Программа учебной дисциплины сдм. В. 01-05 «Взаимодействие потоков заряженных чаcтиц с электромагнитными полями» Магистерская програ
| Вид материала | Программа |
- Лечение электромагнитными полями, 13.15kb.
- Программа учебной дисциплины волновые процессы в океане Магистерская программа 510414/38, 84.14kb.
- Программа учебной дисциплины сдм. В. 01 05 «Акустические волны в движущихся средах», 84.38kb.
- Программа учебной дисциплины сдм. В. 01-05 «Поверхностные акустические волны» Магистерская, 56.62kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины «моделирование при стратегическом планировании», 242.46kb.
- Учебно-методический комплекс учебной дисциплины сдм. 02 «программирование» подготовки, 879.43kb.
- Программа дисциплины «Взаимодействие государства и бизнеса: формы и технологии» для, 179.49kb.
- Программа дисциплины сдм. Ф4 Ядерные реакции и реакторы для студентов специальности, 131.89kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины сдм. 01. 03 Нейросетевые технологии, 150.29kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины обеспечение прав личности в оперативно-розыскной, 422.2kb.
Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
| Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры радиофизики | УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ А.С. Чирцов |
| Протокол от 18. 11. 2003 № 10 Заведующий кафедрой _____________________Н.Н.Зернов | |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
СДМ.В. 01-05 - «Взаимодействие потоков заряженных
чаcтиц с электромагнитными полями»
Магистерская программа 510419/16
Разработчики:
доцент, канд.физ.-мат.наук _________________ Г. Ф. Ременец
Рецензент:
профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ И.А. Панин
Санкт - Петербург - 2003 г.
1. Организационно-методический раздел
1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение студентов методам физического и математического анализа физических систем, состоящих из интенсивно взаимодействующих электромагнитных волн и потока заряженных частиц. Подготовка студента к практическому применению этих методов в области вакуумной сверхмощной (релятивистской) электронике СВЧ и магнитосферной геофизике.
1.2. Задачи курса: Изучение основных направлений и принципов генерирования и усиления мощных и слабых электромагнитных колебаний в СВЧ диапазоне во всем диапазоне электромагнитных волн, начиная с СВЧ. Изучение соответствующих методов физического и математического анализа.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина “Взаимодействие потоков заряженных частиц с электромагнитными полями” является базовой в подготовке профессионального радиофизика и служит основой для изучения текущей специальной научной литературы в области генерации и усиления электромагнитных волн в радиотехнике, ускорительной технике и в естественных геофизических условиях.
1.4. Требования к уровню освоения “Взаимодействие потоков заряженных частиц с электромагнитными полями”
- знать необходимые и достаточные условия эффективного взаимодействия потоков заряженных частиц с электромагнитной волной на примерах ряда классических и релятивистских СВЧ усилителей и генераторов;
- знать элементы самосогласованных линейной и нелинейной теорий лампы бегущей волны с учетом влияния пространственного заряда;
- представлять фазировку электронных потоков в двумерном случае со скрещенными статическими электрическим и магнитными полями;
- представлять фазировку электронных потоков в слаборелятивистских СВЧ генераторах;
- представлять фазировку электронных потоков в криволинейном пучке, движущемся в регулярном волноводе без замедляющей системы.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
-
Всего аудиторных занятий
48 часов
из них: - лекций
48 часов
- практические занятия
0 часа
Самостоятельная работа студента (в том числе на курсовую работу по дисциплине)
30 часа
Итого (трудоемкость дисциплины)
78 часов
Изучение дисциплины по семестрам:
11 семестр: лекции - 48 ч., экзамен;
3. Содержание дисциплины
3.1.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий
1. Вводный раздел.
1.1. Основные положения длительного взаимодействия потока заряженных частиц и электромагнитного поля (“полевые условия”, “электронные условия”, синхронизм, фазировка электронного потока). Основные уравнения системы “поток заряженных
частиц-электромагнитное поле”.
1.2. Четыре вида индивидуального излучения заряженной частицей.
2. Волновые явления в потоках заряженных частиц, не взаимодействующих с электромагнитными полями.
2.1. Волны пространственного заряда в бесконечно широком электронном пучке и пучке конечного диаметра. Их свойства.
2.2. Циклотронные волны. Их свойства
3. Элементы теории волновых процессов в плазме.
3.1. Элементы теории распространения электромагнитных волн в изотропной и анизотропной “холодной” плазме. Условия возникновения “медленных” электромагнитных волн в холодной плазме.
3.2. Элементы теории распространения волн в “горячей” плазме - продольные волны. Неприменимость подстановочного анализа. Решение Ландау задачи Коши для системы уравнений. Физический смысл бесстолкновительного затухания продольных волн.
3.3. Реализация синхронизма в плазменных СВЧ-приборах.
4. Возбуждение колебаний в плазме электронными (ионными) потоками.
4.1. Апериодические неустойчивости электронных пучков. Неустойчивость Бурсиана, неустойчивость Пирса.
4.2. Колебательные электростатичесие неустойчивости. Понятие гидродинамической неустойчивости. Дисперсионное уравнение для системы плазма-пучок в изотропном и анизотропном случаях.Численные результаты анализа дисперсионного уравнения для случаев: однонаправленные разноскоростные потоки электронов, противоположно направленные потоки электронов. Электронно-волновые усилительные лампы.
5. Элементы теории возбуждения волноводных систем объемным источником тока и теория лампы бегущей волны.
5.1. Разложение произвольного электромагнитного поля в волноводе с объемным пучком заряженных частиц по собственным волнам волновода. Выделение поля пространственного заряда из этого разложения.
5.2. Линейная теория лампы бегущей волны с электронным пучком конечного диаметра и учетом влияния пространственного заряда. Вывод интегрального уравнения для поперечного распределения плотности тока и продольной составляющей электрического поля в пучке методом самосогласованного поля. Дисперсионное уравнение как стационарный функционал, определенный на функциях поперечного распределения плотности тока.
5.3. Линейная теория (продолжение). Усреднение величин по сечению электронного пучка и вывод соответствующего характеристического уравнения для отыскания комплексных волновых чисел, обуславливающих режим усиления лампы бегущей волны. Переход к безразмерным параметрам в характеристическом уравнении и результаты его численного анализа. Два предельных случая, поддающихся аналитическому исследованию. Влияние пространственного заряда электронного пучка на эффективность усиления в ЛБВ. Работа ЛБВ на медленных волнах пространственного заряда при больших плотностях пространственного заряда.
5.4. Принцип работы лампы обратной волны.
5.5. Нелинейная теория лампы бегущей волны. Физическая причина нелинейных явлений в лампе бегущей волны. Система нелинейных уравнений и границы ее применения. Предельный переход к линейному варианту теории. Три закона сохранения для электронных потоков в ЛБВ.
6. Элементы теории возбуждения объемных резонаторов заданными токами и элементарная теория магнетрона.
6.1. Возбуждение объемных добротных резонаторов заданными токами.
6.2. Дрейфовое приближение и приближение заданного СВЧ-поля в теории магнетрона. Фазировка двумерных электронных потоков в магнетроне (электронные “языки” в генерирующем магнетроне в условиях точного и приближенного синхронизмов). Условие запирания магнетрона. Частота возбуждения магнетрона при малых амплитудах поля и малой несинхронности.
7. Криволинейный пучок в волноводе. Самосогласованная теория.
7.1. Резонансное возбуждение волновода бесконечно тонким электронным пучком.
7.2. Резонансное движение электронов пучка в волноводе.
8. Электроннолучевые параметрические усилители. Принцип параметрического усиления волн пространственного заряда. Каноническая система уравнения для быстрых волн пространственного заряда в трехчастотном приближении. Работа параметрического усилителя на быстрых волнах как необходимое условие минимизации собственных шумов усилителя. Трехсегментное строение электроннолучевого параметрического усилителя.
9. Дифракционные генераторы. Решение задачи о неограниченном электронном потоке над ленточной решеткой как доказательство возможности перевозбуждения дифракционной решеткой кулоновских полей электронного потока в объемные электромагнитные волны. Устройство дифракционного генератора. Бриллюэновская диаграмма. Условие синхронизма в дифракционном генераторе.
10. Гирорезонансные СВЧ-приборы - сверхмощные слаборелятивистские генераторы электромагнитных колебаний в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
10.1. Строение гиромонотрона (гиротрона). Усредненное движение электронов в гиротроне.
10.2. Усредненное возбуждение полей в гиротроне. Система самосогласованных уравнений.
10.3. Параметр несинхронности, его физический смысл. Характеристическое уравнение для гиротрона и результаты его численного анализа. Азимутальная фазировка электронов пучка в гиротроне. Слабость влияния сил пространственного заряда на эту фазировку.
11. Применеие сильноточных релятивистских пучков для сверхмощной генерации СВЧ-колебаний.
11.1 Приборы, основанные на индуцированном черенковском и переходном излучениях релятивистских электронов. Релятивистские магнетроны. Релятивистские плазменные СВЧ-генераторы.
12. Идея лазера на свободных электронах и пример ее реализации.
13. Индуцированные высыпания электронов в атмосферу Земли из радиационных поясов как результат взаимодействия медленных электромагнитных волн в магнитосферной плазме с электронами, населяющими магнитосферную магнитную ловушку.
3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы
Четыре вида индивидуального излучения движущейся заряженной частицы.
Нормальные волны в потоке заряженных частиц.
“Синхронизм” как необходимое условие эффективного взаимодействия между потоком заряженных частиц и электромагнитной волной.
“Фазировка” электронов при их взаимодействии с электромагнитным полем как достаточное условие для усиления или генерации электромагнитного поля электронным потоком.
Медленные волны в холодной плазме. Пример медленной волны в горячей плазме. Затухание Ландау.
Работа параметрических СВЧ усилителей на быстрых волнах (пространственного заряда или циклотронных) как необходимое условие для подавления собственных шумов прибора.
Физический смысл уравнений, входящих в самосогласованную систему уравнений лампы бегущей волны (ЛБВ).
Смысл интегрального уравнения самосогласованной теории ЛБВ.
Смысл характеристического уравнения в упрощенной теории ЛБВ.
Влияние пространственного заряда на коэффициент усиления ЛБВ.
Физический смысл уравнений входящих в систему уравнений нелинейной теории ЛБВ.
Варотронное излучение электрона и дифракционные генераторы. Фазировка и синхронизм в дифракционных генераторах.
Физический смысл уравнений, входящих в систему уравнений самосогласованной теории взаимодействия криволинейного пучка заряженных частиц в волноводе с электромагнитным полем.
Релятивистский эффект как необходимое условие генерации СВЧ в гиротронах.
Синхронизм и фазировка на примере одного из лазеров на свободных электронах.
3.6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
Условия фазировки и синхронизма в эффективном взаимодействии потока
заряженных частиц и электромагнитной волны.
Свойства волны пространственного заряда в бесконечно широком потоке заряженных частиц.
Свойства волн пространственного заряда в потоке заряженных частиц конечного
диаметра.
Свойства циклотронных волн в потоке заряженных частиц.
Усиление волн пространственного заряда во встречных потоках заряженных частиц.
Усиление волн пространственного заряда в двух однонаправленных потоках заряженных частиц.
Принцип работы параметрического усилителя на быстрых нормальных волнах электронного потока.
Вывод интегрального уравнения “строгой” самосогласованной линейной теории лампы бегущей волны.
Приближенная теория лампы бегущей волны. Результаты анализа характеристического уравнения.
Система уравнений нелинейной самосогласованной теории ЛБВ.
Самосогласованная теория усиления электромагнитного поля в регулярном волноводе криволинейном пучке.
Реализация синхронизма и фазировки в дифракционных генераторах.
Анализ фазировки электронных потоков в плоской модели магнетрона в дрейфовом приближении без учета влияния пространственного заряда.
Самосогласованная теория генерации миллиметровых и субмиллиметровых
электромагнитных волн в слаборелятивистских генераторах (гиротронах).
Роль релятивистского фактора.
Идея электронной перестройки по всему диапазону электромагнитных волн при их генерации с помощью “лазера на свободных электронах”.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайдфильмов, кино и видио- фильмов
4.2. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельное построение студентами математических моделей.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и контроля.
Компьютерный класс, стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.7. Литература
4.7.1. Основная
1. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М., 1973.
2. Люиселл У. Связанные и параметрические колебания в электронике. М., 1963, 352с.
4.7.2. Дополнительная
3. Ратклифф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. С. 159-206.
4. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. М., 1982. 264 с.
5. Шевчик В.И., Шведов Г.Н., Соболева А.В. Волновые и колебательные явления в электронных потоках на сверхвысоких частотах. Саратов.
6. Железовский Б.Е. Электроннолучевые параметрические усилители. М., 1971. 382 с.
7. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника. Харьков, 1976. 232 с.
8. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М., 1977. 278 с.
9. Богданкевич Л.С., Рабинович Я.С., Рухадзе А.А. Релятивистская сильноточная СВЧ плазменная электроника // Известия ВУЗов. Физика, 1979. No 10. С. 47-58.
При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указывается среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.