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

70 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕ!'! ДЛ. II

Помимо измерения мощности гармоник в процессе работы были произведены измерения плотности электро­ нов и их температуры. Во время исследования гармоник

ей плазменная частота несколько растут, а мощность третьей гармоники обнаруживает резонансные явления.

тьей гармоники в случае идеального резисторного эле­ мента составляет 11%.

Поскольку процессы, происходящие при генерации гармоник, зависят от индивидуальных характеристик используемого газа (поперечное сечение соударений, по­ тенциал ионизации и пр.), авторы использовали раз­ работанный ими графический мотод анализа основан-

ный на экспериментальных данных и зависимостях ча­ стоты соударений электронов от давления и энергии. Рассматривая резистивные механизмы генерации гармо­ ник, такие как модуляция частоты столкновений v<, при­ водящих к ионизации (коэффициент ионизации), и мо­ дуляция эффективной частоты столкновений v, авторы замечают, что обе эти величины зависят от электронной температуры Тс. Электронная температура плазмы, на­ ходящейся в электрическом поле Е = Е 0ехр jat, опреде­ ляется выражением [44]

, cov (2+6)6 sin 2 a)t , (55)

ж 4C02_|_62V

где Т0 — температура ионов и нейтральных частиц, е и m — заряд и масса электрона, k — постоянная Больцма­ на, М — масса ионов и нейтральных частиц, 6 = 2 т /М = = 10- '1—10-5 — параметр передачи энергии. Если проис­ ходит интенсивная генерация гармоник, то со!>6v, откуда следует, что Т^'Го.

Принимая во внимание эти условия, можно получить

(56)

откуда видно, что при определенных условиях, имеющих место при эксперименте, температура электронов несуще­ ственно изменяется около ее установившегося значения. Из физических соображений следует, что время релакса­ ции электронной температуры в плазме порядка (6v)-1, в силу чего температура не может заметно измениться за время 1/со<С l/(6v). В результате этого электронная температура устанавливается на определенном уровне, отклонения от которого малы.

Поскольку резистивный механизм нелинейности свя­ зан с зависимостью коэффициента ионизации v,- и ча­ стоты столкновений v от электронной температуры, пред­ ставляется маловероятным, что генерация гармоник в умножителях при низком давлении объясняется этим механизмом.

мов нелинейности, связанных с неоднородностью высоко­ частотного поля V £ и пространственной неоднород­ ностью концентрации электронов Vne, авторы работ [20, 56, 59, 60] приходит к выводу, что мощность гармоник высокого порядка (ш ^ З ), вызванная градиентом Vnc, пренебрежимо мала. По этой причине в качестве основ­

ного нелинейного механизма в ра­ боте [56] принимается пространст­ венная неоднородность высокочас­ тотного поля V Е.

Рассматривая одномерную мо­ дель плоского плазменного конден­ сатора (рис. 44), образованного

/двумя близко расположенными пла­ стинами одинакового размера, про­

странство между которыми запол­ нено плазмой, легко видеть, что она соответствует экспериментально ис­ следуемой конструкции, изображен­ ной на рис. 42. Предполагается так­ же, что плазменный конденсатор

симметричен относительно оси х и имеет размеры, удов­ летворяющие условиям 2/-СА, и S<^X2, где 2 1 — расстоя­ ние между пластинами, 5 — площадь пластины и X— длина волны.

Поскольку рассматриваются высокочастотные колеба­ ния, то движением ионов можно пренебречь, а для элек­ тронов написать следующие гидродинамические урав­ нения:

Ж + v (,г<л0=0.

vE=-f (ЛА-/д,

fc0

где не и v — плотность и скорость электронов, N — плот­ ность ионов, к —показатель адиабаты сжатия электрон­ ного газа. Записывая эти уравнения для одномерного

с которым каждая переменная представляется в виде ряда Фурье, авторы получают соотношения для каждой из исследуемой гармоник:

где nm, vm и Em— составляющие Фурье плотности, ско­ рости электронов и напряженности электрического поля /п-й гармоники. Все написанные системы уравнений со­ держат три уравнения и три неизвестные, в силу чего каждая система может быть сведена к одному уравнению с одним неизвестном. Учитывая, что переменные nm, v„

74 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

и Ет ( т = 1 , 2, 3) должны удовлетворять следующим условиям:

где U,„ и /,„ — напряжение и ток т-й гармоники, можно однозначно решить приведенные выше системы уравне­ ний. Выполнив эти решения [62—66], авторы находят, что в случае симметричного плазменного конденсатора четные гармоники не генерируются — в согласии с опи­ санными выше экспериментальными данными. Для эф­ фективной генерации третьей гармоники концентрация электронов должна быть такова, чтобы удовлетворя­ лось условие cop»3(D.

В отличие от рассмотренных выше, особое место по эффективности преобразования занимают умножи­ тели, у которых сферическая (или цилиндрическая) раз­ рядная камера возбуждается в электрическом поле за­ остренного штыря (рис. 4, д). На рис. 45 изображен схематический разрез такого умножителя, работающего в десятисантиметровом диапазоне [67]. Как видно из рисунка, умножитель представляет собой волноводный крест, связанный между собой общим штырем 8. Верх­ ний конец штыря, выходящий из волновода малого се­ чения (волновода гармоники), заострен, в силу чего он создает неоднородное электрическое поле с большим градиентом в разрядной сферической камере 3, изготов­ ленной из плавленого кварца и расположенной над ост­

соответствующей гармонике) от входного волновода 7 посредством коаксиального дросселя 6 , препятствующе­ го излучению мощности гармоники во входной волновод. Разрядная камера помещена в термостатирующую жид­ кость (масло) и соединена с вакуумной установкой, поз­ воляющей производить откачку и заполнение различны­ ми газами ппп заданном давлении.

Блок-схема установки для исследования выходной мощности гармоник и эффективности преобразования

изображена на рис. 46, где мощность от генератора че­ рез стандартные волноводные элементы, обозначенные на рисунке, поступает по входному волноводу к умножительнон секции. Входное напряжение создает сильное

электрическое поле, приложенное к концу штыря и пропикающее через тонкие стенки кварцевой камеры. На­ стройка входного тракта осуществляется короткозамыкающим поршнем (7 на рис. 46), коаксиальным поршнем (Р на рис. 45) и элементами настройки входного волноводного тракта. Согласование и настройка тракта гар­ моники производится оконечным короткозамыкающим поршнем 6 и элементами настройки самого тракта.