Файл: Самсонов, Д. Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения).pdf

раметров газоразрядной среды в дополнительном

полом

резонаторе при

отсутствии

магнитного

поля.

Приведем

сначала

некоторые

результаты

исследований

свойств

электронно-ионной плазмы .

Комплексная

проводимость

и

диэлектрическая

по­

стоянная

плазмы

(сГпл, е) определяются

следующими

со­

отношениями

[8, 19—22]:

3 "

* =

А

, ,

, ~2—Г *

л

, , ,

2 ч '

(Ш. 14)

ч2s

.„,2

1

•

W,

(Ш.15)

OfL.

. _ / _ J i L . J _ * * . .

Д л я СВ Ч

д и а п а з о н а при

давлении

/?^0,1

мм

рт. ст.

выполняется

условие

\\,фф<^(о

и

соотношения

(111.14)

и ( I I I . 15)

м о ж н о

записать в

виде

l-m2Jm*.

(Ш.15')

З а м е т и м ,

что

соотношение

( I I I . 15')

совпадает

с

ранее

приведенным соотношением (111.8х)

д л я

электронной

плазмы .

Если

резонатор,

о б л а д а ю щ и й

добротностью

Q0 и

собственной частотой

со, заполнить

плазмой,

то

его но­

вая добротность Q и смещение частоты Дсо могут

быть

определены путем несложных преобразований из соот­

ношения

(111.5):

Q ^ ^ s y i ^ v ^ ,

(III. 16)

Дш/ш=г— \/8ке-шпп/ш\

(111.17)

где ео — д и э л е к т р и ч е с к а я проницаемость вакуума .

Чем плотнее сконцентрирована

п л а з м а

в

области

максимального

электрического поля

резонатора,

тем

значительнее различаются собственные частоты резона­

тора с газовым

наполнением

и без

него.

Рис.

ШЛО. Зависимость

резо­

нансной частоты /о и добротно­

сти

(Qo,

QBH,

QH) от тока раз­

ряда

/ р

для

прямоугольного

резонатора, полностью

запол­

ненного плазмой.

Н а

рис.

Ш Л О

пред­

ставлена

эксперименталь ­

ная

зависимость

резо­

нансной частоты и доброт­

ности

резонатора

прямо ­

угольной

формы,

пол­

ностью

заполненного

га­

зом, от

величины

р а з р я д ­

ного

тока.

И з

рисунка

видно,

что при увеличении

о

/о

го

зо w

so iP,MA

разрядного тока

/ р

от 0 до

50 мА н е н а г р у ж е н н а я добротность

Qo изменяется

от

1 ООО

до

100,

т. е. в 10 раз,

а частота

f

увеличивается

от

3 000

до

3 650

М Г ц ,

т.

е.

приблизительно

на

20%.

П р и не

очень м а л ы х величинах р а з р я д н о г о тока

к р и в а я настрой­

ки носит

практически линейный характер . З а м е ч е н о

воз­

растание

вносимых потерь в процессе

испытания

газо ­

лизации окон связи и

стенок резонатора продуктами

катодного распыления .

Д л я ослабления этого э ф ф е к т а

ными р а з р я д н ы м и трубками, вводимыми

в

область

со­

средоточения м а к с и м а л ь н о г о ВЧ электрического

поля.

Стабильный

р а з р я д получается

при

наполнении

труб­

ки

неоном

с давлением

pl S =; 1

мм

рт.

ст.

Р а з р я д

газа

в

трубке возникает

под

воздействием

постоянного

на­

п р я ж е н и я

на электродах . В р е м я деионизации

молекул

составляет

при этом

г И о н ~ 2 0 0

мкс,

что

позволяет произ­

водить

частотную

модуляцию

колебаний

в резонаторе

с

частотой

около

2

кГц.

Н а и б о л е е э ф ф е к т и в н а я

настройка

одиночного

резо­

натора

получается

при

использовании

р а з р я д о в

типа

«низковольтная

дуга»

и

«отрицательное

свечение

в тлеющем

разряде» .

Катодное падение потенциала зависит от рода и

д а в ­

ления газа

и от

м а т е р и а л а

катода . Ч е м

выше

катодное

падение

потенциала,

тем

интенсивнее

распыляется

ма-

териал

катода . С а м о е

низкое

катодное

падение

потен­

циала

получается в

р а з р я д е инертных газов с

к а т о д а м и

из щелочных

металлов .

П р и

одинаковых

д а в л е н и я х

инертные

газы

с

боль­

шой массой

молекулы

(криптон, ксенон)

создают

при­

тронов, чем

гелий или водород. О д н а к о

вместе

с

массой

молекулы

газа возрастает

и

величина вносимых

потерь.

К а к и

полый

резонатор,

простреливаемый

электрон­

ным пучком

(электронной

п л а з м о й ) ,

резонатор

с

элек­

тронно-ионной плазмой [23] м о ж е т быть

использован

д л я

осуществления

электрической

настройки

магнетрона .

П р и этом могут быть получены значительно

большие

величины

изменения

частоты

колебаний,

чем

при

ис­

пользовании электронной п л а з м ы .

Управление процессом перестройки частоты затруд ­

няется тем,

что

на

п а р а м е т р ы

электронно-ионной

плаз ­

мы о к а з ы в а е т сильное влияние ВЧ

поле,

сосредоточен­

ное в полом

резонаторе. Ч е м

сильнее

это

поле,

т. е. чем

больше В Ч

энергии

з а п а с а е т с я

в газонаполненном

резо­

наторе, связанном с анодным блоком магнетрона,

тем

хуже управляется колебательный режим

магнетрона .

нитного

поля магнитной системы

магнетрона

может

быть

ослаблено

путем

применения

магнитных

экранов

или у д а л е н и я полого резонатора с газоразрядной

плаз ­

мой от

магнитов.

Д а н н ы й способ

электрической настройки

может

быть,

по-видимому, применен л и ш ь в том

случае,

когда

магне­

трон

используется

как

генератор

С В Ч шумовых

коле­

баний

большой

мощности. Если ограничиться

падением

точно сильной связи дополнительного

резонатора с анод­

ным блоком магнетрона о ж и д а е м ы й

диапазон его на­

стройки составит всего несколько процентов.

Электрическая настройка магнетрона изменением па­

раметров газоразрядной среды в дополнительном

полом

резонаторе при

наличии постоянного

магнитного

поля.

Особый интерес

представляет взаимодействие

п л а з м ы

янного

магнитного поля. В этом

случае п л а з м а

стано­

вится

анизотропной

средой

д л я

р а с п р о с т р а н я ю щ и х с я

в ней

электромагнитных волн

(диэлектрическая

посто­

янная

е м о ж е т быть

представлена

тензором) .

Р а с с м о т р и м

д в а

случая

взаимной

ориентации

плос­

кой электромагнитной волны и постоянного

магнитного

поля .

В

1. Н а п р а в л е н и е

вектора

магнитной

индукции

од­

нородного продольного магнитного поля совпадает с на­

правлением

распространения

волны. В

этом

случае

, = 1 - » * / ( ( о 1 н = а ) ю ц ) ,

(III. 18)

где

ш ц = = - - ^ £ [ Г с ] ^ 2 . 1 0 '

В

[рад/с].

2. Н а п р а в л е н и е

распространения

волны

перпендику­

л я р н о вектору индукции магнитного

поля.

В этом

слу­

чае

диэлектрическая

постоянная

п л а з м ы

в

направлении,

п а р а л л е л ь н о м

вектору

В,

в =

1 -

« » ! > %

(1И-19)

ПП'

а в направлении, перпендикулярном направлению рас ­

пространения

волны,

<о2

1 — <о2

/со2

.

(111.20)

8

= 1 - _ ^ - -

И з

формул

(III. 18) — (III.20)

видно,

что

как

в продоль­

ном,

так

и

поперечном

магнитных

полях

происходит

р а з л о ж е н и е

п а д а ю щ е й

плоской

волны

в

п л а з м е на

две

волны,

поляризованные

линейно

во

взаимно

перпенди­

к у л я р н ы х направлениях .

Эти

ф о р м у л ы

не

учитывают

соударений

электронов

с м а т е р и а л ь н ы м и

частицами

п л а з м ы

(с

молекулами

га­

за,

а т а к ж е

с

электронами

и и о н а м и ) .

Они

позволяют

л и ш ь установить,

что вблизи

циклотронного

резонанса

((о = о)ц)

имеет

место

резкое

изменение

частоты.

П р и

этом

вносимые

потери

т а к ж е

резко

возрастают .

Н а ­

ибольшие

изменения

е

(и частоты)

имеют

место

в

слу­

чае

1.

Э ф ф е к т соударений

может

быть

учтен

в

случае,

ко­

гда

п л а з м а

заключена

в сравнительно

небольшом

объе­

ме

[24].

ми

выходными устройствами:

/ — р е з о н а т о р Н - о б р а з н о г о т и п а ;

2 — щ е л и

с в я з и ;

3—волноводы

п р я м о у г о л ь н о г о

с е ч е н и я ;

4 — п р и с о е д и н и т е л ь н ы е ф л а н ц ы .

На

рис. III.11

представлен

общий

вид

резонатора 3-см диапазона волн

усилить эффект

взаимодействия ВЧ

поля резонатора

с плазмой. Добротность

резонатора Qo =

400. Связь резонатора

натора. Магнитное

поле

направлено

вдоль пучка электронов. Вели

2,5 \

Aflfo,

%

1

1,0

1,0

|Мч

1J.

О

-1,0

У—

к>

-2,0

0,98

1,0

1,02

шц/си

О

10 20 30L1П, мА

от значения

индукции магнитного поля, характеризуемого отноше­

нием

Шц/ю при / п = 20

мА.

/ )

р = 0 , 0 3 мм

рт . ст. д л я Аг; 2)

р = 0 , 0 3

мм рт . ст.

д л я Н 2 ; 3) р=0,015

мм рт .

ст.

д л я Н 2 ; 4) д л я в а к у у м а ( р ^ Ю - 6

мм рт . с т . ) .

Рис. III.13. Зависимость величины перестройки частоты резонатора

от тока

пучка / п :

' )

р=0,007 мм

рт . ст . , Х = 4 см

д л я

Аг;

2)

р—0,03

мм рт. ст., Х=3,2

см д л я

Аг;

3) р = 0 , 0 4 5

мм

рт.

ст..

А=3,2 см д л я Н 2 .