Наносекундная коммутация СВЧ-мощности электронным пучком в прямоугольном волноводе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

и:

с*

о о-О'

о

- СЧ]

4

На правах рукописи

ПОПОВ Евгений Олегович

НАНОСЕКУНДНАЯ КОММУТАЦИЯ СВЧ-МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт- Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН

Научный руководитель: канд.ф.-м.н., с.н.с. О.П. Коровин

Официальные оппоненты:

доктор т.н., проф. Д.В. Шанников (СПбГТУ)

канд.ф.-м.н., C.B. Бараев, зам. директора ЗАО Научно-технической фирмы ТЕКРА (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет, кафедра теоретических основ радиотехники

Защита состоится 9 июня 1998 г. в 16 часов

на заседании диссертационного совета К063.38.11 в Санкт-Петербургском Государственном техническом университете по адресу: 195251, СПб, Политехническая ул., 29, 2-й учебный корпус, ауд. 257.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета

Автореферат разослан "_"__ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор ф.-м.н., проф.

C.B.Загрядский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию коммутации мощных СВЧ-колебаний путем инжекции носителей в полупроводниковую пластину, перегораживающую прямоугольный волновод.

Актуальность. Проблема коммутации мощности - одна из важнейших в СВЧ-технике. Для проведения фундаментальных исследований в области физики высоких энергий, для генерации мощных СВЧ-импульсов в экспериментах по физике плазмы, накачке лазеров на свободных электронах, для развития средств связи и широкополосной радиолокации [1], нужны устройства коммутации СВЧ-колебаний большой мощности.

Необходимые сегодня для этого приборы должны переключать высокие уровни мощности (до гигаватт), иметь малое время срабатывания (наносекунды), способность работать с большой частотой повторения (килогерцы), а также иметь долгий срок службы [2]. В качестве коммутаторов большой СВЧ-мощности (десятки мегаватт) нашли широкое применение газовые разрядники. Однако газоразрядные коммутаторы большой СВЧ-мощности не могуг работать с большой частотой повторения [3]. В них невозможно увеличивать напряженность поля выше уровня самопробоя. Существующие газовые разрядники не могут работать при температурах жидкого гелия.

Область применения быстрых коммутаторов, таких как тиристоры и р1п-диоды, рассчитанных на средние и низкие уровни мощности (мегаватты и киловатты импульсной мощности, соответственно), ограничена при больших напряженностях поля [4]. Другие быстрые приборы, имеющие большой срок службы, такие как транзисторы, рассчитаны на низкие уровни мощности.

Для коммутации и управления большими уровнями СВЧ-мощности традиционно используют ферритовые вентили. В ферритовых вентилях и циркуляторах потери обычно составляют 0.1-0.5 дБ, при этом реально достижимая развязка широкополосных вентилей не превышает 20-25 дБ. Существуют устройства, рассчитанные на работу с уровнями средней мощности до 25 кВт и импульсной десятки мегаватт. Скорость коммутации ферритовых переключателей не превышает 0.1 мкс. По этой причине в быстродействующих переключающих устройствах на ферритах используются дополнительные разрядники.

В настоящее время все большее внимание уделяется переключателям, основанным на полупроводниковых приборах, инициируемых лазером. Благодаря применению широкозонных полупроводников появляется возможность их использования в полях с напряженностью поля от 10 МВ/м и выше. Вместе с тем, использование для их управления нано- и пикосекундных лазеров не позволяет работать в режиме с большой частотой повторения импульсов [5].

Быстрая коммутация непрерывных и импульсных СВЧ-сигналов с высоким уровнем мощности с большой частотой повторения является одной из основных задач, решаемых в СВЧ-технике. Поиск и разработка новых принципов коммутации, изучение происходящих при этом физических процессов делает работу весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства быстрой коммутации сверхвысокочастотного сигнала большой мощности (свыше 10 Мвт) и с большой частотой повторения (свыше 1 кГц). Основные задачи работы:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов при наносекундном электронном способе переключения в прямоугольном волноводе.

2. Разработка математической модели переключателя для обоснования возможности использования электронного пучка для коммутации больших уровней мощности.

3. Определение параметров экспериментального переключающего устройства и выработка рекомендаций для построения эффективного электронного переключателя.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Экспериментально доказана возможность быстрой коммутации СВЧ-мощности при помощи внешней инжекции электронного пучка, который скачком меняет проводящее состояние облучаемой полупроводниковой пластины. Проведены исследования образцов, изготовленных из высокоомных полупроводников и использованных в качестве активных элементов коммутирующего устройства. Исследованы характеристики коммутируемого СВЧ-сигнала.

2. Разработана теоретическая модель взаимодействия релятивистского пучка заряженных частиц с высокочастотным полем стоячей волны большой интенсивности в прямоугольном волноводе, рассмотрены одномерный и

трехмерный случаи. Произведен расчет по данным моделям. Обнаружено новое явление, характерное только для релятивистского электронного пучка, заключающееся в том, что при определенных соотношениях на больших пролетных промежутках возможна передача энергии от электронов полю при одновременном ускорении части пучка за счет энергии самого пучка.

3. В результате расчетов траекторий в трехмерном релятивистском случае была показана возможность использования электронного пучка при больших напряженностях поля. Были исследованы различные точки старта пучка и допустимый угловой разброс. Обнаружены места старта электронного пучка наиболее энергетически выгодные для целей переключения. На основании расчетов сделан вывод о возможности проводки пучка электронов по волноводу от места старта до мишени при больших напряженностях поля до 100 МВ/м и выше.

4. Экспериментально определены параметры электронной ускоряющей системы необходимые для осуществления эффективного управления СВЧ-мощностью. Даны рекомендации по оптимальным режимам инжекции пучка, параметрам пучка и полупроводниковой пластины.

5. Экспериментально исследованы полевые многоострийные твердые и жидкометаллические катоды в качестве альтернативного термокатоду источника электронов при работе с большой частотой повторения. Получена коммутация СВЧ-мощности с использованием жидкометаллических взрывоэмиссионных катодов.

Практическая ценность работы состоит в непосредственной применимости ее результатов для создания надежных и долговечных наносекундных переключателей на средние и высокие уровни СВЧ-мощности, способных работать с большой частотой повторения.

Результаты теоретического анализа и расчетов применимы для проведения исследований взаимодействия заряженных частиц с полем прямоугольного волновода, в том числе для расчета вторично-электронного разряда в резонаторе.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Для создания быстродействующих наносекундных переключателей средней и большой СВЧ-мощности с большой частотой повторения можно использовать пучок электронов, управляющий проводимостью высокоомной

полупроводниковой пластины, расположенной посередине широкой стенки прямоугольного волновода. Данный подход к переключению позволяет увеличить КПД переключателя более чем на порядок, и частоту посылок более чем на два порядка по сравнению с лазерным переключением. Экпериментально доказана работа электронного переключателя с частотой посылок более 4 кГц.

2. Разработанная трехмерная модель взаимодействия заряженной частицы с полем стоячей волны прямоугольного волновода в релятивистском случае, дает обоснование возможности использования пучка заряженных частиц в целях переключения в полях с большой напряженности до 100МВ/м и выше.

3. Выявлена новая особенность взаимодействия релятивистского электронного пучка с высокочастотным электрическим полем большой интенсивности на больших пролетных промежутках, которая позволяет при определенных соотношениях скорости пучка, напряженности поля и длины промежутка ускорять часть электронов пучка без отбора энергии от поля.

Апробация работы. Результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих национальных и международных конференциях:

- Particle Accelerator Conference, РАС97, Vancouver, May 25-27,1997;

- 5th European Conference on Accelerators in Appied Research and Technology, ECAART5, August 26-30, 1997, Eindhoven, Netherlands;

- 10:h International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg, Tennessee, September 21-26,1997;

- Tools for mathematical modelling Workshop, St.PSTU, St.Petersburg, December 3-6, 1997.

По материалам диссертационной работы опубликовано 9 работ и 3 отчета. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 107 страниц и библиографию из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы задачи диссертационной работы, обоснована их актуальность и научная новизна, кратко рассмотрено содержание глав диссертации.

Глава 1. Методы генерации и коммутации мощных СВЧ-импульсов.

В Главе 1 приведен обзор литературы по теме диссертации. Выполнен анализ литературы по способам генерации мощных СВЧ-импульсов и методам коммутации СВЧ-мощности. Рассмотрены достигнутые к настоящему значения уровней мощности и эффекты, соответствующие тем или иным методикам формирования и управления СВЧ-мощностью.

В п.1.1. рассмотрены основные методы коммутации СВЧ-мощности. Отмечены их особенности и области применения. В п. 1.2. подробно проанализированы методы генерации мощных наносекундных импульсов, указаны основные проблемы и пути их решения. В п.1.2.1. рассмотрена наносекундная импульсная модуляция в приборах М-типа. В п.1.2.2. приведены особенности получения наносекундных СВЧ-импульсов в приборах О-типа. В п.1.2.3. оценены возможности МЦР и ЛСЭ для генерации коротковолнового излучения. В п.1.2.4. рассмотрен метод формирование мощных наносекундных СВЧ-импульсов путем вывода накопленной энергии из резонатора и связанные с ним проблемы скоростной коммутации. В п.1.3. приведена сводная таблица по достигнутым уровням мощности и возможностям работы в периодическом режиме, обсуждаются требования к коммутирующему устройству. В п.1.4. выполнен подробный обзор методов коммутации при выводе СВЧ-энергии из резонатора. Сформулированы выводы по обзору литературы и вытекающие из обзора задачи.

Глава 2. Взаимодействие релятивистских заряженных частиц с сильным высокочастотным полем большой протяженности (одномерный случай).

В Главе 2 описаны модель и расчетный эксперимент по взаимодействию релятивистских заряженных частиц с продольным высокочастотным электрическим полем большой напряженности на больших пролетных промежутках.

В п.2.1. обсуждаются направления исследований для теоретического и расчетного обоснования возможности использования электронного пучка в целях переключения. Обосновывается необходимость изучения параметров проводки пучка электронов через волновод от места старта до полупроводникового образца в одномерном и трехмерном случаях.

В п.2.2. анализируется актуальность изучения взаимодействия

релятивистских заряженных частиц с ВЧ-полем большой протяженности.

В п.2.3. приводится математическая модель взаимодействия частиц с электрическим полем [6]. Решается уравнение движения частиц в переменном во

времени электрическом поле. Путь, пройденный частицеи в ускоряющем-промежутке в зависимости от входной фазы СВЧ поля, рассчитывается по формуле:

Здесь функция Л(г?) введена после интегрирования уравнения движения:

А(г?) =

р д ,|УоУл

[ак^-сов!?], (2)

(1 (1-Л¥ {щр^глЬ;

у

где /? ---скорость электрона в единицах скорости света, А - длина волны, Ре

с

- начальная скорость частицы, г)е - фаза СВЧ поля в момент начала взаимодействия. Л - длина промежутка взаимодействия, У0 - амплитуда напряжения, <7 - заряд частицы. Интегрируя выражения (1) с переменным верхним пределом можно определить момент выхода частицы из

пространства взаимодействия.

В п.2.4. представлен подробный анализ проведенных расчетов.

В расчетах задавались частота и амплитуда напряженности электрического СВЧ поля, энергия электрона на входе в пространство взаимодействия, фаза поля в момент начала взаимодействия. Расчеты проводились для частот от 0.8 до 3 ГГц в диапазоне напряженностей СВЧ поля от 100 кВ/м до 100 МВ/м и входной энергии электронов от 7 кэВ до 700 МэВ.

Анализ результатов показал, что при больших пролетных промежутках существуют области фаз, где электроны могут эффективно взаимодействовать с СВЧ полем. Были определены области фаз и диапазоны входных энергий электронов, при которых последние могут ускоряться до энергии, составляющей порядка 75% и более от максимально возможной энергии, которую они получили бы в постоянном поле с напряженностью, равной амплитудному значению напряженности высокочастотного поля, или отдавать до ~100% своей энергии.

На рис.1 приведены результаты расчета зависимости от длины

пространства взаимодействия максимальной энергии приобретаемой электронами и средней энергии полученной или отданной электронами, стартовавшими а интервале входных фаз от 0 до lit, для напряженности электрического поля 100 МВ/м, частоты 1.3 ГГц и входной энергии электронов 7 МэВ. Анализ кривых показал, что в сравнительно протяженном промежутке 8 см электроны получают прирост энергии 6.51 МэВ или -81% от максимально возможного значения, которое они получили бы в постоянном поле с напряженностью 100 МВ/м. При этом суммарная энергия, переданная от поля электронам, близка к нулю, т.е. ускорение происходит за счет энергии других электронов пучка.

Чтобы понять причины, обусловливающие группировку частиц в релятивистском случае, было проведено изучение энергетического спектра электронов, в зависимости от входной фазы ВЧ поля. Было определено, что на начальном этапе движения в протяженном электромагнитном поле, электроны распределяются почти поровну на те, которые забирают энергию от поля и приобретают энергию большую входной, и которые на выходе из пространства взаимодействия отдают свою энергию полю, с энергией меньше входной (или практически с нулевой скоростью). Так, например, распределение электронов по энергиям на промежутке 32 см дает в среднем нулевое значение (рис.1). С увеличением пролетного промежутка картина распределения электронов по приобретаемым энергиям начинает носить довольно сложный характер., Анализ энергии каждой индивидуальной фазированной частицы показал, что основное распределение частиц по энергиям происходит на первой полуволне ВЧ поля. Выделившиеся в группу электроны, стартовавшие вблизи нулевой входной фазы, в дальнейшем сохраняют характер своего движения как наиболее энергичные.

Было определено, что максимальная энергия, приобретенная электронами на отрезке равном половине длины волны, составляет для релятивистских электронов 63.4% от приращения энергии, которую электроны получили бы на данном отрезке в постоянном поле с напряженностью равной амплитуде переменного поля.

По мере движения в поле через каждый отрезок пути, равный длине волны, электроны набирают максимальную энергию с большой точностью равную значению в 1-ом максимуме.

Особый интерес представляет ускоряющий промежуток с длиной равной -5/4 длины волны или 28 см (рис.2). Как следует из графика, максимально ускоренные электроны приобретают дополнительную энергию ~4.6 МэВ. Одновременно, электроны, стартовавшие в одном периоде, в среднем за период-отдают полю энергию >200 кэВ. Это означает, что имеет место передача энергии от электронов полю, с одновременным ускорением части электронов, т.е. ускорение электронов идет за счет энергии пучка электронов и одновременно часть энергии передается полю. На основании проведенных расчетов было показано, что при больших пролетных промежутках может эффективно осуществляться взаимодействие электронов с СВЧ полем. При определенных условиях в больших пролетных промежутках, в отличие от малых, возможно эффективное ускорение одних электронов за счет энергии других, причем энергия электронов на входе промежутка превышает среднюю за период колебания высокочастотного поля энергию электронов на выходе, т.е. часть энергии поглощается полем.

Совместное существование областей входных фаз в одном периоде колебаний высокочастотного поля, при которых электроны как отбирают, так и отдают часть своей энергии резонатору, свидетельствует о передаче энергии от замедленных электронов к ускоренным, что приводит к еще более эффективному ускорению последних. Т.о. вводя в резонатор непрерывный пучок электронов можно осуществлять эффективное ускорение одной части пучка частиц за счет торможения другой при одновременной передаче энергии от пучка к резонатору. Подобный эффект может наблюдаться только в больших пролетных промежутках для релятивистских электронов.

В п.2.5. сформулированы основные выводы по Главе 2 и представлены итоговые результаты анализа кривых.

Глава 3. Трехмерная модель взаимодействия релятивистской заряженной частицы с СВЧ-полем стоячей волны прямоугольного волновода.

В п.3.1. делаются вводные замечания о необходимости непосредственного расчета траекторий движений частиц с учетом релятивистского характера движения электронов при высоких напряженностях поля и фазовых соотношений для электромагнитных полей резонатора.

Полная длина: 40 см

Рис.1. Зависимость от длины пролетного промежутка максимальной энергии (верхняя кривая) и средней энергии (нижняя кривая) приобретаемой электроном для дистанции 40 см, МэВ, £=100 МВ/м

тт

Рис.2. Распределение частиц по энергиям приобретаемым на длине 28 см в зависимости от входной фазы поля в диапазоне от 0 до 2 Я

В п.3.2. для расчета траекторий построена трехмерная модель взаимодействия релятивистской заряженной частицы с СВЧ-полем стоячей волны прямоугольного волновода (3), представлен вывод уравнений.

Заряженная частица может стартовать из любой—точки—на—стенке-резонатора с любой начальной энергией и при любой фазе электромагнитного поля.

лх . яг

_ „ . ЛА . 1U. I \

Е} = -Е0 sin — sin—cosl/üí + <pü\

ь.

Н, — —sin —— eos sin (cot + ),

(3)

E0 C0 7ГХ . 7¡z . , 4 Ht = —- — eos — sm — sm(ftí 4 <p0 j,

где ZF - волновое сопротивление резонатора, Л - длина волны в волноводе, с0 = Л/ 2.

Траектория электронов в резонаторе строится при решении системы уравнений (4) неявным методом Адамса 4-го порядка. Первые четыре точки траектории вычисляются методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

У\ = У 4

У2=У3 Уз = Уб

У 4 =<P,-e,bsy5+y бУб)

Ч>, (i - «X )+ay<pz у6 (l + а\)+ a, <pt у4 (l + а\)

(4)

У5 =

Л

1 - а] (ах +аг)~ ауа\ (1 + 2а'х) <Pz (l-<*>",)+ агЧ>, У, (l'+ !«г <Р; У, (l-+ aj)

1 ■- а* (а* + а\) - а)а, (1+2а*) Здесь сделаны подстановки у, =х,у2 = у,у, = z,y4 = Ул,у, =V ,у6 =V_ и введены

обозначения: а = -

i.a ya _ ¿а

^—id---г—,СС ~~~~ z i

1+х2а 1 + уа 1 + za

а'-хах,а\ - уос„,а7 = ¿a,, f =F^/,f =Flv ,f =F*/,a--

X X' У j y> Z i¡ Jj /m'Jy /m'Jí /m'

с -V

Л

1 + x а

•<Py

Л

Л

l + jia

1 + z а

В л.3.3. проведен подробный анализ точности получаемых результатов и обсуждается их достоверность. Проводились исследования зависимости погрешности результатов от величины шага и сравнение результатов с результатами расчетов Главы 2. В случае прямоугольного резонатора, на линии,

о

о

соединяющей центры верхней и нижней стенок магнитные поля отсутствуют, то есть движение становится одномерным. Как показала проверка, расчеты по разным методикам с увеличением шага сходятся к точному значению и при шаге /*=10"15 с совпадают с точностью не менее 0.01 %.

В п.3.4. приведены результаты расчетов по рассмотренной выше модели. Даются исчерпывающие данные о характере прохождения электронов пучка от места старта до полупроводниковой пластины. Определены режимы отсечки и эффективного разброса электронов по пластине, проведено моделирование реальных размеров катода и определены необходимые размеры полупроводниковой пластины с учетом отклонения пучка. Получены расчетные данные на допустимый угловой разброс электронной системы для различных напряженностей поля и мест старта.

В результате расчетов было установлено, что использование четвертьволнового отрезка волновода, по сравнению с 3/4-волновым более эффективно, с точки зрения требований на значения входных энергий пучка. Наиболее существенным результатом расчетов явилось определение мест старта электронов, с которых обеспечивается попадание электронов на образец, и при которых требуются значительно меньшие энергии электронов, чем при центральном старте. Эти данные приобретают большее значение при напряженностях поля свыше 40 МВ/м.

Так, например, для напряженности поля 50 МВ/м более эффективным является старт из угла волновода (рис.3). При этом достигается хороший разброс пучка по образцу в направлении оси у и достаточно широкий запас по угловому разбросу скоростей электронной пушки.

В 3.5. даются основные выводы из Главы 3. В результате расчетов была доказана возможность использования электронного пучка в целях переключения для больших напряженностей поля. Была показана возможность проводки пучка заряженных частиц через волновод на полупроводниковую пластину при центральном и угловом вводе пучка.

Были показаны преимущества использования четвертьволнового переключателя при высоких напряженностях поля по сравнению с 3/4-волновым. Рассчитаны кривые отсечки для различных напряженностей поля переключателя, определены параметры разброса пучка по образцу и его отклонение.

Рис.3. Точка старта: х=0, у=Ь/2, г=0; 50 МВ/м. Иллюстрация режима проводки пучка в центральную часть волновода при Ух=150 кэВ и У2=85 кэВ

Предложенная методика позволяет полностью моделировать реальную катодную систему и рассчитывать все допуски на угловой и энергетический разброс электронной пушки в поле стоячей волны прямоугольного волновода.

Универсальный характер методики был использован для расчета прохождения тяжелых частиц в больших СВЧ-полях. Оказалось, что низкоэнергетичный протон (1-20 кэВ) практически не изменяет своей траектории по сравнению с электроном. На основании этих данных можно сделать вывод о возможности использовании в дальнейшем ионного переключения при напряженностях поля -100 МВ/м и выше.

Глава 4. Экспериментальное доказательство возможности электронного переключения.

В п.4.1. приведено общее описание экспериментальных установок и этапов проведения исследований.

В п.4.2. рассмотрены основные принципы коммутатора наносекундных импульсов и физические характеристики активного управляющего элемента. Обсуждена эквивалентная схема полупроводниковой пластины и приведена связь электродинамических параметров (коэффициентов отражения, поглощения и пропускания) с характеристиками полупроводникового материала. Это позволило установить параметры электронного пучка для обеспечения генерации необходимого числа носителей в пластине. С учетом коэффициента поглощения мощности проведена оценка допустимых уровней рассеиваемой мощности в полупроводниковой пластине, и необходимые меры по охлаждению

активного элемента.

В п.4.3. приведены результаты экспериментальных исследований с использованием различных установок и методик генерации носителей в полупроводниковом образце.

В п.4.3.1. приведены результаты исследования высокоомных образцов СаАэ, СсЛе и \/20. Приведены и проанализированы осциллограммы импульсов переключения для данных веществ. Например, если требуется, чтобы после перехода в открытое состояние это состояние поддерживалось в течение 0.1-600 мкс, то в этом случае целесообразно использовать высокоомный кремний, так как время жизни свободных носителей в этом материале в зависимости от степени легирования может меняться в упомянутых пределах. Быстрое закрытие переключателя с временем <0.1 мкс может быть обеспечено переключающим элементом на основе арсенида галия, так как время жизни носителей в этом материале <10"9с.

В п.4.3.2. сообщаются результаты экспериментального получения импульсов переключения при использовании электронного пучка с термокатодов. Приведены схемы экпериментальных установок и обсуждены методики проведения исследования. Рис.4 а), б) наглядно показывает конструкцию переключающего устройства. В работе представлены и проанализованы осциллограммы импульса переключения на высокоомных образцах и ваЛв.

Помимо испытаний различных конструкций экспериментальных установок проводились исследования различных катодных систем как источников электронов. Сравнительные испытания катодов помогли сделать выбор в пользу металлопористых катодов, не загрязняющих поверхность переключающего элемента при тренировке катода.

В п.4.3.3. представлены методики экспериментального исследования полевых катодов и использования их в целях переключения. Для переключающего СВЧ элемента был использован жидкий взрывоэмиссионный катод с частотой посылок от 1 Гц до 2 кГц и выше, и значением переднего фронта не хуже 7-8 не.

Получены импульсы переключения на образцах и СаАБ с характеристиками переднего фронта 10-50 не, и длительностью <100 не, с частотой повторения ~2 кГц.

и

!Г

а)

3

б)

Рис.4. Конструкция электронного переключателя на режекгорном фильтре в ¿¿плоскости: 1 - ¿/-тройник; 2 - кварцевое окно; 3 - прямоугольная полупроводниковая пластина и трубочка с охлаждающей жидкостью; 4 -четвертьволновый закорачивающий вкладыш (на рис. б) ускоряющая сетка не показана); 5 - ножка катода; 6 - вакуумная откачка

Исследования позволили определить требования к модулятору высоковольтных импульсов и оценить КПД переключателя. Экспериментально подтверждено, что переключение полупроводниковым элементом, управляемым электронным пучком, требует для своей работы в 10 раз меньшей энергии, чем управляемый лазерным светом от импульсного лазера.

В результате экспериментов была достигнута частота повторения импульсов переключения 4 кГц, которая не является предельной для электронного способа переключения, причем эти данные были получены без принудительного охлаждения переключающего элемента.

Заключение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод и экспериментально доказана возможность наносекундной электронной коммутации СВЧ-мощности в прямоугольном волноводе. Получены экспериментальные характеристики выходных импульсов мощности при исследовании различных образцов высокоомных полупроводников.

2. Экспериментально достигнута частота повторения импульсов переключения 4 кГц, которая не является предельной для электронного переключения. Исследования позволили определить требования к модулятору высоковольтных импульсов и параметры электронной ускоряющей системы для осуществления эффективного управления СВЧ-мощностью.

3. Разработана теоретическая модель взаимодействия релятивистского пучка заряженных частиц с высокочастотным полем стоячей волны большой интенсивности. Обнаружено, что при определенных соотношениях на больших пролетных промежутках возможно ускорение части пучка без отбора энергии от СВЧ-поля.

4. В результате расчетов траекторий в поле стоячей волны прямоугольного волновода были получены данные о возможности использования электронного пучка при больших напряженностях поля до 100 МВ/м включительно. Были исследованы различные области инжекции пучка и допустимый угловой разброс. Определены места старта электронного пучка наиболее энергетически выгодные для целей переключения.

5. Экспериментально исследованы полевые мнсгоострийные и жидкометаллические катоды при работе с большим числом посылок. Экспериментально получена коммутация СВЧ-мощности с использованием взрывоэмиссионных жидкометаллических катодов.

Литература

1. Астанин Л.Ю., Костылев A.A. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М: Радио и связь. 1989-192с.

2. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, 112с.

3. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные

коммутаторы. Новосибирск: "Наука", 1979,182 с.

4. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Изд. "Радио и связь", 1987,120 с.

5. Калиновский В.С., Коровин u.il., Лебедева~В.АтгМинкин-К:Гт-Переключатель СВЧ// БИ №20, Авт. св. №1314446,1987, с.241.

6. Coleman P. D. Theory of the Rebatron - a Relativistic Electron Bunching Accelerator//Joumal of Applied Physics, N.Y., v. 28, № 9,1957, p. 927-936.

Список публикаций по теме диссертации

1. Korovin О.Р., Naidenov V.O., Popov E.O. Some Interaction Peculiarities of Relativistic Particles with UHF Electric Field of High Intensity at Large Distances// Particle Accelerator Conference, Vancouver, Poster session 9V, May 16, 1997, №6351.

2. Попов E.O., Попов C.O. ActiveX полупроводниковой пластины расположенной в волноводе// ПЖТФ, т.23, №17,1997, с.48-56.

3. Korovin О.Р., Gusinsky G.M., Popov E.O. Multispiked fieldemission cathode //10th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg, Tennessee, September 21-26,1997, THamP-63.

4. Коровин О.П., Попов E.O., Попов C.O., Розова И.В. Взаимодействие релятивистких заряженных частиц с сильным высокочастотным полем большой протяженности// ПЖТФ, №10,1998, с.80-86.

5. Попов Е.О., Попов С.О. Трехмерная визуализация взаимодействия релятивистских заряженных частиц с полем стоячей волны большой интенсивности в прямоугольном волноводе// СПб, СПбГТУ, Труды международной конференции "Средства математического моделирования", 3-6 декабря, 1997, с.213-218.