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

тродам плазменного варактора, порождает отрицатель­ ное постоянное напряжение между первым электродом и плазмой, причем ток ионов на этот электрод равен току насыщения н не зависит от величины постоянного напряжения между электродами варактора,-

Для электронного тока полное напряжение на пер­ вом электроде складывается из суммы постоянного и переменного напряжении, поскольку последнее действу­ ет только на электроны. Минимальное значение полно­ го напряжения Ui остается близким к напряжению изо­ лированного зонда, хотя и происходит некоторое усред­ нение электронного тока за период колебаний.

В режиме КЗ постоянное напряжение между элек­ тродами равно нулю. Однако минимальное напряжение между первым электродом и плазмой не может стать существенно меньше напряжения изолированного зонда, так как в противном случае ток, текущий со второго электрода и близкий по величине к току насыщения

Рнс. 75. Изменение постоянных составляющих напряжения между центральным электродом н плазмой U\ и внешним электродом н плазмой U2 в зависимости от постоянной составляющей напряжения U между электродами.

ионов Iiu2>должен стать равным току, текущему на первый электрод и близкому по величине к току насы­ щения электронов / сп2. Это невозможно, если выполняет­ ся неравенство (155), справедливое в большинстве

случаев, так как У Mi/me — 100.В силу этого постоянная составляющая напряжения между первым электродом

электрода касается этой поверхности «хвостом» своих самых энергичных электронов, удалившихся от нее на наибольшее расстояние и образующих при их поглоще­ нии электродом электронную часть тока на электрод. Это приводит к уменьшению числа электронов, имею­ щих скорости, превышающие среднюю тепловую. По­ этому максвелловское распределение электронов по ско­ ростям в области больших скоростей искажается. Это обстоятельство сказывается на виде вольтамперной характеристики, у которой сокращается область плав­ ного перехода от прямолинейного участка резкого изме­ нения тока к участкам насыщения, как это показано

на рис. 77.

На рис. 78 показаны типичные вольтамперные харак­ теристики, снятые при различных уровнях мощности

СВЧ-излучения для ксенона при давлении 0,02 тор и а2«10. Как видно из рисунка, характеристики состоят из трех различных участков: участка с быстрым изме­ нением тока (этот участок расположен вблизи напряже­ ния £/„) и двух участков насыщения с малым измене­ нием тока (расположенных вдали от напряжения [/„).

электродов. Для определения электронной температуры Т, вычислим производную вольтамперной характерис­ тики в точке U = 0:

вблизи поверхности центрального п\ и внешнего электро­ дов п2. Для этого выразим токи насыщения ионов через параметры плазмы и площади электродов [106]

где /<„1,2 измеряется в ма, Si,2— в см2 и Те— в эв. Исследование вольтамперных характеристик плаз­

менного варактора дает возможность определить кон­ центрацию плазмы около внутреннего и внешнего элек­ тродов и температуру электронов плазмы, а затем рас­ считать параметры варактора по формулам (106) и (137). Именно по этой методике была рассчитана ем­ кость С, представленная в таблице 19. Пользуясь вольтамперными характеристиками, можно определить п амплитуду переменного напряжения по известному U

§ 41 ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ВАРАКТОРА 165

§ 4. Влияние постоянного напряжения на параметры варактора

Постоянная составляющая напряжения между элек­ тродами плазменного варактора существенно влияет на параметры варактора, в частности на его среднюю ем­ кость и шунтирующее сопротивление. Хотя ни в одной из работ по плазменным умножителям не было прове­ дено подробного исследования роли постоянного напря­ жения, в ряде работ авторы использовали дополнитель­

чивает свою емкость от минимального до максимально­ го значения, в то время как его сопротивление умень­ шается. Если площадь внешнего электрода недоста­

а сопротивление уменьшается на величину, равную со­ противлению слоя около внешнего электрода. При увеличении постоянной составляющей напряжения Ul2 сверх Uxx напряжение Ui увеличивается, емкость слоя уменьшается, а его сопротивление экспоненциально возрастает.

Были измерены средние емкость и сопротивление варактора в зависимости от величины постоянной сос­ тавляющей напряжения между электродами. Измерения проводились для неона и ксенона при различных давле­ ниях. На рис. 80 изображены графики зависимости емкости и сопротивления варактора от напряжения между электродами при входной мощности 30 вт, сня­ тые для неона при давлении 1 и 2 тор и состоящие из двух характерных участков: участка медленного изме­ нения емкости и сопротивления и участка резкого уменьшения емкости и увеличения сопротивления. Увеличение давления газа приводит к уменьшению

166 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III

емкости и сопротивления в области напряжений от нуля до и к обратному эффекту вне этой области, где сопротивление возрастает быстрее при большем давле­ нии газа.

дит к уменьшению сопротивления слоя за счет увеличе­ ния тока насыщения ионов на центральный электрод, пропорционального концентрации плазмы.

Рассмотрим теперь область напряжений, больших 1/хх, где происходят резкие изменения параметров слоя. При этом изменяется напряжение между центральным электродом и плазмой, а напряжение между внешним электродом и плазмой остается практически неизменен­ ным и близким к напряжению изолированного зонда. Емкость слоя в этой области должна уменьшаться, как этоследуетиз формулы (106), обратно пропорционально корню из напряжения, а сопротивление согласно фор­ муле (140) должно экспоненциально увеличиваться

§ -И ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ВАРАКТОРА 167

с показателем, обратно пропорциональным Те. Действи­ тельно, как видно из рис. 80, при U > U ^ наблюдается уменьшение емкости н увеличение сопротивления слоя. Вычисленные величины емкости слоя при этом хорошо согласуются с измеренными, а вычисленные сопротивле­ ния отличаются от измеренных.

Объяснить это обстоятельство можно следующим образом. Принятая для расчета емкости упрощенная модель, в которой граница слоя считалась резкой, соот­ ветствует немаксвелловскому распределению электро­ нов по скоростям. По-видимому, такое распределение оказывается более удовлетворительным для данных условий эксперимента, нежели модель с максвелловским распределением, применявшаяся для расчета сопротив­ ления слоя. При изменении среднего напряжения рас­ пределение электронов по скоростям постоянно меняет­ ся, поэтому точно решить задачу об определении

ПОСТОЯННОГО напряжения ДЛЯ

НеОНа И ксенона,г снятые при значении входной мощности,

равной 50 вт. Различия между этими зависимостями объясняются тем, что при одной и той же входной

мощности плазма разряда в ксеноне имеет меньшую температуру электронов и большую концентрацию.

Изменение величины постоянного напряжения между электродами является одним из возможных способов воздействия на диссипативные характеристики плазмен­ ного варактора. На рис. 82 изображена зависимость пог­ лощенной мощности от величины этого напряжения для

Рис. 82. Зависимость мощности Рпогл, поглощенной в плазменном варакторе и мощности Pj.}, выделившейся на сопротивлении R, от величины постоянной

составляющей напряжения между электродами при различных значениях вход­ ной мощности (25 и 41 вт).

двух значений входной мощности (25 и 41 вт), получен­ ная с разрядной камерой коаксиального плазменного варактора длиной /=190 мм, заполненной ксеноном при давлении 0,02 тор. Из этого рисунка видно, что макси­ мум поглощенной мощности соответствует напряжению, лежащему между нулем и U^, а при увеличении на­ пряжения до 120 в поглощенная мощность уменьшается более чем в пять раз.

Таким образом, изменяя постоянное напряжение между электродами, можно в широких пределах изме­ нять мощность потерь в плазменном варакторе.

На рис. 82 показано также, как изменяется мощ­ ность постоянного тока PR, выделяющаяся на сопротив­ лении R, включенном в цепи электродов плазменного варактора. Сопоставление этих двух зависимостей дает

основание предположить, что максимум мощности по­ терь связан с протеканием через варактор максималь­ ного постоянного тока, поскольку форма и положение максимумов обеих кривых почти совпадают. Уменьшение мощности потерь при увеличении Л/12 сверх £/„ можно объяснить увеличением объема слоя, свободного от элект­ ронов (поглощение СВЧ-мощности является результатом столкновений электронов, подвергающихся воздействию СВЧ-поля, с нейтральными атомами).

Заметим, что уменьшение Рпотл при увеличении нап­ ряжения до 100 в (при входной мощности 41 вт) сопро­ вождалось уменьшением интенсивности свечения плаз­ мы вблизи центрального электрода и было связано, вероятно, с уменьшением концентрации плазмы СВЧразряда, обусловленным перемещением границы элект­ ронной компоненты от поверхности центрального элек­ трода в область меньших напряженностей СВЧ-поля.

Рщ,относ.ед.

Рис. 83. Зависимость мощности второй, третьей и четвертой гармоник (в отно­ сительных единицах) от величины постоянной составляющей напряжения меж­ ду электродами.

Поскольку многие закономерности формирования СВЧразряда еще недостаточно изучены, мы не делаем попы­ ток объяснить причины подобного резкого изменения концентрации плазмы.

Для изучения влияния постоянного напряжения на нелинейные свойства плазменного варактора на выходе варактора устанавливалась согласованная нагрузка,