ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.10.2024
Просмотров: 75
Скачиваний: 0
160 |
АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ |
[ГЛ, |
111 |
||
одиночного зонда. |
Вне зависимости |
от величины |
a Ii2 |
||
все |
характеристики |
проходят через |
начало |
координат |
|
/= £ /= 0 . |
напряжение, приложенное к элек |
||||
|
Высокочастотное |
||||
тродам плазменного варактора, порождает отрицатель ное постоянное напряжение между первым электродом и плазмой, причем ток ионов на этот электрод равен току насыщения н не зависит от величины постоянного напряжения между электродами варактора,-
Для электронного тока полное напряжение на пер вом электроде складывается из суммы постоянного и переменного напряжении, поскольку последнее действу ет только на электроны. Минимальное значение полно го напряжения Ui остается близким к напряжению изо лированного зонда, хотя и происходит некоторое усред нение электронного тока за период колебаний.
В режиме КЗ постоянное напряжение между элек тродами равно нулю. Однако минимальное напряжение между первым электродом и плазмой не может стать существенно меньше напряжения изолированного зонда, так как в противном случае ток, текущий со второго электрода и близкий по величине к току насыщения
Рнс. 75. Изменение постоянных составляющих напряжения между центральным электродом н плазмой U\ и внешним электродом н плазмой U2 в зависимости от постоянной составляющей напряжения U между электродами.
ионов Iiu2>должен стать равным току, текущему на первый электрод и близкому по величине к току насы щения электронов / сп2. Это невозможно, если выполняет ся неравенство (155), справедливое в большинстве
случаев, так как У Mi/me — 100.В силу этого постоянная составляющая напряжения между первым электродом
§ 3] |
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВАРАКТОРА |
161 |
и плазмой почти не меняется при изменении постоянно го напряжения . между электродами от нуля до U^. Полная картина изменения постоянных составляющих напряжений Ui и U2 в зависимости от U представлена на рис. 75.
Из приведенного рассмотрения следует, что с учетом действия высокочастотного излучения напряжение U в зондовой характеристике I(U) следует отсчитывать от отрицательного уровня, равного постоянному напряже нию, появляющемуся между электродами при действии высокочастотного напряжения, как это изображено на рис. 76.
Изучение процессов, связанных с попаданием элек тронов на центральный электрод коаксиального плазмен ного варактора, показывает, что эти процессы могут су щественно изменить вид функции распределения электро нов плазмы по скоростям, особенно в центральной
Рнс. 76. Схематический енд вольтамперных характеристик плазменно го варактора при различных значе ниях входной мощности (7-)3>/>2>P i).
Рис. 77. Вольтамперная характери стика плазменного варактора. 1 — экспериментальная кривая Рдх =*
= 40 вт (ксенон, 0,02 тор), 2 —теоре тическая кривая (а2=3).
области разряда. Действительно, в процессе колебаний граница электронной компоненты плазмы при макси мальном приближении к поверхности металлического
11 А. А. Брандт, Ю. В. Тихомиров
162 |
АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ |
[ГЛ. III |
электрода касается этой поверхности «хвостом» своих самых энергичных электронов, удалившихся от нее на наибольшее расстояние и образующих при их поглоще нии электродом электронную часть тока на электрод. Это приводит к уменьшению числа электронов, имею щих скорости, превышающие среднюю тепловую. По этому максвелловское распределение электронов по ско ростям в области больших скоростей искажается. Это обстоятельство сказывается на виде вольтамперной характеристики, у которой сокращается область плав ного перехода от прямолинейного участка резкого изме нения тока к участкам насыщения, как это показано
на рис. 77.
На рис. 78 показаны типичные вольтамперные харак теристики, снятые при различных уровнях мощности
Рнс. 78. Экспериментальные вольт |
Рнс. 79. Экспериментальные вольт |
|||||||
амперные характеристики |
плазмен |
амперные |
характеристики |
плазмен |
||||
ного варактора (при П2= 10, разряд |
ного варактора |
(а2в 3,8, |
разряд в |
|||||
в ксеноне при |
давлении |
0,02 тор). |
ксеноне |
при |
давлении 0,02 |
тор). |
||
/ —Р вх =*29 |
вт, 2 — Р вх |
=43 вт, |
/ —Р вх =23 |
вт, |
2 — Рвх |
=38 |
вт, |
|
3 — Рвх =65 вт. |
|
|
3 — Рвх =48 вт. |
|
|
|||
СВЧ-излучения для ксенона при давлении 0,02 тор и а2«10. Как видно из рисунка, характеристики состоят из трех различных участков: участка с быстрым изме нением тока (этот участок расположен вблизи напряже ния £/„) и двух участков насыщения с малым измене нием тока (расположенных вдали от напряжения [/„).
§ 3] |
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВАРАКТОРА |
163 |
|
Токи |
насыщения |
/„i в области напряжений, |
боль |
ших i/„, |
и токи насыщения / п2 в области напряжений, |
||
меньших |
Ua , заметно |
увеличиваются при увеличении |
|
входной мощности. То же самое наблюдается и для на
пряжения |
Кроме того, |
ток насыщения /„2 значи |
||
тельно превосходит ток 1п\. Однако |
отношение |
этих |
||
токов существенно меньше |
отношения |
площадей |
а2— |
|
= S 2/Si. При |
уменьшении |
а2 отношение / п2//пi также |
||
уменьшается и при с2= З Д |
как видно из рис. 79, |
токи |
||
насыщения отличаются незначительно. |
|
|
||
Как показал анализ вольтамперных характеристик, участки насыщения соответствуют токам насыщения ио нов на разные электроды. Отношение токов насыще ния равно отношению площадей электродов, если кон центрация плазмы постоянна по поперечному сечению варактора. Однако в случае коаксиального варактора концентрация плазмы существенно неоднородна вследст вие преимущественного расположения источников иони зации вблизи центрального электрода. Поэтому отно шение токов насыщения в коаксиальном варакторе должно быть пропорционально отношению концентра ций щ и п2 около внутреннего и внешнего электродов соответственно
п х |
S i |
n i „ |
^н2 |
^2 |
^2 |
|
г |
|
Ун1 |
Пп |
s , |
J h |
п г |
S i |
«1 |
(156)
Поскольку обычно П\>П2, то ci > а ь а а2 <а2, что и наблюдается в эксперименте.
Используя уравнение вольтамперной характеристики (153) и переписывая его в виде
|
ехр |
еЦ |
|
— 1 |
/ = |
|
k T e |
(157) |
|
1. 2 - |
eU |
|
||
|
ехр |
+ |
й1, |
|
|
k T e |
|||
|
|
|
|
|
можно видеть, что по ней можно определить следующие параметры плазмы: пу— концентрацию около централь ного электрода, «2 — концентрацию около внешнего электрода, Тс— электронную температуру плазмы, ко торую мы будем считать не зависящей от расстояния до
И*
164 |
АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ |
[ГЛ. III |
электродов. Для определения электронной температуры Т, вычислим производную вольтамперной характерис тики в точке U = 0:
dl_ |
|
'nil,2 |
|
(158) |
|
d U |
l'=0 kTCЯ, „ -1-1 |
|
|||
|
|
||||
откуда для температуры электронов получим |
|
||||
Т е |
Ан1,2 ( dl |
\ |
1 |
(159) |
|
“1,2+ 1 ' dU U=0' |
’ |
||||
|
|
||||
где Те измеряется в электронвольтах, |
a U — в |
вольтах. |
|||
Зная Те, можно |
определить |
концентрации |
плазмы |
||
вблизи поверхности центрального п\ и внешнего электро дов п2. Для этого выразим токи насыщения ионов через параметры плазмы и площади электродов [106]
Дн1.2 = |
0,4Sli2nli2e |
|
|
(160) |
откуда |
|
|
|
|
«1,2 = |
Л'н1,2 |
М, |
|
(161) |
0,45]^ |
2 k T e |
‘ |
||
Для ксенона, например, будем иметь |
|
|
||
« 1 , 2 = 1,28 • 1011 |
7^ ^ |
^ . |
(Ю2) |
|
где /<„1,2 измеряется в ма, Si,2— в см2 и Те— в эв. Исследование вольтамперных характеристик плаз
менного варактора дает возможность определить кон центрацию плазмы около внутреннего и внешнего элек тродов и температуру электронов плазмы, а затем рас считать параметры варактора по формулам (106) и (137). Именно по этой методике была рассчитана ем кость С, представленная в таблице 19. Пользуясь вольтамперными характеристиками, можно определить п амплитуду переменного напряжения по известному U
§ 41 ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ВАРАКТОРА 165
§ 4. Влияние постоянного напряжения на параметры варактора
Постоянная составляющая напряжения между элек тродами плазменного варактора существенно влияет на параметры варактора, в частности на его среднюю ем кость и шунтирующее сопротивление. Хотя ни в одной из работ по плазменным умножителям не было прове дено подробного исследования роли постоянного напря жения, в ряде работ авторы использовали дополнитель
ный источник, |
изменяющий это напряжение [13, |
39, 93]. |
|||
В § 3 указывалось, что при изменении напряжения |
|||||
U\2 от нуля до Uи напряжение U\ между центральным |
|||||
электродом |
коаксиального плазменного |
варактора и |
|||
плазмой почти |
не меняется. Следовательно, согласно |
||||
формулам |
(106) и (140) не должны меняться ни емкость, |
||||
ни сопротивление слоя |
около центрального электрода. |
||||
Слой около |
внешнего |
электрода при |
этом |
увели |
|
чивает свою емкость от минимального до максимально го значения, в то время как его сопротивление умень шается. Если площадь внешнего электрода недоста
точно |
велика, такое |
изменение |
параметров |
внешнего |
|
слоя |
может повлечь |
за |
собой |
изменение |
параметров |
всего |
варактора, средняя |
емкость которого |
возрастает, |
||
а сопротивление уменьшается на величину, равную со противлению слоя около внешнего электрода. При увеличении постоянной составляющей напряжения Ul2 сверх Uxx напряжение Ui увеличивается, емкость слоя уменьшается, а его сопротивление экспоненциально возрастает.
Были измерены средние емкость и сопротивление варактора в зависимости от величины постоянной сос тавляющей напряжения между электродами. Измерения проводились для неона и ксенона при различных давле ниях. На рис. 80 изображены графики зависимости емкости и сопротивления варактора от напряжения между электродами при входной мощности 30 вт, сня тые для неона при давлении 1 и 2 тор и состоящие из двух характерных участков: участка медленного изме нения емкости и сопротивления и участка резкого уменьшения емкости и увеличения сопротивления. Увеличение давления газа приводит к уменьшению