Файл: Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты.pdf

§ 4] УМНОЖИТЕЛИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 59

нанса за счет взаимодействия неоднородной плотности заряда и скорости электронов, модулированной с ча­ стотой входного генератора.

Экспериментальное исследование [6] нелинейных свойств анизотропной плазмы при значительно более высокой входной мощности было выполнено на установ­ ке, изображенной на рис. 39. Стеклянная разрядная ка­ мера 5 кубической фор­

лась трехсантиметровым рупором 4, питаемым от магнет­ рона непрерывного действия мощностью 200 вт. Для приема второй гармоники использовался прямоугольный рупор 5 с чувствительным приемником (—80 дбмвт), имеющим ширину полосы 2 Мгц и перестраивающимся в диапазоне 8—26,5 Ггц. Установка помещалась между полюсами электромагнита 1 таким образом, что направ­ ление магнитного поля совпадало с направлением элек­ трического поля генератора на 100 Мгц.

Измерения второй гармоники, генерируемой в плазме, производились для гелия, гелия с примесью аргона (1%), криптона, ксенона и аргона с неоном. Мощность второй гармоники измерялась в зависимости от входной мощ­ ности, величины магнитного поля, типа газа и его давле­ ния. Эксперименты показали, что выходная мощность резко зависит от магнитного поля, достигая максимума в районе циклотронного резонанса, имевшего место при 3300 гс. Максимальная эффективность преобразования, полученная в эксперименте, составила по порядку вели­ чины 10-4% (—60 дб) при давлении газа около 2- 10-2 тор.

тах [51—53] в десяти- и трехсантиметровом диапазонах с разрядной камерой, помещенной в прямоугольный вол­ новод, находящийся в магнитном поле. Для эффектив­ ности преобразования получены значения, лежащие в пределах от —80 дб до —15 дб для второй гармоники. Теория генерирования гармоник в работе [16] основы­ вается на решении уравнения Больцмана при наличии внешнего магнитного поля. Эта теория дает сходные зна­ чения эффективности преобразования и подтверждает появление острых резонансных пиков в режиме цикло­ тронного резонанса. В другой теоретической работе [54, 55] предполагается, что гармоники генерируются за счет резонансной связи внешнего поля с внутренним, обра­ зующимся при взаимодействии внешнего поля с неодно­ родной плотностью зарядов (электронов) в плазме. Авторы получают гармонические компоненты функции распределения электронов по скоростям, напряженности внутреннего поля и эффективности преобразования пу­ тем одновременного решения уравнений Больцмана и Пуассона в предположении, что ионы неподвижны, а плазма безгранична.

Описанные выше эксперименты подтверждают целе­ сообразность использования системы проводников, ко­ торые создают в плазме существенно неднородное поле, необходимое для эффективной генерации гармоник. В этом смысле работы [13, 56] указывают пути к созда­ нию плазменных умножителей с высокой эффективно­ стью преобразования.

В умножителе частоты [13] трехсантиметрового диапазона разрядная камера, изображенная на рис. 40, а, образуется подвижными центральными проводниками двух коаксиальных линий, изолированных по постоян­ ному току друг от друга. По одной из коаксиальных линий подводится входная мощность, а другая исполь­ зуется для подачи на разрядный промежуток постоян­ ного смещения. Разрядный промежуток, являющийся генератором мощности гармоник, располагается в центре волновода гармоники, связанного посредством стандарт­ ных волноводных элементов с измерителем мощности.

Если зазор между торцевыми поверхностями централь­ ных проводников, образующих разрядный промежуток,

мал по сравнению с диаметром проводника, то электри­ ческое поле в нем является практически однородным. В этом случае исследование сводится к изучению газово­ го разряда в одномерной цепи (рис. 40, б) с сосредо­ точенными параметрами. Малый объем разрядного про­ межутка даже при сравнительно небольшой входной мощности позволяет получить высокую плотность мощ­ ности и большие значения напряженности поля. Высокая

Рнс. 40. Схематический разрез умножнтельной секции. 1 •—уплотнение, 2 —слю­ дяная прокладка.

концентрация электронов и малые размеры разрядного промежутка создают условия, при которых генерация электронов и их удаление из разрядного объема проис­ ходят за промежутки времени, сравнимые с периодом подводимых колебаний. Это обстоятельство приводит к значительной модуляции частоты столкновений vf и к не­ линейным эффектам, связанным с искажением гармони­ ческой формы тока в цепи разрядного промежутка. Полагая, что частота столкновений, приводящих к иони­ зации, пропорциональна абсолютной скорости упорядо­ ченного дрейфа vd в направлении приложенного поля, получим для частоты столкновений v{ (коэффициента ионизации):

мнению авторов работы [13], основным источником не­ линейности является СВЧ-модуляция коэффициента ио­ низации, приводящая к модуляции плотности электронов за период высокочастотного колебания. Анализируя дру­ гие источники нелинейности, авторы приходят к выводу, что температура или средняя энергия электронов лишь незначительно модулируются высокочастотным полем. Это объясняется тем, что использованные напряженности полей еще недостаточны для того, чтобы за одно колеба­ ние сообщить электрону энергию ионизации. Большая часть энергии, приобретаемой электронами при столкно­ вениях, переходит в энергию статистического теплового движения и лишь незначительная ее часть переходит в упорядоченное движение высокой частоты.

Таким образом, если уход электронов из разрядного промежутка обусловлен диффузией, то уравнение непре­ рывности имеет вид

где D — коэффициент диффузии, п — концентрация элек­ тронов, a v( — коэффициент ионизации, определяемый соотношением (37). Находя скорость дрейфа из уравне­ ния движения

где е, т — заряд и масса электрона, v — частота столк­ новений, сопровождающихся передачей импульса, а

Еа = Е0 + Е [cos со^---- sin юП

— суммарное (постоянное Е0 и переменное Е) электри­ ческое поле, приложенное к разрядному промежутку.

Подставляя полученное значение скорости дрейфа в (37), будем иметь

Решая, далее, уравнение непрерывности при граничных условиях

п (х) = п0cos (—-) = О

(так как на поверхностях электродов х — ±1 плотность электронов равна нулю), авторы получают для плот­ ности тока

п0е*Е|Г£о_ , COS mv | Е

где Ат и а0— коэффициенты, вычисляемые по приведен­ ным в работе формулам, т — номер гармоники.

Для расчета мощности гармоник на выходе умножи­ теля необходимо вычислить ток /, создаваемый в элект­ родах движением электронов в разрядном промежутке. Этот ток определяется выражением

Мощность, излучаемую на /;г-й гармонике, можно рас­ считать по формуле

где Rm— сопротивление излучения на частоте т-й rap-