книги из ГПНТБ / Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты

90 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

осуществляется в весьма малой области по срав­ нению с длиной волны входного генератора. Следствием этого являются высокие удельные мощности и напря­

там. Это обстоятельство приводит к сравнительно быст­ рому разрушению электродов, даже изготовленных из тугоплавких материалов (вольфрам), но не обеспечива­ ет высокой эффективности преобразования, как это вид­ но из сравнения умножителей, представленных на рис. 40 и рис. 42.

Аналогично обстоит дело и в случае умножителей с сферической разрядной камерон, возбуждаемой заост­ ренным штырем. Недостатком этих умножителей, хотя и обеспечивающих сравнительно высокую эффектив­ ность преобразования, является невозможность (особен­ но на частотах, превышающих 10 Ггц) подведения к штырю значительной мощности (из-за разрушения раз­ рядной камеры возникающим на острие коронным разрядом). В этой связи в работах [29, 36, 37] были сде­ ланы некоторые шаги, позволяющие разгрузить ответ­ ственные узлы умножителя от перегрузок. Так, напри­ мер, в умножителях, представленных на рис. 19 и рис. 25, входная мощность равномерно распределяется вдоль коаксиальной разрядной камеры, каждый эле­ мент которой вносит свой вклад в генерируемую мощ­ ность гармоники, а также в рассеивание входной мощ­ ности, поступающей от генератора.

Для более детального исследования умножителей распределенного типа была собрана умножительная секция, схематически изображенная на рис. 53. Энер­ гия от магнетрона (/=2,38 Ггц, Я,= 12,6 см) по коакси­ альному кабелю через развязку, коаксиальную изме­ рительную линию, трансформатор импедансов, режекторный фильтр гармоники (дроссель) и телескопический соединитель 1 подается на разрядную камеру 2 , установ­ ленную в умножительной секции. Разрядная камера, из­ готовленная из молибденового стекла, представляет со­ бой колбу диаметром 10 мм с впаянной вдоль оси тонкостенной стеклянной трубкой с внутренним диа­ метром 1,5 мм, в которую вставляется центральный про­

водник коаксиала диаметром 1,2 мм. В наружном про­ воднике умиожительной секции проделана узкая щель, в пределах которой перемещается штырь 4, возбужда­ ющий волновод гармоники 5.

При работе умножителя коаксиальный поршень 3 и телескопический соединитель 1 устанавливаются таким

Рис. 53. Схематический разрез умиожительной секции, / —телескопический со­ единитель. 2 —разрядная камера. 3 — коаксиальный закорачивающий поршень, 4 — возбуждающий штырь. 5 — волновод гармоники.

образом, чтобы разрядная камера 2 оказалась в пучно­ сти напряженности поля Е\ стоячей волны входного ге­

поля гармоники.

Возникновение стоячей волны четвертой гармоники обусловлено присутствием закорачивающего поршня 3, установленного в конце линии,и дросселя, обеспечиваю­ щего короткое замыкание [75] коаксиальной линии на частоте четвертой гармоники. Такое расположение раз­ рядной камеры и штыря связи обеспечивает оптималь­ ное согласование в основном тракте и тракте гармони­ ки, снабженном, так же как и в умножителе на рис. 46, оконечным поршнем, трансформатором импедансов, аттенюатором и измерителем мощности 1 1 .

В работе исследовалась выходная мощность на чет­ вертой гармонике (9,52 Ггц, Я4=3,15 см), для которой можно было использовать стандартные волноводные

92 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

детали. Работа производилась с аргоном, дающим наибольшую выходную мощность и эффективность преоб­ разования. Эксперименты с разрядными камерами раз­ личной длины показали сильную зависимость эффектив­

камере колеблются в благоприятной фазе с точки зре­ ния их вклада' в наведенный ток гармоники. При даль­ нейшем увеличении длины I появляются участки плаз­ мы, где электроны колеблются в неблагоприятной фазе (пунктир на рис. 54), поглощая энергию поля гармо­ ники, что и приводит к уменьшению выходной мощно­ сти гармоники.

Из рис. 56 показана зависимость выходной мощно­ сти четвертой гармоники от давления газа в разрядной камере для аргона и неона при постоянной входной мощности, равной 14 вт. Как видно из рисунка, харак­ тер зависимости для различных газов идентичен, а оп­ тимальное давление одинаково для различных длин (на

ство оптимального давления при изменении длины раз­ рядной камеры подтверждает справедливость принятого

§ 4] УМНОЖИТЕЛИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 93

нелинейного механизма, связанного с появлением негар­ монического тока при колебаниях зарядов в неоднород­

венно v амплитуда коле­

баний электронов увеличивается, а мощность гармоник растет. Оптимальное значение наведенного тока имеет место при со < v, т. е. при максимальном взаимодействии

фективности преобразования составляют —24,7 дб и —25 дб соответственно.

94 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

На рис. 57 приведена зависимость выходной мощно­ сти четвертой гармоники от входной мощности, подво­

газа, т. е. на создание концентрации электронов, необхо­ димой для работы умножителя. Для аргона и неона это начальное значение мощности составляет приблизитель­ но 4 вт и зависит от потенциала ионизации газа, давле­ ния и геометрии разрядной камеры [77].

Выше (§ 3 гл. II) было получено выражение (16) для наведенного тока в цепи коаксиального конденсато­ ра, заполненного плазмой и находящегося под действи­ ем гармонического напряжения частоты со. Выписывая слагаемые с частотами со и 4<в, можно получить выра­

Подставляя значения а, с и принимая во внимание, что

после преобразований будем иметь для ампли­ туд /|п» Цт токов

(79)

Пользуясь этими выражениями, можно вычислить мощ­ ность Ри потребляемую плазмой на входной частоте, и выходную мощность Р4 четвертой гармоники.

Для мощности Pi получим

а для Pi на основании соотношения (46)

где Ri — сопротивление излучения для четвертой гар­ моники. Используя формулу (54), будем иметь

= Z^XtlZubt

где а и Ь— поперечные размеры волновода гармоники, a Zo — его волновое сопротивление. Пользуясь этими соотношениями и полагая величину входного напряже­ ния Um, концентрацию электронов п, частоту столкнове­ ний v, частоту входного напряжения со, длину разряд­

совпадает с полученной экспериментально и равной, как было указано выше, —24,7 дб.

Приведенный ориентировочный расчет ни в коей ме­ ре не претендует на точность, однако указывает на воз­ можность получения хотя бы приближенных оценок мощностей гармоник и частотных зависимостей эффек­ тивности преобразования для плазменных умножителей с разрядной камерой коаксиального типа. Так, напри-

96 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

мер, используя формулу (16) и считая ©^>v, можно по­ лучить частотную зависимость эффективности преобра­ зования для второй гармоники в виде

где В о — постоянный коэффициент, ri — радиус цент­ рального проводника коаксиального плазменного кон­ денсатора (или радиус острия в умножителе со сфери­ ческой разрядной камерой), Um— амплитуда напряже­ ния, приложенного к зажимам конденсатора.

УГгц

Рис. 58. Зависимость эффективности преобразования второй гармоники от вход­ ной частоты, / — экспериментальная кривая, 2 —теоретическая кривая, 3 — оп­ тимальное давление.

Из соотношения (80) видно, что т)2 очень сильно за­ висит от радиуса центрального проводника, возрастая с его уменьшением. Полагая, что для различных опи­ санных выше умножителей Г\ и Um остаются оптималь-

98 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

принципиальную невозможность работы с ней на час­ тотах, превышающих 10 Ггц при сколько-нибудь зна­ чительной мощности из-за пробоя колбы. Эта пробле­ ма возникала и в умножителе на частоте 3 Ггц, однако особенно резко она проявляется в случае тонкостенных сосудов в миллиметровом диапазоне.

Одним из характерных исследовании умножителей миллиметрового диапазона является исследование, про­ веденное в работе [19, 79], в которой измерялась эф­ фективность преобразования при использовании разряд­ ной камеры типа «кольцо — диск» (рис. 4, г). В схеме установки (рис. 5) был использован клистронный гене­

электродами, расположенными перпендикулярно широ­ ким стенкам входного волновода умножительной сек­ ции, изображенной на рис. 59.

Мощность гармоники частоты 68 Ггц, возникшей r разрядном промежутке, проходила через сужающуюся

Рис. 59. Схематический разрез умножительной секции. I — резонансная диа­ фрагма, 2 — слюдяное вакуумное окно, 3 — подвижный электрод,

ющнй электрод, 5 — стеклянный цилиндр, 6 — входной волновод (34 Jen), 7 — коническая секция, 8 — волновод гармоники (63 Ггц),

(коническую) волноводную секцию в волновод гармо­ ники. Для предотвращения проникновения мощности гармоники в генератор использовалась резонансная диафрагма [80], установленная в основном волноводе на расстоянии, равном нечетному числу четвертей длин