10.3. Некоторые особенности нелинейных колебательных и волновых процессов.

До сих пор, рассматривая разного типа неустойчивости, мы ограничивали себя только режимами малых амплитуд, когда благодаря возможности линеаризации, сильно упрощается запись и решение дисперсионных уравнений. На самом деле в существующих на практике электронных устройствах в процессе нарастания колебаний, как правило, процессы становятся существенно нелинейными. В качестве немногочисленных исключений можно указать, пожалуй, очень короткоимпульсные или очень короткие вдоль электронного потока электронно-пучковые системы, где колебания не успевают перейти в нелинейную стадию.

Рассматривая особенности нелинейных колебаний, сначала, обратимся к простейшим уравнениям. Вспомним, что линейные колебания автономной одномерной системы без потерь описываются уравнением

. (10.4)

Это простейшее уравнение преобразуется к виду, характерному для нелинейных колебаний, если второй член в левой части равенства - нелинейная функция f(x)

(10.5)

Простейший пример нелинейных колебаний - колебания электрона с большой амплитудой в периодическом поле типа показанного на рис.10.1. Такая ситуация реализуется в поле бегущей волны, которая может возникнуть, например, в ЛБВ или ЛОВ.

Всистеме координат, движущейся с волной, изменение потенциальной энергии электрона описывается

уравнением

(10.6)

Рис.10.1.

Поэтому уравнение движения электрона может быть записано в виде

, (10.7)

так как и.

Таким образом, в типичной для СВЧ устройств ситуации движение электрона описывается принципиально нелинейным уравнением. Однако в данном случае проявляется одно из свойств нелинейных систем - их неизохронность, т.е. зависимость их состояния от начальной энергии колеблющейся частицы. Если начальная колебательная энергия электрона мала, он совершает колебательные движения с малой амплитудой вблизи минимума потенциала. В этом случае его движение - практически гармоническое. Если же начальная энергия велика и сравнима с глубиной потенциальной ямы, то амплитуда колебаний тоже велика и в результате движение одновременно становится существенно нелинейным.

Другой отличительной чертой нелинейных колебаний является их негармоничность. Негармоничность нелинейных колебательных поясним подробнее на другом примере.

Пусть мы имеем дело с электронным пучком, распространяющимся вдоль оси x, т.е. движение электронов одномерно. Введем начальную малую по амплитуде модуляцию скорости электронов

, (10.8)

т.е. теперь полная скорость электронов V равна сумме V=V_o+u

Введение этого возмущения приводит к тому, что в пучке начнется группировка электронов. Обратим внимание, что рассматриваемая ситуация близка к реализуемой в клистроне, где в резонаторе происходит модуляция по скорости, а в пространстве дрейфа модуляция по скорости преобразуется в модуляцию по плотности.

Рассмотрим эволюцию пучка во времени в системе координат, движущейся с начальной скоростью электронов V_o. В этой системе движение обусловлено только начальным возмущением и уравнение движения можно записать в форме

(10.9)

Равенство нулю полной производной возмущения скорости означает, что мы пренебрегаем возникновением электрических сил из-за группировки электронов и ведем рассмотрение без магнитного поля. Конечно, пренебрежение электрическими силами оправдано только на начальной стадии группировки. Затем электрическими полями сгустков уже пренебрегать будет нельзя. Именно эти поля будут ограничивать группировку. Таким образом, мы более-менее корректно можем анализировать только начальный этап эволюции группировки в пучке электронов. Пренебречь действием магнитного поля можно и в том случае, когда оно существует, но ориентировано в направлении движения электронов. При этом однако важно, чтобы электроны не имели поперечных по отношению к силовым линиям магнитного поля скоростей.

Проследим эволюцию характеристик электронного потока, воспользовавшись фазовой плоскостью x,u (рис.10.2). Рассмотрим для начала случай, когда в среде нет дисперсии. В фазовой плоскости каждая точка движется со своей скоростью. Точки верхней полуплоскости движутся вправо, а нижней - влево, причем скорость каждой точки пропорциональна удалению от оси х. Начальное состояние изображено синусоидой (тонкая линия на рисунке 10.2a). Затем синусоида искажается (толстая линия на том же рисунке) и в результате группировки электронов формируются максимумы плотности пространственного заряда вблизи точек, где величина u=0 (рис.10.2b). Одновременно изменение по х скоростей становится негармоническим и формируются сгустки пространственного заряда. Далее появляются точки, где производная стремится к бесконечности, а следовательно и концентрация электронов стремится к бесконечности.

Рис.10.2.

Затем происходит “опрокидывание волны” (кривая на рис.10.2с). После этого уже существуют пары точек с бесконечной производной и с бесконечной концентрацией электронов (рис.10.2d). Дальнейшая эволюция пучка ведет к тому, что сингулярные максимумы расходятся (левые идут налево, а правые в противоположном направлении. Проведенное рассмотрение поясняет группировку электронов в клистроне и ярко иллюстрирует еще одну важную особенность нелинейных систем - их негармоничность. Действительно, распределение скоростей и плотности пространственного заряда в пучке описывались гармоническими функциями только в начальный момент. Далее все

характеристики становятся существенно негармоническими. Это же рассмотрение поясняет условия оптимальной группировки. Такие условия реализуются перед началом опрокидывания волны.