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

166 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III

емкости и сопротивления в области напряжений от нуля до и к обратному эффекту вне этой области, где сопротивление возрастает быстрее при большем давле­ нии газа.

дит к уменьшению сопротивления слоя за счет увеличе­ ния тока насыщения ионов на центральный электрод, пропорционального концентрации плазмы.

Рассмотрим теперь область напряжений, больших 1/хх, где происходят резкие изменения параметров слоя. При этом изменяется напряжение между центральным электродом и плазмой, а напряжение между внешним электродом и плазмой остается практически неизменен­ ным и близким к напряжению изолированного зонда. Емкость слоя в этой области должна уменьшаться, как этоследуетиз формулы (106), обратно пропорционально корню из напряжения, а сопротивление согласно фор­ муле (140) должно экспоненциально увеличиваться

§ -И ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ВАРАКТОРА 167

с показателем, обратно пропорциональным Те. Действи­ тельно, как видно из рис. 80, при U > U ^ наблюдается уменьшение емкости н увеличение сопротивления слоя. Вычисленные величины емкости слоя при этом хорошо согласуются с измеренными, а вычисленные сопротивле­ ния отличаются от измеренных.

Объяснить это обстоятельство можно следующим образом. Принятая для расчета емкости упрощенная модель, в которой граница слоя считалась резкой, соот­ ветствует немаксвелловскому распределению электро­ нов по скоростям. По-видимому, такое распределение оказывается более удовлетворительным для данных условий эксперимента, нежели модель с максвелловским распределением, применявшаяся для расчета сопротив­ ления слоя. При изменении среднего напряжения рас­ пределение электронов по скоростям постоянно меняет­ ся, поэтому точно решить задачу об определении

ПОСТОЯННОГО напряжения ДЛЯ

НеОНа И ксенона,г снятые при значении входной мощности,

равной 50 вт. Различия между этими зависимостями объясняются тем, что при одной и той же входной

мощности плазма разряда в ксеноне имеет меньшую температуру электронов и большую концентрацию.

Изменение величины постоянного напряжения между электродами является одним из возможных способов воздействия на диссипативные характеристики плазмен­ ного варактора. На рис. 82 изображена зависимость пог­ лощенной мощности от величины этого напряжения для

Рис. 82. Зависимость мощности Рпогл, поглощенной в плазменном варакторе и мощности Pj.}, выделившейся на сопротивлении R, от величины постоянной

составляющей напряжения между электродами при различных значениях вход­ ной мощности (25 и 41 вт).

двух значений входной мощности (25 и 41 вт), получен­ ная с разрядной камерой коаксиального плазменного варактора длиной /=190 мм, заполненной ксеноном при давлении 0,02 тор. Из этого рисунка видно, что макси­ мум поглощенной мощности соответствует напряжению, лежащему между нулем и U^, а при увеличении на­ пряжения до 120 в поглощенная мощность уменьшается более чем в пять раз.

Таким образом, изменяя постоянное напряжение между электродами, можно в широких пределах изме­ нять мощность потерь в плазменном варакторе.

На рис. 82 показано также, как изменяется мощ­ ность постоянного тока PR, выделяющаяся на сопротив­ лении R, включенном в цепи электродов плазменного варактора. Сопоставление этих двух зависимостей дает

основание предположить, что максимум мощности по­ терь связан с протеканием через варактор максималь­ ного постоянного тока, поскольку форма и положение максимумов обеих кривых почти совпадают. Уменьшение мощности потерь при увеличении Л/12 сверх £/„ можно объяснить увеличением объема слоя, свободного от элект­ ронов (поглощение СВЧ-мощности является результатом столкновений электронов, подвергающихся воздействию СВЧ-поля, с нейтральными атомами).

Заметим, что уменьшение Рпотл при увеличении нап­ ряжения до 100 в (при входной мощности 41 вт) сопро­ вождалось уменьшением интенсивности свечения плаз­ мы вблизи центрального электрода и было связано, вероятно, с уменьшением концентрации плазмы СВЧразряда, обусловленным перемещением границы элект­ ронной компоненты от поверхности центрального элек­ трода в область меньших напряженностей СВЧ-поля.

Рщ,относ.ед.

Рис. 83. Зависимость мощности второй, третьей и четвертой гармоник (в отно­ сительных единицах) от величины постоянной составляющей напряжения меж­ ду электродами.

Поскольку многие закономерности формирования СВЧразряда еще недостаточно изучены, мы не делаем попы­ ток объяснить причины подобного резкого изменения концентрации плазмы.

Для изучения влияния постоянного напряжения на нелинейные свойства плазменного варактора на выходе варактора устанавливалась согласованная нагрузка,

Сигнал с выхода ответвителя подавался на вход резо­

рой, третьей и четвертой гармоник от величины постоян­ ной составляющей напряжения между электродами плазменного варактора,

Уменьшение напряжения U, как это следует из рис. 73 и рис. 75, должно приводить к увеличеию нели­ нейности, так как при Ui-+U параметр Л->-1. Из рис. 73 также следует, что с увеличением номера гармо­ ники уменьшается разница напряжений Ui и О, соот­ ветствующая области резкого возрастания тока гармо­ ники. Эта закономерность подтверждается при анализе графиков, приведенных на рис. 83. Некоторое уменьше­ ние мощности гармоник при Ui2 — 0 связано, вероятно, с влиянием параметров слоя около внешнего электрода, так как именно при таких напряжениях его емкость ми­ нимальна, а сопротивление максимально.

§ 5. Влияние рода газа на параметры варактора

Поскольку мощность, поглощенная внутри плазмен­ ного варактора при прохождении через него высокочас­ тотного излучения, является очень важной характерис­ тикой, определяющей его использование в умножителях частоты, мы приведем в этом параграфе результаты ис­ следования зависимости мощности потерь от рода и давления газа, заполняющего разрядную камеру. Эк­ сперименты были выполнены для шести различных га­ зов— ксенона, криптона, аргона, неона, гелия и воздуха при мощности излучения на входе варактора, изменяв­ шейся в пределах от нескольких ватт до 130 втв непре­ рывном режиме.

Поглощенная и идущая на образование плазмы мощ­ ность должна увеличиваться с увеличением потенциала ионизации газа и при увеличении частоты столкнове­ ний. Следовательно, увеличение давления газа должно приводить к увеличению поглощенной мощности,также как и переход на более легкий инертный газ, обладаю­ щий более высоким потенциалом ионизации.