ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 8, с. 738-748
ПЛАЗМЕННАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 533.951;537.862
ИЗМЕНЕНИЕ МОЩНОСТИ ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО СВЧ-УСИЛИТЕЛЯ В ТЕЧЕНИЕ ИМПУЛЬСА ТОКА РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 500 нс
© 2014 г. П. С. Стрелков, В. П. Тараканов*, **, И. Е. Иванов, Д. В. Шумейко
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия *Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия ** Национальный исследовательский университет "МИФИ", Москва, Россия e-mail: strelkov@fpl.gpi.ru, karat@gmail.ru, iei@fpl.gpi.ru,shumeiko@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 13.01.2014 г.
Экспериментально исследуется плазменный релятивистский микроволновый усилитель с коэффициентом усиления около 30 дБ, с мощностью выходного излучения 60—100 МВт в диапазоне частот от 2.4 до 3.2 ГГц. Полная длительность импульса электромагнитного излучения равна длительности импульса тока релятивистского электронного пучка — 500 нс, но максимальное значение мощности излучения наблюдается только в течение 200 нс. В работе показано, что причина изменения мощности излучения в течение импульса тока трубчатого релятивистского электронного пучка состоит в изменении его радиуса и толщины. Из анализа экспериментальных данных и результатов численного моделирования системы следует, что толщина электронного пучка определятся эмиссионной способностью катодной плазмы.
DOI: 10.7868/S0367292114070099
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Исследования релятивистского плазменного СВЧ-усилителя проводятся несколько лет. В работе [1] прямыми измерениями показано, что плазменный СВЧ-усилитель имеет коэффициент усиления около 30 дБ, мощность выходного излучения 60—100 МВт на четырех произвольных частотах 2.4, 2.7, 2.83 и 3.1 ГГц. Косвенными измерениями доказано, что уровень мощности 60— 100 МВт сохраняется во всем диапазоне частот от 2.4 до 3.2 ГГц. Замечательным свойством этого усилителя является большая полная длительность выходного СВЧ-излучения. Полная длительность выходного СВЧ-излучения равна 400—500 нс и совпадает с длительностью импульса тока релятивистского электронного пучка (РЭП). Однако максимальное значение мощности (60—100 МВт) достигается только в течение 200 нс, в работе [1] оно наблюдалось только с 200-й по 400-ю нс. Цель данной работы состоит в исследовании причин изменения мощности в течение импульса тока РЭП.
2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО СВЧ-УСИЛИТЕЛЯ
На вход плазменного релятивистского СВЧ-усилителя подается внешнее электромагнитное излучение, частота которого попадает в диапазон частот усилителя. Далее происходит возбуждение
плазменной волны на частоте входного сигнала, которая усиливается при взаимодействии трубчатого релятивистского электронного пучка с трубчатой плазмой. В эксперименте на выходе усилителя наблюдается излучение на частоте входного сигнала. Если в эксперименте на вход плазменного релятивистского СВЧ-усилителя внешнее электромагнитное излучение не подается, то на выходе усилителя наблюдается шумовое излучение с широким спектром и с относительно малой мощностью. РЭП и плазма находятся в однородном магнитном поле. Если начальная энергия электронов и длина системы плазма-пучок фиксированы, то коэффициент усиления плазменной волны зависит от значения плотности плазмы, от величины тока РЭП и, наконец, от отношения радиусов трубчатых РЭП и плазмы [2]. Энергия электронов определяется потенциалом катода сильноточного релятивистского ускорителя. К сожалению, в наших экспериментах форма импульса потенциала катода не имеет идеально плоской вершины, но в начале импульса и в его второй половине потенциал катода одинаков. Таким образом, ожидалось, что коэффициент усиления в начале импульса тока РЭП и в конце будут одинаковы. Однако получить один и тот же уровень мощности СВЧ-излучения в начале импульса тока РЭП и в конце не удалось [1].
В линейном приближении коэффициент усиления поля плазменной волны К = гъКЬ, где Ь —
длина плазмы, 8Х ~ 11/3, I — ток РЭП [2]. Таким образом, уменьшение тока РЭП приводит к уменьшению усиления поля плазменной волны.
В данном эксперименте релятивистский электронный пучок формируется в магнитоизолиро-ванном диоде. Если значения магнитного поля и плотности тока эмиссии катода равны бесконечности, то в магнитоизолированном диоде формируется трубчатый пучок с бесконечно малой толщиной и величина тока РЭП определяется формулой Федосова [3]
8.5[М] у о -У1
I =
In R/r Yi
Y о = 1 + eU/mc2 Yi = >/2y0
(1)
0.25 - 0.5
(2)
K
50
40 30 20 10
Представим эту формулу в другом виде I = МЫ] f U)
In R/r
Здесь, U — потенциал катода, ^ — радиус внешнего металлического цилиндра, r — радиус катода, m — масса электрона, c — скорость света. Отношение I/f (U) равно первеансу пучка. В нерелятивистской электронике первеанс электронного пучка равен отношению I/U3/2. Если ток пучка ограничен собственным пространственным зарядом, то первеанс зависит только от геометрического фактора, в данном случае от отношения радиуса металлического цилиндра —Як радиусу пучка — r. В эксперименте, и значения магнитного поля и значения плотности тока эмиссии катода ограничены, что приводит к конечным размерам толщины пучка. Если, однако, толщина трубчатого пучка в эксперименте много меньше радиуса пучка, то рассчитанные по формуле (1) значения тока хорошо совпадают с экспериментальными значениями. Из формулы (1) следует, что ток РЭП при фиксированном значении U может изменяться в течение импульса, если изменяется радиус катода. Электроны РЭП стартуют с поверхности плазмы взрывоэмиссионного катода. Изменение поперечного размера этой плазмы может приводить к изменению тока РЭП при фиксированных значениях U. Если величина U зависит от времени, то для определения радиуса пучка в данный момент времени нужно измерять первеанс пучка. Изменение величины первеанса во времени свидетельствует об изменении радиуса пучка.
Электрическое поле плазменной волны максимально на радиусе равном радиусу трубчатой плазмы и уменьшается к оси, но при этом на оси оно не равно нулю. В экспериментальной установке радиус трубчатого РЭП меньше радиуса трубчатой плазмы. В этом случае зависимость коэффициента усиления от радиуса РЭП для характерных условий эксперимента имеет вид, изображенный на рис. 1. Мощность СВЧ-излучения также зависит от коэффициента отражения от
2.0 r, см
Рис. 1. Зависимость коэффициента усиления плазменного релятивистского СВЧ-усилителя К на частоте 2.4 ГГц для трех значений плотности плазмы пр: 1 —
1.2 х 1012 см-(L = 48 см).
5, 2 - 1.5 х 1012 см-3, 3 - 2 х 1012 с
конца плазменного волновода. Этот коэффициент уменьшается с ростом плотности плазмы. Поэтому максимальная мощность излучения наблюдается при плотности плазмы около 1.5 х 1012 см-3.
Итак, уменьшение радиуса пучка приводит к уменьшению тока пучка, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента усиления плазменного СВЧ-усилителя. Кроме того, уменьшение радиуса пучка приводит к уменьшению связи между РЭП и электрическим полем плазменной волны и, следовательно, к дополнительному уменьшению коэффициента усиления плазменного СВЧ-усилителя К.
Изменение коэффициента усиления плазменного релятивистского СВЧ-усилителя может быть связано с изменениями параметров плазмы, заготовленной до включения РЭП, а также с образованием дополнительной плазмы под действием СВЧ-поля или РЭП. В настоящей работе проводится исследование динамики радиального распределения тока пучка РЭП и делается попытка объяснения наблюдаемого эффекта изменения мощности СВЧ-излучения во времени нестабильностью радиальной структуры плотности тока РЭП.
3. СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ РЭП
РЭП для плазменного релятивистского СВЧ-усилителя формируется в магнитоизолированном диоде, изображенном на рис. 2. Магнитоизолиро-ванный диод состоит из взрывоэмиссионного дискового поперечно-лезвийного катода [4] 2 с радиусом 12.5 или 17 мм и трубы 3 с радиусом 55 мм, величина магнитного поля на катоде В = = 4.5 кГс. На расстоянии 11 см от катода РЭП 1
2 1 5 3 8 9 6
Рис. 2. Схема плазменного релятивистского СВЧ-усилителя: 1 — РЭП, 2 — катод сильноточного ускорителя, 3 — металлическая труба, 4 — электронный пучок, создающий плазму, 5 — анодная диафрагма, 6 — коллектор РЭП и электронного пучка — 4, 7 — термокатод, 8 — вход СВЧ-усилителя, 9 — СВЧ-поглотитель, 10 — излучающий рупор.
входит в диафрагмирующую трубку 5 длиной 6 см. Внутренний радиус этой трубки равен 15.75 мм. После диафрагмирующей трубки РЭП попадает внутрь трубчатой плазмы. Плазма создается дополнительным электронным пучком, который эмитируется с кольцевого термокатода 7 с радиусами 16.5—18.5 мм [5]. Термокатод установлен за диафрагмой, поэтому релятивистские электроны не могут попасть на термокатод, а плазма, в свою очередь, не может попасть в магнитоизолирован-ный диод. Магнитное поле на входе в диафрагмирующую трубку в 1.37 раза больше, чем на катоде. При радиусе катода 12.5 мм РЭП проходит через диафрагму без потерь. Далее РЭП распространяется до коллектора РЭП 6 в продольном магнитном поле, величина которого плавно уменьшается и в электродинамической системе СВЧ-усили-теля и на коллекторе В = 4.5 кГс. Коллектор находится на расстоянии 144 см от катода. Внутренний и наружный радиусы трубчатой плазмы на коллекторе равны 19 и 22 мм, а внешний радиус РЭП для катодов с разными радиусами может быть равен 19 мм или меньше. В схему СВЧ-уси-
и, кВ I, кА
Рис. 3. Осциллограммы тока РЭП (верхняя кривая) и напряжения на катоде (нижняя кривая).
лителя еще входят коаксиальный ввод входного СВЧ сигнала 8, СВЧ-поглотитель 9 и излучающий рупор 10. Далее в разд. 4 и 5 приводятся результаты экспериментов с катодами радиуса 12.5 мм и 17 мм соответственно. Оба раздела имеют подразделы с одинаковыми названиями. Это сделано для того, чтобы читатель мог сравнивать изменение конкретных свойств системы плазма-пучок, которое происходит при изменении радиуса катода.
4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПРОВЕДЕННЫЕ С КАТОДОМ РАДИУСА 12.5 ММ
4.1. Форма импульсов тока РЭП и напряжения на катоде
Первая информация о том, что параметры РЭП меняются во вре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.