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

38 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. И

времени t пролета электрона до точки с координатой z (t— z/v:).

Вращательное движение электронного пучка в систе­ ме электродов, создающих неоднородное поле, приводит к появлению наведенного тока, закон изменения которого сильно отличается от гармонического. Наведенный ток in (как это уже делалось выше) может быть вычислен по формуле Шокли — Рамо, записанной в виде

E i= [г ln(r2/ri)] _1 — напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии г от оси, возникаю­ щая в системе при подаче на центральный электрод (при заземленном наружном) единичного потенциала, dq=nena2dz — элемент заряда пучка радиуса о и длиной

умножителя частоты производилась на установке, изо­ браженной на рис. 19, где вместо разрядной камеры было

Г1= 0,5 мм и расстоянии от оси пучка до центра системы d = 1,2 мм. При выбранной длине коаксиального конден­ сатора и напряжении на втором аноде электронной пуш­

§ 3] УМНОЖИТЕЛИ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 39

тпр= 2 ,5 -10-9 сек, совпадающему с периодом входного ко­ лебания. Это означает, что электрон, пролетая через кон­ денсатор, успевал сделать один виток. При увеличении длины конденсатора эффективность преобразования должна увеличиваться, так что приведенные выше зна­ чения не являются предельными.

Метод расчета, использованный в данной работе, может быть также применен и в случае плазмы. Давле­ ние газа в разрядной камере должно быть при этом та­ ким, чтобы длина свободного пробега электронов была больше радиуса коаксиального конденсатора.

В рассмотренной выше работе [29] разрядная камера, устанавливаемая в пучности напряженности электриче­ ского поля, имела длину /, малую по сравнению с длиной волны X входного генератора (/=1,5 см, Я =75 см). Та­ кую разрядную камеру можно считать сосредоточенным элементом, в котором осуществляется нелинейное взаи­ модействие колеблющихся зарядов (электронов) с эле­ ктрическим полем, создаваемым входным генератором. Влияние длины разрядной камеры на эффективность работы умножителя и его другие параметры было изу­ чено в работе [36]. В этой работе был собран плазмен­ ный умножитель по схеме, изображенной на рис. 5, с входным генератором, работающим на частоте 355Мгц. Умножительная секция 11 представляла собой отрезок коаксиальной линии с тонким центральным проводником, изготовленным из посеребренного вольфрама, как это изображено на рис. 25. При подаче на умножительную секцию высокочастотной мощности происходила иониза­ ция наполняющего разрядную камеру газа и возникал ток, богатый гармоническими составляющими за счет движения зарядов (электронов) в неоднородном высоко­ частотном электрическом поле коаксиала. Длину разряд­ ной камеры можно было изменять, используя различные заготовки из молибденового стекла, устанавливаемые в умножительной секции. В отличие от описанных выше конструкций, здесь впервые использовалось последова­ тельное включение умножительной секции в основной высокочастотный тракт, приводящее к увеличению выход­ ной мощности и эффективности преобразования.

Эксперименты, проведенные с умножителем, показа­ ли, что выходная мощность на второй гармонике растет

приблизительно линейно с увеличением входной, не ис­ пытывая тенденции к насыщению. При работе на крип­ тоне при давлении около 0,1 тор оказалось возможным получить выходную мощность около 7 вт, значительно

Рис. 25. Схема уыножнтелыюй секции. 1 —плазма ВЧ-разряда, 2 — стенки раз­

рядной камеры (молибденовое стекло), 3 — центральный проводник; di-=10, dj=8, da—2, dt—l,4, da—1 мм.

превосходившую выходную мощность, полученную в ра­ боте [29], где использовалась разрядная камера сосре­ доточенного типа. При дальнейшем увеличении входной мощности (свыше 40—50 вт) происходил интенсивным разогрев разрядной камеры, связанный с возрастанием диэлектрических потерь в стекле при повышении темпера­ туры. Эффективность преобразования на вторую гармо­ нику достигала 20% (—7 дб), т. е. оказалась меньшей, чем в работе [29], что связано с использованием срав­ нительно толстого центрального проводника (1 мм) и более толстостенной стеклянной трубки. Дальнейшие эксперименты с умножителем показали, что при увели­ чении длины разрядной камеры эффективность преобра­ зования и мощность второй гармоники растут. Так, на­ пример, при увеличении длины от 78 до 98 мм выходная мощность возрастала в 2,6 раза, а эффективность преоб­ разования увеличивалась на 4 дб (при работе с крипто­ ном при давлении 0,1 тор).

Недостатком описанного умножителя с разрядной камерой из стекла является невозможность подачи на его вход больших мощностей (из-за разрушения стеклян­ ного баллона). В работе [37] описывается плазменный умножитель, свободный от этого недостатка. В этом умножителе разрядная камера представляет собой про­ сто вакуумированный участок коаксиального тракта. От­ сутствие стекла в разрядной камере повышает эффектив­ ность преобразования и дает возможность исследовать характеристики умножителя при входной мощности до 100 вт и более в непрерывном режиме при длительной работе.

На рис. 26 изображена зависимость выходной мощ­ ности второй гармоники от входной мощности при

Ры,бт

Рнс. 26. Зависимость выходной мощности от входной при различных диамет­ рах центрального проводника. 1— 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 3 мм.

различных диаметрах центрального проводника, изготов­ ленного из вольфрама. В качестве рабочей среды исполь­ зовался ксенон при оптимальном давлении порядка 10-1— 10-2 тор. Из рисунка видно, что мощность второй гармо­ ники на выходе умножителя появляется при подаче на вход некоторой начальной мощности, идущей на перво­ начальную ионизацию газа в разрядной камере и со­ ставляющей 2—7 вт в зависимости от диаметра централь­ ного проводника.

42 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

Для уменьшения начальной мощности, идущей на первоначальную ионизацию, необходимую для работы плазменного умножителя, может быть использован по­ сторонний источник, генерирующий плазму, например источник постоянного тока. При работе такого умножи­ теля уменьшаются потери высокочастотной мощности, идущие на поддержание разряда, что приводит к повы­ шению эффективности преобразования и дает возмож­ ность производить умножение при малой входной мощ­ ности. С этой целью в работе [38] разрядная камера была выполнена в виде вакуумированной секции, в ко­ торой центральный проводник окружен стеклянной труб­ кой (рис. 27). Центральный проводник играет здесь роль

Рис. 27. Разрядная камера коаксиального типа с посторонним источником плаз­ мы. 1— катод, 2 — стеклянная трубка. 3 — наружный проводник, •/ — централь­ ный проводник.

анода разрядного промежутка на постоянном токе, в то время как катод 1 размещен вне высокочастотного поля коаксиала.

Аналогичным образом в работе [39] плазменный конденсатор (умножительный элемент), представляющий собой отрезок коаксиала длиной 60 мм, помещался в плазму, создаваемую в разряде постоянного тока. Основ­ ной разряд (рис. 28), происходящий между катодом 1 и главным анодом 2, служит катодом для разряда в до­ полнительном плече трубки с вспомогательным анодом 3. Как видно из рис. 28, наружный электрод 5 плазмен­ ного конденсатора не заземляется, а находится под пла­ вающим потенциалом, что обеспечивает оптимальные

На рис. 30 представлена эффективность преобразова­ ния для второй гармоники в функции входной мощности. По данным авторов работы [39] эффективность дости­

гала 31,7% при входной мощности 0,42 вт, а при даль­ нейшем увеличении

входной мощности па­ дала до 15%.

Анализируя распре­ деление зарядов и по­ лей между электрода­ ми цилиндрического конденсатора, авторы работы приходят к за­ ключению о том, чтс нелинейный механизм,

зан с нелинейной ем­ костью приэлектродного слоя, образующегося на гра­ нице металла с плазмой. Двигаясь от исходной точки, лежащей на поверхности центрального электрода, можно обнаружить три различные области. Во-первых, имеется приэлектродный слой, характеризуемый пренебрежимо малой концентрацией электронов, плавно возрастающей концентрацией ионов и большим градиентом потенциала. Далее имеется промежуточный слой, для которого харак­ терен большой градиент электронной концентрации и потенциал, приближающийся к нулю. Наконец, имеется область квазинейтральной плазмы с пренебрежимым градиентом потенциала. При некоторых условиях обра­ зуется резкая граница электронной концентрации, дви­ гающаяся в поле высокой частоты подобно обкладке конденсатора. Когда толщина приэлектродного слоя (зависящая от концентрации) много меньше радиуса центрального электрода, зависимость емкости слоя от напряжения идентична зависимости емкости полупро­ водникового диода с резким переходом.

Рассматривая процессы, происходящие в приэлектродном слое, связанные с наложением высокочастотного поля, будем считать, что постоянное смещение на слое превышает амплитуду переменного, в результате чего суммарное напряжение на слое всегда имеет отрицатель-