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

80 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

того, из рисунка видно, что все кривые практически идентичны. Таким образом, при отсутствии потерь в СВЧ-тракте все гармоники вплоть до четвертой долж­

на нагревание электронов и поддержание разряда. Сле­ довательно, при использовании ВЧ-разряда необходимо достижение компромисса между желанием иметь малое отношение v/co для получения высокой эффективности преобразования и необходимостью значительного отно­ шения v/co для поддержания разряда. Если бы электро­ ны получали энергию от постороннего источника, то это­ го компромисса можно было бы избежать.

В дополнение к сказанному выше авторы работ [20, 70] отмечают, что реактивные нелинейные механизмы возбуждения гармоник обусловлены неоднородностью

82 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

приводит к резонансу мощности гармоники и, следова­ тельно, к резонансу входной мощности. С другой сторо­ ны, при постоянной входной мощности мощность гармо­ ник не обнаруживает резонанса.

Генератор гармоник, изображенный на рис. 45, ис­ пользовался не только для исследования мощности гар­ моник, но и для наблюдения параметрических колеба­ ний в высокочастотном разряде сферической формы. Разряд в парах ртути формировался в сферическом со­

мости от входной мощности наводит на мысль о наличии дипольного резонанса плазмы. Резонансный характер может быть объяснен поведением однородной диэлектри­ ческой сферы, помещенной в однородное постоянное электрическое поле Е0. Однородное электрическое поле Еь устанавливающееся внутри сферы, равно

где в ■—диэлектрическая проницаемость. Так как для плазмы

е = 1 — С0р/и2.

моники), что удовлетворительно согласуется с соотноше­ нием (73), если плотность плазмы в сферическом объе­ ме пропорциональна "входной мощности. Это обстоя­ тельство было проверено на второй гармонике, для ко­ торой грубые зондовые измерения подтвердили, что при

мой. Природа разряда была, однако, такой, что требова­ ла для обеспечения стабильности разряда рассогласова­ ния тракта, при котором утечка плазмы приводит к уве­ личению мощности, поглощаемой плазмой. При высокой

6*

ряда Фурье, можно записать

Подставляя (77) в (76), получим окончательное выра­ жение для наведенного тока в цепи возбуждающего электрода:

явление высших гармонических составляющих наведен­ ного тока, зависящих от градиента dE/dR поля и его производных.

Для исследования описанного нелинейного механиз­ ма был собран умножитель [72], подобный изображен­ ному на рис. 45, при входной частоте 2,37 Ггц и мощно­

мечена сильная зависимость эффективности преобразо­ вания от угла заточки острия. При очень тупом острие выходная мощность была минимальной и росла с умень­ шением угла до некоторого предела, после которого сно­ ва начинала уменьшаться. Это обстоятельство, особен­ но ярко выраженное для третьей гармоники, по-види- мому, можно объяснить уменьшением плотности линий электрического поля над острием и, следовательно,

86 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕП [ГЛ. II

ухудшением условий дли поддержания разряда в сфе­ рической камере.

Эффективность преобразования плазменных умно­ жителей при повышении входной частоты, как это уже

ном при давлении от 0,5 до 20 тор и входной мощности 5—10 вт. Авторы отмечают, что при давлении, меньшем 0,8 тор, разряд не поджигался, а при увеличении вход­ ной мощности резко сокращался срок службы разряд­ ной камеры из-за короны, образующейся на конце шты­ ря п прожигающей стенку камеры.

На это обстоятельство указывают также авторы работы [27], проводившие измерения в трехсантимет­ ровом диапазоне длин волн (9,375 Ггц). Авторы отме­ чают, что при небольшой толщине стенок разрядной камеры значительно возрастает эффективность преобра­ зования, но существенно падает надежность работы ум­ ножителя из-за разрушения стенки возникающим в воз­ духе над острием коронным разрядом.

В работе [27] производилось исследование зависи­ мости выходной мощности на второй, третьей н четвер­ той гармониках от давления газа (аргона), наполняю­ щего сферическую разрядную камеру. При каждом из­ менении давления производилась подстройка всех узлов волноводных трактов, так как изменение давления при­ водило к существенному изменению параметров плаз­ мы. Как видно из рис. 51, а, каждой гармонике соответ­ ствует свое оптимальное давление, при котором вы­ ходная мощность достигает максимума, причем с повышением номера гармоники это оптимальное давле­ ние возрастает.

Максимальная мощность третьей гармоники оказы­ вается больше мощности второй, что, по-видимому, мо­ жет быть объяснено специфическими особенностями градиента высокочастотного поля вблизи острия, а так­ же резонансными эффектами в плазме. На рис. 51, б показана зависимость выходной мощности второй гар­

Из рисунка видно, что при давлениях, близких к опти­ мальному, наблюдается эффект насыщения, в то время как для других давлений выходная мощность второй гармоники растет с увеличением входной, что особенно ярко проявляется при давлениях, меньших оптимально­ го. Это явление можно объяснить, если предположить, что для получения максимальной мощности гармоники

Рнс. 51. Зависимость мощности гармоник от давления (а), зависимость мощ­ ности второй гармоники от входной мощности при различных давлениях (б).

требуется вполне определенная концентрация электро­ нов в разряде (резонансная концентрация). При опти­ мальном давлении концентрация электронов достигает резонансного значения при входной мощности порядка 12—14 вт. При дальнейшем увеличении мощности на­ растания концентрации электронов не происходит из-за самостабилизации [74] разряда. При давлениях, мень­ ших оптимального, резонансная концентрация в плазме не достигалась даже при использовании всей мощности магнетрона, равной 16,7 вт, вследствие уменьшения эф­ фективного сечения ионизации и увеличения диффузи­ онных потерь электронов из разряда. При давлениях, превышающих оптимальное, кривая становится пологой из-за возрастания числа соударений электронов с мо­ лекулами газа, приводящих к уменьшению добротности плазмы как колебательной системы.

В таблице 10 приведены значения эффективности преобразования [27] при работе с аргоном (5•10—2 тор) на входной частоте 9,4 Ггц и входной мощности 15 вт.

88 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

В работе [27] производилась также оценка потерь в волноводном тракте, органах настройки, а также обус­

зал умножитель, схематический разрез которого изо­ бражен на рис. 52. В отличие от умножителя, показанно­ го на рис. 45, связь между волноводами в умножителе рис. 52 осуществлялась штырем 5, представляющим со­ бой трубку из ковара с внутренним диаметром 1 мм. Нижний конец трубки впаян в сферическую разрядную камеру 6 с внутренним диаметром 5 мм, изготовленную из молибденового стекла. Верхний конец трубки соеди­ нен с латунным сильфоном 1 0 , для предотвращения сжатия которого при откачке воздуха используется на­ кидная гайка 9, позволяющая перемещать трубку с разрядной камерой при настройке системы. Для предот­ вращения излучения энергии штырем применяется ла­ тунный стакан с подстроечным поршнем 7, используемым также для охлаждения разрядной камеры сжатым возду­ хом, подаваемым через небольшое отверстие в центре поршня. Как и в умножителе, изображенном на рис. 45, для согласования штыря с генератором в умножителе рис. 52 служит коаксиальный поршень 8 и оконечный вол­ новодный поршень (не показанный на рис. 52), а согла­ сование сопротивления излучения штыря с волноводом гармоники 2 достигается волноводным поршнем 4.

Описанная система при работе с аргоном и крипто­ ном в трехсантиметровом диапазоне (9,1 Ггц) обеспе­ чивала эффективность преобразования па третьей и чет­ вертой гармониках —17,5 и — 33,7 дб при выходной мощности 10 и 3 мет соответственно. Исследования, проведенные на умножителе, показали, что эффектив-

ния электронов к нейтральным частицам (аргон при

создании тока гармоник. Как уже отмечалось, умножи­ тель показал высокую стабильность работы, обеспечива­ ющую за несколько часов непрерывной работы измене­ ние мощности на выходе не более 0,1%.

Рассмотренные в настоящем параграфе плазменные умножители сантиметрового диапазона можно отнести к множителям точечного или сосредоточенного типа, в которых взаимодействие высокочастотного поля с плазмой