РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 967-973
ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ
УДК 621.385.6
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОЭМИССИОННЫХ СТРУКТУР В КАЧЕСТВЕ КАТОДОВ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА © 2015 г. А. Н. Дармаев1, Д. А. Комаров1, 2, С. П. Масленников2, С. П. Морев1, 2
Научно-производственное предприятие "Торий", Российская Федерация,117393 Москва, ул. Обручева, 52 2Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Российская Федерация,115409 Москва, Каширское шос., 31 E-mail: npptoriy@mtu-net.ru Поступила в редакцию 20.04.2015 г.
Рассмотрены режимы работы автоэмиссионного источника типа Абаньшина—Горфинкеля в режиме импульсного напряжения управления при параметрах импульса, требуемых для СВЧ-усилителей. Теоретические и экспериментальные результаты исследований позволили выявить принципиальные ограничения в использовании подобных структур в качестве источников электронов в мощных электровакуумных приборах СВЧ-диапазона.
DOI: 10.7868/S003384941509003X
ВВЕДЕНИЕ
Использование автоэмиссионных источников электронов является одним из перспективных направлений в современной СВЧ-электронике. Огромное количество работ посвящено исследованию разного рода материалов, используемых в качестве автокатодов, исследованию предельно достижимых плотностей токов, а также стабильности автоэмиссии [1—3].
К основным преимуществам автоэмиссионных структур относится "нулевое" время готовности и возможность управления током луча малыми величинами управляющих напряжений. Так, величины управляющих напряжений в мощных СВЧ-приборах со стандартными термоэмиссионными катодами составляют единицы киловольт, в то время как автоэмиссионные ячейки вследствие своих малых размеров позволяют перейти к управляющим напряжениям в сотни вольт, что может существенно сказаться на габаритах источников питания и на величине потребляемой мощности [4].
Однако импульс тока для мощного импульс -ного электровакуумного изделия характеризуется не только амплитудой, но и формой самого импульса. На импульс управляющего напряжения, а следовательно, и на импульс СВЧ-мощности, накладывается ряд существенных ограничений. Так, для СВЧ-приборов, предназначенных для радиолокационной техники, суммарный фронт и спад импульса СВЧ, полностью определяющего-
ся формой импульса напряжения на управляющем электроде, при малых длительностях импульса (порядка 5 мкс) не должен превышать 25% от длительности импульса, а при более коротких импульсах зачастую не должен превышать 2 мкс. Таким образом, максимально возможная длительность фронта или спада не должна превышать 1 мкс в широком диапазоне скважностей и длительностей импульса. Стремление снизить напряжение управления неминуемо приводит к уменьшению межэлектродных расстояний в ячейке и к возрастанию паразитных емкостей, которые ограничат достижимые уровни фронта и спада импульса. Кроме того, работа усилителя в аппаратуре приводит к определенным требованиям к защите источников питания и самого усилителя от возникновения микропробоев. Однако работа и обеспечение конкретных режимов усилительного устройства с автоэмиссионным источником электронов в условиях реальных цепей питания изучена еще недостаточно, в данной статье проведен анализ работы автоэмиссионного источника электронов на основе ячейки Абаньшина—Горфинкеля (АГ-ячейка) [5, 6] в импульсном режиме аппаратуры применения.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Рассматривалась работа автоэлектронной АГ-ячейки при модуляции электронного потока импульсным управляющим напряжением. Для
Як
К,
ип
Ск
Яд
Яф
Ко
г
Рис. 1. Эквивалентная схема автоэмиссионной ячейки.
моделирования переходных процессов использовалась эквивалентная схема автоэлектронной ячейки с двумя ключами (рис. 1). Балластное сопротивление Яб обеспечивало заряд накопительной емкости катод—сетка Ск-с, сопротивление Фаулера Яф определяло протекание тока автоэмиссии в рабочей области ячейки, сопротивление дугового разряда Яд ^ Яф. Ключ К, моделировал подачу входного напряжения, т.е. описывал включение импульса управления и0, а ключ К2 моделировал возникновение искрений в промежутке, т.е. возникновение микропробоев. Представленная схема позволила легко рассмотреть два режима независимо: режим включения напряжения питания, который определялся характерными временными интервалами переходного процесса, выбросами емкостного тока, формой импульса тока, и режим развития искрового разряда в промежутке катод—сетка.
В линейном приближении для сопротивления ЯФ и пренебрежении сопротивлением разряда, дифференциальное уравнение относительно напряжения на промежутке катод—сетка может быть записано в виде
ЯбА-с ^ + Я ик-с(-) = и0.
(1)
Начальным условием, исходя из законов коммутации, являлось нулевое значение напряжения на емкости до замыкания ключа К1.
Решение уравнения (1) имеет следующий вид:
и =и0 яЯЯ ('- ехр I-;11 •
(2)
-1 ЯФ + Яб где т = ■
/(-) = и о
1
1 - ехрI--II + и
1
-ехр
(3)
Яф + Яб \ \ т!1 Яб
Анализ соотношений (2), (3) показал суще ственную зависимость тока и напряжения от ве
Цс—с, В 200
150 -
100
50
Ск-сЯФЯб
Единственным измеряемым током в цепи являлся полный ток схемы, который определялся на основании законов Кирхгофа в следующем виде:
0 1 2 3 4 г, мкс
Рис. 2. Зависимость напряжения катод-сетка от времени: Яб = 10 (1) и 100 кОм (2).
личины балластного сопротивления и величины емкости катод—сетка. Стремление обеспечить как можно более низкое напряжение управления может приводить к тому, что величины межэлектродных емкостей составят 10...20 пФ. Для обеспечения требуемых длительностей фронта и спада импульса управления, как следует из (2), необходимо существенно снижать величину балластного сопротивления. Из анализа представленных на рис. 2, 3 зависимостей напряжения на зазоре и тока в цепи от времени при двух различных величинах балластного сопротивления, следует, что увеличение балластного сопротивления приводит к резкому росту времени нарастания тока (фронт импульса составил более 2 мкс при Яб = 100 кОм).
Кроме того, ток емкостного зазора, т.е. фактически ток смещения, имел характерный выброс на фронте управляющего импульса. Этот ток определит нагрев проводов питания и стабильность системы с точки зрения тепловых уходов. Можно показать, что превышение емкостного тока над током автоэмиссии при включении цепи (или отключении в случае импульса), определяется соотношением 1 + Я^/Яб.
Полученные соотношения являются только оценкой снизу - реальная цепь катода с проводами конечной длины приведет к дополнительному искажению фронта и спада и увеличению емкостного тока.
Однако сопротивление Яб в цепи питания играет еще одну важную роль, помимо эффективного заряда межэлектродной емкости: ток цепи в установившемся режиме определяется балластным резистором. Возникновение микропробоев, всегда имеющих место для любого электровакуумного прибора (замыкание ключа К2), приведет
2
I, мкА
1000
500
1П, мА
2
t, мкс
Рис. 3. Зависимость тока в цепи от времени: = 10 (1) и 100 кОм (2).
40
30
20
10
10
15
t, нс
Рис. 4. Зависимость тока разряда в цепи от времени: Яб = 10 (1) и 100 кОм (2).
1
1
2
0
1
2
0
5
к протеканию по цепи тока, который ограничен только величиной Яб, т.е. фактически ток дугового разряда ограничен только этой величиной.
Уравнение цепи в случае пробоя аналогично (1), изменятся только начальные условия (до замыкания ключа К2 в цепи был установившийся процесс).
Анализ представленных на рис. 4 результатов расчета тока в цепи при пробое при разных значениях балластного сопротивления показал, что ток пробоя 1п при балластном сопротивлении 10 кОм может достичь 20 мА. Полная величина установившегося тока равна и0/(Яб + Яд) (рис. 5).
Представленные аналитические оценки сделаны для одной ячейки с током 1 мА. При необходимости получать для мощных усилителей величины токов хотя бы порядка единиц ампер парциальные ячейки придется соединять параллельно. В этом случае, например для тока в 1А, необходимо 1000 структур, соответственно, емкость увеличится в 1000 раз. Для сохранения фронта и спада балластное сопротивление придется уменьшить в 1000 раз, но тогда емкостной ток и ток пробоя возрастут до величин порядка 5...6 А.
Приведенный анализ указывает на существование противоречивых требований. С одной стороны, необходимость получения требуемого фронта и спада импульса управления приводит к резкому уменьшению балластного сопротивления вплоть до сотен ом, с другой стороны, при таком сопротивлении практически нет никакого ограничения тока дугового разряда, что неминуемо должно приводить к гибели любой автоэмиссионной структуры — будь то микроострийные системы или планарные.
2. СХЕМА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 6 представлена экспериментальная схема для исследований эмиссионных параметров опытных образцов автоэмиссионных структур. Основу схемы составили высоковольтный блок питания (ВБП) и генератор управляющих импульсов (ГУИ), подаваемых на автоэмиссионный катод. Уровень выходного напряжения ВБП плавно регулировался от 0 до 2.5 кВ. Максимальная амплитуда управляющих импульсов на выходе ГУИ составляла иу = 300 В, длительность импульсов регулировалась в диапазоне ^ = 5.15 мкс, длительность фронта и спада импульса ~0.1 мкс.
Для контроля условий работы автоэмиссионных ячеек (АЭЯ) в схеме регистрировались импульсные напряжения в четырех контрольных точках (КТ) с помощью осциллографа типа
I, мА 20 г
15
10 -
5 -
0
20
40
60
80 t, мкс
Рис. 5. Зависимость емкостного тока в цепи от времени: Яб = 100 (1) и 10 кОм (2).
Рис. 6. Экспериментальная схема: ЗГИ — задающий генератор импульсов; ГУИ — генератор управляющих импульсов; ВБП — высоковольтный блок питания; АЭЯ — автоэмиссионная ячейка; СИ — синхроимпульс; Яш1, Яш2 — резистив-ные шунты; КТ1...КТ4 — контрольные точки экспериментальной схемы.
TDS2024B. На первый канал осциллографа (КТ1) подавался синхроимпульс (СИ) задающего генератора импульсов (ЗГИ). Второй и третий каналы осциллографа (КТ2, КТ3) регистрировали импульсы напряжения на выходе ГУИ и на
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.