Помощь студентам в учебе
Сильноточные релятивистские электронные пучки микросекундной длительности и СВЧ-генераторы на их основе
|
Введение 4
§1. Область исследования 4
§2. Актуальность проблемы 6
§3. Цели диссертационной работы 9
§4. Научная новизна 10
§5. Научная и практическая значимость 10
§6. Использование результатов работы 11
§7. Апробация результатов 11
§8. Публикации 12
§9. Структура и объем диссертации 12
§10. Краткое содержание диссертации 12
Глава 1. Сильноточные РЭП микросекундной длительности 23
1. Техника эксперимента 24
§1. "Терек-3": ускоритель РЭП микросекундной длительности 25
§2. Магнитное поле 29
§3. Измерение полного тока и профиля плотности тока РЭП 35
§4. Измерение питч-углов электронных траекторий 43
2. Плазма взрывоэмиссионного катода и геометрия РЭП. 64
§1. Движение катодной плазмы вдоль магнитного поля 66
§2. Движение катодной плазмы поперек магнитного поля и ее
влияние на радиальный профиль плотности тока РЭП 72
§3. Способы стабилизации профиля плотности тока РЭП 80
3. Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение микросекундной длительности импульса 101
§1. Способы воздействия на поперечное движение плазмы 101
§2. Катод с лезвийным острием, перпендикулярным магнитному полю 106
1
§3. Особенности функционирования поперечно-лезвийных катодов 112
§4. Поперечно-лезвийные катоды и профиль магнитного поля ....119 §5. Максимальная длительность РЭП, формируемого поперечно¬лезвийным катодом 126
§6. Питч-углы электронов с поперечно-лезвийного катода 129
Заключение 130
Глава 2. Влияние плазмы на длительность СВЧ-импульсов в
устройствах, использующих микросекундные РЭП 133
Эффект укорочения СВЧ-импульса 133
1. Коллекторная плазма 137
2. Плазма на анодной диафрагме 146
3. Плазма в замедляющей структуре 150
§1. Экспериментальная регистрация наличия плазмы в
карсинотроне 152
§2. Увеличение питч-углов электронных траекторий при наличии
СВЧ-излучения 158
§3. Влияние различных факторов на появление плазмы 162
§4. Расширение РЭП под действием СВЧ-излучения 170
§5. Отраженные электроны с коллектора 173
4. Механизм укорочения и способы увеличения длительности СВЧ- импульса 181
§1. Модель укорочения СВЧ-импульса в высокоэффективном
генераторе излучения 181
§2. Компенсация заряда РЭП до начала СВЧ-излучения 184
§3. Накопление плазмы в СВЧ-поле и срыв СВЧ-генерации 190
§4. Способы увеличения длительности СВЧ-импульса 194
2
Заключение 208
Глава 3. Плазменный релятивистский генератор СВЧ-импульсов
микросекундной длительности 212
1. Принцип действия и устройство плазменных релятивистских СВЧ-приборов 214
§1. Элементы теории плазменной СВЧ-электроники 214
§2. Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом 220
§3. Средства диагностики СВЧ-излучения 227
§4. Устройство плазменного релятивистского СВЧ-генератора ...232
2. Мощность и спектры излучения ПРГ 237
§1. Мощность и эффективность плазменных источников СВЧ-
излучения 237
§2. Влияние параметров плазмы на спектр излучения 240
§3. Тонкая структура спектров излучения ПРГ 247
3. Ограничение СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ- генераторе 264
§1. Оценка возможности СВЧ-разряда 264
§2. Особенности ПРГ с микросекундной длительностью импульса
269
§3. Излучение плазменного СВЧ-генератора с микросекундным
РЭП 276
§4. Влияние сорта и давления газа на работу ПРГ 279
§5. О возможных причинах ограничения СВЧ-импульса 283
Заключение 289
Выводы 292
Литература 295
§1. Область исследования 4
§2. Актуальность проблемы 6
§3. Цели диссертационной работы 9
§4. Научная новизна 10
§5. Научная и практическая значимость 10
§6. Использование результатов работы 11
§7. Апробация результатов 11
§8. Публикации 12
§9. Структура и объем диссертации 12
§10. Краткое содержание диссертации 12
Глава 1. Сильноточные РЭП микросекундной длительности 23
1. Техника эксперимента 24
§1. "Терек-3": ускоритель РЭП микросекундной длительности 25
§2. Магнитное поле 29
§3. Измерение полного тока и профиля плотности тока РЭП 35
§4. Измерение питч-углов электронных траекторий 43
2. Плазма взрывоэмиссионного катода и геометрия РЭП. 64
§1. Движение катодной плазмы вдоль магнитного поля 66
§2. Движение катодной плазмы поперек магнитного поля и ее
влияние на радиальный профиль плотности тока РЭП 72
§3. Способы стабилизации профиля плотности тока РЭП 80
3. Генерация РЭП со стабильными параметрами в течение микросекундной длительности импульса 101
§1. Способы воздействия на поперечное движение плазмы 101
§2. Катод с лезвийным острием, перпендикулярным магнитному полю 106
1
§3. Особенности функционирования поперечно-лезвийных катодов 112
§4. Поперечно-лезвийные катоды и профиль магнитного поля ....119 §5. Максимальная длительность РЭП, формируемого поперечно¬лезвийным катодом 126
§6. Питч-углы электронов с поперечно-лезвийного катода 129
Заключение 130
Глава 2. Влияние плазмы на длительность СВЧ-импульсов в
устройствах, использующих микросекундные РЭП 133
Эффект укорочения СВЧ-импульса 133
1. Коллекторная плазма 137
2. Плазма на анодной диафрагме 146
3. Плазма в замедляющей структуре 150
§1. Экспериментальная регистрация наличия плазмы в
карсинотроне 152
§2. Увеличение питч-углов электронных траекторий при наличии
СВЧ-излучения 158
§3. Влияние различных факторов на появление плазмы 162
§4. Расширение РЭП под действием СВЧ-излучения 170
§5. Отраженные электроны с коллектора 173
4. Механизм укорочения и способы увеличения длительности СВЧ- импульса 181
§1. Модель укорочения СВЧ-импульса в высокоэффективном
генераторе излучения 181
§2. Компенсация заряда РЭП до начала СВЧ-излучения 184
§3. Накопление плазмы в СВЧ-поле и срыв СВЧ-генерации 190
§4. Способы увеличения длительности СВЧ-импульса 194
2
Заключение 208
Глава 3. Плазменный релятивистский генератор СВЧ-импульсов
микросекундной длительности 212
1. Принцип действия и устройство плазменных релятивистских СВЧ-приборов 214
§1. Элементы теории плазменной СВЧ-электроники 214
§2. Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом 220
§3. Средства диагностики СВЧ-излучения 227
§4. Устройство плазменного релятивистского СВЧ-генератора ...232
2. Мощность и спектры излучения ПРГ 237
§1. Мощность и эффективность плазменных источников СВЧ-
излучения 237
§2. Влияние параметров плазмы на спектр излучения 240
§3. Тонкая структура спектров излучения ПРГ 247
3. Ограничение СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ- генераторе 264
§1. Оценка возможности СВЧ-разряда 264
§2. Особенности ПРГ с микросекундной длительностью импульса
269
§3. Излучение плазменного СВЧ-генератора с микросекундным
РЭП 276
§4. Влияние сорта и давления газа на работу ПРГ 279
§5. О возможных причинах ограничения СВЧ-импульса 283
Заключение 289
Выводы 292
Литература 295
. Область исследования
Предлагаемая диссертационная работа проведена в области сильноточной релятивистской электроники. Релятивистская электроника изучает поведение электронных потоков, движущихся со скоростями и, близкими к скорости света: и &с; при этом релятивистский фактор
Y = 1 -и)/2) ^ 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: у = 1 + . Учитывая, что
тс
тс « 511 кэВ, нетрудно видеть, что даже при сравнительно скромном значении у ~ 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
3 1 ( / 32
4m = I/3 - 1) [1]. Если оценить слабо меняющийся логарифм
e 2 • lnR/ v J
/гъ
3
ln R/ ~ 1 и подставить « 17 кА, а у = 2, то предельный ток 1цт « 4 кА. В
/ гъ e
сильноточной электронике используется ток электронов пучка меньше
4
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 для
5
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, дорога, и не всегда возможна. Кроме этого, сами термоэмиссионные катоды очень дороги 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 поверхности
6
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.
7
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
8 10 имеют уровень ~ 10 Вт, а иногда превышают 10 Вт [6]. Однако
длительность СВЧ-импульсов бывает существенно меньше длительности
тока РЭП: через какое-то время после своего начала процесс СВЧ-
излучения 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 эффект
8
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.
Предлагаемая диссертационная работа проведена в области сильноточной релятивистской электроники. Релятивистская электроника изучает поведение электронных потоков, движущихся со скоростями и, близкими к скорости света: и &с; при этом релятивистский фактор
Y = 1 -и)/2) ^ 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: у = 1 + . Учитывая, что
тс
тс « 511 кэВ, нетрудно видеть, что даже при сравнительно скромном значении у ~ 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
3 1 ( / 32
4m = I/3 - 1) [1]. Если оценить слабо меняющийся логарифм
e 2 • lnR/ v J
/гъ
3
ln R/ ~ 1 и подставить « 17 кА, а у = 2, то предельный ток 1цт « 4 кА. В
/ гъ e
сильноточной электронике используется ток электронов пучка меньше
4
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 для
5
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, дорога, и не всегда возможна. Кроме этого, сами термоэмиссионные катоды очень дороги 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 поверхности
6
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.
7
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
8 10 имеют уровень ~ 10 Вт, а иногда превышают 10 Вт [6]. Однако
длительность СВЧ-импульсов бывает существенно меньше длительности
тока РЭП: через какое-то время после своего начала процесс СВЧ-
излучения 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 эффект
8
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.
1. 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
7 9 2
~ 10 В/см, а ее градиент ~ 10 В/см . Создан новый тип катода — поперечно-лезвийный взрывоэмиссионный катод. С его помощью в магнитном поле впервые стало возможно генерировать трубчатые
3 2
релятивистские электронные пучки с плотностью тока ~ 10 А/см , 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
g
СВЧ-импульсов на уровне мощности 10 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 его
292
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
3 2
~ 10 Дж/см , 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.
293
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 бы невозможно.
7 9 2
~ 10 В/см, а ее градиент ~ 10 В/см . Создан новый тип катода — поперечно-лезвийный взрывоэмиссионный катод. С его помощью в магнитном поле впервые стало возможно генерировать трубчатые
3 2
релятивистские электронные пучки с плотностью тока ~ 10 А/см , 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
g
СВЧ-импульсов на уровне мощности 10 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 его
292
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
3 2
~ 10 Дж/см , 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.
293
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 бы невозможно.