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高功率微波(HPM)源中的混沌现象

郝建红  
【摘要】: 高功率微波(HPM)源是一个由电磁场和相对论电子束组成的非线性系统。在通常情况下,高功率微波源器件都工作在大电流和强场工作状态,尤其在场达到饱和以后,系统的非线性效应将变得非常明显,非线性系统所特有的一些现象(如,极限环型振荡和混沌行为)将出现,这些非线性现象直接影响器件的各种输出特性。本文概述了作者对高功率源非线性行为的特性和规律方面所作的研究工作。 首先,建立了一个描述辐射场演化的积分一微分方程,解析分析了系统解的不稳定性,并采用线性方程解的微扰迭代方法进一步对系统不稳定解出现的失谐量阈值和线性增长率阈值等作了详细讨论。表明了在一定的条件下,系统将出现非线性不稳定,这构成了论文的第二章。 接着,在论文的第三章和第四章我们从导出了一组用于描述场和电子相互作用的非线性偏微分耦合方程组开始,利用频谱分析法,以行波管(TWT)放大器和磁绝缘传输线振荡器(MILO)为例,数值研究了O型器件和M型器件中场的极限环振荡和混沌行为。通过对输出辐射场的时间特性和频率特性的分析,我们得到:与线性区域一样,在饱和后的非线性区域,电流对辐射场的非线性演化起着决定性的作用。随着电流的增大,辐射场经历由稳定饱和到极限环型的周期振荡,并最终过渡到非周期性混沌振荡的演化过程,按其状态可分为“软”和“硬”两种非线性区域: (1)在“软”非线性区域,场的极限环振荡态和稳定饱和态是交替出现的,其特征是典型的倍周期分岔,输出功率谱是分立的。由于极限环振荡是间断出现的,所以在软非线性区域,适当的调节电流、失谐量和相互作用区长度,可以避免器件工作在极限环振荡态上。 (2)在“硬”非线性区域,场的混沌振荡态是连续出现的,其特征是输出功率谱是连续谱。由于混沌态是连续的,所以在硬非线性区域,不能通过调节参数来避免器件工作在这种混沌态上。 中国工程物理研究院博士论文郝建红 在饱和后的非线性区域,输出功率具有不确定性,对于一些参数值,输出 功率可以变得很低。适当的优化参数可以得到较高的输出功率。 论文的第五章,我们以行波管放大器为例,通过分析电子运动的相空间 轨道,对电子的混沌运动进行了数值研究和讨论,并对电子混沌和场混沌的 行为规律作了比较和总结。


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