Закономерности и механизмы высокочастотного управления колебаниями пространственного заряда и спектрами выходных сигналов в усилителе со скрещенными полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

рГ5 ОД

ВОСКРЕСЕНСКИЙ Сергей Валерьевич П Ч Г'Л'| Г<П

ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЯМИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА И СПЕКТРАМИ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ В УСИЛИТЕЛЕ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ

01.04.04,- физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническс университете.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Г.Г. Соминский

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Э.А. Гельвич,

доктор физико-математических наук В.Г. Усыченко.

Ведущая организация: АОЗТ «Светлана - Электронприбор»

Защита состоится 26 мая 2000 г. в № _ на заседании диссертационно! совета К 063.38.16 в Санкт-Петербургском государственном техническо университете по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан jt_ апреля 2000 г.

Ученый сектетарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук,

доцент O.A. Подсвиров

ВЗМ.АсЦОЪ

вгм.моз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Широкое использование мощных СВЧ устройств скрещенными полями, с одной стороны, и недостаток информации о сономерностях и механизмах происходящих в пространственном заряде таких стем коллективных процессов в присутствии высокочастотных управляющих гналов, с другой, поиск новых и эффективных способов создания мощных точников широкополосных излучений определяют АКТУАЛЬНОСТЬ настоящей боты.

ШЛИ РАБОТЫ СОСТОЯЛИ: з экспериментальном определении закономерностей и механизмов воздействия [сокочастотных управляющих сигналов на колебания пространственного заряда в плитроне и в уточнении на этой основе модели коллективных процессов в |щных устройствах со скрещенными полями;

з определении воздействия колебаний пространственного заряда на выходные ектры амшштрона и в выяснении закономерностей и механизмов формирования плитроном сложных многочастотных излучений под действием высокочастотных равляющих сигналов.

в разработке принципов создания на основе амплитронов, управляемых (сокочастотными сигналами, мощных широкополосных источников излучения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: Впервые определены закономерности воздействия высокочастотных полей, одимых в торцевую область пространства взаимодействия амплитрона, на рактеристики развивающихся в нем колебаний пространственного заряда и на ой основе уточнена модель коллективных процессов в системах со скрещенными лями.

Выяснен возможный механизм эффективного управления спектром колебаний остранственного заряда и выходным спектром амплитрона, связанный с скачкой под действием управляющих ВЧ сигналов интенсивных аксиальных лебаний пространственного заряда.

Разработаны принципы реализации на основе амплитронов с вторично-:иссионными катодами широкополосных источников квазишумовых СВЧ гналов большой мощности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные данные о воздействии управляющих высокочастотных сигналов на лебания пространственного заряда в амплитроне могут быть использованы для очнения модели коллективных процессов в пространственном заряде широко пользуемых на практике СВЧ устройств со скрещенными полями.

2. Сведения о закономерностях формирования многочастотных спектров колебаш пространственного заряда и выходных спектров амплитрона под действие управляющих ВЧ сигналов полезны для развития представлений о нелинейнс динамике сложных распределенных электронных систем.

3. Разработанные принципы создания на основе амплитрнов с вторичн эмиссионными катодами мощных и широкополосных источников квазишумовь сигналов могут быть использованы при построении перспективных СБ источников для систем радиопротиводействия, для построения разнообразнь технологических установок и систем передачи информации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Воздействие вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитро! гармонических сигналов на частотах, приблизительно равных частотам отдельнь мод колебаний пространственного заряда, приводит к существенному увеличени или уменьшению амплитуды «резонансных» мод.

2. В спектре выходных сигналов амплитрона, наряду с известными раш составляющими на частотах существуют (или возникают под действие управляющих сигналов) составляющие на частотах ГКСЕк±тГпз, где Го и соответственно частоты входного сигнала и одной из мод колебани пространственного заряда, Гксок - частота одной из особенностей зависимости КС амплитрона от частоты { входного сигнала за длинноволновой границей ^ полос пропускания замедляющей системы (М^,), к,п,т=1,2,..- целые числа.

3. Под действием вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитроь многочастотных сигналов большой амплитуды, сравнимой по порядку величины анодным напряжением, на выходе этого прибора формируются широкополосны (более октавы) квазишумовые сигналы большой (свыше 100 кВт) мощности, если спектре управляющих сигналов присутствуют компоненты из диапазон собственных частот автоколебаний электронного облака.

4. Формирование широкополосных квазишумовых сигналов большой мощности г выходе амплитрона под действием многочастотных управляющих сигнале происходит в результате раскачки интенсивных аксиальных колебани электронного облака.

5. Многочастотные сигналы на выходе амплитрона, сформированные по действием короткого (менее 20 не) управляющего многочастотного сигнал: длительное время (до 100-150 не) существуют после его окончания. Такой «эффек памяти» может быть объяснен с учетом конечной добротности своеобразног трехмерного электронного резонатора, в котором в течение этого времени слаб затухают возбужденные под действием управляющего сигнала сложные колебани

ространственного заряда. .. ; - .

ОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ:

1. Применением для диагностики дополняющих друг друга методик и [¡пользованием современной радиоизмерительной аппаратуры.

2. Воспроизводимостью экспериментальных результатов.

3. Согласованностью ряда полученных результатов с известными из ятературы данными.

4. Использованием для обработки данных ряда надежных современных етодов.

ПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты, изложенные в диссертационной работе, ггулярно обсуждались на научных семинарах сектора сильноточной и СВЧ гектроники кафедры физической электроники СПбГТУ, докладывались на ¡минарах секции «Физическая электроника» при Санкт-Петербургском Доме-геных в 1990, 1995 и 1997 годах, докладывались на IV Международной школе Стохастические колебания в радиофизике,и электронике» Хаос-94 (Саратов, 1994 ), на Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие :хнологии для России» (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 10-й зимней школе-семинаре 5 электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1996 г.), на Всероссийской зжвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики ВЧ» (Саратов, 1997 г.), на 12-й международной конференции по сильноточным ^чкам BEAMS'98 (Хайфа, 1998 г.), на международной конференции по СВЧ ;ектронике UHF-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.) и на 11-й зимней школе-семинаре ) электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1999 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: По материалам диссертации опубликовано 13 работ, ссылки i которые приведены в конце автореферата.

Степень участия автора диссертации в работах [1,2] ограничивалась гаведением измерений совместно с С.А. Левчуком, и обсуждением спериментальных данных совместно с С.А. Левчуком и Г.Г. Соминским. аработка методики осуществлена С.А. Левчуком и Г.Г. Соминским.

Экспериментальная часть остальных работ выполнена автором диссертации, мостоятельно или совместно с соавторами, обсуждение полученных данных юводилось совместно с Г.Г. Соминским.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Последовательное изложение лученных в диссертации результатов содержится во ВВЕДЕНИИ, трех главах, ВКЛЮЧЕНИИ и ПРИЛОЖЕНИИ. Общий объем диссертации составляет 160 раниц, в ней имеется 50 рисунков, 1 таблица, список литературы включает 107 именований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ВВЕДЕНИИ обоснован выбор темы диссертации, определены цел работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенны исследований и полученных в работе результатов, сформулированы положенго выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В главе 1 содержится краткий обзор литературы по теме диссертации определены ее задачи. Из обзора следует, что к настоящему времени:

- Теоретически изучены неустойчивости пространственного заряда в скрещенны полях и определены закономерности линейной стадии их развития для простейши идеализированных моделей без учета действия неоднородных полей, типичных дл реализуемых на практике устройств.

- Разработаны слабовозмущающие экспериментальные методы исследовани характеристик колебаний пространственного заряда в приборах магнетронног типа, в том числе, и метод, позволяющий измерять амплитудно-частотные фазовые характеристики колебаний в устройствах с замедляющей системой н аноде на основе анализа модуляции электронных потоков, бомбардирующи: локальные участки катода.

- Экспериментально определены основные закономерности коллективны: процессов в конструктивно простейших системах М-типа - магнетронных диода> Выявлен трехмерный характер колебаний пространственного заряда в таки: системах и обнаружено перераспределение колебательной энергии между разным: модами, происходящее из-за их взаимодействия. Полученные сведения взаимодействии разных мод колебаний свидетельствуют о принципиально: возможности управления коллективными процессами в пространственном заряде помощью внешних сигналов.

- Выполненные немногочисленные исследования в генераторах и усилителя: магнетронного типа свидетельствуют о специфике коллективных процессов пространственном заряде таких систем, связанной, видимо, с действие! неоднородных полей (в том числе, переменных) замедляющей системы. Однакс влияние переменных полей, хотя и обнаружено, систематически не изучено.

- Установлена связь некоторых составляющих спектра паразитных сигналов магнетронных генераторах и в амплитронах с характеристиками колебании пространственного заряда. Таким образом, показана возможность направленной изменения характеристик выходных сигналов под действием различных фактороЕ влияющих на колебания пространственного заряда.

В связи с развитием в последние годы междисциплинарного направлени исследований, нацеленных на выяснение закономерностей нелинейной сложно!

инамики разнообразных систем, проводился теоретический анализ специфики азвития таких процессов под действием управляющих переменных сигналов. На римере неэлектронных колебательных систем выявлена возможность перехода в гохастический режим под действием управляющих сигналов. Установлено, что акой переход упрощается в некоторых случаях при использовании ногочастотных управляющих сигналов.

В обзоре рассматриваются также источники широкополосных СВЧ сигналов, »тмечается, что к настоящему времени разработаны способы формирования таких игналов с помощью электронно-пучковых и пучково-плазменных СВЧ устройств.

лучших образцах нерелятивистских устройств, удается получать вазихаотические сигналы с полосой около октавы мощностью ориентировочно до О кВт. В нерелятивистских пучково-плазменных системах и в релятивистских ВЧ приборах получают такие сигналы большей мощности. Однако, и в том и в ругом случае усложняется эксплуатация источников широкополосных сигналов. К эму же, в нерелятивистских пучково-плазменных системах достигнутые мощности же сравнительно невелики (<100 кВт), а релятивистские устройства отличаются он больших мощностях невысокими КПД (<20%) и малыми длительностями (<100 :) выходных сигналов. До сих пор не исследованы возможности формирования ощных широкополосных сигналов с помощью устройств магнетронного типа, [ежду тем, они привлекательны своей конструктивной простотой и эмпактностью, а также высокой эффективностью.

В данной работе решено продолжить изучение колебательных процессов в эщных СВЧ устройствах со скрещенными полями, обратив основное внимание на гределение практически не изученных ранее нелинейных характеристик шебаний пространственного заряда в присутствии высокочастотных управляющих [гналов и на уточнение связи выходных спектров таких устройств с [рактеристиками колебаний пространственного заряда. Полученные данные >лжны быть использованы для уточнения закономерностей и механизмов шлективных процессов в пространственном заряде устройств со скрещенными шями, а также для выяснения возможностей построения на основе устройств кого типа, управляемых ВЧ сигналами, мощных широкополосных источников 34 излучений. Исследования решено провести в усилителях магнетронного типа -шлитронах с вторично-эмиссионными катодами.

В главе 2 описаны конструкции экспериментальных приборов (раздел 2.1) и тановки (раздел 2.2), а также методики получения и обработки спериментальных данных, определены погрешности измерений (раздел 2.3).

Исследования выполнены в экспериментальном разборном амплитроне циметрового диапазона длин волн. Использование специальных разборных

7

фланцевых соединений позволяло оперативно менять в приборе катодные систем и покрытие катодов, устройство и способ ввода в пространство взаимодейств!: управляющих высокочастотных сигналов, а также специальные анализируюид системы, используемые для измерения характеристик колебаний пространственног заряда в прикатодной втулке электронного облака. Основная информация колебаниях пространственного заряда получена с помощью зондовых систер расположенных внутри катода и регистрирующих модуляцию потока электроно проникающих внутрь катода через малые (диаметром -0.5 мм) отверстия в ег покрытии. Сравнение фазовых характеристик сигналов с зондовых систе? разнесенных по азимуту и в аксиальном направлении, позволяло определят направление и скорости движения сгустков пространственного заряда пространстве взаимодействия амплитрона. В некоторых случаях, кроме того, дл получения информации о частотном спектре колебаний пространственного зарял использовались специальные вынесенные из пространства взаимодействи экспериментального прибора емкостные зонды. Для регистрации спектра выходных сигналов использовались зонды, сообщающиеся с выходом волноводног тракта амплитрона.

Для определения влияния вторично-эмиссионных свойств катодов н измеряемые характеристики исследования выполнены с катодами из платины и и сплавов CuBeAl и CuAlMg, отличающимися величиной максимальног коэффициента вторичной эмиссии Sm. Величина коэффициента вторичной эмисси сплавных катодов менялась в пределах 2.2 < 5т < 4.5 и зависела не только о материала катода, но и от способа его активировки. Величина §„, сплавных катодо определялась из соотношения; Iam=K(ôm-l)UamB, где Iam и Uam - максимальны анодный ток и соответствующее ему анодное напряжение на данном вид колебаний амплитрона, В - величина магнитного поля. Коэффициент К, зависящи: от геометрических размеров пространства взаимодействия амплитрона, определялс на основании калибровочных измерений в приборе катодом из платины известным коэффициентом вторичной эмиссии §,„=1.8. Наряду с катодами имеющими приблизительно однородное по поверхности покрытие, использовалис и катоды с существенно неоднородным покрытием. Для создания неоднородносте; на сплавных катодах устанавливались осесимметричные пояски разной ширины и тонкой (60 мкм) танталовой фольги с Sm=1.3. Измерения выполнены неоднородными по поверхности катодами КН трех типов. Катод КН1 име. расположенный в центральной части танталовый поясок шириной 10 мм. На катод КН2 поясок из тантала шириной 5 мм располагался вблизи щели ввод управляющего сигнала, а на катоде КНЗ такой же поясок был расположен

эрцевого . экрана с противоположной стороны относительно щели ввода стравляющего сигнала.

Высокочастотные сигналы вводились в торцевые области пространства ¡аимодействия амплитрона с помощью специальных коаксиальных линий и »давали управляющее поле в кольцевой щели катода или в области между >рцевыми катодными экранами и поверхностью катода. В последнем случае травляющие сигналы могли подаваться в оба торца прибора. Аксиальное 1сположение торцевых экранов в системах создания управляющих полей и их вдиальные размеры. не отличались от соответствующих характеристик :андартных амплитронов данного типа. Размеры щелей в катоде и их аксиальное ^положение мдгли изменяться в процессе работы. Сопоставление результатов следования воздействия управляющих сигналов для разных систем их ормирования позволяло выявить влияние распределения управляющих полей на ¡учаемые процессы.

Экспериментальная установка включала в себя экспериментальный «шлрон, ко входу которого через СВЧ тракт подсоединялся запускающий тнетрон, системы создания постоянных электрического и магнитного полей в шборе, блок регистрации колебательных характеристик пространственного заряда сигналов в выходном тракте амплитрона, систему формирования управляющих (гналов, а также откачную систему. Исследования выполнены в широком ггервале изменения значений анодного напряжения иа (до 20 кВ) и магнитного >ля В (0.08-0.14 Тл) при длительности импульсов анодного напряжения тлитрона ти = 4 мкс и магнетрона тм = 6 мкс.

Применялось несколько видов создаваемых специальными генераторами ¡равляющих сигналов. Наряду с гармоническими сигналами на частотах от 100 до 0 МГц мощностью до 600 Вт, создающими в управляющих зазорах разность генциалов до 300 В, использовались также следующие типы сигналов большой эавнимой с анодным напряжением) амплитуды (до 10 кВ): гармонические с стотой 10 МГц, периодические многочастотные (ПМС) (рис.а), импульсные гогочастотные сигналы (МС) (рис. б) и сигналы в виде последовательности из ух многочастотных сигналов (ДМС) (рис. в).

Производилось измерение как усредненных во времени, так и «мгновенные характеристик колебательных процессов. Сведения о мгновенных спектрг получались на основе Фурье-анализа коротких (10-500 не) разовых временнь: реализаций сигналов. Временные реализации с экранов скоростных осциллографе с помощью телекамеры и устройства оцифровки видеоизображений вводились персональный компьютер, где производилась их программная обработка.

В главе 3 приведены и обсуждаются результаты исследований. В разделе 3 описаны результаты исследования колебаний пространственного заряда выходных спектров амплитрона в отсутствие управляющих сигналов. По фазовы характеристикам сигналов с катодных зондовых систем определены зависимое! частоты Гот сдвигов фаз колебаний пространственного заряда в азимутальном (0ч>) аксиальном (62) направлениях, характеризующие дисперсионные свойстг электронного облака. Полученные дисперсионные характеристики свидетельствуй: о существовании как азимутального, так и аксиального движения сгусткс пространственного заряда в прикатодной втулке амплитрона, о слоистой структур участвующего в колебаниях электронного облака. Оценки, проведенные с учето известных зависимостей от радиуса азимутальной р/<|>) и аксиальной (V составляющих скорости электронов, показали, что выделяются Д1 преимущественные области локализации колебаний: у радиуса синхронизма вблизи границы втулки электронного облака и в районе прикатодного максимум пространственного заряда.

Согласно проведенным измерениям в амплитронах с эффективными в вторично-эмиссионном отношении катодами (6„, > 2.5), даже при выходно мощности Р~100 кВт, низкочастотные колебания в потоке электронов на катод н частотах ~ 100-1000 МГц по амплитуде существенно превосходят колебания н частоте входного сигнала. Только при уменьшении коэффициента вторично эмиссии катода до значений 5т~ 1,8-2 амплитуда низкочастотных колебали становится соизмеримой с амплитудой колебаний на частоте входного сигнал; Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что в установившемс режиме бомбардировка катода определяется в значительной степени (а в приборах эффективными катодами, в основном) полями низкочастотных автоколебани прикатодной втулки электронного облака. Поля входного сигнала, очевидне играют определяющую роль только при начальном накоплении пространственног заряда после подачи на его вход запускающего сигнала.

Произведенное сопоставление выходных спектров амплитрона и спектро колебаний электронного облака показало, что в спектре выходных сигнало амплитрона, наряду с известными ранее составляющими на частотах

имеются составляющие на частотах fKCBk±mfnj, где и fn3 - соответственно частоты входного сигнала и одной из мод колебаний пространственного заряда, fKCBk -частота одной из особенностей зависимости КСВ амплитрона от частоты f входного сигнала за длинноволновой границей frpполосы пропускания замедляющей системы (f<frp), k, п и m = 1,2,...

В разделе 3.2 описано влияние управляющих гармонических сигналов малой змплитуды (до 600 Вт). В присутствии таких сигналов в выходном спектре появлялись сателлиты вблизи частоты fo входного сигнала f0±n-fy (п =1, 2,...), а гакже вблизи характерных частот особенностей КСВ замедляющей системы fKC8t±ri-fy (k, n=l, 2, ..,). Положение новых составляющих спектра менялось с изменением частоты управляющего сигнала fy. При fy^fn3 амплитуды пиков на частоте fy в шектре выходного сигнала немонотонно изменялись с изменением fy и были на 15 -20 дБ меньше амплитуд пиков на частотах fu и fKCOk, даже при максимальной нощности управляющего сигнала. При приближении величины fj, к одной из частот :обственных колебаний пространственного заряда наблюдается сильное изменение вставляющих выходного спектра fo±nfm и fKCBk±nfm, проявляющееся либо в уменьшении, либо в увеличении (до нескольких раз) их амплитуды. В некоторых случаях зафиксировано пропадание или наоборот появление отсутствовавших при зыключенном управляющем сигнале составляющих выходного спектра. Для шяснения механизма воздействия управляющих сигналов на колебания фостранственного заряда и выходные спектры амплитрона были проведены «следования в приборах с катодами, имеющими неоднородное вторично-эмиссионное покрытие. Понижение коэффициента вторичной эмиссии 5т в ■орцевой области вблизи ввода управляющего сигнала практически прекращало его юздействие на колебания пространственного заряда и спектр выходного сигнала. Зтсюда следует, что эмиссия этой торцевой области катода оказывает сильное шияние на управление. Однако, из этих экспериментов невозможно было понять, шияет ли на процесс управления колебательное движение электронов между •орцами катода. Важная роль аксиальных колебаний была выявлена в «спериментах с катодами, имеющими пониженное значение коэффициента ¡торичной эмиссии 5т в торцевой области катода, противоположной вводу шравляющего сигнала. В приборах с таким распределением коэффициента ¡торичной эмиссии 5т, как и в первом случае, воздействия управляющих сигналов ie было отмечено. Принципиально можно было предположить, что пропадание ффекта управления обусловлено просто уменьшением тока эмиссии с катода. )днако, такое объяснение нельзя принять, так как понижение коэффициента торичной эмиссии в центре катода практически не влияло на управление. Таким

образом, проведенные измерения с неоднородными по вторично-эмиссионной эффективности катодами свидетельствуют в пользу того, что механизм воздействия управляющих гармонических сигналов, вводимых в торцевую область пространства взаимодействия, на колебания пространственного заряда и выходной спектр амплитрона связан с эмиссией в торцевых областях и с раскачкой аксиальных колебаний. В пользу такого объяснения говорит и тот факт, что значения частот аксиальных колебаний для экспериментального прибора в исследуемых режимах близки к частотам управляющего сигнала, на которых эффект воздействия наиболее ярко выражен. Для получения дополнительных данных о роли аксиальных колебаний пространственного заряда в управлении проводились эксперименты по воздействию гармоническим сигналом в обе торцевые области пространства взаимодействия экспериментального прибора. Установлено, что при некоторой оптимальной разности фаз подаваемых сигналов достигаются такие же результаты, как и при управлении с одной стороны, но мощностью в каждом торце вдвое меньшей, чем при «одностороннем» управлении. Оптимальные условия управления достигаются в случае, когда фазы сигналов воздействия таковы, что сгусток пространственного заряда встречает при своем аксиальном движении одинаковые фазы управляющего поля последовательно в каждой торцевой области.

В разделе 3.3 описано влияние управляющих сигналов большой амплитуды на колебания пространственного заряда и выходные сигналы амплитрона.

Импульсы МС подавались в амплитрон на разных участках вершины импульса анодного напряжения амплитрона. Результаты их воздействия практически не менялись в зависимости от момента их включения. Мгновенные спектры выходного сигнала вычислялись по временным реализациям, регистрировавшимся в разные моменты времени I относительно начала импульса МС. Изменение спектра выходного сигнала проявляется в падении амплитуды А0 пика, соответствующего частоте входного сигнала ^ и в появлении интенсивных дополнительных пиков Аг, лежащих в диапазоне ^ < Г < 2.5^. Мгновенные спектры, зафиксированные в приборе с данным катодом в одном и том же режиме, но при разных включениях МС, содержат различный набор из дискретных интенсивных пиков, расположенных в широком интервале частот. Положение и амплитуда пиков меняются, обычно, от реализации к реализации в пределах: по частоте до 100-150 МГц и по амплитуде до 15-20 дБ. Усредненный по большому числу реализаций спектр охватывает полосу более октавы (Г0 < ? < 2.5^). При этом изменения амплитуды спектральных составляющих в указанной полосе не превышают ориентировочно 3 дБ. Измерения показали, что при воздействии МС спектр выходного сигнала сохраняет сложную многочастотную структуру вплоть до времен ~ 100 не с момента начала действия импульса МС. Ориентировочно по

12

истечении времени 200 не спектр принимает свой невозмущенный вид. Подача управляющего многочастотного сигнала не только перераспределяет высокочастотную энергию в спектре, уменьшая мощность на частоте ^ более, чем в 2 раза, но и увеличивает при этом до 2-3 раз интегральную выходную мощность. Мощности широкополосных квазишумовых выходных сигналов достигали в наследованных режимах наибольших значений свыше 100 кВт. При этом КПД шплитрона (с учетом затрат на управление) в оптимальных условиях был ~40%,

После выявления возможности усложнения спектра выходного сигнала шплитрона под действием МС, оставался открытым вопрос о том, какие сарактеристики управляющих сигналов важны для достижения столь сильного эффекта. Казалось возможным, что при больших амплитудах управляющих ;игналов иу хаотизация колебаний возникает в результате однократной или товторяющейся «встряски» электронного облака коротким пиком или рядом пиков гапряжения той или иной полярности в зазоре управляющей системы. Существовала также возможность того, что условием получения широкополосных свазишумовых выходных сигналов является многочастотность управляющих ¡игналов, но не обязательно, чтобы их спектральный состав совпадал со шектральным составом МС. Для выяснения этих вопросов исследовано влияние эазного вида управляющих сигналов. Было испытано воздействие гармонических :игналов частотой 10 МГц и периодических многочастотных сигналов (ПМС).

Выбор частоты гармонических сигналов был сделан с учетом обнаруженного ! проведенных экспериментах эффекта памяти, проявляющегося в том, что :аотизированная одиночным импульсом МС система сохраняет свое состояние в ■ечение по крайней мере 100 не. Именно таков период колебаний с частотой 10 ЛГц. В случае, если колебания могли быть раскачаны одиночными пиками (или [ебольшим их количеством), можно было бы ожидать, что гармонический сигнал акой частоты позволит получить длинноимпульсные квазишумовые сигналы. Саждый период ПМС повторял в первом приближении форму использовавшихся 1анее импульсов одиночного многочастотного сигнала, но спектр первого имел иксимум в районе 20 МГц, т.е. был смещен по сравнению со спектром МС в торону меньших частот.

Воздействие гармоническим сигналом частотой 10 МГц приводило к [екоторому повышению с ростом амплитуды управляющего сигнала уровня шумов ; амплитроне, однако, и при иу = 10 кВ этот уровень оставался на 15-20 дБ ниже ровня выходного его сигнала на частоте Г0. Такой результат свидетельствовал, что армонические управляющие сигналы большой амплитуды не ведут к тохастизации происходящих в нем колебательных процессов, во всяком случае, ри частоте 1РУ=10 МГц. Практически не отличалось от описанного выше для

13

гармонического сигнала влияние на процессы в амплитроне со стороны ПМС. Этс позволяло сделать вывод, что на частотах сигналов вплоть приблизительно до 2( МГц стохастизация не возникает не только под действием гармонических, но у многочастотных сигналов. Таким образом, можно, видимо, считать установленным что для достижения сильного эффекта хаотизации выходного спектра амплитрош частоты управления должны быть выше 20 МГц.

В разделе 3.2 предложена возможная модель формирования широкополосные квазихаотических выходных сигналов амплитрона большой мощности. Это явление можно объяснить на качественном уровне, рассматривая взаимодействие дву> колебательных систем - своеобразного трехмерного электронного резонатора, каковым является электронное облако, и многомодовой электродинамической структуры, в качестве которой выступает система металлических электродов, ограничивающих пространство взаимодействия амплитрона. Во втулке электронного облака в отсутствие управляющих сигналов (1^=0) существует два основных типа коллективных колебательных движений: азимутальное и аксиальное. Азимутальные и аксиальные колебания пространственного заряда могут быть слабо или сильно связанными, и при изменении распределения полей в пространстве взаимодействия, обычно, происходит перераспределение колебательной энергии между различными модами колебаний. Выделение тех или иных мод колебаний происходит при резонансных взаимодействиях с полями внешних электродинамических структур. Как показали выполненные исследования, выделяются такие моды колебаний пространственного заряда для которых выполняются соотношения или ^з-г^кик-^евт (где п,к,т - целые числа,

бы« £квт _ частоты, соответствующие особенностям на зависимости входного КСВ амплитрона от частоты). В проведенных ранее исследованиях было установлено, что если резонансные условия одновременно реализуются для нескольких конкурирующих друг с другом мод, это может приводить к разрушению стационарных волн пространственного заряда и к существенному усложнению спектра его автоколебаний. Однако, при этом не было зафиксировано формирования на выходе амплитрона мощного широкополосного излучения. Возможно, что механизм формирования мощного квазишумового излучения на выходе амплитрона под действием управляющих ВЧ сигналов в целом подобен описанному механизму стохастизации колебаний пространственного заряда, но имеет определенные специфические особенности. Полученные в работе экспериментальные результаты дают основание предположить, что для формирования многочастотного выходного спектра амплитрона большой мощности важно раскачать интенсивные аксиальные колебания пространственного заряда. Это, видимо, достигается «ударным» воздействием высокочастотными полями

14

юлыпой амплитуды на частотах из диапазона собственных частот автоколебаний лектронного облака, вводимыми в торцевую область пространства взаимодействия. 1менно на такого типа колебания должны оказывать наиболее сильное воздействие оздаваемые управляющие высокочастотные поля' в торцевой области кспериментального амплитрона. Если в аксиальные колебания вовлекается начительная часть пространственного заряда, становится понятным падение ющности колебаний на частоте входного сигнала амплитрона в условиях, когда юрмируется многочастотный спектр. Действительно, участвующий в аксиальных олебаниях пространственный заряд длительное время существует в торцах [ространства взаимодействия, где малы поля на частоте Таким образом снижается эффективность взаимодействия электронного потока в центре мплитрона, но может усилиться его взаимодействие с полями на других частотах, ели эти поля велики именно в торцевых областях.

Как уже указывалось выше, на характеристики колебаний пространственного аряда оказывают сильное влияние поля электродинамической структуры мплитрона на частотах Гкспк. Выполненные специальные холодные измерения оказали, что для входных сигналов на частотах 5ксвк существуют два основных типа аспределения амплитуды электрического поля колебаний (Ак) вдоль оси мплитрона. Наряду с распределениями, имеющими максимум амплитуды вблизи ;ентра амплитрона, наблюдаются характеристики с максимумами поля в торцевых го областях.

Анализ разовых временных реализаций выходных сигналов амплитрона, юрмирующихся под действием управляющих многочастотных сигналов большой мплитуды, говорит о том, что в каждый фиксированный момент времени в егистрируемом спектре наблюдается сравнительно небольшое количество пиков овышенной амплитуды на дискретных частотах (до ~10). Как правило, здесь ыделяются колебания на частоте входного сигнала, а также составляющие на астотах, приблизительно равных или кратных таким частотам ^=1.30, Г2=3.05, ;=3.25, Г4=3.65 ГГц, для которых распределение поля электродинамической груктуры имеет максимумы в торцах прибора. Так, например, в многочастотном пектре амплитрона выделяются пики на частотах ~f2, Другие пики

огут интерпретироваться, как комбинационные, например, на частотах -(^ + Гз), ~ 'о + Гг), + Ь), + Гг)- Частоты пиков выходного спектра меняются в разных еализациях. Поэтому наложение большого количества реализаций с меняющимися тектральными характеристиками дает практически квазишумовой выходной ягнал.

Описанные выше изменения спектров в коротких реализациях выходных гналов обусловлено, возможно тем, что в созданных условиях практически всегда

15

сосуществуют разные моды колебаний пространственного заряда, которые взаимно влияют друг на друга, быстро меняя распределение полей и характеристика электронных потоков, а следовательно меняя качество группировки сгустког пространственного заряда (и амплитуды колебаний), а также скорости их движения (и частоты колебаний).

Оставаясь в рамках данной модели, можно объяснить упоминавшийся выше эффект памяти - существование интенсивных квазишумовых колебаний в выходном тракте амплитрона в течение ~ 100 не после окончания импульса управляющего высокочастотного сигнала. Такое затухание, видимо, обусловлено конечной добротностью электронного резонатора по отношению к развивающимся под действием этого сигнала колебаниям пространственного заряда. Время релаксации Тг данного нестационарного процесса определяется произведением нагруженной добротности электронного резонатора <3Н и периода собственных колебаний пространственного заряда Тт. При характерных частотах собственных колебаний пространственного заряда ^ ~ 200 - 500 МГц и значениях С>„ ~ 30-50 оценочное значение времени релаксации Тг хорошо согласуется с временем существования хаотизированного одиночным многочастотным сигналом выходного спектра экспериментального прибора.

Хотя в работе не исследовалось управление работой амплитрона высокочастотными сигналами с частотами 20<Г< 100 МГц, результаты, полученные с многочастотным сигналом, и предлагаемая модель позволяют думать, что для осуществления эффективного управления принципиально важно, чтобы в спектре управляющих сигналов присутствовали частоты, близкие по величине к частотам автоколебаний электронного облака.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ подведены итоги диссертационной работы. Важнейшие полученные в ней результаты состоят в следующем:

1. Получены новые данные о закономерностях коллективных процессов в пространственном заряде амплитрона с вторично-эмиссионным катодом, позволяющие уточнить влияние на эти процессы высокочастотных полей замедляющей системы, аксиального движения пространственного заряда, а также аксиального распределения коэффициента вторичной эмиссии по поверхности катода.

2. Показано изменение во времени относительной роли высокочастотных полей замедляющей системы и полей, связанных с колебаниями пространственного заряда, во вторично-эмиссионном накоплении и поддержании пространственного заряда.

3. Уточнена связь характеристик выходных сигналов в выходном тракте

16

«ощного амплитрона с колебаниями пространственного заряда.

4. Обнаружена возможность эффективного управления амплитудно-частотными характеристиками пространственного заряда и сигналами в выходном [ракте с помощью управляющих высокочастотных полей в торцевой области гространства взаимодействия амплитрона.

5. На основе исследованного амплитрона создан источник мощных (>100 <Вт) и широкополосных (с полосой более октавы) квазишумовых сигналов.

6. Предложена качественная модель, объясняющая механизм формирования ¡ложных многочастотных сигналов под действием управляющих высокочастотных голей.

Таким образом, выполненная работа существенно расширяет наши знания о ;акономерностях и механизмах коллективных процессов в мощных СВЧ 'стройствах со скрещенными полями и позволяет наметить эффективные пути .оздания нового типа источников широкополосных квазихаотических СВЧ игналов большой мощности, имеющих по совокупности своих характеристик [реимущества по сравнению с используемыми в настоящее время на практике.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены тексты основных программ компьютерной 'бработки экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В :ЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1] Левчук С.А., Соминский Г.Г., Воскресенский C.B. Экспериментальное 'Пределение дисперсионных характеристик электронного облака в неоднородных крещенных полях.//Письма в ЖТФ. 1988. т. 14. вып.13. с.1194-1197.

2] Воскресенский C.B., Левчук С.А., Соминский F.F. Исследование ространственно-временных характеристик колебаний объемного заряда в еоднородных скрещенных полях. // В сб.: Лекции по электронике СВЧ и адиофизике (8-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 4. - Саратов: Изд. СГУ. 989. - С. 24-32.

3] Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Левчук С.А., Лукша О.И., 'оминский Г.Г. Развитие методов диагностики сильноточных электронных отоков. // Проблемы физической электроники. Сб. науч. трудов. -Л. Изд. ЛИЯФ Л СССР, 1989,- С.28-47.

1] Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Соминский Г.Г. Исследование арактеристик релятивистского электронного пучка. // Проблемы физической тектроники. Сб. науч. трудов.-Л. Изд. ЛИЯФ АН СССР, 1991. С.102-119. >] Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Воскресенский C.B., Дворецкая Н.В., Левчук .А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Формирование и диагностика сильноточных ектронных потоков для мощных устройств. // В сб. Тезисы докладов Российской

17

научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России». 4.9. С.-Петербург. Изд. СПбГТУ. 1995. С.32.

[6] Воскресенский С.В., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Соминский Г.Г. Методика и аппаратура экспресс-анализа сложных многочастотных сигналов. // В сб. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России». 4.9. С.-Петербург. Изд. СПбГТУ. 1995. С.34.

[7] Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Воскресенский С.В., Левчук С.А., Лукша О.И, Соминский Г.Г. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронных потоках с магнитным удержанием. Ч. 1 // Изв ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. т.З. N4. с.41-52.

[8] Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Воскресенский С.В., Левчук С.А., Лукша О.И, Соминский Г.Г. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронных потоках с магнитным удержанием. 4.2 // Изв ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. т.З. N5. с.35-54.

[9] Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Воскресенский С.В., Дворецкая Н.В., Левчук С.А., Лукша О.И., Соминский Г.Г. Пространственно-временные характеристики электронных потоков мощных СВЧ устройств. //Лекции по СВЧ электронике и радиофизике. 10-я зимняя школа-семинар. Книга 2. с.3-34. Саратов. 1996.

[10] Воскресенский С.В., Соминский Г.Г. Формирование сложных многочастотных сигналов усилителем магнетронного типа. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 19. С. 85-89.

[11] Воскресенский С.В., Левчук С.А., Соминский Г.Г. Исследование коллективных процессов в мощных устройствах М-типа. // Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ. Материалы научной конференции 4-8 сентября 1997 г. Тезисы докладов. С. 17-18. Саратов. Изд. ГосУНЦ «Колледж». 1997.

[12] Voskresenski S.V., Sominski G.G. Influence of external signals on collective processes in a space charge and on an output spectrum of crossed-field amplifier. // 12-th international conference on hidh-power particle beams: BEAMS'98. Haifa, Israel, June 712, 1998.

[13] Voskresenski S.V., Sominski G.G. Formation of quasi-chaotic wide-band microwave output in an externally controlled amplitron. // Proceedings UHF-99. International University Conference «Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequences». St. Petersburg, Russia, May 24-28, 1999. P. 104 - 107.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1Л. Основные методы теоретического рассмотрения процессов в электронных потоках со скрещенными полями.

1.1.1 Аналитические методы.

1.1.2. Численные методы.

1.2. Экспериментальное исследование колебаний пространственного заряда в устройствах со скрещенными полями.

1.3. Формирование сложных многочастотных сигналов и их возможное применение.

1.3.1 Применение сложных многочастотных сигналов.

1.3.2 Формирование сложных многочастотных сигналов с помощью вакуумных приборов электронной техники.

1.3.3 Формирование сложных многочастотных сигналов с помощью пучково-плазменных систем.

1.4. Выводы из обзора литературы и постановка задач исследования.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АППАРАТУРА.

2.1. Экспериментальный прибор.

2.2. Экспериментальная установка.

2.2.1 Откачная система.

2.2.2 СВЧ тракт.

2.2.3 Системы импульсного высоковольтного питания и блок создания магнитного поля.

2.2.4 Система формирования и подачи управляющих сигналов.

2.2.5 Блок регистрации колебательных характеристик пространственного заряда и сигналов в выходном тракте экспериментального прибора.

2.3. Погрешности измерений.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Исследование колебаний пространственного заряда и выходных спектров амплитрона в отсутствие управляющих сигналов.

3.2. Влияние управляющих сигналов малой амплитуды на колебания пространственного заряда и выходные сигналы амплитрона.

3.3. Влияние управляющих сигналов большой амплитуды на колебания пространственного заряда и выходные сигналы амплитрона.

3.4. Возможная модель формирования широкополосных квазихаотических выходных сигналов амплитрона большой мощности.

3.5. О возможности оптимизации системы формирования квазихаотических широкополосных сигналов большой мощности.

Электронный пространственный заряд высокой плотности, движущийся в скрещенных электрическом и магнитном полях, выполняет роль своеобразной активной среды разнообразных СВЧ устройств магнетронного типа [1-4]. Пространственный заряд в скрещенных полях неустойчив по отношению даже к слабым воздействиям и, как правило, находится в сложных колебательных состояниях. Колебания пространственного заряда могут в значительной степени определять основные характеристики СВЧ устройств со скрещенными полями, в том числе и в особенности, спектральные их характеристики [1, 3-7]. Все это определяет важность понимания закономерностей и механизмов колебательных и волновых явлений в пространственном заряде, выявления возможностей управления ими и использования сведений о коллективных процессах в пространственном заряде устройств со скрещенными полями для совершенствования этих устройств. Именно этому комплексу вопросов посвящена данная диссертация.

Цели работы состояли:

- в экспериментальном определении закономерностей и механизмов воздействия высокочастотных управляющих сигналов на колебания пространственного заряда в амплитроне и в уточнении на этой основе модели коллективных процессов в мощных устройствах со скрещенными полями;

- в определении воздействия колебаний пространственного заряда на выходные спектры амплитрона и в выяснении закономерностей и механизмов формирования амплитроном сложных многочастотных излучений под действием высокочастотных управляющих сигналов. - в разработке принципов создания на основе амплитронов, управляемых высокочастотными сигналами, мощных широкополосных источников излучения.

Широкое использование мощных СВЧ устройств со скрещенными полями, с одной стороны, и недостаток информации о закономерностях и механизмах происходящих в пространственном заряде таких систем коллективных процессов в присутствии высокочастотных управляющих сигналов, с другой, поиск новых и эффективных способов создания мощных источников широкополосных излучений определяют актуальность настоящей работы.

Новизна:

1. Впервые определены закономерности воздействия высокочастотных полей, вводимых в торцевую область пространства взаимодействия амплитрона, на характеристики развивающихся в нем колебаний пространственного заряда и на этой основе уточнена модель коллективных процессов в системах со скрещенными полями.

2. Выяснен возможный механизм эффективного управления спектром колебаний пространственного заряда и выходным спектром амплитрона, связанный с раскачкой под действием управляющих ВЧ сигналов интенсивных аксиальных колебаний пространственного заряда.

3. Разработаны принципы реализации на основе амплитронов с вторично-эмиссионными катодами широкополосных источника квазишумовых СВЧ сигналов большой мощности.

Практическая значимость.

1. Полученные данные о воздействии управляющих высокочастотных сигналов на колебания пространственного заряда в амплитроне могут быть использованы для уточнения модели коллективных процессов в простанственном заряде широко используемых на практике СВЧ устройств со скрещенными полями.

2. Сведения о закономерностях формирования многочастотных спектров колебаний пространственного заряда и выходных спектров амплитрона под действием управляющих ВЧ сигналов полезны для развития представлений о нелинейной динамике сложных распределенных электронных систем.

3. Разработанные принципы создания на основе амплитрнов с вторично-эмиссионными катодами мощных и широкополосных источников квазишумовых сигналов могут быть использованы при построении перспективных СВЧ источников для систем радиопротиводействия, для построения разнообразных технологических установок и систем передачи информации.

Защищаемые положения:

1. Воздействие вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитрона гармонических сигналов на частотах, приблизительно равных частотам отдельных мод колебаний пространственного заряда, приводит к существенному увеличению или уменьшению амплитуды «резонансных» мод.

2. В спектре выходных сигналов амплитрона, наряду , с известными ранее составляющими на частотах 1о±пГпз, существуют (или возникают под действием управляющих сигналов) составляющие на частотах Гксвк±тГпз, где и - соответственно частоты входного сигнала и одной из мод колебаний пространственного заряда, Гксвк - частота одной из особенностей зависимости КСВ амплитрона от частоты Г входного сигнала за длинноволновой границей полосы пропускания замедляющей системы (^ф), п=Т,2,3. и т=1,2,3. - целые числа.

3. Под действием вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитрона многочастотных сигналов большой амплитуды, сравнимых по порядку величины с анодным напряжением, на выходе этого прибора формируются широкополосные (более октавы) квазишумовые сигналы большой (свыше 100 кВт) мощности, если в спектре управляющих сигналов присутствуют компоненты из диапазона собственных частот автоколебаний электронного облака.

4. Формирование широкополосных квазишумовых сигналов большой мощности на выходе амплитрона под действием многочастотных управляющих сигналов происходит в результате раскачки интенсивных аксиальных колебаний электронного облака.

5. Многочастотные сигналы на выходе амплитрона, сформированные под действием короткого (менее 20 не) управляющего многочастотного сигнала, длительное время (до 100-150 не) существуют после его окончания. Такой «эффект памяти» может быть объяснен с учетом конечной добротности своеобразного трехмерного электронного резонатора, в котором в течение этого времени слабо затухают возбужденные под действием управляющего сигнала сложные колебания пространственного заряда.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. Применением для диагностики дополняющих друг друга методик и с использованием современной радиоизмерительной аппаратуры.

2. Воспроизводимостью экспериментальных результатов.

3. Согласованностью ряда полученных результатов с известными из литературы данными.

4. Использованием для обработки данных ряда надежных современных методов.

Апробация работы:

Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно обсуждались на научных семинарах сектора сильноточной и СВЧ электроники кафедры физической электроники СПбГТУ, докладывались на семинарах секции «Физическая электроника» при Санкт-Петербургском Доме ученых в 1990, 1995 и 1997 годах, докладывались на IV Международной школе «Стохастические колебания в радиофизике и электронике» Хаос-94 (Саратов, 1994 г.), на Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России» (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1996 г.), на Всероссийской межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 1997 г.), на 12-й международной конференции по сильноточным пучкам ВЕАМ8'98 (Хайфа, 1998 г.), на международнойJ¡coнфepeнции по СВЧ электронике иНР-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.) и на 11-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1999 г.).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 13 работ, ссылки на которые приведены в конце списка литературы.

Степень участия автора диссертации в работах [95, 96] ограничивалась проведением измерений совместно с С.А. Левчуком, и обсуждением экспериментальных данных совместно с С.А. Левчуком и Г.Г. Соминским. Разработка методики осуществлена С.А. Левчуком и Г.Г. Соминским.

Экспериментальная часть остальных работ выполнена автором диссертации самостоятельно или совместно с соавторами, обсуждение полученных данных проводилось совместно с Г.Г. Соминским.

Последовательное изложение полученных в диссертации результатов содержится во ВВЕДЕНИИ, трех главах, ЗАКЛЮЧЕНИИ и ПРИЛОЖЕНИИ.

Во ВВЕДЕНИИ обоснован выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В главе 1 содержится краткий обзор научно-технической литературы, и анализ литературных данных по исследованию коллективных процессов в устройствах со скрещенными полями. Там же определены задачи диссертационной работы.

В главе 2 описаны конструкции экспериментальных приборов и установки, а также применявшиеся в работе экспериментальные методики и методики экспериментальных данных.

В главе 3 приведены и обсуждаются результаты исследования колебательных характеристик пространственного заряда, их связи с сигналами в выходном тракте экспериментальных приборов и результаты воздействия внешних управляющих сигналов на пространственный заряд, предложена модель наблюдавшихся физических процессов.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ обобщены основные результаты работы.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены тексты программ компьютерной обработки экспериментальных данных.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Основные методы теоретического рассмотрения процессов в электронных потоках со скрещенными полями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате исследования процессов в мощном амплитроне с вторично-эмиссионным катодом получены следующие основные результаты:

1. Получены новые данные о закономерностях коллективных процессов в пространственном заряде амплитрона с вторично-эмиссионным катодом, позволяющие уточнить влияние на эти процессы высокочастотных полей замедляющей системы, аксиального движения пространственного заряда, а также аксиального распределения коэффициента вторичной эмиссии по поверхности катода.

2. Показано изменение во времени относительной роли высокочастотных полей замедляющей системы и полей, связанных с колебаниями пространственного заряда, во вторично-эмиссионном накоплении и поддержании пространственного заряда.

3. Уточнена связь характеристик паразитных сигналов в выходном тракте мощного амплитрона с колебаниями пространственного заряда.

4. Обнаружена возможность эффективного управления амплитудно-частотными характеристиками пространственного заряда и сигналами в выходном тракте с помощью управляющих высокочастотных полей в торцевой области пространства взаимодействия амплитрона.

5. На основе исследованного амплитрона создан источник мощных (> 100 кВт) и широкополосных (с полосой более октавы) квазишумовых сигналов.

6. Предложена качественная модель, объясняющая механизм формирования сложных многочастотных сигналов под действием управляющих высокочастотных полей.

Таким образом, выполненная работа существенно расширяет наши знания о закономерностях и механизмах коллективных процессов в мощных

СВЧ устройствах со скрещенными полями и позволяет наметить эффективные пути создания нового типа источников широкополосных квазихаотических СВЧ сигналов большой мощности, имеющих по совокупности своих характеристик преимущества по сравнению с используемыми в настоящее время на практике.

Считаю необходимым отметить, что осуществление данных исследований было бы невозможно без большой научной и организаторской работы моего руководителя профессора Геннадия Гиршевича Соминского. Профессор Соминский Г.Г. постоянно оказывал мощную поддержку и помощь в проведении исследований, в организации работ, в написании диссертации.

Большое спасибо коллегам - Архипову A.B., Лукше О.И. и Дворецкой Н.В. за интерес к работе, обсуждение ее результатов и моральную поддержку.

Хочу выразить благодарность сотрудникам кафедры физической электроники СПбГТУ за оказанное содействие и поддержку.