Влияние плазмы на работу вакуумных приборов сильноточной релятивистской СВЧ электроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

•29-3 9 3

российская дквдшки кш

Ре»:-/.?':* шиит СБШЕЯ ФИЗИКИ

Гсгул . V --ч:\г-

Г;;-; л ЙЩЕКДЧИЙ

11а правах рукописи УДК БЗЗ.Э51

Лоза Олег 'Гишфеевич

ВЛИЯНИЕ ШТАЗ.Ш Н4 РАБОТ/ ВАШТЙШ ПРИБОРОВ СИЛБНЙТОЧНШ РЕШГШВ'ЛСТСКОЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 01.04.03 - физика я лада плазмы

диссертации на соисканш ученой стеазпц кандидата ф:;з ¡гко-м а те на пи о скм наук

Научна? руководитель: доктор С[го.-мат. наук П. С.Стрелков

Москва - 1893

Работа Ешоднена в йастатуте ойдэй ©езйкн Российской Академия Наук.

Научнна руководитель: доктор фшко-ыагематических наук И.О.Стрелков

амшальные ошоненти; доктор $ааш>-матемакгаески1 наук В.А. ЧзрепааЕн (ИРЭ РАИ, г.Уосква) кандидат Зявико-катгиагических наук £.Г. Крастйй) (СИ РАН, г.йосква)

Ведущая опганивего»!: "осковский Государственный Уйнвэрснтет т. Н.В.Ломоносова, физический ф-т.

Задета состоится " 19 * МфвДя 1993 г. в 15 часов на заседании специализированного ученого совета Д.003.49.03 Института общей фчзики Российской Академии Наук по адресу: г. Москва, ул. Вавилова, за.

С дассертациэй кошо ознакомиться в библиотеке Инапнута обдай фшка Российской Академии Наук.

АвтореС )рат разослан марта 1993 г.

Учений се..ро!>рь Снецаашзнроваш.ого учешго совета, д. ф.-н. н., проф.

И.А. йрисова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка задачи.

Использованиэ сильноточных релятивистских электронных щпков (РЭП) в СВЧ влектронике позволило существенно увеличить мощность СВЧ излучения. Например, на длине волен 3 см создана генераторы СВЧ импульсов с мощностью % Ю10 Вт, тогда как уровня мощности СВЧ генераторов обнчной электроники • 10б Вт. Настоящая работа посвящена исследованию физических процессов в релятивистских СВЧ приборах с целью нахождения путей увеличения энергии шпульсов СВЧ излучения.

Акугалыгость работа.

Естественно било ожидать, что применение РЭП, т.е. переход к релятивистской СВЧ электронике, позеолит резко увеличить энергию СВЧ импульса в михросекундном диапазоне длительностей. Однако эти окидания не оправдались. Так, например, в 3-х см диапазоне длин волн существу стандартные СВЧ приборы с мощяостьп » Ю6 Вт и длительностью импульса « Ю-* с, т.е. с энергией гашульсо ~ 100 Дз. В релятивистской СВЧ электронике энергия импульса не превышает 300 Дх (на длине волны А, = 3 см).

Первая причина относительно малой шэртш СВЧ импульса релятивистских приборов заюшчается в малости «лительности импульса тока РЭП, не превышающей нескольких микросекунд. Однако, и при такой длительности не удается использовать электронные пучки для эффективной генерации СВЧ излучения. Так, при уровне мощности

iaP-ao9 Вт прокршцешо процесса излучения СВЧ волны ваступпот обычно через » 100 не. После срыва СВЧ гонерацзя пучок продолгаат проходить через электродинаыическуо систему генератора в точевза нескольких микросекунд, но процесс генерации не восстанавливается. ООъяснониа такого неоСраттюго перехода заклвчается в появлении паразитной шшзны в СВЧ гонборе ила изконэнки характеристик ухо кмэшейся плазма.

Отизтим, что с цель» улучЕэния паракэтров СВЧ излучения в некоторых исследованиях плазма специально инжектировалась в ваку-умшй генератор - ЛОВ. При определенных условиях это приводило к увэлкчонкю мощности излучения при длительности СВЧ шпульса т<100 не. Ш se стремились создавать такие условия в вакууиаоа СВЧ приборе, при которнх параггтнзя плазаа, по возмоашости, не возникала. Тегам образом, продаете« данной работы являотся исследование шшшия на СВЧ генерации той плазш, гоявкоеел которой не удается избежать.

Работе проводилась па вакуукаон генераторе одного, конкретного типа, а енэнно - релятивистской ЛОВ - карсшютронэ. Однако, как показано в диссертации, большая часть голучонных закономерго-С19й пржоазма к лзобоиу типу щкборов сильноточное релятивистской олектроники.

Шль диссертационной работа состояла; - в исследовании физических процессов, приводящих к образовании паразитной плазма в вакуумных приборах сильноточной релятивистской СВЧ электроника или изменении характеристик уже ишваейся плазш и прекращению излучения СВЧ волны;

- в разработке способов предотвращения образования плазш шш устранения ее влияния на процесс СВЧ излучения.

Научная новизна работа.

1. Проводов» комплексное исследование причин срыва процесса генерации в релятивистском СВЧ приборе.

2. Показано, что ограничение длительности ишульса СВЧ излучения в вакуушом генераторе связено о шаамой, образуищеЕся в процессе генерации в различных частях прибора, найдены пути ликвидации этой плазмы или устранения ео негативного влияния.

Научная д практическая ценность работа.

Созданы сильноточный ускоритель релятивистского электронного пучка мвкросекундаой длительности и вксперииентальная установка с шроким диапазоном изменения параметров и большим набором сродств диагностики для исследования процессов генерации модного СВЧ излучения. На оснош проведенных исследований показана осуществимость генерации мощного СВЧ излучения микросекундаоа длительности.

Материалы диссертационной работы докладавались на:

- щ Всэсога. семинаре "йгсокочастотная релятивистская электроника", г. Горький, 21-23 февраля 1933 г.

- vin Мездунар. конф. по мощным пучком зарягэнша частиц (EEAJS'90), г. Новосибирск, 2-5 июля 1990 Г.

- IX Цекдунар. конф. по могщш пучкам варяхенши частиц (в^АЯЗ'эг), г. Вашингтон, США, 28-2Э мая 1932 г.

Публикации. По материалам диссертация опубликовано 12 работ: 8 статей в научных журналах, 3 пубдакацаи в виде прапраштов ФИАН . ИОФМ и I публикация в трудах международной конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 108 страяяц, включая 21 рисунок, I таблицу г список литератур! из ЁО иаЕиеювашй.

содекшжв дкссеншш

Во ввоявтта кратко рассмотрено современное состояний лробле-ш генерации ыодного СВЧ яапучения с помощью РЭП. Подчеркнута сктуадьность увелячешя длительности зашульса С5Ч излучения существуют црнбаров.

Глава Т госвяг-ша обзору вкстарншнталышх работ по генерации СВЧ Езлучэщш с псшцьв РЭП с. целью классификации npiraa . прекралдания СВЧ генэрацдн. Последовательно, в соответствии с устройствш типичного генератора, рассматривается мехашзш образования плазмы в различии? узлах установки: в диоде, на анодной диафрагме, в пространстве ваааыэдайстшш пучка с алектроднвака-чзской стр., ¿турой гокорзтора, па коллекторе, в области дрейфа, с т.д. ОСсувдотся возмогшие последствия образования плазмы для работы устройства и пути устранения.

В Главе II приведено описание вкспвриментальноЯ установи, на которой !троводошсь исследования.

52.1 посвящен особенностям устройства ускорителя [8J. Покз-

зано, что суиественяое (до 30%) увеличат® ускоряющего напряжения достигается за счет применения Свзнндуктшшх ограничительных резисторов в разрядной цепи стандартного ГШа по схекл Маркса.

В §2.2 говорится о работе диодного узла в различных реюшак. Прямэнвшэ катододоржатоля изменяемой геометрии позволяло плавко рэгудкровать ток пучка при п'аносекундаих длительностях ишульса. Перазиишэ электронные потохп с к атододержите ля в мккросэкундзоы рэягазе мокно подавить выбором стоцаальпого профыя мвпшшого поля. Описана специфика геомэтрщ диода с црямепвипэм быстрой иагютной компрессии для компенсации радиального разлзта катодной

ШШЗКЫ.

В §2.3 описана экспериментальная часть установки с поворотом электронного пучка на удаленный коллектор [9 - 12] и ее особ-зл-носта, связанные с отсутствием аксиальной симметрии.

В §2.4 представлена метода численного расчота и результата измерений импульсного магнитного поля (с учетом влияния металлических деталей конструкции), а тают траекторий движения частиц в системе.

средства диагностики и ыатодика проведения измерений описали В §2.5.

В Главе III описаны вкспертменты по изучения причин ерша СВЧ генерации в релятивистскэм карсинотроне.

Для работы генератора в расчетном режвмэ трубчатый электродный пучок должен удовлетворять опредзлзшш требованиям; малая толщина, неизменность радиуса в гочбтшо длительности иотульса тока, моноэнергетичиость и т.д. Позтоку в §3.1 отражены исслэдо-

вавяя структура ЬЗЗ, о часЕюст?,., впервые обнаружещоа цгаа 173 увзлачешго голщзнк трубчатого РЭП по шра удалэшш от вояда а Ее вашсянза от его начальной толщены.

В §3.2 описей рэааы работы СВЧ генератора - карсипотрон'^ о циклотронной солакцша шд - и его соотвотстгке расчзтвщ. Подчаршуто, что его характерные особозноста - чувствзиалц-асть к рндасу елоктрошюг-о пучка, влдукцян магнитного поля н другие -является общямх доя Сольазшетва СВЧ приборов на РЗП.

Далае ра^сштронн результата ксслодоваваЗ: да устрашив ашшя па работу СВЧ ганоратора шщзш» обрааувдэЕся в увсшшг ш четырех основных уздах: на кодкшорэ, катоде, диа^раш) н Е ешедлящзй структур).

Коллекторная шаша ({3.3) внводетсй далзко за предала области транспортировки СВЧ излучетщ с помощь» поворота елм:-тронного пучка как целого а осакдеазя его в специальной кадэро вка волаоводаого тракта. Такой способ нзсиадатрачного развала РЭП в акснально-свмм85рзчз50!,! СЕЧ генераторе бал впервые щшаовэа в [9]. Показано, что при постепенном удалении коллектора от СВЧ зрактв длительность СВЧ шзуяьса столь жо постепенно нарастеот, после чего стабилизируется из-за наличия других прятан срыва СЗЧ гоаарацш.

Эксцэрашнзн по компенсации радиального разлета катодной плазш! с помощью ывнящегося в течение импульса магнитного поля в диоде описаны §3.4. Показано, что длительность процесса нзлз'Чэшу! СВЧ волны находится в строгом соответствии с наквдониэм воляыш радауса ел«кгрошого пучка вблизи достаточно узкой ( « I гзл>

области ггпзрпцаз [II]. Получеппэ - впзрЕиэ - влэкурошого пучио, сродппя радиус которого во коняотся о таченшш времеиа при работа СВЧ генератора, позволило почти подлости) спять проблему разлата катодаоЗ шазмц пенерэк иаптатпого пола. Наштанне составляет вопрос об шаэнэвш тазданн трубчатих Ш1 как во вредапп, так и в зависЕйосга от расстояния до катода.

Стайкззецая рздяуса РЕП, шс5ор конструкции диодного узла, бздиксЗ к оятатальнону, а тиса сноцаалыюй геокэтрш анодной дзв£рэг?>ш позволила шхлнссть» пзбавпться от плаз:-,« в о той часта канала транспортировки КБ (23.6). 00 этом свидетельствовали показания датчкков иотошщала пучка, о текнэ отсутстшо электронного тока па диафрагму.

Наиболее слозпой проблемой [12] било установление факта присутствия и причин образовали плавна в за>5-эдлящзЗ структура генератора (53.6). Дело в тон» что уровень СБЧ имцноста в гопора-торе бнл достаточно нал, п электрическое поле на станках вамодля-кзей структура всегда прэпятствовало оыивеш из шо олектроиов в отсутствие дополнительной экранировки.

В этих условиях оптлчоеккм методом зарегистрирован СЗЧ пробой в пространстве взаичодеШзтвил пучка с волной, строго синхронизирования с процессом СВЧ генерации. Показано, что одной ев причин пробоя является расезяшю релятшшетекзх. электронов па коллекторе, распространение их в гэнораторпу» секцию и осодавио на ее <л£ц Только за счет уменьшения числа этих рассеянных электронов длительность СЗЧ яыпульса удалось увеличить от 160 не до '.ОС ас.

Другая причина - это бомбардировка степок периферийной частью шастровашого с катода электронного пучка. искусственное увеличение Ооыбарднрошш, контролируемое по ронтгеновстсой ма то лике, приводило к преждевременному срнву СНЧ генерации.

Предложена модель срыва процоссо СВЧ излучения, шданащая бомбардировку стенок генэраторя релятивистскими влактронани, образование начального шшзшкеого слоя, развита» сШ пробоя и дальнейшее накопление плазш. Прпводепа соотвототвущиэ оцошш. Шдель хорошо согласуется с результатами наших оксйгергнэнтов в других, робот.

Для предотвращения образования плазмы в гепораторо под дойсти"1« олектронов о коллектора предложен катод полного пространственного разделения прямого в обратного олокгрошшх потоков.

В Зшшлешш сформулированы осеоешз результаты дпссерта-цаопноа работы.

ошошшз 1шьш а швд дессзиздш

В диссертационной работе была рэяена задача вкспэрпызнталь-гого определения влияния плазма на работу вакуумных приборов сильноточной релятивистской СВЧ алектрошжя. В ревультато реиения стой вадачи показана возможность увеличения на порядок, до Ю"бс, длительности генерации мощного (» 103 Вт) СВЧ излучения. Создана снльпоточныЯ ускоритель релятивистского электронного пучка микро-сокупдаой длительности и експераменгальнвя установка с широким

диапазоном изменения параметров я большим набором сродств диагностики для исследования процессов генерации мощного СВЧ излучения.

1. Проведено кошлекснсе экспериментальное исследование физических процессов, приводящих и сршзу гевзрации излучепия в взкуушшс приборах сильноточной релятивистской СВЧ электроника.

2. Указаны способа предотвращения образования плазш шга устранения ее влияния на процесс генерации СВЧ излучения во всех четырех основных унлах прибора. Способы устранения влияния шшзгга на катоде, диафрагме я коллекторе реализованы в ансгшриценте полностью. Для четвертой области - зашдляацей структуры - поко-аано, что частичное устранение причин образования плазш приводит к увеличению длительности излучения.

3. Проведению исследования позволила увеличить длительность СВЧ излучения от 150 не до 400 не прп мощзости излучения до 100 МВт. Указан путь дальнейшего увеличения вцоргии СВЧ. излучения в импульсе, заклвчещийся в предотвращении бомбардировки поверхности занедляящей структуры релятивистскими электронами. ЦредлоЕЭЕа такая конфигурация установки, в которой все причины образования паразитной плазма и влияния шещейся плазмы на длительность процосса СВЧ излучения отсутствуют.

Таким образом, поставленная цель диссертационной работа достигнута.

Й232РАТУРЛ

т. Бопдорь D.O., а&воротиш С.И., Платов А.Л., лоза о.Т. а др. ^дагвостгаса релятивистского влектрояного щчка в СБЧ-иалучзнпя в карсинотрош // Ш. 1962. т.8. вид.б. с.941-346.

2. Бондарь ТОЛ., ЗаворотныЙ С.К., Ипатоз А.Л., Карбувов Н.И., Ковалев Н.®., Лоза О.Т. я др. Исследование шкроводаового салучв-шш в релятнвястскш карсинотронэ // Кр. ссобц. та фяаазд. 19ь2. вып. 2. с.3-7.

3. Бондарь Р.Ф., Геккор И.Р., Заворопшй О.И., Игнатов A.M., Лоза О.Т. н др. Сута стабилизации процесса генерации СВЧ-кзлучения: Црепр. (HUH СССР Я 13Б. К.-1382. 23 с.

4. Лоза О.Т., Цэшг Л.Э. Правщик одиночна! йодах гапудьсов СВЧ излучения // Hp. сообщ. ш <$аашю. I9B2. вал Л. c.ö-II.

Б. Бондарь ЭаворотннЗ С.И., Ипатов &.Л., Карбуиев U.U.,

Ковалев Н.Ф., Лоза О.Т. в др. Исследование генерации высокочастотного кглучаняя в керсшютровд с релятивистским алектроннш ПУЧКОМ // ®П. 1983. Г.9. ВЫП.2. с.383-388.

6. Арахелов &.Г., Берозаавили D.H., Геккэр, И.Р. Каркашадзе Д.Д., Лоза О.Т. Е др. Абсолатшо взиерения Ешулъсной СВЧ Шцноств с кспользовншэы аффекта Поккельса на кристалла фосфида галлия // ЯТФ. 1985. Т.65. ЕШ. 10. С.2081-2003.

7. Воронг 'В г.Е., Яоаа 0.1., Раааев A.A. и др. Йзызренна радг-альвого про$кля релятивистского электронного пучка, форинруеыого диодом с ыагкитаоЁ изоляцией // Ш. 1983.т.14.внп.Ю.с.1269-1262.

8. Воронков С.Н., Коваяьчук Е.К., Лоза О.Т. в др. Сильноточный ьгпфосвкундаый элвктроншй ускоритель *Торэк-Оя: Прэпр. ПОФШ JJ II. Н.- I99Q. 7С.

9. VoronJaw S.rí., boza О.Т., Stralkov P.S. Пваtriotion of radiation pula» duration In alorware generalero uning aloroeeooad ЯЕЗ. //Proo. of the Till Int. Conf. on Higb-Powor Particle Beaaa ОШМЗ'ЭО), July 2-5, 1990, liovoeibiiuk, ШЗП, ▼.г, p.1147-1152.

10. Воронков C.h., Лоза O.T., Стрелков П.С. Ограниченна длитель-поста саульса излучепзя СЕЧ генераторов на изкросекувдннх FSU // <Ш.1991.тЛ7.вШ1.6.С.751-755.

И. Воронков С.Н., Лоза О.Т., Стрелков П.С. Влияние катодной шшзш на работу рэлятпввстского карсзпютрсна микросекундой дяатеяыюсти// СП. 1993. т.19. ист.4. с.

12. Воронков С.Н., Лоза О.Т., Стрелков П.С. Плазма в зашдкпвдзй структуре Еакуукаого сильноточного релятивистского СВЧ генератора. ft Прзпрянт КО® РАН J» 7. Ы.- 1ЭЭЗ. 39 с.