деталей
о взаимодействии Э М волны со сверхразмерными структурами дать на него
ответ невозможно. В ряде случаев электродинамическая система представ­
ляет собой регулярный (прямоугольный шга цилиндрический) волновод,
дополненный системой резонаторов с характерными размерами, существен­
но меньшими длины волны и сравнимыми с шагом расчетной сетки, и для
ее описания достаточно часто используются математические модели в час­
тотном представлении, основанные на теории возмущений. В связи с этим
весьма
актуальной
задачей
представляется
разработка
физикоматематической модели для дифракции электромагнитных волн на системе
резонаторов без использования теории возмущений. Такая модель позволя­
ла бы эффективно проверять не только адекватность и достоверность мате-
матической модели сверхразмерной электродинамической системы, но и
оптимизировать ее параметры [2А, ЗА].
Наряду с задачами исследования схем генерации и создания сверхши­
рокополосного излучателя в СВЧ-диапазоне не менее важной проблемой
является прогнозирование последствий воздействия широкополосного Э М И
на характеристики технических объектов. Например, на надежность и каче­
ство функционирования средств связи. Широкое использование в радиоэлектронньпс устройствах интегральных микросхем, работающих при малых
напряжениях и токах, повысило возможности аппаратуры по сравнению
с образцами, разработанными в 50—60 годы, на много порядков. Однако
так же на много порядков возросла и ее чувствительность к внешним воз­
действиям [22]. Помимо электрического повреждения и необратимого вы­
хода m строя элементной базы стали наблюдаться обратимые эффекты,
временное нарушение работоспособности из-за сбоя в работе, появление
ложных сигналов, утрата рабочей информации. Критические значения энер­
гии, способные вызвать повреждение полупроводниковых устройств, оказа­
лись в пределах от 10"^ до 10"' Дж при длительности импульса ~5 нсек,
а сбои при работе микросхем наблюдались при энергии, не превышающей
10"' Дж [ 20]. Опасность широкополосного сигнала заключается в том, что
его влияние практически невозможно устранить полностью, так как он,
в той или иной степени, перекрывает полосу частот, в которой работает ра­
диоэлектронная аппаратура [5,21].
Эта проблема стала особенно актуальной в последние десятилетия, что
напрямую связано с
1) появлением мощных источников ионизирующего излучения (ИИ)
искусственного происхождения;
2) развитием космической техники, позволяющей вывести на около­
земную орбиту спутники различного назначения;
3) общим уровнем развития техники, особенно электроники, ее ми­
ниатюризацией и проникновением практически во все сферы человеческой
деятельности.
Непосредственному воздействию «обычного» Э М И и средствам защи­
ты от этого воздействия посвящено достаточно много работ [5, 22 и ссылки
в них]. Существенно менее известным являются так называемые вторичные
электромагнитные эффекты ( В Э М Э ) , возникающие при облучении различ­
ных объектов интенсивными потоками рентгеновского и/или гаммаизлучения и представляющие собой суперпозицию из нескольких сверхши­
рокополосных сигналов [23—24].
В основе В Э М Э лежит процесс генерации электромагнитных полей
потоком электронов, эмитированных с внешних и внутренних поверхностей
облучаемого объекта, и фотокомптоновскими электронами, возникающими
в веществе облучаемой системы. Экспериментальное изучение В Э М Э яв­
ляется весьма сложной задачей и требует больших материальных затрат
и времени, а интерпретация полученных результатов часто бывает затруд­
нена, особенно если учесть, что объекты подвергаются совместному дейст­
вию комплекса радиационных и электромагнитных факторов. Довольно
часто выходом из положения является численное моделирование, которое
имеет определенные преимущества в отношении быстроты, экономичности,
а иногда и точности по сравнению с реальным экспериментом. Детальный
количественный анализ таких моделей становится важным элементом про­
ектирования, который позволяет проанализировать возможности создавае­
мых устройств и систем, выбрать оптимальный вариант конструкции.
Необходимость обеспечения стойкости космических комплексов и их
систем с учетом вторичных Э М эффектов, создания мощных сверхшироко­
полосных СВЧ-генераторов и развития расчетно-теоретических методов
исследования генерации Э М излучения С В Ч диапазона ставит важную
и актуальную задачу по созданию физико-математических моделей и эф­
фективных методов для изучения существенно нестационарных процессов
генерации электромагнитного излучения и формирования электронных по­
токов в сложных трехмерных системах.
Эти модели должны описывать следующие физические процессы [23]:
- появление заряженных частиц (электронов) в системе и формирова­
ние источников электрического тока;
- динамику электронов в электромагнитных полях, генерацию и рас­
пространение короткоимпульсного излучения, его взаимодействие с элек­
тронными потоками и окружающими объектами;
- образование импульсов тока и напряжения от Э М полей, проникаю­
щих в кабельные линии (для оценки воздействия В Э М Э на радиоэлектрон­
ную аппаратуру);
- распространение Э М И в среде, которая в общем случае является неод­
нородной и гетерогенной (для определения параметров электромагнитного
поля, попавшего от источника на детектирующее устройство или мишень).
Целью
диссертаиии
было
построение
системы
физикоматематических моделей и разработка на ее основе методики, позволяющей
моделировать процессы генерации короткоимпульсного электромагнитного
излучения электронными потоками, прогнозировать В Э М Э в типовых кос­
мических аппаратах и исследовать новые перспективные схемы широкопо­
лосных генераторов электромагнитного излучения.
В рамках этой задачи в настоящей работе были созданы физикоматематические модели для:
- определения тока эмиссии электронов, возникающих под действием
рентгеновского и гамма-излучения [4А];
- самосогласованного расчета динамики электронных потоков и элек­
тромагнитного излучения во временной постановке на основе решения сис­
темы уравнений Максвелла-Власова [5А];
- оценки наведенных импульсов тока и напряжения в кабельных линиях;
- исследования процессов дифракции электромагнитных полей на про­
извольной гофрировке поверхности волновода [2А, ЗА];
- определения пространственно-временного распределения Э М полей в
неоднородных средах [6А].
На основе этих моделей построена вычислительная технология [5А],
предназначенная для прогнозирования вторичных электромагнитных эф­
фектов в аэрокосмической технике с учетом трехмерной формы облучаемых
объектов и всех существенных процессов, отвечающих за их образование, а
также для расчетно-теоретического изучения генерации короткоимпульсного Э М излучения СВЧ-диапазона.
С помощью разработанной методики были проведены исследования:
- формирования Э М И , генерированного системой, в типовом космиче­
ском аппарате [5А,7А];
- образования внутреннего Э М И в приборных отсеках аэрокосмиче­
ской техники [5А];
- новой схемы генерации направленного сверхинфокополосного Э М И
с использованием фотоэмиссионного сверхсветового источника электронов,
образующегося при эмиссии частиц с пограничной поверхности между ва­
куумом и средой под действием ионизирующего излучения [1А,8А];
- взаимодействия Э М излучения с брэгговскими рещетками в планарном волноводе [2А, ЗА, 17А, 18А];
- генерации СВЧ-излучения по схеме мазера на свободных электронах
(МСЭ) с ленточным электронным пучком и одно- и двухмерной обратной
связью, реализуемой с помопц>ю брэгговских зеркал [18А];
- распространения Э М излучения в неоднородных средах [7А, 19А].
Научная новизна работы состоит в следующем
Создана система моделей и разработан метод прогнозирования В Э М Э
в объектах, облучаемых потоками рентгеновского и гамма-излучения.
Исследовано образование В Э М Э в типовом космическом аппарате.
Исследована принципиально новая схема генерации направленного
сверхширокополосного Э М И С В Ч диапазона на основе плоского ускоряю­
щего диода с сетчатым анодом, облучаемого под некоторым углом потоком
ионизирующего излучения. В частности:
1. Показано, что параметры излучателя имеют скейлинг, который опре­
деляется скоростью нарастания тока эмиссии электронов с катода, шириной
ускоряющего промежутка и приложенным напряжением.
2. Определены предельные значения плотности анодного тока и пара­
метров электромагнитного излучения, которые могут быть получены в та­
кой системе.
3.Предсказан и теоретически исследован эффект динамического огра­
ничения предельного тока электронов, который получил экспериментальное
подтверждение.
8
4 Проведен анализ и сравнение результатов численного моделирования
с экспериментальными данньти, полученными в экспериментах [26] по
созданию сверхширокополосного ЭМИ с запиткой от точечного лазерплазменного источника мягкого рентгеновского излучения (РИ).
Разработана модель взаимодействия Э М голучения с одномерными
брэгговскими решетками.
Проведено моделирование генерации СВЧ-излучения в мазере на сво­
бодных электронах с распределенной обратной связью на основе самосо­
гласованного решения системы уравнений Максвелла—^Власова во времен­
ном гфедставлении методом частиц в ячейках.
Для Э М зондирования скважин, используемого в геофизических иссле­
дованиях, предложен и реализован метод одновременного расчета каротаж­
ных 1фивых для нескольких частот, основанный на решении уравнений
Максвелла во временном щюдставлении Показано, что метод позволяет
получать значения Э М полей с высокой точностью в высококонтрастных
средах.
Научное и практическое значение работы
Научное и практическое значение разработанных физико-математиче­
ских моделей заключается в их использовании для
1) расчета параметров Э М полей, возникаюхцих в результате воздейст­
вия ионизирующего излучения на объекты аэрокосмической техники, и
оценке последствий этого воздействия на радиоэлектронную аппаратуру,
2) исследований новых физических явлений и перспективных схем ге­
нерации СВЧ-излучения, формулировке на их основе новых научных и тех­
нических концепций.
Созданная в процессе выполнения диссертационной работы система
моделей и метод для расчета В Э М Э , возникаюпцк при облучении объектов
сложной формы потоками ионизирующего излучения, использовалась при
прогнозировании Э М полей в типовом космическом аппарате, подвергшем­
ся воздействию импульса мощного рентгеновского излучения, и оценке по­
следствий такого воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
Результаты исследований новой схемы генерации направленного
сверхппфокополосного Э М И на основе сверхсветового фотоэмнссионного
импульса тока могут бьггь использованы при разработке мощных высоко­
эффективных широкополосных генераторов сантиметрового и миллиметро­
вого диапазонов. Развитие теории таких генераторов для ускоряющих сис­
тем с конечными предельными токами позволило создать макет
«элементарного сверхсветового» генератора, который используется при
подготовке и проведении экспериментальных исследований в институте
лазерно-физических исследований Р Ф Я Ц — ВПИИЭФ.
Результаты расчетов взаимодействия Э М волн с одномерными брегговскими решетками используются при разработке электродинамической
системы и системы вывода излучения в М С Э с распределенной обратной
связью, для планирования и анализа экспериментов на установке «ЭЛМИ»
( И Я Ф им. Г.И. Будкера СО РАН), перспективной разработке мощного 4-х
канального МСЭ.
Расчет Э М полей в неоднородных и анизотропных средах на основе
уравнений Максвелла во временном представлении позволяет получить ка­
ротажные кривые в геофизических исследованиях при односкважинном
высокочастотном зондировании сразу на наборе из нескольких заданных
частот. Такой подход снижает совокупные временные затраты на вычисле­
ния и позволяет проводить моделирование с высокой точностью в высоко­
контрастных средах.
Внедрение разработанной методики моделирования вторичных элек­
тромагнитных эффектов в процесс проектирования и отработки систем кос­
мической техники может внести существенный вклад в создание надежных
космических комплексов и нового поколения средств связи.
Достоверность получаемых расчетных результатов подтверждается
сравнением тестовых расчетов с аналитическими решениями и данньпйи,
полученными по другим моделям и методам, сравнением с результатами
экспериментов.
Основные результаты, выносимые на защиту
1.
2.
3.
4.
10
Физико-математические модели для описания процессов, определяю­
щих генерацию короткоимпульсного Э М И электронными потоками:
а) расчетно-аналитическая модель электронной эмиссии;
б) набор моделей различной размерности для самосогласованного рас­
чета генерации электромагнитного излучения и формирования элек­
тронных пучков, в основе которых лежит решение системы уравне­
ний Максвелла—Власова методом частрщ в ячейках и конечноразностным методом.
Метод моделирования вторичньк электромагнитных явлений, возни­
кающих при облучении трехмерных объектов потоками рентгеновского
и гамма-излучения, а также результаты расчетов Э\01ГС и В Э М И
в космическом аппарате, проведенных с помощью разработанных мето­
дов и созданного комплекса программ.
Обобщение физико-математической модели излучателя сверхширокополосного направленного Э М И на основе сверхсветового фотоэмисси­
онного импульса электронного тока на системы с конечными предель­
ными токами.
Результаты анализа и моделирования экспериментов по исследованию
характеристик широкополосного фотоэмиссионного СВЧ-генератора,
5.
6.
проведенных в Р Ф Я Ц — В Ь Ш И Э Ф с использованием лазерплазменного источника мягкого РИ.
Физико-математическая модель взаимодействия Э М волн с электроди­
намическими системами, состоящими из отрезков гофрированных вол­
новодов, и результаты моделирования генеращш СВЧ-излучения
в М С Э с распределенной обратной связью, реализованной на основе та­
кой системы.
Метод одновременного расчета каротажных кривых для набора или
полосы частот при электроразведке скважин и результаты моделирова­
ния распространения Э М полей в неоднородных и анизотропных средах
на основе решения уравнений Максвелла во временном представлении.
Личное участие автора
Выбор направления работ в целом, постановка задач и способов реше­
ния, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов, представлен­
ных к защите, принадлежат автору. Автором были выдвинуты принципи­
альные идеи по реализации методики для прогнозирования В Э М Э
и моделированию генерации СВЧ-излучения, и выработаны подходы к ее
созданию. Он руководил созданием программ, их тестированием, участво­
вал в проведении расчетов.
Одномерная по пространственным переменным программа Р Е М ? для
самосогласованного решения системы уравнений Максвелла-Власова ко­
нечно-разностным методом была создана лично автором.
Он принимал участие в разработке:
а) двумерной программы ЕМС25Д для самосогласованного решения
системы уравнений Максвелла—Власова методом частиц в ячейках с уче­
том кинетики ионизации (совместно с Е.В. Диянковой и О.С. Широковской);
б) двумерной программы ЕМС2Д для самосогласованного решения
системы уравнений Максвелла—Власова конечно-разностным методом
(совместно с Диянковой Е.В.),
с) трехмерной программы ЕМСЗД для решения уравнений Максвелла
(совместно с А.В. Вронским, И.Ю. Глухих, Ю.Г. Сырцовой);
д) трехмерной программы G E M C для решения уравнений Максвелла
в неоднородных и анизотропных средах (совместно с А.В. Вронским,
Ю.Г. Сырцовой).
Автором разработана расчетно-аналитическая модель для определения
параметров электронной эмиссии, данные для которой были получены
в результате расчетов методом Монте-Карло по программе «ПРИЗМА»,
проведенных по заданию автора Я.З. Кандиевым.
Развита и обобщена теория фотоэмиссионных сверхширокополосных
генераторов СВЧ-юлучения на случай ускоряющих систем с конечными
предельными токами. Проведен анализ экспериментов по проверке прин11
ципов генерации Э М И сверхсветовым импульсом фотоэмиссионного
электронного тока с запиткой от точечного лазер-плазменного источника
мягкого РИ.
Предложен метод и создана программа для определения параметров
взаимодействия Э М волн с электродинамическими системами, состоящими
из волноводов с гофрированной поверхностью. Исследован процесс генера­
ции СВЧ-излучения в М С Э с распределенной обратной связью, реализо­
ванной на основе брэгговских решеток.
Предложен и реализован метод для определения решения уравнения
Гельмгольца в неоднородных и анизотропных средах на основе решения
уравнений Максвелла во временном представлении, предназначенный для
одновременного расчета многочастотных каротажньпс кривых при электро­
разведке скважин.
Работы по исследованию В Э М Э , генерации Э М полей сверхсветовьпйи ис­
точниками и распространению Э М волн в неоднородных средах проводи­
лись совместно с Ю.Н. Лазаревым. Всем участникам работ автор выражает
свою искреннюю признательность.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в рамках
работ, проводимых в Р Ф Я Ц — В Н И И Т Ф по развитию расчетнотеоретических методов исследования генерации Э М И С В Ч диапазона
и созданию мощных СВЧ-генераторов, а также целевьши программами
работ по обеспечению стойкости космических комплексов и их систем
с учетом вторичных Э М эффектов.
Материалы диссертации докладывались автором на семинарах в
Р Ф Я Ц — ВНИИТФ, Р Ф Я Ц — В Н И И Э Ф , НИИИТ, И Я Ф СО РАН, И П Ф
РАН, Ц Ф Т И МО, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Сандийской
национальной лаборатории, российско-американских семинарах по
математическому моделированию.
Результаты, изложенные в диссертации, были представлены в более
чем 20 докладах на следующих конференциях: Второй Всесоюзной конфе­
ренции по радиационной и электромагнитной стойкости (г. Челябинск-70,
1990 г.). Первой Всесоюзной научно-технической конференции по научнометодическим основам испытаний военных объектов на воздействие электромагнитньпс импульсов (г. Загорск, 1991 г.), Забабахинских Научных
Чтениях (г. Снежинск, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.), Харитоновских На­
учных Чтениях (г. Сэров, 1999), «Strong Microwaves in Plasmas» (Нижний
Новгород, 1999г.), Звенигородской конференции по УТС (Звениго­
род, 1996, 1998, 2000, 2002), SPIE International Conference «Intense Micro­
wave Pulses» (Denver 1996, San Diego 1998, USA), Asian Symposium on Free
Electron Laser (1999, Taejon, Korea), European Electromagnetics (Euroem 2000,
Scotland U K ) , SPIE International Conference «Subsurface and Surface Sensing
12
Technologies and Application» (San Diego USA, 2001), 24th International Free
Electron Laser Conference (FEL2002, Argonne, USA), 14th International Con­
ference on High Power Beams (2002 Albuquerque, USA), American Electro­
magnetics (AMEREM2002, USA, Annapolis).
Публикации. Список трудов соискателя по теме диссертации содержит
46 пунктов. Из них 17 статей, 13 научно-технических отчетов и препринтов,
16 докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация имеет объем 210 страниц, состоит из введения, пяти глав
и заключения, списка цитированной литературы (221 наименование), со­
держит 98 рисунков и 9 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении рассмотрены роль, место, особенности и проблемы короткоимпульсного электромагнитного излучения. Отмечены основные задачи и
направления развития, связанные с построением физико-математических
моделей для описания генерации и распространения сверхширокополосного
ЭМИ. Обсуждаются физические процессы, которые приводят к появлению
короткоимпульсного электромагнитного излучения. Дано краткое содержа­
ние представляемой работы.
В первой главе рассмотрены вопросы построения иерархической систе­
мы физико-математических моделей, отличающихся пространственной
размерностью, степенью детализации и различным уровнем упрощения фи­
зических процессов, предназначенной для моделирования генерации и расХфостранения широкополосного Э М излучения в сложных неоднородных
системах с образованием и формированием мощных электронных потоков.
Изначально предполагалось, что эта система будет использована для
расчета образования Э М полей, возникающих под действием фотоэмисси­
онных токов. Но это ни в малейшей степени не ограничивает ее общность,
поскольку для моделей, описывающих формирование электронного потока
и генерацию Э М излучения, собственно механизм появления заряженных
частиц не важен, а существенным является адекватное задание пространст­
венно-углового распределения источников электронов во времени через
соответствующие члены в уравнениях, начальные и фаничные условия.
При воздействии на любой объект рентгеновского и/или гаммаизлучения происходит эмиссия электронов с облучаемых поверхностей,
которая приводит к появлению электронного тока и возбуждению электро­
магнитных полей. Динамика развития электронного потока, с одной сторо­
ны, определяет эволюцию электромагнитных полей, а с другой, в силу об­
ратной связи, зависит от него [24]. В общем случае этот процесс является
нелинейным, и для его описания необходимо решать самосогласованным
13
образом уравнения Максвелла и уравнения движения заряженных частиц.
Если объем, через который должны проходить электроны, заполнен возду­
хом или другим газом, то первичные частицы (непосредственно возникшие
под действием фотонного излучения) теряют энергию в ионизационных
столкновениях и производят большое количество вторичных электронов
и ионов, которые формируют макроскопическую проводимость среды. В
этом случае к уравнениям Максвелла и переноса первичных электронов
необходимо добавить уравнения кинетики ионизации, которые должны
описывать эволюцию вторичных частиц [23, 27]. Принципиальная схема
функциональных связей между различными процессами, которые реализу­
ются при генерации Э М полей под действием фотонного излучения, пред­
ставлена на рис. 4 [23].
Прохождение у и РИ через
систему и среду, образование
электронов
Источники
электретов
Движение первичных
электронов
ЭМполя
Генерация электромагнитных
волн, уравнения Максвелла
Проводимость среды
Электрическое пале
Скорость
ионизации
Кинетика ионизации
среды
Рис. 4 Схема функциональных связей
при моделировании радиационно-возбз'ждаемых ЭМ полей
Понятно, что наиболее полной математической моделью (ММ) рас­
сматриваемых процессов будет трехмерная самосогласованная кинетиче­
ская модель на основе уравнений Максвелла—Власова, отгасывающая эво­
люцию электронного тока, его взаимодействие с Э М излучением и средой с
учетом реальной геометрии рассматриваемой системы [24]:
^ + v . V / + F - ^ = Q ( r , W, р, г),
at
Эр
14
(4)
rot(E)=-i-^; rot(H)=^(j+aE)+i-^.
с
at
с
]ir,t)=-eldVp-vfir,pj),
(5)
с at
pir,t)=-e\dVpf(j,p,t)
(6)
дополненная начальными и граничными условиями:
/(О, г, р ) = / ° ( г , р ) ,
Пе-yfit, г, Р)\^о,{пУ)>0=^^^^ ■'' Р ) ■
С^)
^т(^Гг)='1'£(^Г1)^*»где 4'£(f,rs) —заданная функция.
Здесь /(г,р,/) —функция распределения электронов;
F=e(E+rvxHl/c)-F/,i,f|p|,p)p/|p| — сила Лоренца, дополненная силой
торможения частиц средой в модели Бете-Блоха [23] (р — плотность бу­
ферной среды); ig — внешняя нормаль к границе области, с которой про­
исходит эмиссия частиц; т^ — вектор, направленный по касательной к фанице области, в которой ищется решение; S — поверхностный источник
электронов; Q — объемный источник электронов; Е , Н — напряженности
электрического и магнитного полей; е, т,р,\
— заряд, масса, импульс,
скорость электрона; с — скорость света; о, Е, ц — проводимость, диэлек­
трическая и магнитная проницаемости среды, являющиеся функциями ко­
ординат.
Для описания радиационно-наведенной проводимости среды (в диссер­
тации рассматривается воздух) используется модель [27], в которой предпо­
лагается, что потери энергии первичной высокоэнергетичнои частицы идут
на ионизацию и возникают три сорта частиц: вторичные электроны, поло­
жительные и отрицательные ионы.
a=e\ieng+q+n+n++q-il-n.
(8)
здесь Не, Ц+' М- — подвижности электронов, положительных и отрицатель­
ных ионов, зависящие от напряженности электрического поля, п^, п+, я . —
их концентрации.
Считается, что вторичные электроны, возникающие в результате иони­
зационных потерь, рождаются с энергией ДЕ, =34 эВ, и процесс их замед­
ления не учитывается. Под действием электромагнитных полей вторичные
электроны могут разгоняться электрическим полем и далее принимать уча­
стие в ионизации. Положительные ионы могут рекомбинировать с электро­
нами или с отрицательными ионами. Отрицательные ионы образуются при
15
«налипании» электронов на нейтральные атомы и молекулы. Кинетика вто­
ричных частиц описывается уравнениями:
Brig
г,
1
\
-——-к, -[Vatt -Vion IПе
-rr-=Vattne-0.iin+n-,
at
где
Ri(i, t)={AEi)
\dVp-vf(f,p,t)Fijb{\p\,p)
-ае1ПеЩ,
щ=Пе+П^.
—
<"
скорость ионизации;
Vail — частота прилипания электронов к нейтральным атомам; а^,-, а,-; —
коэффициенты электрон-ионной и ион-ионной рекомбинаций; У;о„ V^
—
частота лавинной ионизации.
Возможности вычислительной техники и эффективность математиче­
ских методов 90-х годов, да и сегодняшнего дня, не вполне соответствуют
требованиям, которые необходимы для совместного моделирования в трех­
мерной геометрии динамики электронных потоков и генерации Э М полей
с учетом радиационно-наведенной проводимости среды. Упрощения чис­
ленного моделирования могут быть связаны с
а) понижением пространственной размерности задач, что сопровожда­
ется частичной потерей информации о влиянии геометрических факторов на
формирование Э М полей;
б) упрощением физико-математических моделей, описьгеающих про­
цессы формирования электронного тока и генерации Э М излучения.
Однако переход к системе упрощенных моделей приводит к необходи­
мости создания некоторой вычислительной технологии, поскольку вместо
одной математической модели во всей полноте с учетом всех факторов, су­
щественных для ее поведения, необходимо создать цепочку (иерархию) мо­
делей, каждая из которых обобщает предыдущие, а вместо одного вычисли­
тельного эксперимента необходимо проводить серию расчетов с моделями
меньшей размерности и той же размерности, но менее сложных с точки зре­
ния учета физических процессов. Каждый из этих вычислительных экспе­
риментов должен проводиться в определенной последовательности, так
чтобы полученные в нем результаты могли быть использованы в М М сле­
дующего уровня.
Такой подход к моделированию процессов формирования электронного
тока и генерации Э М излучения предполагает, что в распоряжении исследо­
вателя имеются:
1) иерархическая система математических моделей, отличаюпщхся
пространственной размерностью и различной степенью упрощения физиче­
ских процессов;
16
2) ряд обоснованных предположений и допущений, которые связаны
с физическими особенностями образования Э М И в исследуемых объектах,
и в соответствии с которыми будет проводиться декомпозиция трехмерного
объекта на элементы;
3) система моделей элементов исследуемого объекта различной раз­
мерности и определена последовательность вычислительных экспериментов
на каждой из них.
С точки зрения возможности реализации М М , оптимальным вариантом
является создание следующей иерархии упрощенных моделей — самосо­
гласованных одно- и двумерных кинетических моделей, в которьге адекват­
но учитывается влияние Э М полей на образование электронного тока,
и трехмерной электродинамической модели с заданными токами, где есть
возможность воспроизводить реальную геометрию исследуемых систем.
Если предположить, что процесс формирования электронных токов слабо
зависит от трехмерной геометрии, то, задавая в трехмерной геометрии рас­
пределения плотности тока, полученные в одно- или двумерных моделях
для соответствующих разрезов трехмерного объекта, можно рассчитать по­
ля, которые будут учитывать и трехмерную форму системы, и физические
процессы, определяющие образование Э М И . Основанием для применимо­
сти такого подхода является сильная локализация тока электронов, напри­
мер, у поверхности, с которой происходит инжекция пучка. Такой эффект
наблюдается в самосогласованных одно- и двумерных расчетах В Э М Э при
высокой интенсивности потока фотонов [25].
Для реализации этой вьиислительной технологии автором была разрабо­
тана система физико-математических моделей для описания генерации элек­
тромагнитного излучения и формирования электронных потоков (в том числе
и под действием рентгеновского и гамма-излучения), в которую входят:
1) Расчетно-аналитическая модель для определения параметров элек­
тронной эмиссии, возникающей при наклонном падении фотонов (во=0...85)
с энергиями от 1 кэВ до 7 МэВ, которая используется при задании поверх­
ностных источников.
Данные для модели получены на основе численного моделирования
прохождения фотонов и электронов через вещество методом Монте-Карло.
Для оценки зависимости выхода электронов от угла падения гамма-квантов
00 предложена аналитическая формула [4А]:
J,b ( Ц ) = / \ gb (ео)/со8(во),
где J^
(10)
— выход электронов при нормальном падении фотонов (вперед
или назад), а функции gb (9о) определяются соотношениями между сече/
17
ниями фотопоглощения и комптоновского рассеяния, видом распределения
комптоновских электронов относительно первоначального направления
движения фотона и их пробегом.
2) Одномерная методика для самосогласованного моделирования гене­
рации ЭМ полей, основанная на разностном решении системы уравнений
Максвелла—Власова методом расщепления с центрированными по времени
шагами.
Для ее построения используется тот факт, что для большого класса за­
дач можно считать поверхность, облучаемую фотонами, бесконечной,
а фронт, инициирующий электронную эмиссию, плоским. Положим, что
облучаемая поверхность совпадает с осью ОХ. Тогда поверхностный источ­
ник электронов эмиссии S распространяется вдоль поверхности облучения
с некоторой постоянной скоростью v=c/sin(9)>c, которая определяется
углом падения ионизирующего излучения (рис. 5) [А1], а фушщия распре­
деления электронов /(f, X, z, р^) и компоненты электромагнитного поля
имеют зависимость от переменных д: и г в виде комбинации T=t-x/v .
Az
Фронт электромагнитного импульса
Фронт излучения накачки
^
-^
/
/
/
/
/
Эмитируемые электроны
в
^
V >С
'77777777777777777777.
77777777^?777777'
Излучающая поверхность
О
Рис.5. Схема генерации электромагнитного импульса
при наклонном падении ИИ на металлическую поверхность
X
3) Двумерная методика для самосогласованного численного решения
системы уравнений Максвелла и Власова совместно с уравнениями кинети­
ки ионизации, для которой используется схема расщепления на временном
шаге по физическим процессам [5А].
18
Для решения уравнений Максвелла используется явный конечноразностный метод [28], а для решения уравнения Власова может приме­
няться метод частиц в ячейке с модифицированной схемой Бориса или ко­
нечно-разностный метод с покоординатным расщеплением, симметричным
относительно оператора производной по углу отклонения импульса части­
цы от оси ОХ. Решение системы уравнений радиационно-наведенной про­
водимости проводится по разностной схеме третьего порядка точности, об­
ладающей абсолютной устойчивостью по времени и свойством
монотонности.
Математическая модель реализована в программном комплексе
EMC2D, который может использоваться для проведения расчетов в плоской
и цилиндрической геометриях.
4) Трехмерная методика для численного решения уравнений Максвелла
в декартовой и цилиндрической системах координат [5А].
В основу численной модели положен явный разностный метод решения
уравнений Максвелла, аналогичный тому, который реализован в двумерной
самосогласованной методике, имеющий второй порядок точности по про­
странству и по времени:
е £"'И-£" _
с
т
47ia ^п+Х I д^"+1/2
с
С
4 л -jn+l/l
с
^щ
X
с ограничением на временной шаг, определяемый условием Куранта:
2 2
С^Х'^
Е\1
•(&с-2 +5^-2 +5^-2 )<1.
(12)
Разностные операторы А и А аппроксимируют оператор rot для
векторов Е и Н соответственно.
Моделирование в трехмерной постановке проводится в два этапа.
На первом осуществляется самосогласованный расчет формирования
импульсов тока и генерации Э М излучения вблизи облучаемых поверхно­
стей с помощью решения уравнений Максвелла—Власова в одно- и/или
двумерной постановках.
На втором по полученным токам проводится моделирование Э М поля в
трехмерной геометрии, учитывающей особенности реальной конструкции
объекта и направление потока ионизирующего излучения.
5) Методика для оценки наведенных импульсов тока и напряжения от
проникающих в кабельные линии электромагнитных полей
Итог действия В Э М Э — это импульсы напряжения и тока на вхо­
дах электронных приборов [29]. Механизм формирования наводок из-за
19
появления Э М полей на экране кабельной линии связан с тем, что экрани­
рующая оболочка не является сплошным и идеальным проводником,
а представляет собой проволочную оплетку с конечной проводимостью.
Для расчетов тока и напряжения на внутреннем проводнике кабеля (жиле)
используется «классическая» модель [29], в основе которой лежит уравне­
ние линии передач и параметрическое представление (через сопротивление,
индуктивность и емкость связи) источников напряжения и тока в зависимо­
сти от плотности тока и поверхностного заряда на экране кабеля. Основной
проблемой этой модели является неопределенность параметров связи
(актргеная составляющая сопротивления связи /?„ взаимная индукщм экрана
и жилы кабеля Mij, коэффициент проводимости связи экрана и жилы кабеля
8g), обусловленная сильной зависимостью их значений от спектрального
состава Э М полей. В Э М Э характеризуются ппфокой спектральной полосой
с максимумом в районе 1 ТТц, для которой данные по сопротивлению
и проводимости связи просто отсутствуют. Очевидно, что прежде чем про­
водить моделирование электромагнитных наводок, необходимо определить
значения коэффициентов проникания в исследуемой области частот. В дис­
сертации для решения этой задачи были использованы результаты лабора­
торных экспериментальных исследований по возбуждению токов и напря­
жений в кабельных линиях широкополосными импульсами электрического
поля.
Во второй главе представлены результаты моделирования генерации
сверхширокополосного электромагнитного импульса, возникающего при воз­
действии рентгеновского излучения на типовой космический аппарат (КА)
[5А,бА]. В основе использованной методики расчетов лежит иерархическая
система математических моделей, созданная для решения системы уравнений
Максвелла—^Власова, которая описана в первой главе. Однако задание систе­
мы уравнений и возможных типов начальных и фаничных условий не в пол­
ной мере определяет М М , так как существуют дополнительные факторы,
которые требуют качественного и количественного определения — модели
исследуемого объекта. Проблема заключается в том, что большинство техни­
ческих систем имеет очень сложное устройство, что создает значительные
трудности при их детальном описащш в математической форме, и до настоя­
щего времени не существует готовых, формировавшихся в течение длитель­
ного времени моделей объектов, используемых при исследованиях В Э М Э . В
главе описан подход к созданию идеализированных моделей изучаемых тех­
нических объектов, отражающих его геометрию и пригодных для использо­
вания в рамках построенной математической системы.
Моделирование осуществляется с последовательным переходом от про­
стых моделей к сложным. На первом этапе используются одномерные моде­
ли, которые позволяют провести исследование влияния исходных данных на
характеристики Э М полей от флюенса РИ, формы импульса и параметров
электронной эмиссии. На втором этапе вьшислительные эксперименты
20
проводятся с двумерными моделями, в которых частично учитывается
влияние конечного размера объекта на образование Э М полей. Определя­
ются масштабы краевые эффектов, проверяются предположения о локали­
зации тока и допустимости сделанных предположений о слабом влиянии
геометрии на формирование тока.
Для последующего использования в трехмерной модели проводятся
расчеты пространственно-временного распределения плотности электрон­
ного тока для моделей, соответствующих характерным двумерным разрезам
К А (рис. б):
- корпуса конечной длины в цилиндрической системе координат, эмис­
сия электронов происходит с верхней торцевой поверхности (Корпус I ) ;
- корпуса бесконечной длины в декартовой системе координат, эмис­
сия электронов происходит с боковой поверхности с учетом угла падения
фотонов (Корпус II);
- солнечных батарей в декартовой системе координат, эмиссия элек­
тронов происходит с освещенной и теневой сторон, учитывается угол паде­
ния РИ.
На завершающем этапе моделирования для учета взаимного влияния
отдельных частей К А друг на друга и его ориентации относительно направ­
ления облучения используется трехмерная модель, в которой заданы токи,
полученные в самосогласованных расчетах для вышеперечисленных дву­
мерных моделей объекта.
Элементы К А
Z, Корпус I
ЛИ™
Вкд сбоку
[1 Л^.г'
Ф
Ч.'Л' '^
'ХР
Рис. 6. Модель космического аппарата и его элементов
21
Формирование магнитного поля и тока (рис. 7), протекающего по эле­
ментам конструкции, носит сложный характер, так как зависит не только от
скорости изменения и амплитуды потока РИ, но и от формы объекта, его
ориентации, характерных размеров облучаемой поверхности (в общем слу­
чае возбуждаются все моды собственных колебаний, определяемые про­
дольным и поперечным размерами корпуса, протяженностью СБ).
'\ Леня окиеш СБ
/\
<' '. (сквсщемяш ловсрхиосп.)
1 \ ! и
x'-L/2-l{, y-iy
cepemuu щийой niHeait C t
/-| (ocscmeiiim поясрхиостъ)
' f x'L/2-Hi,y~0
ссрсяят п я м й пп»лн СБ
(leRcufl тжсркиостк)
x-i/2+/^v-0
К
lUl-V
X
-01)5
\ помрхность)
; x-L+R,f--W
Корпус К А
, »-=». у ч и , ! ' »
1*
002
i
Т. пмк
=
ccpeaifitt тивоА lUMjm СБ
x-L/2+R,y-0
(осмпеншя лаяерхность)
О
d
Соедшштсяьми итнга
Tv
ЛоингаяспьСБ
[) (оакшетт /\^
\; пвверхностъ)'
\; х«-С/2-Я
\\ y-w
Ii
.002
.00»
I;
И
О
Корпус К А
Aj' h'\x-0,y--R,
20
40
Й)
Т, Н«|С
0.04
с ггв
006
Рис. 7. Зависимость компонент магнитного поля от времени на поверхности трех­
мерной модели космического аппарата, облучаемого потоком РИ с флюенсом U =\
отн. ед. под углом 6=71/4, ф=0, рассчитанная в Р -приближении,
и их спектральный состав
Другим направлением исследований вторичных Э М эффектов был
внутренний электромагнитный импульс, образующийся в приборном отсеке
КА. Для расчетов Э М полей была предложена и использована модель при­
борного отсека, которая адекватно отражает плотную компоновку аппара­
туры в объектах космической техники. В ней воздушными полостями, где
происходит возникновение Э М полей, являются достаточно узкие зазоры
(не превышающие нескольких сантиметров), образованные корпусами объ­
екта и аппаратуры, в которых проходят кабельные линии, соединяющие
блоки радиоэлектронной аппаратуры. Такая модель внутреннего устройства
КА (рис. 8) позволяет использовать одно- и двумерные программы для
исследования генерации внутреннего Э М импульса. Ее отличительной
22
особенностью является то, что в ней учитывается угол падения ионизирую­
щего излучения на облучаемый объект, в то время как в подавляющем
большинстве ранее использованных моделей рассматривается облучение
только вдоль одного — двух фиксированных направлений, связанных
с симметрией системы.
Кабельнгга линия
Точка определения полей ВЭМИ
Рис. 8. Схема моделирования генеращ1И внутреннего ЭМ импульса
в двумерной плоской геометрии
Результаты моделирования показали, что эволюция электрических по­
лей может быть охарактеризована наличием двух составляющих — высоко­
частотной, с характерньш временем изменения ~1 нсек и высоким значением
напряженности электрического поля, и более медленной, с длительностью
порядка длительности Р И и с существенно меньшей амплитудой (рис. 9).
Высокочастотная составляющая импульса связана с процессом уста­
новления электронного тока и развитием радиационно-наведенной прово­
димости, зависит от спектрального состава РИ, давления воздуха, пробега и
времени жизни первичных электронов. Низкочастотная компонента полей
определяется результирующим током в воздушной среде и радиационнонаведенной проводимостью воздуха, которая в «квазистатическом» режиме
повторяет форму импульса РИ.
Используя результаты расчета Э М полей в приборном отсеке и значе­
ния коэффициентов взаимной индукции и проводимости связи для кабеля,
полученные при анализе лабораторных экспериментов, проведена оценка
электромагнитных наводок, возникающих в кабельных линиях.
23
Ex, отн.ед.
-
— хИ), z=l/3d
- x=0. z=2/3d
- r-Lx,?-l/3d
x=Lx,r=2/3d
1
н
il
i^
•
"
"
'
-
■
'
■
.
.
.
,
.
-
^
"
-
"
-
"
^
"^•
' . -.,
'
-
Л
л» . -* -
I
•
■
'(
20
ЭО
T, нсек
2 S
Ну, ош.ед.
zo
1 5
1 0
5
у'
0
— ^«4
■
~-
—
s.
\
\
\
Xr=0, 2 P 0
'
-- гЮ, r d
— гЧл,2Н)
'
'
r^z=^
I
""^
\'^v
y^^
/
1 ' '4^**
Vt ^ . ,
/
N4
\^^
— 10
—ZO
//
'
"^ ^\
— S
— 15
/
/
/
/
/
/
/
^- \
y\
-
,
--^
/y
'
^'^^'
,
-
y^
30
-ю
T.BCK
Рис. 9. Зависимость компонент ЭМ поля и проводимости от времени
в воздушном зазоре при облучении объекта потоком РИ с флюенсом t/o= 100 отн. ед.
под углом 60 градусов
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований схе­
мы генерации сверхширокополосного Э М импульса СВЧ-диапазона с запиткой от сверхсветового фотоэмиссионного импульса электронного тока,
которая характеризуется тем, что
24
- генерируемое излучение когерентно и направленно — излучаемая
энергия Q пропорциональна площади поверхности, на которой формируется
фотоэмиссионный ток, и отсутствует проблема вывода излучения.
— излучается сверхширокополосный видеоимпульс малой длительно­
сти, что приводит к увеличению протяженности зоны, где энергия излуче­
ния спадает медленнее, чем
l/R^.
— имеет высокий теоретический к.п.д — доля электростатической энер­
гии конденсатора, переходящая в энергию Э М излучения, составляет по­
рядка J ( Y - 1 ) / ( Y + 1 ) (даже при небольших начальных напряжениях ~ 100 к В
это более десятка процентов, хотя учитывается только первый импульс из­
лучения).
- эффективность излучения увеличивается обратно пропорционально
длине волны А, генерируемого излучения (у подавляющего большинства
СВЧ-генераторов наблюдается противоположная тенденция).
Особенностью рассматриваемого в диссертации излучателя (см. рис. 3)
является то, что в нем образуются две электромагнитные волны (далее бу­
дем назьгеать их «направленная» и «волноводная»). Направленная электро­
магнитная волна распространяется в свободном полупространстве над анодом
в направлении, зеркальном к падению излучения накачки {z>L, рис. 3, 5).
Е е параметры определяются скоростью изменения дипольного слоя уско­
ренных в диоде электронов Р, Р. Вторая волна распространяется в плоском
волноводе, образованном катодом и анодом. Е е электрическое поле, скла­
дываясь с полем пространственного заряда эмитированных электронов,
приводит к эффективному уменьшению ускоряющего потенциала в диоде и,
соответственно, к уменьшению предельно достижимых значений плотности
тока на аноде. Ясно, что при достаточно высоких плотностях тока характе­
ристики генерируемого Э М импульса будут зависеть от параметров уско­
ряющего диода и, прежде всего, от характеристик предельного тока, кото­
рый возможно получить над анодом. Несмотря на то, что проблеме
предельных токов посвящено достаточно много работ, при генерации излу­
чения сверхсветовым импульсом эмиссионного тока существует ряд осо­
бенностей, которые не проявляются в классических схемах С В Ч генераторов. Главным отличием является то, что формирование Э М им­
пульса идет на переднем фронте эмиссионного тока, и достижение высоких
плотностей тока на аноде определяется не плотностью тока эмиссии, а ско­
ростью его изменения [8А—16А].
Методика расчетов опиралась на систему моделей, описанную в пер­
вой главе диссертации, и вычислительную технологию, разработанную
для исследования вторичных электромагнитных эффектов. На первом эта­
пе проводились исследования генерации излучения по аналитическим и
одномерным моделям [16А]. Затем по двумерной самосогласованной мо­
дели исследовалось влияние конечных размеров излучателя на параметры
25
сверхсветового источника и проводились расчеты пространственновременного распределения Э М полей в ближней зоне излучателя.
Основным эффектом, связанным с конечной протяженностью излу­
чающего элемента, является пространственная неоднородность в распреде­
лении анодного тока (рис. 10) и производных плотности дипольного момен­
та вдоль конденсатора, вызванная генерацией Э М излучения в ускоряющем
зазоре. При увеличении длины излучающей поверхности плотность анодно­
го тока и производные плотности дипольного момента выходят на асимпто­
тические значения
(■fa)^
где JQ
^ФГ
971^2
-9Уо/8, Р ^
=0Л25е(?1/[тте1^),
'-^^ — плотность стационарного предельного тока в плос­
ком диоде с зазором L и напряжением фо •
+
«=045
■464
1^42
-* гла
.
«
+
•
\
*
+
. +;
1\
'
//
'/
S
*
Ч
\\
^ ч
+
Ч
^ ^ rt:-*-^.
*-lt
* - ♦-^
^*-
+
+
^^
^ —
Рис. 10. Пространственное распределение амплитуды анодного тока вдоль
конденсатора для наклонного облучения ИИ при G=jt/3
с различной скоростью нарастания плотности тока эмиссии на катоде
Структура «направленного» излучения представлена на рис. И , где
виден локализованный в пространстве видеоимпульс, распространяющийся
в направлении, которое определяется скоростью движения сверхсветового
импульса электронного тока вдоль анода.
26
lo.oe
0 05,
uf
Х-
О,
-.^«*•004
-0.05,
-0.1
«•igjt^.;'
IhJ^S^***
-0 04
Рис. 11. Пространственное распределение магнитного поля ЭМ импульса от
элементарного излучателя с эмиссионным током, возрастающим с постоянной ско­
ростью У,=5-10 ^/(см с)(а=2,0) на момент времени / = 5 нсек
Кроме направленного ЭМИ, генерируемого дипольньш слоем вдоль
анода, из открытого конца волновода, образованного анодом и катодом, синфазно излучается поле дипольного типа. Этот эффект был подтвержден
экспериментально С.А. Мартыненко (РФЯЦ — ВНИИЭФ) в опытах по ис­
следованию генерации Э М излучения от сверхсветового импульса фотоэмис­
сионного тока, образованного РИ точечного лазер-плазменного источника.
Пространственно-временное распределение электромагнитного поля
в дальней зоне излучателя исследовалось с помощью функции Грина [12,
14, 16] в дипольном приближении. Расчеты показали, что расходимость
Э М И определяется дифракционным углом вр ^^o/D (рис. 12), где D —
характерный размер излучающей поверхности, XQ-IIICTQD
характерная
длина волны ЭМИ. Зависимость потока энергии от расстояния до источника
характеризуется тремя областями, которые определяются динамикой фор­
мирования дипольного момента (рис. 13). При 0<r<Rf ~R^I[CTQ) энергия
Э М И практически не убывает, при Кр<г<Яа5~^^о/<^front ('^front —время
фронта Pj (г)) она убывает медленнее, чем /- , и для r>Ras уменьшается
как г~^.
27
Рис. 12. Угловое распределение энергии ЭМИ в зоне Фраунгофера
Рис. 13. Зависимость плотности потока энергии
от расстояния до излучателя в направлении излучения ЭМИ
В 1991 году автором диссертации совместно с Ю.Н. Лазаревьпи была
предложена схема опыта для экспериментальной проверки генерации Э М
излучения сверхсветовым импульсом фотоэмиссионного тока электронов,
создаваемого коротким импульсом рентгеновского излучения от точечного
лазер-плазменного источника. Экспериментальные исследования фото­
эмиссионного сверхсветового источника были проведены под руководством
28
В.А.Терехина в институте лазерно-физических исследований Р Ф Я Ц —
В Н И И Э Ф С.А. Мартьгаенко, А.В. Бессарабом и их сотрудниками на уста­
новке «ИСКРА-5» [26]. Эксперименты подтвердили теоретические предска­
зания о том, что генерируемый Э М И имеет направленный характер
(рис. 14), малую длительность (рис. 15); и наблюдается динамическое огра­
ничение плотности анодного тока генерируемым излучением (рис. 16)
[14А—15А].
140
120 •
100
I
о
опыт 2409
D
1011
Д 1411
1> 1611
< 0107
•
0SO2
*
1804
3 0 расчет J =25еА/см^
\
80
I
¥
60
40
20 ■
50
150
х,ст
100
250
200
300
Рис. 14. Пространственное распределение максимального значения магнитного поля
вдоль оси ОХ, параллельной наибольшей стороне конденсатора и проходящей через
точки расположения детекторов
3D расчет (GEMC)
опыт 1804
-0 5.
75
85
|,нсек
95
10
105
Рис. 15. Измеренная и расчетная зависимости магнитного поля от времени
в точке расположения детекторов
29
о опыт 1202
D
16
14
0502
0107
,
расчет по EMC2D(J =25вА/см^)
12
1
I
)(=85сн
08 -
S. 0 6
-5
04
Т^
02
О
W
-02
-ч
4
-02
О
02
04
06
t. нсек
08
1
12
14
Рис. 16. Зависимость от времени тока ускоренных электронов над анодом.
Рис. 17. Схема одномерной планарной брэгговской решетки
30
в главе 4 рассматривается задача генерации СВЧ-излучения милли­
метрового диапазона в мазере на свободных электронах (МСЭ) с ленточным
пучком и распределенной обратной связью, реализованной с помощью
брэгговских решеток, которые представляют собой гофрированные участки
поверхности волновода (рис. 17).
Как правило, мощные генераторы характеризуются многомодовым ха­
рактером излучения, нелинейным взаимодействием пучка с ограниченными
в продольном направлении электродргаамическими структурами, трансфор­
мацией волн между модами. Так как многомодовость электромагнитного
поля предполагает существование конечной полосы частот, то фактически
она является частным случаем широкополосного излучения, и представля­
ется очень привлекательным описать эволюцию полей во времени с помо­
щью моделей, предназначенных для расчета короткоимпульсного Э М сиг­
нала. Существенным отличием генерации излучения в М С Э от процессов,
рассмотренных в предыдущих главах, является то, что она происходит
1) при резонансном взаимодействии электронов с магнитньпи полем он­
дулятора и требует точного описания движения релятивистской частицы в
магнитных полях, что достигалось использованием модифицированной
схемы Бориса для описания движения частиц;
2) в сверхразмерной электродинамической системе.
Одним из ключевых вопросов моделирования является вопрос об опре­
делении свойств электродинамической системы и проверке адекватности их
описания в двумерной программе, которая используется для расчетов гене­
рации излучения в МСЭ. Для его решения автор разработал метод связан­
ных резонансов (МСР) [2А, ЗА], основанный на применении функций Грина
для двумерной краевой задачи уравнения Гельмгольца. Идея метода лежит в
представлении магнитного поля в волноводе с брэгговской решеткой в виде
суммы падающего и рассеянного полей:
Н=\ „
[Нд,
,
(13)
reQ/
и использовании интегрального представления для компонент поля, кото­
рые сохраняют непрерывность на границе регулярного волновода QQ
и гофра Qg (рис. 17), через свои функции Грина. Тогда для определения
рассеянного магнитного поля H^,{z) на поверхности регулярного волново­
да получим интегральное уравнение Фредгольма II™ рода:
Hl-GRGinHl=GRGi„^,
(14)
31
где Сд,С,„=]^С,ЦТ1(г-а,д)-Т1(г-а,,1)) — функции Грина для регулярq=l
ного волновода и гофрировки, состоящей из М -гофр, положение которых
задано координатами 0^1,0^2- Конкретный вид G]{,G,n определяется
геометрией волновода и гофр. Наиболее простой вид они имеют для плос­
кого волновода с равномерной и прямоугольной гофрировкой, которые де­
тально описаны в диссертации.
В общем случае уравнение (14) решается численными методами, но в
случае узкого гофра (ширина гофра а мала по сравнению с длиной волны
падающего излучения X) для него можно получить аналитическое решение,
зависящее только от одного безразмерного параметра
где a,d
P=0,5aL^^ tan{kd),
— протяженность и глубина гофра, L^ — ширина волновода,
b — расстояние между гофрами, к=2п/Х. Анализ решения показывает,
что параметрический резонанс возникает (с точностью до величин порядка
Р ) в области частот
ko{l-2'K/^)<k<ko, ko=n/b.
(15)
Для частного случая, соответствующего условию брэгговского резонанса
к=ко, выражение для коэффициента отражения имеет вид:
R=^^'M^{l+^^M^y
.
(16)
Разработанный метод использовался для определения зависимости ко­
эффициента отражения брэгговских решеток от длины гофрировки и часто­
ты падающего излучения, проверке данных, полученных при прямом ре­
шении этих задач с помощью уравнений Максвелла во временном
представлении (рис. 18).
Применение брэгговских решеток с параметрами гофрировки, выбран­
ными так, что полоса отражения приходится на область длин волн излуче­
ния, генерируемого МСЭ, должна привести к селекции мод в резонаторе и
позволить в режиме генерации получить когерентное СВЧ-излучение на
частотах, совпадающих с собственньпйи модами брэгговского резонатора.
Моделирование этих процессов проводилось по двумерной методике, само­
согласованно решающей уравнения движения для электронов и уравнения
Максвелла для Э М полей. Геометрия исследуемой системы приведена на
рис. 19. Результаты расчетов подтвердили возможность существенного уве­
личения мощности вынужденного излучения на частотах при применении
брэгговских решеток в качестве отражающих зеркал (рис. 20).
32
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
f, GHz
- Измерения по прохождению ЭМ волны
- Измерения по отражению ЭМ волны
• R(Hio) - коэффициент отражения моды Ню
■ R(Ei2) - коэффициент отражения моды Ец
а
Ю 11 72 Ъ 74 15 16 77 TS 19 Ю
idk
б
Рис. 18. Зависимость от частоты коэффициента отражения Т Е М волны для одномер­
ной брэгговской решетки длиной L B ^ = 10(a), 18(6) см с периодом 0,2 см и прямо­
угольной гофрировкой, полученного в эксперименте и рассчитанного по программе
ЕМСЗД
ЯОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ |
БИБЛИОТЕКА
1
Cfltref^r
}
•8 9 И шпг
>
*"" '
'
..иту»
33
9 2 . 0 "■■
82.0
Электронный
пучок
Е=1 Мэв;
jmax=O.625*10f^
частиц/(см нсек)
18.0
О Ш:
Y
/
0.125
Х,см
Рис. 19. Расчетная геометрия МСЭ с распределенной обратной связью
Математические и физические проблемы, которые рассматриваются
в пятой главе, связаны с моделированием распространения электромагнит­
ного излучения в неоднородных средах, в частности, с электромагнитным
зондированием природных нефтяных и газовых коллекторов, когда источ­
ник излучения (магнитный диполь) и его приемники расположены в одной
скважине. Существенной особенностью рассматриваемого класса задач явля­
ется сильная неоднородность поля вблизи источника, большой диапазон из­
менения электрофизических параметров анизотропной среды и широкий
спектр используемых частот. Диапазон изменения проводимости составляет
четыре порядка, диапазон изменения частоты — до пяти: от 10 кГц до 1 ГГц.
Интерпретация данных электромагнитного зондирования базируется на
решении прямой и обратной задач для системы уравнений Максвелла в не­
однородной среде и во многом зависит от возможностей математического
моделирования, создания рациональной и эффективной стратегии проведе­
ния расчетов и измерений [30].
34
Tfane=34mec
xlO
2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0
100
a
15
го
ь 10
со
I
Й 5
20
30
40
J
50
60
70
Frequency, GHz
90
100
Рис. 20. Спектральный состав излучения на выходе генератора (а) без брэгговских решеток (б) с одномерными брэгговскими решетками.
35
Решение прямой задачи для электромагнитного поля, которая является
основой для построения методов интерпретации, может бьпъ получено на
основе численного решения соответствующего дифференциального или
интегрального уравнения. В трехмерных задачах со сложной геометрией
применение метода интегрального уравнения приводит к резкому увеличе­
нию затрат машинного времени. Кроме этого в последнее время все боль­
шую актуальность приобретает применение параллельных Э В М , и в этом
случае дифференциальный подход, как правило, оказывается предпочти­
тельнее интегрального.
Для решения прямой задачи электромагнитного зондирования автором
диссертации был предложен подход, основанный на использовании уравне­
ний Максвелла во временном представлении, который имеет следующие
особенносга:
- легко реализуем,
- окончательные уравнения хфи реализации по явной схеме решаются
по схеме бегущего счета и не требуют хранения больших матриц,
- моделирование позволяет получать диапазонные результаты, то есть
одно моделирование может дать результаты в широкой полосе частот,
- позволяет достаточно просто задавать сложные диэлектрические
и проводящие структуры.
Учитывая возможности метода конечных разностей для моделирования
распространения Э М волн в неоднородные и анизотропных проводящих
средах, трехмерная методика расчета EMC3D. описанная в первой главе
диссертации, была адаппфована к геофизическим задачам. Для этого в
систему расчета начальных данных было введено описание стандартной
геологической структуры (скважина, зона инвазии, пласты включения),
включающей тензорное описание проводимости и диэлектрической прони­
цаемости, определение источников электрического тока, и написаны мо;^'"
ли для Фурье обработки результатов расчетов во временном представлении.
Ввод данных в программу осуществляется из файла начальных данных, ко­
торый создается с помощью графического интерфейса, написанного на язы­
ке Java, имеется система визуализации.
В основе метода лежит поиск решения уравнений Максвелла в виде'
E{F,t)=E,ir,t)+Eo(F,t),
где Eo(r,t), Ho(r,t)
Hir,t)=H,(r,t)+Ho(r,t),
(17)
известные функции, являющиеся решением для из­
вестной геологической среды с заданным распределением плотности маг­
нитного тока j„, или магнитного момента M(F, со),
Vx^O-
Jm
с
36
, Vx/^o-
с
dt
СТо£.о+
с
—■
с
at
(18)
Для рассеянного поля Ё^, Н^ в таком случае получаем следующую
систему
VxE,=-^^HH„
с at
VxH,=i-f е£,+^Л+^ст£,
с at
е е
Mf,t)=(a-ao)Eo{f,t)+^^Eo.
4% dt
(19)
В качестве первичного электрического поля EQ(r, t) часто использует­
ся электрическое поле, излучаемое мгновенным точечным магнитным ди­
полем (зависимость плотности магнитного тока от времени пропорциональ­
на 5-функции) в однородной среде с заданной электрической
проводимостью GQ:
_47tif ОО
EQ{r,t)=^\
^1
еЧ \ t J
\- - F]exp
\rh,
ястрг^ '
eh
(20)
Применяя преобразование Фурье к полученным временным распреде­
лениям полного электрического поля E(r,t) = E^{r,t)+EQ(r,t},
перейдем
к пространственно-частотному представлению и получим решение уравне­
ния при заданных значениях частоты
1(г,0))=1о(г,со)+^ ff,(r,f)e'"'df,
у-ТГ
•
2я
О
(21)
где точечному магнитному диполю соответствует следующее пространст­
венно-временное распределение электрического поля
/
Ео(г,(й)=кко 1-
l
1
iKr
йг=[ШуДо=(1+0/<^.
^
—7~l'"''^J'
(22)
d=—j=£=
^2тсоой)
Приведены данные расчетов Э М полей в трехмерных геоэлектрических
структурах, характерных для высокочастотного каротажа и электромагнит­
ного каротажа, проводимого при бурении. Исследовано влияние конечных
размеров бура на отклики кольцевой антенн и возможность использования
временной формы импульса для определения проводимости среды.
37
Выводы
Основные результаты проделанной работы состоят в следующем.
1. Создана система математического моделирования, предназначенная
для исследования процессов генерации широкополосного Э М излучения, в
том числе и для прогнозирования вторичных электромагнитных эффектов в
сложных трехмерных объектах, возникающих при воздействии на них рент­
геновского и гамма-излучения. В ее основе лежит иерархическая система
физико-математических моделей, основанная на
а) расчетно-аналитической модели электронной эмиссии, возникающей
на поверхности, облучаемой рентгеновским и гамма-излучением;
б) самосогласованной одномерной модели для определения токов
и полей в непосредственной близости от облучаемой поверхности, учиты­
вающей направление падения ионизирующего излучения, построенной на
конечно-разностном решении системы уравнений Максвелла—^Власова;
в) самосогласованной двумерной модели для расчета токов и полей
с учетом конечных размеров объекта, в основе которой лежит решение
уравнений Максвелла и уравнений кинетики ионизации конечноразностным методом, а для расчета динамики электронов используется либо
метод частиц, либо конечно-разностный метод решения уравнения Власова;
г) трехмерной электродинамической модели для вычисления Э М полей
с учетом трехмерной формы объекта, где используется конечно-разностный
метод решения уравнений Максвелла с заданньпии токами, пространствен­
но-временное распределение для которых рассчитьтается в самосогласо­
ванных моделях более низкой размерности;
д) модели для оценки электромагнитных наводок, возникающих в ка­
бельной линии под действием окружающих ее Э М полей.
2. Проведены исследования вторичных электромагнитных эффектов,
возникающих под действием рентгеновского излучения на космическом
аппарате, которые показали, что
а) поляризационные компоненты электрического поля, направленные
по нормали к поверхностям, подвергшимся облучению, слабо зависят от
геометрических факторов и определяются плотностью потока фотонного
излучения;
б) времена переходных процессов, связанных с формированием элек­
тронного дипольного слоя, зависят от скорости изменения потока фотонно­
го излучения;
в) формирование магнитного поля и тока, протекающего по элементам
конструкции, носит сложный характер и зависит от скорости изменения и
амплитуды потока рентгеновского излучения, формы объекта, его ориента­
ции, характерных размеров облучаемой поверхности;
г) внутренний электромагнитный импульс в узких полостях, заполнен­
ных воздухом при нормальном давлении, имеет две составляющие —
38
высокочастотную, которая определяется скоростью изменения электронно­
го тока у границ полости и динамикой радиационно-наведенной проводи­
мости, и низкочастотную, зависящую от плотности потока фотонов и раз­
меров полости.
3. Исследован режим предельных токов для новой схемы сверхширо­
кополосного генератора направленного Э М излучения СВЧ-диапазона
с запиткой от сверхсветового фотоэмиссионного импульса электронного
тока, для которой:
а) показано, что параметры излучателя имеют скейлинг, который опре­
деляется скоростью нарастания электронной эмиссии с катода и параметра­
ми ускоряющего диода;
б) определены предельные значения плотности анодного тока и пара­
метры электромагнитного излучения, которые могут быть получены в такой
системе;
в) теоретически предсказан эффект динамического ограничения тока
ускоренных электронов, который впоследствии был подтвержден экспери­
ментально в Р Ф Я Ц — ВНИИЭФ.
4. Проведен анализ экспериментов по генерации Э М излучения сверх­
световым импульсом электронного фотоэмиссионного тока и дано сравне­
ние экспериментальных данных с расчетно-теоретическими результатами,
которые хорошо согласуются между собой, что подтверждает правильность
выбора используемых физико-математических моделей и метода их приме­
нения.
5. Разработан метод расчета взаимодействия электромагнитных волн с
одномерными электродинамическими структурами, состоящими из регу­
лярных волноводов с гофрированной поверхностью, в основе которого ле­
жит построение интегральных граничных условий импедансного типа с по­
мощью функции Грина для двумерного уравнения Гельмгольца.
6. Исследована возможность применения конечно-разностного метода
решения уравнений Максвелла во временном представлении для моделиро­
вания взаимодействия электромагнитных волн с одно- и двумерными брэгговскими решетками. Получены данные по коэффициентам отражения од­
но- и двумерных брэгговских решеток различной длины на различных
частотах.
7. Проведено моделирование генерации СВЧ-излучения в М С Э с рас­
пределенной обратной связью, реализованной на основе одномерных брэг­
говских резонаторов, во временном представлении на основе самосогласо­
ванного решения системы уравнений Максвелла—Власова. Подтверждено,
что использование брэгговских резонаторов позволяет более эффективно
получить генерацию СВЧ-излучения в области резонансных частот.
8. Предложен и реализован метод одновременного расчета каротажных
кривых для заданного широкополосного набора частот при высокочастот­
ном Э М зондировании скважин, основанный на решении уравнения
39
Максвелла во временном представлении. Показано, что метод позволяет
получать значения Э М полей с высокой точностью в средах с высоким кон­
трастом проводимостей.
Основные р е з у л ь т а т ы диссертации опубликованы
в следующих работах:
1А.
Лазарев Ю.Н., Петров П.В., Генерация мощного электромагнитного импульса
с ультракороткой длительностью. Письма в Ж Э Т Ф , 1994, том. 60, № 9 ,
с. 625—628.
2А. Петров П.В., Модель связанных резонаторов для расчета дифракции электро­
магнитных волн на одномерных брэгговских решетках планарной геомет­
рии. Письма в Ж Т Ф , 2001, том. 27, вып. 19, с. 66—75.
ЗА. Петров П.В., Теория одномерных брэгговских резонаторов планарной геомет­
рии, Ж Т Ф , 2002, т. 72, вып. 2, с. 1—7.
4А Батькаев Д.Д., Кандиев Я.,3., Лазарев Ю.Н., Петров П.В., «Расчет спектраль­
но-углового распределения электронов эмиссии из алюминия при наклонном
падении гамма-излучения». Атомная энергия, 1991, том. 71, с. 569—573.
5А. Лазарев Ю.Н., Петров П.В., Диянкова Е.В., Вронский А.В., Сырцова Ю.Г.,
Кандиев ЯЗ., Система математического моделирювания вторичных электро­
магнитных эффектов, Математическое моделирование, 2005, том. 17, Х» 7,
с. 103—119.
6А. Lazarev Yu.N., Newman G..A.,Petrov P.V., Three-dimensional scheme for singlewell electromagnetic inversion, In Subsurface and Surface Sensing Technologies and
Application Ш, Саш Nguyen, Editor, Proceedings of SPIE, 2001, vol. 4491,
p. 193—202.
7A. Лазарев Ю H., Петров П.В., Диянкова E.B., Вронский A.B., Кандиев ЯЗ., Ис­
следование электромагнитного импульса, генерированного системой, на типо­
вом космическом аппарате, ПМТФ, 2005, № 5, с. 3—13.
8А. Лазарев Ю.Н., Петров П.В., Генератор электромагнитного излучения С В Ч диапазона на основе сверхсветового источника, Ж Э Т Ф , 1999, т. 115, вып. 5,
с. 1689—1707.
9А. Lazarev Yu.N., Petrov P.V. , «Electromagnetic field parameters for some subset of
faster-than-light sources», в книге High Power Microwave Generation and Applicatюns, edited by D.Akulina, E.Sindoni, С Warthon, Proceedings of the course and
workshop on International School of Plasma Physics Piero Caldirola, Varenna, Italy,
ISPP-10,199I,p.565—575.
lOA. Lazarev Yu.N., Petrov P.V., «Generation of an intense directed ultrashort electro­
magnetic pulse», in Intense Microwave Pulses 1П, Howard E. Brand, Editor, Proc.
SPIE, 1995, vol. 2557. — P. 512.
I I A . Lazarev Yu.N., Petrov P.V., Broadband superlight source of high-power micro­
waves, in Intense Microwave Pulses IV, Howard E. Brand, Editor, Proc. SPIE 2843,
1996, p. 197—207.
12A. Lazarev Yu.N., Petrov P.V., Prospects of superlight source application for charged
particle acceleration, in Intense Microwave Pulses IV, Howard E. Brand, Editor,
Proc. SPIE 2843,1996, p.l23—133
40
1 ЗА Лазарев Ю.Н , Петров П В , Высокоградиенгный ускоритель на основе сверх­
светового источника, Ж Т Ф , 2000, вып. 8, с. 16—24
14А Лазарев Ю . Н , Петров П В , Сьфцова Ю . Г , Генерация СВЧ-излучения сверхсве­
товым источником при предельных плотностях тока. Физика Плазмы, 2003,
том 29, № 6, с. 27—35
15А Лазарев Ю К , Петров П В , Сырцова Ю Г , Фотоэмиссионный импульсный
источник широкополосного нагфавленного электромагнитного излучения,
Ж Г Ф , 2004, том. 74, вып. 11, с. 83—91.
16А. Lazarev Yu.N., Petrov Р V., Faster-4hen-light Source of Directed Electromagnetic
Radiation, Abstracts of Reports The Ш-rd Zababakhin Scientific Reading, January
14-17, Dalnya Dacha, Chelyabinsk region. Edited by M Anychin, P.Petrov, Chelyabinsk-70,1991,p. 5—27
17A Peskov N.Yu., Ai^diannikov A V.,..., Petrov P.V., et al, «Electrodynamic propeities
of spatially extended 2D Bregg resonators of planar geometry». Proceedings of the
I V bit. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas», 2—9 August 1999, edited by
A G. Litvak, Nizhny Novgorod, 2000, vol. 2, p. 130—139
18A. Arzhannikov A.V., Astrelin VT.,... , Peskov N.Yu., Petrov P.V. et al. Project of
Powerful 4-beam Planar F E M with Distributed Feedback for 75 GHz Band, 14th
international conference on High Power Beams, edited by T.A.Mehlhom,M.F
Sweeney, June 23-28, 2002. Albuquerque, New Mexico, USA, AIP conference pro­
ceedings, Melville, New York, 2002, vol. 650, p. 303—306.
19A Аржанников A.B., Быченков В A., Калинин П.В, Коваленко Г.В., Койдан B.C.,
Лазарев Ю . Н , Меклер К И , Петров П.В., Петровцев А В., «О возможности
разрушения поверхности бетона мощными импульсами СВЧ-изпучения»,
Прикладная механика и техническая физика. 2000, том 41, выпЗ (241),
с 26—34.
Литератзфа
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Siambis J G . , Symons R.S Uttrar-WideBand Short Pulse Electromagnetics, ed.
H.L.Bertoni etal. Plenum Press, New York, 1993.
Uman M . A , Lightning, Dover Publications, New York, 1984.
Моргунов В . A , Матвеев R B . Структура поля импульсного сейсмоэлектромагнитного излучения. Доклады академии наук, 1992, № 323, с. 653—656.
Tsyganenko, N.A.; Sitnov, М.1. Modeling the dynamics of the inner magnetosphere
during strong geomagnetic storms, J . Geophys. Res., 2005, Vol 110, N2. A3, A03208
Рикетс JL.y., Бриджес Дж Э.,Майлетга Дж. Электромагнитный импульс и мето­
ды защиты, М.: Атомиздат, 1979.
Нейлос Э.Дж. Новые разработки в области натфавленной передачи электромаг­
нитной энергии, ТИИЭР, 1978,том.66, >fe 3, с. 5—22.
Астанин Л Ю . , Костьшев А . А Основы сверппфокополосных радиолокацион­
ных измерений, М.: Радио и связь, 1989.
Introduction to Ultra WideBand Radar Systems, Edition by J.D. Taylor, London,
Tokyo, CCRC Press, Boca Raton, Ann. Arbor, 1995.
Кузнецов A , Стрюков Б. Построение радиолокационных изображений прово­
дящей объектов при короткоимпульсном зондировании. Радиотехника, 1988,
№ 4, с. 562—569.
41
10. Иммореев И.Я., Синявин А.Н., Изучение широкополосных сигналов. Антенны,
2001, вып. 1 (47), с. 8—12.
11 Ziolkowski R.W. Localized transmission of electromagnetic energy, Phys. Rev. A,
1989, vol. 39, Ho .4. p.2005—2033.
12. Wu T.T., Electromagnetic missiles, J . Appl. Phys., 1985, vol. 57, № 7,
p. 2370—2373.
13. Moses H.E., Prosser R.T., Acoustic and electromagnetic Bullets, SLAM J . Appl.
Math., 1990, vol. 50, № 5, p. 1325—1340.
14. Содин Л.Г., Импульсное излучение антенны (электромагнитный снаряд).
Радиотехника и электроника, 1991, вып. 5, с. 1014—1022.
15. Кирьяшкин В.В., Чубинский Н.П., Исследование возможности коллимирования
потоков электромагнитных волн сверхширокополосных сигналов. Радиотехни­
ка и электроника, 2002, том. 47, вьш. 1, с. 24—32.
16. Wu Т.Т., King R.W.P., Shen Н.М, Circular Cylindrical lens as a Line-Source Elec­
tromagnetic Launcher, Ш Е Е Trans Antennas Propag., 1989, vol. 37, №. 1, p. 39—44.
17. Бугаев С П . , Канавец В.И., Кошелев В.И., Релятивистские многоволновые С В Ч генераторы, Новосибирск, СО Наука, 1992.
18. Денисов Г.Г., Орлова И.М., О переизлучении юлн в резонаторах с гофрирован­
ными стенками. Изв. Вузов, Радиофизика, 1988, том. 31, № 6, с. 698—703.
19. Кураев А.А., Байбурин В.Б., Ильин Е.М., Математические модели и методы
проектирования СВЧ-приборов, Мн.: Наука и техника, 1990.
20 Ванин В.И., Малышев В.М., Рожин Е.Н., Шипунова Т.О., «Опасность для изде­
лий микроэлектроники многократного воздействия непреднамеренных импуль­
сов напряжения допороговой амплитуды, ВАНТ, серия «Радиационное воздей­
ствие на РЭА», 1998, вып. 1—2, с. 99—104.
21. Мырова Л.О., Чепиженко А.З., «Обеспечение стойкости аппаратуры связи
к ионизирующим и электромагнитным излучениям», М.: «Радио и связь», 1988.
22. Антипин В.В. и др. «Влияние мощных микроволновых помех на полупроводни­
ковые приборы и микрюсхемы», Зарубежная радиоэлектроника, М.: Радиоэлек­
троника, 1995, № 1, с. 37—45.
23. Logmire C.L, State of the Art in l E M P and SGEMP calculations, Ш Е Е Trans, on
Nucl. Science, 1975, vol. NS-22, № 6, p. 2340—2345.
24 Higgms DP., Lee K.S., Marin L., «System-Generated EMP», Ш Е Е Trans. Nucl.
Sci., 1978, vol. NS-25, № 6, p. 1329—1337.
25 Ганага C.H , Здуход Л.Н., Пантелеев С В . , Парфенов Ю.В., Тарасов О.Ф., Шапранов А.В., Электродинамическое действие ионизирующих излучений, в книге
«Физика ядерного взрыва» под ред. В.М. Лоборева, том 2, стр. 107—130,
М.: Наука, ФИЗМАТЛИТ, 1997.
26. Бессараб А.В., Кунин А.В., Мартыненко С П . , Прудкой Н.А., Солдатов А.В.,
Суслов Н.А., Терехин В.А., Исследование макроскопического источника череп­
ковского электромагнитного излучения, возникающего при наклонном падении
на поверхность рентгеновского импульса. Труды Р Ф Я Ц — В Н И И Э Ф , 2001, На­
учно- исследовательское изд., Саров: Р Ф Я Ц — В Н И И Э Ф , вьш. 1, стр. 518—527.
27. Голубев А.И., Ивановский А.В., Соловьев А.А., Терехин В.А., Одномерная мо­
дель для описания быстрых волн пробоя в длинных разрядных трубках, ВАНТ,
Теоретическая и прикладная физика, 1985, вьш. 2, с. 17—27.
42
28. Yee K.S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving
Maxwell's Equations in Isotropic Media, I E E E Trans. Ant. Prop., 1966, AP-14,
p. 302—307.
29. Higgins D.F. Time Domain Calculation Of The Leakage Of SGEMP Transients
Through Braided Cable Shields, ГЕЕЕ Trans, on Nucl. Sci., 1989, vol. NS-36,
Xa 6, p. 2042—2049.
30. Тихонов A.H., Дмитриев В.И., Захаров E.B., Математические методы в элек­
тромагнитных методах геофизики и их численный анализ, в книге «Проблемы
вычислительной математики», М.: изд-во МГУ, 1980, с. 40—81.
43
*22Z2S
РНБ Русский фонд
2006-4
20301
\
о
Л
х7
- ч ^
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 984 Кб
Теги
bd000101315
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа