Специальность 01.04.04 Физическая электроника

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт прикладной физики
Российской академии наук
ПРИНЯТО
Ученым советом отделения физики
плазмы и электроники больших мощностей
Протокол № ___ от _____2012 г.
Председатель Ученого совета ОФПиЭБМ
________________________ Суворов Е.В.
Программа вступительного экзамена
в аспирантуру по специальности
Специальность 01.04.04 Физическая электроника (физико-математические науки)
«Микроволновая вакуумная электроника»
Нижний Новгород
2012 год
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Учреждение Российской академии наук
Институт прикладной физики РАН
(ИПФ РАН)
ПРИНЯТО
Ученым советом отделения физики
плазмы и электроники больших мощностей
Протокол № ___ от _____2011 г.
Председатель Ученого совета ОФПиЭБМ
________________________ Суворов Е.В.
Программа вступительного экзамена
в аспирантуру по специальности
Специальность 01.04.04 Физическая электроника (физико-математические науки)
«Микроволновая вакуумная электроника»
Нижний Новгород
2011 год
Содержание дисциплины
№ п/п
Раздел дисциплины
1
Классическая электроника как раздел электродинамики движущихся сред
2
Основные уравнения
3
Электронная оптика
4
Индивидуальное излучение электронов
5
Принципы стимулированного излучения стационарных электронных ансамблей
6
Электронные СВЧ генераторы и усилители
7
Селекция мод в мощных генераторах и усилителях
1. Введение в микроволновую вакуумную электронику.
Микроволновая вакуумная электроника как раздел электродинамики движущихся сред.
Приложения классических электронных мазеров.
2. Взаимодействие электронов с электромагнитными полями: исходные уравнения.
Уравнения электродинамики и движения заряженных частиц. Элементы специальной теории
относительности.
Законы сохранения энергии и импульса. Соотношения взаимности.
Кинетическое уравнение и уравнения гидродинамики.
Квантовый подход к взаимодействию электронов с электромагнитными волнами.
3. Формирование и транспортировка электронных потоков.
Движение электронов в однородных и слабо-неоднородных электромагнитных статических
полях.
Фокусировка электронов электро- и магнито- статическими линзами.
Фокусировка электронов пространственно-периодическими и высокочастотными полями.
Формирование интенсивных прямолинейных электронных потоков: а) закон чайлдаленгмюра (плоские диод и триод); б) пирсовская пушка; в) коаксиальный диод с магнитной
изоляцией.
Формирование периодических криволинейных электронных потоков:
а) магнетронно-инжекторная пушка; б) кикерные и касповые пушки.
4. Электромагнитное излучение индивидуальных электронов.
Элементарные процессы взаимодействия между электронами и электромагнитными
волнами. Классический и квантовый подходы. Законы сохранения энергии-импульса.
Электронно-волновые синхронизмы и соответствующие типы индивидуального
(спонтанного) излучения электронов: Черенковское и переходное излучение; тормозное
излучение; рассеяние волн на электронах.
5. Общие принципы стимулированного излучения стационарных электронных потоков.
Стимулированное излучение стационарных ансамблей с позиций первого (энергетические
соотношения) и второго (инверсия населенностей) принципов электродинамики.
Принцип причинности; соотношения Крамерса-Кронига.
Специфические формы самосогласованных уравнений, описывающих работу вакуумных
электронных приборов. Возбуждение волноводов и резонаторов высокочастотным током.
Поляризационные переменные.
Лагранжев подход: группировка электронов (силовая или инерционная) под действием
высокочастотного поля и излучение электронных сгустков.
Эйлеров подход: взаимодействие собственных волн электронных потоков с собственными
волнами «внешних» электродинамических систем. Волны с отрицательной энергией. Волновые
неустойчивости.
6. Электронные СВЧ генераторы и усилители.
Основные схемы генераторов и усилителей когерентного электромагнитного излучения.
Эволюция мод и бифуркации в пространстве параметров.
а) собственные моды неравновесных трехмерных систем и задача рассеяния,
б) подпороговая активная среда как усилитель (в частности, вблизипороговая среда как
регенеративный усилитель),
в) надпороговая мода (в частности, усилитель с положительной обратной связью) как
генератор,
г) мягкие и жесткие (включая «сверхжесткие») режимы самовозбуждения автогенераторов.
Специфические схемы генераторов и усилителей, основанных на нелокальном
взаимодействии высокочастотных полей с электронными пучками:
а) секционированные усилители клистронного типа,
б) усилитель попутной волны,
в) генератор обратной (встречной) волны,
г) усилитель с поперечным током.
Приборы, основанные на стимулированном черенковском и переходном излучениях
электронов:
а) клистрон,
б) ЛБВ,
в) ЛОВ,
г) магнетрон.
Приборы, основанные на стимулированном тормозном излучении электронов:
а) гиротроны,
б) убитроны (лазеры на свободных электронах).
Параметрические электронные приборы.
7. Принципы селекции мод в мощных микроволновых генераторах и усилителях
Основная литература:
1)
2)
3)
4)
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М., Наука, 1973.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., Наука, 1982.
Гапонов В.И. Электроника, М. Советское Радио, 1960.
Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике, М.
Советское Радио, 1973.
Дополнительная литература:
1)
Шевчик В.Н., Трубецков Д.И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.
Советское Радио, 1970.
Вопросы для контроля
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
Движение электрона в однородном статическом электромагнитном поле с позиций разных
инерциальных систем отсчета.
Движение электрона в слабо-неоднородном магнито-подобном квазистатическом поле:
адиабатический инвариант и дрейф ведущего центра. Магнетронный инжектор.
Движение электрона в слабо-неоднородном высокочастотном поле: сила и потенциал
Миллера.
Принцип работы электронных линз и жесткая фокусировка частиц в периодических
магнитных структурах.
Закон 3/2. Пушка Пирса. Лампы с сеточным управлением.
Классификация типов излучения электронов по типам синхронизма между частицами и
электромагнитными волнами (классический и квантовый подходы).
Черенковское излучение в однородной среде и периодических волноводах.
Тормозное излучение в однородной среде и волноводах. Нормальный и аномальный эффекты
Допплера.
Рассеяние волн на движущихся электронах в свободном пространстве, волноводах и
резонаторах.
Теорема единственности и корректные постановки задач электродинамики стационарных
неравновесных сред.
Квантовый и классический подходы к стимулированным радиационным процессам в
неравновесных стационарных ансамблях электронов.
Эйлеров и Лагранжев подходы к взаимодействию переменных электромагнитных полей с
электронными потоками.
Собственные волны стационарных электронных потоков. Волны с отрицательной энергией.
Бинарные взаимодействия волн в системах с трансляционной симметрией. Критерии
устойчивости. Типы неустойчивостей.
Усиление волн в среде, состоящей из классических электронов-осцилляторов.
16) Стандартные схемы усилителей и генераторов электромагнитных волн: асимптотические
варианты и бифуркации при изменении параметров.
17) Специфические (с учетом нелокальной связи тока и поля) схемы усилителей и генераторов,
основанных на стимулированном излучении электромагнитных волн электронными
потоками.
18) Принцип работы клистрона.
19) Принципы работы ЛБВ и ЛОВ.
20) Принцип работы магнетрона.
21) Принцип работы гиротрона.
22) Принцип работы убитрона (лазера на свободных электронах).
23) Законы подобия для слабо- и ультра- релятивистских СВЧ генераторов.
24) Электродинамические и электронные методы селекции мод в мощных источниках
когерентного электромагнитного излучения.
Ответственный за специальность
Ученый секретарь ОФПиЭБМ
__________________ Абубакиров Э.Б.
______________________ О.С. Моченева