ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 2, с. 159-166
ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.385.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМЫ НА ПРОЦЕСС ГЕНЕРАЦИИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМАХ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ
© 2010 г. А. Г. Жерлицын, П. Я. Исаков, Г. В. Мельников, В. Н. Слинко
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет ", "Научно-исследовательский институт ядерной физики ",
Томск, Россия
Поступила в редакцию 15.05.2009 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния плазмы на процесс генерации СВЧ-излучения в системах с виртуальным катодом. На примере триода с виртуальным катодом показано, что катодная и анодная плазма могут привести к уменьшению эффективности генерации, а, именно, к снижению мощности генерируемого СВЧ-излучения, изменению частоты излучения и длительности СВЧ-импульса. Показано, что при высоких уровнях мощности СВЧ-излучения возможно ограничение излучаемой в свободное пространство мощности из-за возникающей на поверхности окна плазмы. Эта плазма появляется в результате пробоя при совокупном действии тормозного и ультрафиолетового излучения, электронов и ионов из области формирования пучка, электрической напряженности СВЧ-поля на поверхности окна.
1. ВВЕДЕНИЕ
С развитием сильноточной релятивистской электроники появился новый тип СВЧ-прибо-ров — виркаторы [1, 2], в которых генерация СВЧ-излучения осуществляется за счет осцилля-торного движения электронов между реальным и виртуальным катодами, а также колебаний самого виртуального катода (ВК). Генерация в этих приборах может осуществляться в резонансной системе с геометрическими размерами, во много раз превышающими длину волны генерируемого СВЧ-излучения (в так называемой сверхразмерной резонансной системе). Это позволяет увеличить электрическую прочность системы по СВЧ-пробою, что дает возможность генерировать СВЧ-излучение с высоким уровнем мощности. Однако эксперименты по генерации СВЧ-излучения в виркаторах показывают, что с увеличением мощности пучка электронов возникают процессы, приводящие к ограничению как мощности излучения, так и эффективности генерации.
Одной из возможных причин, приводящих к ограничению мощности излучения, является появление плазмы в виркаторе. Поскольку формирование виртуального катода осуществляется объемным зарядом пучка электронов, то наличие плазмы в системе может существенно повлиять на условия формирования ВК и, как следствие этого, на процесс генерации СВЧ-излучения, на параметры импульса СВЧ-излучения.
В данной работе приводятся результаты экспериментов по исследованию влияния плазмы на процесс генерации СВЧ-излучения в системах с виртуальным катодом.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальные исследования проводились в виркаторе типа триод с виртуальным катодом [3]. Типичная конструкция триода с В К
Рис. 1. Схема отражательного триода с ВК. 1 — катод, 2 — анод, 3 — отражатель, 4 — изолятор, 5 — вакуумная камера, 6 — окно вывода.
4
3
2
6
Рис. 2. Схема эксперимента. 1 — камера триода, 2 — катод, 3 — анод-сетка, 4 — фотоэлектронное устройство , 5 — фотоаппарат, 6 — приемная антенна, 7 — выходное окно.
(рис. 1) представляет собой вакуумную камеру, внутри которой располагаются катодный и анодный узлы, окна для вывода СВЧ-излучения. Катодный узел состоит из взрывоэмиссионного катода 1 и катододержателя, служащего для крепления катода к корпусу вакуумной камеры. Конструкция катододержателя позволяет менять величину катод-анодного промежутка в широких пределах. Анодный узел состоит из сеточного анода 2 и анододержателя. В качестве анода используется сетка из нержавеющей стали с геометрической прозрачностью ~0.7. Анододержатель обеспечивает крепление анода к изолятору и подвод высокого напряжения. Размещенный на ано-додержателе металлический отражатель 3 защищает вакуумный изолятор 4 от попадания на его поверхность заряженных частиц, ультрафиолетового и тормозного излучения, порождаемых осциллирующими электронами пучка. Таким образом отражатель защищает изолятор от электрического пробоя и препятствует образованию плазмы на поверхности изолятора. Кроме того, отражатель является элементом электродинамической структуры. При перемещении отражателя по анододержателю можно изменять структуру поля в вакуумной камере и величину обратной связи [4].
Отличительной особенностью триода с ВК, по сравнению с другими типами виркаторов, является то, что в этой системе процессы формирования пучка электронов и преобразование энергии пучка в энергию СВЧ-излучения происходят в одном и том же объеме (в вакуумной камере, являющейся одновременно "сверхразмерной" резонансной системой). Это, безусловно, оказывает влияние как на процесс формирования пучка и виртуального катода, так и на процесс генерации. По этой же причине на процесс генерации оказывает влияние и наличие плазмы в этом объеме.
В триоде с ВК плазма может образовываться на катоде, на аноде и на поверхности выходного окна 6 под воздействием заряженных частиц и СВЧ-излучения.
В экспериментах влияние плазмы на процесс генерации в триоде с виртуальным катодом оценивалось по осциллограммам импульсов напряжения, тока и СВЧ-излучения и по параметрам мощности и частоты СВЧ-излучения. Кроме этого, для оценки влияния плазмы, которая является следствием возникающих разрядов на поверхности окна, с помощью фотоаппарата фиксировалась картина разряда на окне, а развитие разряда во времени регистрировалось с помощью фотоэлектронного устройства (ФЭУ). Схема регистрации разрядов на окне представлена на рис. 2. Для наблюдения разрядов в эксперименте использовалось окно из плексигласа, который имеет достаточно высокую оптическую прозрачность, и через него СВЧ-излучение в десятисантиметровом диапазоне длин волн проходит с малыми потерями.
3. КАТОДНАЯ ПЛАЗМА
Катодная плазма является неотъемлемой составляющей процессов, происходящих при использовании взрывоэмиссионного катода. При подаче высокого напряжения на анод происходит термический взрыв микроострий на поверхности катода с образованием плазменного облака. Из электронов, эмитируемых из плазмы, формируется осциллирующий поток, который генерирует мощное электромагнитное излучение. Образовавшееся плазменное облако перемещается в сторону анода со скоростью порядка 106 см/с, что приводит к уменьшению катод-анодного промежутка в процессе работы катода по закону: d(t) = d0 -ut, где d0 — начальный размер катод-анодного промежутка, и — скорость движения плазмы.
Известно [3], что в триоде с ВК частота излучения f зависит от ускоряющего напряжения U0 и изменяющейся величины катод-анодного промежутка d(t) : f ~ U01/2/dn(t), 0 < n < 1. Поэтому изменение катод-анодного промежутка за время действия импульса напряжения должно сопровождаться изменением частоты излучения. Действительно, как показали эксперименты на установке со слабо изменяющейся амплитудой импульса напряжения, в триоде с ВК наблюдается изменение частоты излучения, пропорциональное скорости движения плазмы в катод-анодном промежутке. На рис. 3 представлены результаты экспериментов. Измерения частоты за время импульса излучения проводились с помо-
РР
а 200 ^ 100
14
(а)
(б)
(в)
7
I__]_,_|_I
1 1 0 3Р тах 1 / = 2880 МГц 1 (г)
V 1 1 0.67Ртах 1 / = 2950 МГц 1 (д)
1 1 Р / = тах 1 = 3020 МГц 1 (е)
1 1 0.57Ртах 1 / = 3150 МГц 1 (ж)
(з)
0.3Ртах / = 3500 МГц
Рис. 3. Осциллограммы импульсов: а) напряжения; б) тока; в) СВЧ-излучения без фильтра; г)—з) СВЧ-излучения через фильтр. Ртах = 200 МВт.
щью полосовых волноводных фильтров, настроенных на разные частоты. Максимальная мощность СВЧ-излучения без фильтра была Ртах = 200 МВт (рис. 3в). Мощность излучения на других частотах / соответственно была: Р = 0.3Ртах = 60 МВт на / = 2880 МГц (рис. 3г); Р = 0.67Ртах = 134 МВт на / = 2950 МГц (рис. 3д); Р = Ртах = 200 МВт на / = 3020 МГц (рис. 3е); Р = 0.57Ртах = 114 МВт на / = 3150 МГц (рис. 3ж); Р = 0.3Ртах = 60 МВт на/ = 3500 МГц (рис. 3з). Из рисунка видно, что по мере движения плазмы к аноду, т.е. по мере уменьшения эффективного катод-анодного промежутка при постоянном напряжении, за время генерации происходит перестройка частоты излучения в сторону ее увеличения. Кроме того, экспериментально было установлено, что распределение плазмы по поверхности катода оказывает влияние на процесс генерации. Неоднородность плазмы по поверхности катода, наряду с изменением частоты излучения, приводит к уменьшению генерируемой мощности излучения, к нестабильности генерации, а ее высокая скорость движения приводит к
быстрому перекрытию плазмой катод-анодного промежутка, и, соответственно, к ограничению длительности импульса излучения.
Таким образом, чтобы добиться эффективной и стабильной по мощности и частоте излучения генерации, необходимо, во-первых, затормозить движение плазмы в сторону анода и, во-вторых, обеспечить ее однородность вдоль поверхности катода. Многочисленные эксперименты показали, что это можно достичь применением много-острийных взрывоэмиссионных катодов (МВК). Были проведены численные и экспериментальные исследования по оптимизации МВК применительно к триоду с ВК. В результате были созданы МВК, позволяющие формировать электронные потоки с параметрами, необходимыми для эффективной генерации импульсов СВЧ-излучения наносекундной и микросекундной длительности.
Конструктивно многоострийный катод представляет собой металлическую подложку, на которой крепятся острия. Острия изготавливаются из нержавеющей стали. Этот материал оказался наиболее устойчивым к разрушению, а ресурс ра-
Многоострийный катод (а)
Плоский катод
1.0 1.5
мкс
2.0 0
0.5 1.0
мкс
Рис. 4. Осциллограммы импульсов: а) напряжения; б) тока; в) СВЧ-излучения, г) тормозного излучения.
боты такого катода составляет порядка 105 импульсов. Выбор диаметра, высоты острий и их расположения на подложке зависел от используемой формы и длительности импульса напряжения. Так, например, чтобы обеспечить генерацию микросекундной длительности, высота острий должна быть не меньше 15 мм и расстояние между остриями должно составля
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.