Тема: СИЛЬНОТОЧНЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И СВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

§1. Область исследования
Предлагаемая диссертационная работа проведена в области
сильноточной релятивистской электроники. Релятивистская электроника
изучает поведение электронных потоков, движущихся со скоростями u,
близкими к скорости света: u ≈ c; при этом релятивистский фактор
γ = (1 − u 2 c 2 )− 12 существенно отличается от единицы. Для того чтобы
приобрести такую скорость электрон с зарядом e и массой m ускоряется в
электрическом поле с разностью потенциалов U: 1 2
mc
eU
γ = + . Учитывая, что
mc
2
≈ 511 кэВ, нетрудно видеть, что даже при сравнительно скромном
значении γ ~ 2 релятивистские электроны имеют энергию ~ 0.5 МэВ.
Понятие "сильноточная электроника" означает, что ток электронов
настолько велик, что существенную роль играет собственный заряд
электронного потока. Действительно, при транспортировке электронного
пучка фиксированной геометрии в вакууме любое увеличение тока пучка
увеличивает его собственный заряд и потенциал, и, следовательно,
уменьшает кинетическую энергию частиц. Поскольку полная энергия
электронов ограничена, то всегда существует некий предел, до которого
можно увеличивать транспортируемый ток. В частности, для трубчатого
электронного пучка с радиусом rb, который распространяется в
коаксиальной ему трубе радиуса R, этот предел равен
2
3
3
3 2
lim 1
2 ln
1
= ⋅ ⎜ ⎝ ⎛γ − ⎟ ⎠ ⎞
rb
e R
mc
I [1]. Если оценить слабо меняющийся логарифм
rb
ln R ~ 1 и подставить
e
mc
3
≈ 17 кА, а γ = 2, то предельный ток Ilim ≈ 4 кА. В
сильноточной электронике используется ток электронов пучка меньше5
предельного значения, и если этот ток, например, вдвое меньше
предельного, то в данном случае он равен ~ 2 кА.
Таким образом, оценки показывают, что если электронный пучок
является релятивистским и сильноточным (т.е. с энергией частиц
~ 0.5 МэВ и током ~ 2 кА), то его мощность находится на гигаваттном
уровне. В реально существующих экспериментальных установках
величины энергий электронов иногда превышают приведенные выше
оценки в несколько раз, а ток — на два, и даже на три порядка (PBFA-II
[2]: 12 МэВ, 8 МА). Понятно, что экспериментальная установка такой
мощности может функционировать только в импульсном режиме.
Длительность импульса тока сильноточного релятивистского
электронного пучка (РЭП) ограничивается несколькими причинами.
Чтобы понять, какая из них является определяющей, нужно рассмотреть
способы генерации сильноточных РЭП. В дальнейшем мы будем
рассматривать только сильноточные электронные потоки, поэтому
аббревиатура РЭП будет всегда обозначать именно их.
Сильноточные релятивистские электронные пучки формируются
непосредственно в диоде, на который подается импульс напряжения от
первичного накопителя энергии; как правило, это — батарея
конденсаторов, соединенных по определенной схеме. Первичный
накопитель энергии и диод могут быть соединены непосредственно или
через преобразователь (напр., трансформатор Тесла), промежуточный
накопитель энергии (напр., индуктивный), формирователь импульса
(напр., линию с распределенными параметрами), и т. д. Электроны
получают энергию только в диоде, никаких дополнительных средств
ускорения частиц (подобных секциям линейных индукционных или
резонансных ускорителей) не применяется. Тем не менее, установки для6
генерации сильноточных РЭП также называют ускорителями, а чтобы
избежать терминологической путаницы добавляют — прямого действия.
Запас энергии большинства небольших ускорителей РЭП не
превышает нескольких десятков килоджоулей, хотя энергозапас
некоторых крупных установок составляет несколько мегаджоулей [3].
Нетрудно видеть, что для РЭП с приведенными выше оценочными
параметрами (0.5 МэВ, 2 кА) такой энергии должно хватить даже на
миллисекундный импульс. Однако длительности тока РЭП большинства
существующих ускорителей намного меньше, и это связано, в том числе, с
принципами работы диода, в котором эти пучки формируются.
§2. Актуальность проблемы
Современные термоэмиссионные катоды позволяют получать
плотность тока эмиссии до нескольких десятков ампер с квадратного
сантиметра поверхности. Однако для большинства приложений,
использующих РЭП, важна — по разным причинам — не только большая
мощность электронного пучка, но и сравнительно небольшие размеры, т. е.
высокая плотность тока электронов, на порядки выше, чем у термокатодов.
Конечно, возможна компрессия (фокусировка) электронного тока с
помощью магнитных полей специального профиля, но она сложна, дорогá,
и не всегда возможна. Кроме этого, сами термоэмиссионные катоды очень
дóроги и капризны в эксплуатации: даже при небольшом нарушении
вакуумных условий, практически неизбежном в условиях эксперимента,
эмиссионный слой на них безвозвратно разрушается.
Альтернативой термоэмиссионному катоду является холодный
взрывоэмиссионный катод [4]. При возникновении на поверхности
проводника, из которого сделан катод, электрического поля со средней
напряженностью ~ 105 — 106 В/см начинается интенсивная автоэмиссия
электронов. За время ~ 1 нс на эмитирующей электроны поверхности7
катода появляется плазма, которая в дальнейшем и является эмиттером
электронов. Плотность и температура образовавшейся плазмы достаточны
для обеспечения эмиссии электронов с очень высокой плотностью тока,
чаще всего ток ограничивается импедансом ускорителя и возможностью
транспортировки тока, т.е. пространственным зарядом РЭП. С этой точки
зрения холодные катоды обладают практически безграничной
эмиссионной способностью.
Главный недостаток взрывоэмиссионного катода — это прямое
продолжение его достоинств. Катодная плазма разлетается, поэтому за
время импульса электронного тока форма и размер плазменного эмиттера,
а вместе с ним — и электронного пучка, могут заметно измениться. Как
правило, для предотвращения немедленного разрушения электронного
пучка сам диод, а также область дальнейшей транспортировки РЭП
помещаются в сильное (~ 1 Тл и более) магнитное поле. Но даже в
сильном магнитном поле катодная плазма распространяется поперек его
силовых линий со скоростью до нескольких миллиметров за микросекунду
[5], вызывая синхронное искажение формы электронного пучка. А для
многих практических приложений изменение размеров РЭП на несколько
миллиметров в течение импульса является просто недопустимым.
Итак, в арсенале сильноточной релятивистской электроники
имеются электронные пучки большой (гигаваттной) мощности.
Существующие ускорители обладают достаточным энергозапасом, а
плазменные катоды способны обеспечить практически любые плотности
электронного тока. Но все эти ресурсы часто невозможно использовать
эффективно для генерации РЭП со стабильными параметрами в течение
хотя бы микросекундных интервалов времени только лишь потому, что
катодная плазма, разлетаясь, существенно изменяет размеры
формируемого электронного потока.8
Взрывоэмиссионный катод, однако, — не единственный "атрибут"
сильноточной релятивистской электроники, где плазменные процессы
играют существенную и иногда не очень желанную роль. Одной из
наиболее важных сфер применения РЭП является генерация импульсов
СВЧ-излучения. Мощности СВЧ-генераторов на основе РЭП обычно
имеют уровень ~ 108 Вт, а иногда превышают 1010 Вт [6]. Однако
длительность СВЧ-импульсов бывает существенно меньше длительности
тока РЭП: через какое-то время после своего начала процесс СВЧизлучения прерывается и не возобновляется до окончания прохождения
тока электронов пучка. Во время следующего импульса история
повторяется: срыв процесса генерации СВЧ-излучения спустя некоторое
время после его начала. Ограничение длительности излучения в
сильноточных релятивистских СВЧ-генераторах получила название
"укорочение СВЧ-импульса".
Можно догадаться, что причина этому явлению — плазма.
Действительно, характерные длительности процессов СВЧ-излучения и
пауз — до окончания прохождения РЭП — это десятки и сотни
наносекунд и более. Такие интервалы времени совпадают по порядку
величины с длительностью рождения (накопления) и релаксации плазмы.
Электроны, пролетающие через систему за несколько наносекунд, таким
фактором быть не могут, и любые механические изменения слишком
медленны, к тому же, система восстанавливается к очередному импульсу.
Итак, с одной стороны, плазма — это сильная помеха работе
устройств, использующих сильноточные РЭП с длительностью импульса в
сотни наносекунд и более. Плазма на катоде препятствует формированию
электронного потока с неизменными свойствами в течение
микросекундных интервалов времени, и это мешает эффективно
использовать энергозапас ускорителей. Плазма ответственна и за эффект9
укорочения СВЧ-импульса, сокращая и без того недолгий процесс
генерации СВЧ-излучения. Но с другой стороны, плазма может
нейтрализовать собственный заряд РЭП [1], что позволяет
транспортировать и использовать токи электронов, существенно
превышающие предельный ток в вакууме. Кроме того, наличие плазмы,
обладающей богатым набором частот собственных колебаний,
предоставляет уникальные возможности для генерации СВЧ-излучения
[7], управления частотой и шириной спектра излучения.
Где, как и почему появляется плазма в приборах сильноточной
релятивистской СВЧ-электроники с микросекундными длительностями
импульса, можно ли предотвратить появление плазмы или, хотя бы,
нейтрализовать ее негативное влияние, а также можно ли и как
использовать плазму во благо — эти вопросы и направляли исследования,
описываемые в диссертации.
§3. Цели диссертационной работы
Проведение данной диссертационной работы преследовало
следующие цели.
Во-первых, показать, что эффект взрывной эмиссии можно
использовать для генерации сильноточных РЭП с микросекундной
длительностью импульса и неизменными за все это время параметрами.
Электронные потоки со стабильными свойствами позволили бы
значительно эффективнее использовать энергию сильноточных
электронных ускорителей в конкретных приложениях.
Во-вторых, понять механизм, препятствующий длительной —
микросекундной — генерации импульсов СВЧ-излучения на уровне
мощности ~ 108 Вт. Преодоление эффекта укорочения СВЧ-импульса
позволило бы многократно увеличить эффективность использования
энергии сильноточных РЭП.10
§4. Научная новизна
Разработаны специальные методы диагностики электронного пучка
и создан диод с уникальными свойствами. Впервые доказано, что,
используя взрывоэмиссионный катод, можно генерировать сильноточные
РЭП со стабильными параметрами — геометрией и питч-углами
электронных траекторий — в течение микросекундных интервалов
времени.
Впервые проведено комплексное исследование причин укорочения
СВЧ-импульса в вакуумном релятивистском СВЧ-генераторе. Показано,
что ограничение длительности импульса СВЧ-излучения связано с
плазмой, образующейся в различных частях прибора. Найдены пути
устранения этой плазмы или ее негативного влияния в большинстве
случаев. Выявлен механизм образования паразитной плазмы и укорочения
СВЧ-импульса, присущий именно вакуумным релятивистским СВЧприборам.
Впервые создан плазменный релятивистский черенковский мазер с
микросекундной длительностью СВЧ-импульсов на уровне мощности
108 Вт. Впервые продемонстрирована генерация СВЧ-излучения с узкой
спектральной линией и широкой перестройкой по частоте, причем
перестройка прибора осуществляется за несколько десятков микросекунд.
§5. Научная и практическая значимость
Созданы ускоритель сильноточного РЭП микросекундной
длительности и экспериментальная установка с широким диапазоном
изменения параметров и большим набором средств диагностики.
На основе взрывоэмиссионного катода создан диод, способный
генерировать сильноточные РЭП микросекундной длительности с
параметрами, неизменными в течение всей длительности импульса.11
Показана осуществимость стабильной генерации импульсов
мощного СВЧ-излучения микросекундной длительности. Создан
широкополосный, перестраиваемый по частоте генератор импульсов СВЧизлучения микросекундной длительности на уровне мощности 108 Вт.
§6. Использование результатов работы
Результаты проведенных в диссертационной работе исследований
использовались при создании СВЧ-генераторов в ИОФ РАН и
исследовании процессов взаимодействия мощного излучения с плазмой.
§7. Апробация результатов
Материалы диссертационной работы докладывались на:
• всех международных конференциях по пучкам частиц большой
мощности (BEAMS), с 1990 г. по 2000 г. и 2004 г.;
• международных семинарах "Мощное СВЧ-излучение в плазме" в
1993 г. и 2002 г.;
• международных симпозиумах по электромагнитным явлениям в
1994 г. и 2000 г. (EuroEM) и в 2002 г. (AmerEM);
• международном симпозиуме по разрядам и электрической
изоляции в вакууме в 1994 г.;
• международной конференции по явлениям в ионизированных
газах (ICPIG) в 1997 г.;
• международном семинаре по генерации мощного СВЧ-излучения
и укорочению СВЧ-импульса в 1997 г.;
• международной конференции по плазме (ICOPS) в 1999 г.;
• ежегодном заседании американского физического общества в
2001 г.
• международной конференции по мощным модуляторам и
высокому напряжению в 2002 г.12
§8. Публикации
По материалам диссертации опубликовано 44 работы: 18 статей в
научных журналах, в том числе 3 обзора, 2 патента на изобретения, 19
публикаций в трудах международных конференций, симпозиумов и
семинаров, 5 публикаций в виде препринтов ФИАН и ИОФАН.
§9. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный
объем диссертации составляет 323 страницы, включая 138 рисунков, 3
таблицы и список литературы из 229 наименований.
§10. Краткое содержание диссертации.
Название диссертации показывает, что тему работы определили два
взаимосвязанных направления исследований: генерация электронных
потоков и с их помощью — генерация СВЧ-излучения. Исторически оба
эти направления развивались параллельно, хотя задача создания СВЧгенераторов с нужными параметрами во многом определяла проведение
работ по исследованию электронных пучков. Именно поэтому при
написании диссертации было трудно отделить логический подход от
исторического и получить последовательное изложение: от формирования
электронного пучка с заданными свойствами к использованию его в СВЧгенераторе. Повторим, что именно параметры необходимого СВЧизлучения изначально определяли требования к электронному потоку, а
качество уже полученного электронного пучка позволяло
усовершенствовать СВЧ-генератор.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Глава 1
посвящена генерации сильноточных РЭП микросекундной длительности.
В разделе 1 "Техника эксперимента" описан сильноточный электронный
ускоритель "Терек-3" [8], на котором проводилась основная часть13
экспериментов (§1), и некоторые конструктивные особенности [9]
экспериментального стенда.
Сильноточные РЭП распространяются в сильном импульсном
магнитном поле, создаваемом разрядом конденсаторов через систему
соленоидов. В §2 описана компьютерная программа, созданная для их
расчета, она учитывает возможности сдвига и поворота соленоидов, а
также влияние металлических деталей установки.
§3 посвящен методикам измерения полного тока и его профиля
плотности по сечению РЭП. Измерять ток РЭП можно разными
способами, в частности, оригинальными малоиндуктивными шунтами [10],
изготовленными из проводящей резины. Для измерения распределения
плотности тока электронов по сечению пучка был разработан
коллекторный приемник со щелевой диафрагмой [11]. Конструкция
позволяет в одной серии экспериментов (без вскрытия вакуумной
системы) измерить профиль плотности тока РЭП в различные моменты
времени на различных продольных и азимутальных координатах. Описана
бесконтактная (рентгеновская) методика диагностики внешних слоев РЭП,
предназначенная для использования с действующим СВЧ-генератором.
В §4 рассматриваются основные методы измерения поперечных
скоростей электронов замагниченных РЭП, их особенности и сферы
применения. Описан оригинальный способ измерения питч-углов,
обладающий высокой разрешающей способностью и разработанный
специально для диагностики РЭП с большой — микросекундной —
длительностью импульса.
В разделе 2 "Плазма взрывоэмиссионного катода и геометрия РЭП"
рассматриваются процессы образования плазмы на катоде, механизмы и
модели ее движения, а также методы экспериментальной диагностики и
стабилизации параметров сильноточных РЭП микросекундной14
длительности. В §1 кратко суммированы известные результаты
исследований движения катодной плазмы вдоль магнитного поля и
некоторые аспекты работы магнитоизолированного диода. §2 посвящен
поперечному относительно магнитного поля движению катодной плазмы,
которое изменяет профиль плотности тока РЭП во времени и
непосредственно влияет на работу СВЧ-генератора. В §3 описаны
многочисленные известные экспериментальные подходы к стабилизации
профиля плотности тока РЭП. Количество их исчисляется, по меньшей
мере, десятками, пути решения и результаты — самые разные, но даже
самые лучшие результаты полностью поставленной цели не
соответствуют.
Раздел 3 "Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение
микросекундной длительности импульса" целиком посвящен
предложенному автором новому способу генерации РЭП со стабильными
параметрами в течение микросекундной длительности импульса.
Описанные в предыдущем разделе способы стабилизации РЭП
рассматриваются в §1 с точки зрения их соответствия модели движения
плазмы, и оценивается их эффективность. Подчеркнуто, в частности, что
усиление электростатического поля на остриях катода увеличивает число
плазменных факелов и ускоряет формирование единого плазменного слоя.
В §2 описывается конструкция предложенного автором нового типа
взрывоэмиссионных катодов — поперечно-лезвийных, т. е. катодов,
лезвийное острие которых направлено по радиусу, перпендикулярно
магнитному полю. Приводятся результаты измерений плотности тока
электронов по сечению пучка для различных видов поперечно-лезвийных
катодов: кольцевого с различными типами подвеса и дискового. Показано,
что дисковый поперечно-лезвийный катод позволяет генерировать15
трубчатые РЭП с неизменными радиусом и толщиной в течение
микросекундных интервалов времени.
В §3 рассматривается механизм функционирования поперечнолезвийных катодов. Очень сильное электростатическое поле на лезвии
катода сокращает продолжительность формирования на нем слоя плазмы и
сдерживает ее разлет, а неоднородность поля по радиусу стабилизирует
центробежную неустойчивость.
В §4 показано, что профиль магнитных силовых линий в диоде
влияет на эволюцию плотности тока РЭП во времени, и даны
рекомендации для формирования стабильного пучка.
Ограничения на применение поперечно-лезвийных катодов описаны
в §5. Они связаны с появлением плазмы на катододержателе и на практике
сводятся к правилу: чем больше диаметр трубчатого пучка, тем дольше
можно поддерживать неизменный профиль плотности тока.
В заключительном §6 приводятся результаты измерений питч-углов
электронных траекторий. Показано, что по всему сечению электронного
потока, плотность тока в котором меняется на порядок, питч-углы
примерно равны и не превышают 5° в течение всего импульса.
В заключении к Главе 1 сформулированы основные принципы
построения диода с использованием взрывоэмиссионного катода, которые
являются основой двух зарегистрированных изобретений. Применение
указанных принципов позволяет генерировать сильноточный трубчатый
РЭП, в котором распределение плотности тока по радиусу и параметры
электронных траекторий остаются неизменными в течение микросекунды.
Одной из областей применения сильноточных РЭП является
релятивистская СВЧ-электроника, а одной из ее основных задач является
преобразование энергии электронов в энергию СВЧ-излучения с
наибольшей эффективностью. Однако повышение мощности излучения16
далеко не всегда увеличивает энергию СВЧ-импульса: этому мешает
"эффект укорочения СВЧ-импульса". Причиной преждевременного
прекращения СВЧ-излучения в генераторе является плазма, рождающаяся
в разных частях прибора. Этой проблеме посвящена Глава 2. Работа
проводилась с СВЧ-генератором одного типа — карсинотроном, но
полученные результаты в большинстве своем относятся к СВЧгенераторам всех типов.
В начале Главы 2 кратко описан эффект укорочения СВЧ-импульса
и его проявления в экспериментах. Показана типичная схема устройства
релятивистского СВЧ-генератора, который условно разделен на несколько
основных узлов: диод, входная диафрагма, замедляющая структура,
коллекторный узел. Во всех этих частях прибора может рождаться плазма,
которая приводит к укорочению СВЧ-импульса. Механизм появления
плазмы в каждом из узлов СВЧ-генератора и способы борьбы с
укорочением СВЧ-импульса рассматриваются в соответствующих
разделах Главы 2.
На коллекторе плазма появляется под действием бомбардировки
электронами РЭП. Созданный автором коллекторный узел позволяет
полностью вывести коллекторную плазму за пределы СВЧ-волновода.
Этот коллекторный узел и другие аспекты проблемы коллекторной плазмы
обсуждаются в Разделе 1.
Анодная диафрагма применяется в релятивистских СВЧгенераторах, чтобы предотвратить попадание периферийных слоев
расширяющегося со временем электронного пучка на стенки замедляющей
структуры. Плазма на анодной диафрагме, описанная в Разделе 2, так же
как и коллекторная, появляется под действием бомбардировки
электронами РЭП. Однако применение поперечно-лезвийных катодов,17
стабилизирующих геометрию РЭП, позволяет полностью решить и
проблему коллекторной плазмы.
Наиболее серьезную проблему представляет собой появление
плазмы в замедляющей структуре СВЧ-генератора. Ее наблюдению,
экспериментальному изучению причин ее появления и попыткам ее
устранения посвящен Раздел 3. В §1 описаны некоторые, в основном
оптические методы регистрации плазмы в замедляющей структуре,
измерения ее параметров и изменения во времени, в том числе, и
проведенные автором.
Исследования, проведенные автором и описанные в §2, показали,
что под влиянием СВЧ-излучения увеличиваются питч-углы электронных
траекторий. Это происходит как непосредственно во время СВЧизлучения, так и через некоторое время после его окончания, под
действием рожденной СВЧ-импульсом плазмы.
Различные факторы как возможные причины появления плазмы
оцениваются в §3. Показано, что в остаточном газе внутри замедляющей
структуры плазма родиться не успевает, зато появление ее на стенках
возможно вследствие бомбардировки стенок релятивистскими
электронами или СВЧ-разряда, а также комбинации этих факторов.
В §4 описаны проведенные автором эксперименты, показывающие,
что во время процесса СВЧ-излучения поперечный размер РЭП
увеличивается. Внешние слои электронов попадают на стенки, появляется
плазма, и СВЧ-импульс прекращается. Увеличение потока электронов на
стенку приводит к уменьшению длительности СВЧ-импульса.
В §5 Раздела 3 описаны эксперименты, которые показали, что
бомбардировка стенок может осуществляться не только электронами РЭП,
но и отраженными с коллектора. Интенсивность потока таких электронов
достаточно велика для срыва СВЧ-излучения. Разработанная автором18
дрейфовая ловушка позволяет полностью предотвратить проникновение
отраженных с коллектора релятивистских электронов обратно в СВЧгенератор и диод.
В заключительном Разделе 4 рассмотрены механизм укорочения и
способы увеличения длительности СВЧ-импульса; этот механизм связан с
плазмой, образующейся непосредственно в замедляющей структуре.
В §1 рассмотрена известная модель укорочения импульса излучения
в высокоэффективном СВЧ-генераторе, где первой фазой является
вторичноэмиссионный СВЧ-разряд на стенке. Показано, что в условиях
наших экспериментов эта модель неприменима, т. к. при сравнительно
низкой мощности излучения большая напряженность поля собственного
заряда РЭП препятствует выходу электронов с поверхности в вакуум.
В §2 показано, что если поверхность замедляющей структуры
бомбардируется релятивистскими электронами с плотностью энергии
всего ~ 10-3 Дж/см2, то это приводит к зарядовой компенсации РЭП и
созданию пристеночного слоя электронов и молекул газа. СВЧ-поле в этом
процессе может не участвовать, а релятивистские электроны могут быть
результатом отражения РЭП от коллектора.
С появлением СВЧ-поля, как показано в §3, происходит очень
быстрое, за время ~ 10 нс, накопление плазмы в количестве, достаточном
для срыва СВЧ-колебаний. СВЧ-поле и само может быть причиной
разрушения РЭП и осаждения электронов на стенки со всеми описанными
последствиями вплоть до срыва излучения. Таким образом, даже если
вторичноэмиссионный СВЧ-разряд на стенке изначально подавляется
электростатическим полем РЭП, и полностью устранены все указанные
выше причины срыва СВЧ-излучения, в т. ч. и отраженные с коллектора
релятивистские электроны (напр., с помощью дрейфовой ловушки),
укорочение СВЧ-импульса существует, и его механизм сводится к19
следующему. СВЧ-излучение разрушает РЭП, вызывая уход некоторой
части электронов на стенку замедляющей структуры. Бомбардировка
стенки приводит к десорбции с нее газа и его начальной ионизации. Этот
газ ионизируется дальше в полях РЭП и волны, накапливается плазма,
которая и прекращает СВЧ-импульс.
Возможные способы увеличения длительности СВЧ-импульса,
которые применяются в существующих приборах, рассмотрены в §4 с
точки зрения описанной модели. Уменьшить десорбцию газа помогает
соответствующая обработка стенок, а замедлить накопление плазмы —
снижение напряженности электрического поля волны на стенке. Для
генерации СВЧ-излучения поле и РЭП обязаны взаимодействовать,
поэтому частичного разрушения РЭП в сильном СВЧ-поле предотвратить
практически невозможно. Предотвратить бомбардировку стенок может
существенное увеличение расстояния между РЭП и поверхностью, но в
рамках вакуумной электроники это невозможно: электростатическое поле
РЭП, определяющее потенциал пучка, этого не допустит. Единственной
возможностью удаления РЭП от стенки на достаточное расстояние
является использование плазмы в качестве компенсатора его
электростатического поля.
В заключении к Главе 2 сформулированы принципы устранения
причин срыва генерации СВЧ-излучения в вакуумном устройстве на
основе сильноточного РЭП. Констатировано, что полное устранение
эффекта укорочения СВЧ-импульса в рамках вакуумной СВЧ-электроники
больших мощностей невозможно из-за малого расстояния между РЭП и
поверхностью волновода.
Купить

Найдены условия, при которых плазма, образующаяся в результате
взрывной эмиссии электронов, распространяется поперек магнитного
поля ~ 1 Тл в течение микросекундных интервалов времени на
расстояния, много меньшие 1 мм. Эти условия реализуются на
эмитирующей кромке катода в виде острого лезвия, направленного
перпендикулярно ведущему магнитному полю, где средняя (без учета
микроострий) напряженность электростатического поля имеет величину
~ 107 В/см, а ее градиент ~ 109 В/см2. Создан новый тип катода —
поперечно-лезвийный взрывоэмиссионный катод. С его помощью в
магнитном поле впервые стало возможно генерировать трубчатые
релятивистские электронные пучки с плотностью тока ~ 103 А/см2,
сохраняющие свои размеры и геометрию электронных траекторий в
течение микросекундных интервалов времени. Эти свойства катодов
продемонстрированы с помощью созданных уникальных средств
диагностики.
2. Проведено комплексное исследование влияния плазмы на длительность
процесса генерации СВЧ-излучения сильноточными релятивистскими
электронными пучками. Определены механизмы укорочения импульсов
СВЧ-излучения, предложены методы полного устранения большинства
из них. Эти методы позволяют в несколько раз увеличить длительность
СВЧ-импульсов на уровне мощности 108 Вт.
3. Показано, что существуют причины укорочения импульсов излучения в
релятивистских СВЧ-генераторах, которые невозможно устранить
полностью. В вакуумных и плазменных приборах эти причины
различны.
• В вакуумных релятивистских СВЧ-генераторах электростатическое
поле электронного пучка (~ 105 В/см) препятствует его293
транспортировке на расстоянии от поверхности волноводного
тракта, большем ~ 1 см. В СВЧ-поле электронный пучок
разрушается, и поверхность волноводного тракта подвергается
бомбардировке релятивистскими электронами, на поверхности
волновода появляются слой десорбированного со стенок газа и
дрейфующие в нем электроны, а образующиеся ионы компенсируют
заряд РЭП. Если удельная энергия бомбардировки превышает
~ 10-3 Дж/см2, то процесс становится лавинообразным. В
последующем СВЧ-разряде на стенке накапливается плазма, которая
и прерывает СВЧ-излучение. Этот механизм работает даже в
условиях, когда электростатическое поле РЭП на стенке изначально
превышает электрический компонент СВЧ-волны, делая
невозможной электронную эмиссию.
• В приборах плазменной СВЧ-электроники структура плазменной
волны требует наличия специфического узла для вывода излучения
— металлического коаксиала с центральным электродом. На его
поверхности напряженность СВЧ-поля достигает ~ 106 В/см,
поэтому неизбежно образуется и накапливается плазма, что и
приводит к срыву излучения.
4. Создан плазменный релятивистский СВЧ-генератор с перестраиваемым
спектром излучения, мощностью 50 МВт и длительностью импульса до
микросекунды. Впервые получены:
• генерация СВЧ-излучения с узким спектром и электронной
перестройкой частоты от 1.6 до 2.6 ГГц при длительности до 200 нс;
• электронная перестройка частоты СВЧ-излучения от 1.6 до 6 ГГц
при широком спектре излучения и длительности импульса ~ 500 нс.294
Благодарность и искренняя признательность:
• А. А. Рухадзе, который в 1979 г. привел автора, тогда еще студента, в
свой сектор, тогда еще в ФИАНе, поставил задачу, определившей
направление работы на последующие годы, и способствовал ее
выполнению;
• Л. Э. Цоппу и Г. П. Мхеидзе, первым учителям автора в
экспериментальной физике;
• П. С. Стрелкову, научному руководителю в течение последних без
малого двадцати лет;
• С. Н. Воронкову и И. Е. Иванову — ближайшим соратникам и
помощникам;
• Н. Н. Баранову, который виртуозно и терпеливо воплощал идеи в
железо;
• А. Г. Шкварунцу, И. Л. Богданкевич, Е. Б. Городничеву, В. П. Маркову,
А. В. Пономареву, Д. К. Ульянову — коллегам, соавторам, сотрудникам
лаборатории плазменной электроники;
• и многим другим, которых трудно перечислить всех, но без которых
выполнение данной работы было б
Купить