Исследование синтезированных электронных пушек с криволинейными пучками в режиме ограничения тока пространственным зарядом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

¿Ы « п?)

С/ / ' V' и

Научно-производственное предприятие "Гиком", Нижегородский госуниверситет им.Н.И.Лобачевского

Солуянова Елена Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК С КРИВОЛИНЕЙНЫМИ ПУЧКАМИ В РЕЖИМЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА ПРОСТРАНСТВЕННЫМ

01.04.04 - физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Цимринг Ш.Е., кандидат физико-математических наук Мануйлов В.Н.

ЗАРЯДОМ

Нижний Новгород - 1999

Оглавление

Стр.

Введение....................................................................................................4

Глава 1. Синтез систем формирования интенсивных криволинейных электронных пучков с осевой и трансляционной симметрией..................................................19

1.1 Алгоритм решения внешней задачи для аксиально-

симметричных и плоских систем...........................................21

1.2 Программа синтеза систем формирования ламинарных

пучков.............................................................................29

1.3 Синтез безмагнитных систем формирования криволинейных пучков...........................................................................31

I Электростатический поток с плоского катода...............35

II Эмиссия с полуплоскости..............................................38

III Эмиссия с цилиндрического катода............................41

IV Эмиссия со спирального катода...................................44

V Эмиссия с конического катода.......................................48

Глава 2. Синтез магнетронно-инжекторных пушек гиротронов в

режиме ограничения тока пространственным зарядом......55

2.1 Поток Драйдена в однородном и слабо неоднородном магнитных полях......................................................................58

2.2 Методика синтеза магнетронно-инжекторных пушек в режиме ограничения тока пространственным зарядом......68

2.3 Синтез пушек с различной цилиндричностью......................78

2.4 Результаты траекторного анализа синтезированной системы.......................................................................................83

Глава 3. Экспериментальные исследования синтезированных

магнетронно-инжекторных пушек в режиме ограничения тока пространственным зарядом.....................................87

3.1 Экспериментальная установка.................................................88

3.2 Экспериментальная пушка......................................................93

3.3 Накальные характеристики синтезированной пушки.

Конструктивные и технологические особенности исследованных катодов...........................................................94

3.4 Вольтамперные характеристики синтезированной пушки. 109

3.5 Измерения скоростного разброса и осцилляторной энергии

электронов в пучке. Эмиссионные характеристики пушки

в зависимости от магнитной индукции на катоде.............111

Глава 4. Экспериментальные исследования гиротронов с электронными пушками, работающими в режиме ограничения тока пространственным зарядом...................128

4.1 Гиротрон на рабочей частоте 28 ГГц. Исследование влияния

паразитной эмиссии на режимы генерации.......................128

4.2 Гиротрон с пониженной паразитной эмиссией на рабочей частоте 83 ГГц...........................................................141

Заключение............................................................................................149

Литература.............................................................................................151

Введение

1. Достижения СВЧ электроники больших мощностей в значительной степени определяются физическими свойствами активных сред, служащих источником энергии электромагнитного излучения. В мощных генераторах и усилителях, работающих в широком диапазоне длин волн X от декаметровых до миллиметровых, активная среда представляет из себя потоки свободных ( движущихся в вакууме ) электронов. На длинах волн Х>1см эффективным является использование черенковского или переходного механизмов излучения движущихся прямолинейно электронных потоков [1]. С точки зрения освоения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн наибольший интерес представляют пучки с криволинейными периодическими траекториями, где энергообмен между электронным потоком и электромагнитным полем возможен в электродинамических системах, не содержащих малые по сравнению с длиной волны элементы. Среди слаборелятивистских систем с энергиями электронов менее 100 кэВ наиболее перспективными в данном диапазоне оказались мазеры на циклотронном резонансе (МЦР), принцип действия которых основан на индуцированном излучении ансамбля классических электронных осцилляторов, помещенных в резонансное статическое однородное магнитное поле В0 [2, 3]. В таком поле электронные осцилляторы образуют пучок с винтовыми электронными траекториями - так называемый винтовой электронный пучок (ВЭП) [4].

Одним из наиболее широко используемых СВЧ генераторов такого типа является гиротрон [5-11]. Формирование ВЭП в гиротронах производится, как правило, в адиабатических магнетронно-инжекторных пушках (МИП - рис.1) [12]. В то время,

Рис.1 Схема электронно-оптической системы и распределена осевого магнитного поля в гиротроне.

как в большинстве случаев в вакуумной СВЧ-электронике высоких мощностей применяются электронные пушки, формирующие потоки электронов в режиме ограничения тока пространственным зарядом (р-режиме) [13], в гиротронах традиционно применяются работающие в режиме температурного ограничения эмиссии (Т-режиме) пушки [14]. В таких пушках поле пространственного заряда потока носит характер поправки к холодному полю электродов, поэтому при их расчетах эффективным оказывается подход, основанный на аналитической адиабатической теории без учета пространственного заряда [15-17] и последующем численном траекторного анализе с учетом пространственного заряда [18-23]. Адиабатическая теория позволяет определить основные геометрические размеры и электрический режим МИП. Траекторный анализ электронно-оптической системы (ЭОС) учитывает влияние неадиабатичности пушки и возмущения, вносимые кулоновским полем пучка. На основе траекторного анализа осуществляется коррекция геометрии пушки с целью получения параметров пучка, требуемых для эффективного взаимодействия с высокочастотным полем; в частности, доля осцилляторной энергии электронов в пространстве взаимодействия ^ должна быть максимальной

и= (У±о)2/ (УоЯ (1)

а относительный скоростной разброс электронов в пучке 5У_|_ -минимальный

5У1=ДУ1/ У]_о- (2)

Здесь У10, Уо - средняя вращательная и полная скорости электронов

в области однородного магнитного поля резонатора В0, дУ^о -абсолютная величина разброса вращательных скоростей в пучке.

В слаборелятивистских МЦР в процессе энергообмена между ВЧ полем и электронным пучком в энергию СВЧ излучения

преобразуется только осцилляторная доля энергии электронов [3,

24]. С этой точки зрения желательно использовать возможно большие значения Однако, для МИП характерна пробочная

конфигурация магнитного поля (рис.1) [14], из-за чего при больших ^ часть электронов ВЭП из-за разброса скоростей отражается от

магнитного зеркала, не доходя до рабочего пространства, и захватывается в образующуюся между катодом и резонатором адиабатическую ловушку [25]. Совершая в ней продольные колебания, захваченные электроны могут возбуждать в переходной области ВЧ поля и инициировать этим высокочастотные неустойчивости в пучке, приводящие к ускорению части электронов. Попадающие на катод ускоренные электроны несут повышенную энергию, за счет которой развивается лавинообразный процесс по следующему сценарию: "бомбардировка" катода запертыми частицами, его разогрев и неуправляемое нарастание тока пучка, что в конечном итоге приводит к электрическому пробою электродного промежутка. Ситуация усугубляется появлением при "бомбардировке" катода вторичных электронов, часть которых тоже захватывается в ловушку, снова бомбардирует катод и т.д.

Описанный эффект при работе в режиме температурного ограничения эмиссии часто ограничивает мощность и КПД гиротронов, имеет тенденцию к развитию в длинноимпульсных и непрерывных приборах и оказывает разрушающее действие на эмиттирующую поверхность. В Т-режиме избавиться от эффекта нарастания тока можно путем снижения либо скоростного разброса 5У_ь либо относительной осцилляторной энергии Минимальная

величина скоростного разброса даже при исчезающе малом токе пучка I ограничена совместным вкладом таких физически неустранимых причин как тепловые скорости электронов и сильные

электрические поля микрошероховатостей поверхности эмиттера [19, 26]. В силу специфики формирования осцилляторной скорости в МИП (когда складываются не энергии а скорости, соответствующие указанным источникам скоростного разброса) совместный вклад этих величин достигает 10-15%. К этой величине еще добавляется вклад поля пространственного заряда пучка. В результате уже при токах Ы).11л (1л - ленгмюровский ток пушки) полная величина разброса превышает 25-30%. Из (1)-(2) и закона сохранения энергии легко получить, что при таком разбросе условием отсутствия отраженных электронов является ограничение средней величины ^ на уровне 0.6-0.7, т.к. [26]

1±мах~1/(^±+1). (3)

В силу изложенных причин, в ряде случаев может оказаться целесообразной установка в гиротрон р-режимных МИП (МИПР) [27-29]. Одним из основных преимуществ таких пушек является принципиальное отсутствие эффекта неуправляемого нарастания тока, т.к. в этом случае ток полностью определяется геометрией пушки и анодным напряжением и не зависит от температуры катода. Кроме того, при работе в р-режиме возможно повышение однородности снимаемого с катода тока, и нет необходимости постоянно контролировать нагрев катода, чтобы не превысить допустимый ток в приборе. Системы в р-режиме позволяют получать максимально возможный при заданной геометрии ток пучка.

При расчетах МИПР учет кулоновского поля потока, очевидно, является принципиальным моментом, а равенство нулю электрического поля на катоде нарушает условия адиабатичности по крайней мере на значительной части первого витка электронной траектории. Поэтому используемая для Т-режимных МИП методика предварительного определения геометрии и основных параметров

пучка на базе адиабатической теории оказывается неприемлемой. Наиболее последовательно учесть поле пространственного заряда с самого начала проектирования пушки позволяет метод синтеза, позволяющий определять геометрию электродов и электрический режим пушки по характеристикам электронного пучка [30].

Методика синтеза пушек гиротронов с однородным в области пушки магнитным полем сначала в плоско-симметричной а затем в аксиально-симметричной постановке как для Т-, так и для р-режима была предложена в работах Ш.Е.Цимринга и В.Н.Мануйлова [31, 14, 32] и получила развитие в работе [33]. В аксиально-симметричном случае в качестве базового потока для решения внутренней задачи был выбран известный поток Драйдена [34] в однородном магнитном поле, а при решении внешней задачи использован метод Харкера перехода от уравнения Лапласа к эквивалентной ему гиперболической системе дифференциальных уравнений путем аналитического продолжения исходной системы уравнений электрического поля в комплексную область [35-37]. В этих же работах были сформулированы критерии ламинарности потоков при решении внутренней задачи. Последующее определение размерных параметров системы формирования осуществлялось на основе расчета адиабатического инварианта электрона на первом витке электронной траектории [38, 39].

Реальные магнитные поля в области катода МИП представляют собой поля рассеяния основного соленоида, а углы наклона вектора магнитной индукции к оси аксиальной симметрии прибора достигают 10°. В этих условиях форма электродов синтезированных систем и параметры формируемых этими системами электронных пучков могут существенно отличаться от найденных в рамках модели потока Драйдена в однородном магнитном поле [40, 41]. Ранее принятая методика расчета поперечного адиабатического

инварианта может вносить погрешность в расчет приобретаемой электронами в р-режиме осцилляторной энергии из-за того, что на начальном участке траектории вблизи поверхности катода поле меняется как у1//3 (у - координата вдоль нормали к поверхности) и таким образом не является адиабатическим [42, 43].

Электродные конфигурации, получаемые на основе метода синтеза, достаточно сложны. Метод синтеза, как показывают расчеты, не позволяет также определить форму катодного "носика" МИП. Поэтому на заключительном этапе расчета пушки производится коррекция формы электродов для получения технологически приемлемых электродных конфигураций. Естественно, при этом вносятся возмущения в распределения полей, предписанных методом синтеза. Применение траекторного анализа позволяет количественно оценить возмущения, вносимые при коррекции, определить качество электронного пучка, а при необходимости внести небольшие поправки в форму электродов [28, 29].

До последнего времени изучение синтезированных МИПР гиротронов ограничивалось развитием их теории. Экспериментально в р-режиме исследовались лишь пушки с традиционной геометрией, проектирование которых осуществлялось без должного учета влияния пространственного заряда. Поэтому они характеризовались низким качеством формируемых пучков, а соотвествующие гиротроны имели КПД на уровне нескольких процентов (см. работу [44]). Теоретические модели, положенные в основу синтеза и траекторного анализа МИПР, адекватно описывают поле пространственного заряда в области катода в предположении пренебрежимо малого влияния неоднородности эмиссии с различных участков катода, паразитной термо- и вторичной эмиссии с фокусирующих электродов и т.п.. Однако, на практике

перечисленные факторы оказывают существенное влияние на работоспособность пушки и гиротрона в целом, поэтому при разработке новых ЭОС особое внимание необходимо уделять устранению причин, негативно влияющих на качество формируемого пучка. Кроме того, технологические особенности изготовления катодов могут приводить к отличию формы электродов от расчетной. Поэтому при работе над созданием синтезированных МИПР на заключительном этапе была проведена серия их экспериментальных исследований, позволяющих проверить адекватность методики теоретического расчета и при необходимости внести в нее соответствующую коррекцию [28, 42, 43]. Причем чисто электронно-оптические измерения параметров пучков, формируемых МИП в р-режиме, еще не позволяют однозначно судить об особенностях использования таких систем в гиротронах, следовательно логическим завершением процесса создания синтезированных МИПР является разработка, изготовление и экспериментальное исследование гиротронов с такими пушками непосредственно в режиме генерации [45, 47].

Следует отметить, что в предшествующих работах траекторный анализ систем в р-режиме, в том числе и синтезированных, проводился (а во многих случаях проводится до сих пор) по упрощенной методике [18, 45], базирующейся на законе 3/2 для плоского элементарного безмагнитного диода в прикатодной области, что оставляет открытым вопрос о погрешности расчета. В то же время требования к точности траекторного анализа, особенно в режиме ограничения тока пространственным зарядом, существенно возрастают, поскольку помимо достаточной точности определения траекторий в этом случае необходимо еще и корректное вычисление распределения тока, которое в свою очередь влияет на форму электронных траекторий. Помимо чисто

практических задач (например, синтеза МИП), методика синтеза криволинейных пучков [43, 46] может быть использована и для тестирования программ траекторного анализа. В частности, в рамках метода синтеза возможно практически точно решить ряд "неудобных" для траекторного анализа задач, в которых электронный поток характеризуется по крайней мере одной или несколькими из пречисленных ниже особенностей:

- криволинейные траектории;

- сильная неоднородность плотности тока вдоль эмиттера;

- малый радиус кривизны эмиттера (криволинейный катод);

- большая компрессия потока по площади поперечного сечения;

- переменный радиус кривизны эмиттера.

Совокупность решений с указанными особенностями может образовать достаточно полный набор задач для тестирования универсальных программ анализа электронно-оптических систем. Впервые на возможность такого подхода указано в работе [38]. Позднее в работе В.А.Сырового и А.В.Вашковского [48] предложены некоторые варианты потоков с указанными особенностями. Однако результаты работы [48] ограничивались решением только внутренней задачи синтеза в окрестности катода и, таким образом, не позволяли использовать полученные там результаты в качестве набора тестовых задач.

2. Основные цели диссертационной работы состоят в следующем.

а) Решение внутренней и внешней задач синтеза для систем формирования криволинейных электронных пучков в режиме ограничения тока пространственным зарядом со �