книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfбуждаемыми ВЧ-волнами. Мы не будем учитывать соуда рения электронов и тепловое распределение по ско ростям, так как эти эффекты не вносят каких-либо прин ципиальных изменений в процесс взаимодействия между плазмой и электронным лучом. Их основное влияние^ проявляется в ослаблении ВЧ-полей и увеличении потерь' в системе1).
Из уравнений Максвелла можно показать, что влия ние плазмы на цепь СВЧ можно приблизительно оценить, если рассматривать плазму как диэлектрик с зависящей
от частоты диэлектрической |
проницаемостью |
е |
(4) |
Статическое магнитное поле делает плазму анизо тропной, и в этом случае диэлектрическая проницаемость записывается в виде тензора
/Сц |
О |
|
в = ео /(12 Л и |
о |
(5) |
ОО Л33
Предположим теперь, что магнитное поле направлено вдоль оси. Тогда компоненты тензора имеют вид
Ли = 1 |
©ц — юа * |
|
|
|
|
|
К < |
(6) |
Л12 — Ш(й)2 — ©2) 1 |
Мы ви д и м , что зависимость тензора диэлектрической проницаемости от частоты будет сильно влиять на свой ства СВЧ-цепей, особенно на частотах, близких к а>пл и соц. В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим металлическую трубу, заполненную холодной плазмой)*
*) Указанные соударения могут также порождать флуктуациоиные шумы и нестабильность амплитуды и фазы колебаний на выходе
усилителя.— Прим. ред.
и помещенную в магнитное поле, параллельное оси этой трубы (фиг. 2). Считаем также, что соударений между частицами нет. Диализ такой системы, выполненный в работах [2] и [3], показал, что электромагнитные волны могут распространяться по трубе на частотах, лежащих ниже частоты отсечки пустой трубы. Природа этих волн поясняется дисперсионной зависимостью, представлен ной на фиг. 3. На этой фигуре построена зависимость ча-
Ф и г. 2. Труба, заполненная плазм
стоты сигнала от 1/Я0, где Хв — длина волны в волноводе, для случая, когда поле не меняется по азимутальному углу и плазменная частота больше циклотронной. Из этого графика вытекает, что могут существовать две волны. В диапазоне от нулевой частоты до циклотронной существует волна, которая имеет фазовую скорость (Иф), меньшую скорости света в вакууме, и которая подобна волнам в замедляющих системах лампы бегущей волны (ЛБВ). В диапазоне от плазменной частоты до частоты,
равной Уо>пл + <о5, существует другая медленная волна, которая подобна волнам в замедляющих системах ламп обратной волны (ЛОВ). В полосе частот между циклотрон ной и плазменной частотами никакие волны существовать не могут и в трубе, заполненной плазмой, реализуется режим отсечки.
Следовательно, мы видим, что плазма может менять свойства простейших СВЧ-цепей так, что по ним стано вится возможным распространение волн со скоростями меньше скорости света. Отсюда сразу же вытекает воз
можность режима работы плазменного усилителя. Если теперь ввести вдоль оси нашей трубы с плазмой электрон ный пучок, скорость которого была бы близкой к ско рости ВЧ-волны, то будет происходить кумулятивный процесс взаимодействия. При определенных условиях
Ф и г. 3. Дисперсионная диаграмма тр у б ы с п л азм о й .
пучок сможет отдавать свою кинетическую энергию волне и амплитуда волны будет нарастать. Такой процесс взаи модействия аналогичен процессу, происходящему в ЛБВ, с той разницей, что в данном случае роль замедляющей системы играет плазма. Возможность использования этой более низкочастотной полосы в усилителе прямой волны исследовалась Феррари [41. Недостатком работы на этом участке является то, что циклотронная и плазменная частоты должны быть больше частоты сигнала. В диапа зоне СВЧ приходится поэтому создавать магнитные поля свыше 0,05 пи. Попытки использовать верхнюю полосу
частот (фиг. 3) для создания генератора обратной волны не увенчались успехом, по-видимому, из-за больших по терь, характерных для обратной волны. В работе [5] были получены автоколебания в режиме генератора об ратной волны при использовании дипольной моды в плазменном столбе без внешнего магнитного поля. Даль нейшая работа в. этих направлениях, возможно, приведет нас к какому-либо практическому методу использования плазмы для генерирования энергии СВЧ.
Обращаясь снова к нашей трубе, заполненной плаз мой, мы видим, что на частотах, заключенных между циклотронной и плазменной, волны по трубе не распро страняются. Причиной отсечки является плазма, кото рая фактически ведет себя как индуктивная среда. На этих частотах нашу систему можно использовать для та кого взаимодействия с электронным пучком, которое во многом будет похоже на взаимодействие в клистроне, содержащем бесконечное число бесконечно тонких про межуточных резонаторов. На частотах, близких к плаз менной, усиление становится очень большим, а теорети ческий расчет дает скорости нарастания амплитуд волны порядка десятков децибел на 1 см. Этот режим работы привлек внимание исследователей, так как он наиболее перспективен с точки зрения использования потенциаль ных преимуществ плазменно-лучевого взаимодействия. Краткий обзор в данной области сделал Чорни [6] 1>, и приведенную им библиографию можно рекомендовать всем исследователям, интересующимся тем или иным экспериментом.
111.Потенциальные преимущества
плазменно-лучевого взаимодействия для тех применений, где требуется большая мощность
Из приведенного выше краткого описания плазмен но-лучевых взаимодействий вытекает возможность созда ния усилителей, в которых не будет замедляющих систем
А) См. также: Р Иа ш Т и М а пЬ, «Оошашез сГатрППса-
Чюп (Тип зщпа! 1ШР раг тегасИоп Га1зсеаи — р!а$та», С.г. |
Асас1. |
5С1., 269, № 9, 1969; П о п о в и ч В. П., Ш у с т и н Е. Г., |
Воз |
буждение электронным пучком резонатора, заполненного плазмой.
Радиотехника и электроника, 15, № 1, 1970. — Прим. ред.
или резонаторов. Это означает, что мы сможем иметь усилители клистронного типа без резонаторов и усили тели бегущей волны без спиралей или иных замедляющих систем. Таким образом, использование плазмы позволит исключить из этих приборов СВЧ их наиболее сложные элементы.
Еще одно важное преимущество плазменно-лучевого взаимодействия вытекает из того факта, что плазма про ницаема для электронного пучка, и таким образом плаз ма и пучок могут занимать одно и то же пространство. В обычных усилителях СВЧ-пучок взаимодействует с по лями СВЧ-структур и должен проходить вблизи от этих структур, если требуется реализовать сильное взаимо действие. Поскольку в плазменных усилителях электрон ный пучок и плазма совмещены, максимум напряжен ности поля находится в пределах пучка и должно достигаться высокое усиление на единицу длины прибора.
Другое преимущество, связанное с пространственным совмещением пучка и плазмы, заключается в возмож ности использования пучка увеличенного диаметра.
В обычных усилителях для того, чтобы поля, с которыми происходит взаимодействие, имели заметную величину, диаметр ВЧ-систем приходится делать малым по сравне нию с рабочей длиной волны. Следовательно, диаметр пучка, проходящего через такие системы, ограничен. При плазменно-лучевом взаимодействии это ограниче ние в значительной степени ослаблено. Использование пучков большого диаметра приводит к уменьшению тре буемой плотности тока катода и к менее тяжелым требо ваниям по сходимости пучка, которым должна удовле творять электронная пушка.
Сочетание большого усиления на единицу длины и больших диаметров пучка сильно снижает требования к величине фокусирующего магнитного поля. Если исполь зуется взаимодействие типа взаимодействия с реактивной средой» для самой плазмы магнитное поле не нужно, а пониженные требования к фокусирующему магнитному полю могут дать значительный выигрыш по сравнению с обычными усилителями. Действительно, когда роль плазмы исполняет ионизованный газ, силы пространст
венного заряда в пучке можно скомпенсировать с по мощью ионов и в результате создать прибор, работающий без внешнего магнитного поля.
IV. Методы получения плазмы
В предыдущем разделе мы говорили об одном из видов плазмы — ионизованном газе. Однако существуют не только различные способы ионизации газа, но и другие виды плазмы. Прежде чем остановиться на возможных способах получения плазмы, рассмотрим кратко те свой ства, которыми должна обладать нужная нам плазма. Во-первых, концентрация ионов должна быть такой, чтобы плазменная частота была равна или больше задан ной рабочей частоты. Соотношение между концентрацией зарядов и плазменной частотой определяется уравне нием (1). Во-вторых, для усилителей, работающих на больших уровнях мощности, плазма должна быть сильно ионизированной, т. е. число нейтральных молекул долж но быть мало. Это требование обусловлено тем обстоя тельством, что под влиянием сильных ВЧ-полей электро ны плазмы приобретают большие ВЧ-составляющие ско рости. Если в плазме имеется большое число нейтральных молекул, то электроны будут ионизировать их при столк новениях. Если этот процесс будет повторяться достаточ но часто, то концентрация плазмы изменяется под дейст вием ВЧ-полей, и не удается поддерживать оптимальный режим усиления, а усилитель насыщается при низких уровнях мощности.
.Наконец, должен существовать простой способ полу чения плазмы. Если для получения плазмы нужны слож ные структуры ‘то преимущества, связанные с возмож ностью усиления без замедляющей системы или резона торов, становятся неощутимыми. А если для получения плазмы приходится тратить большую энергию, то сни жается полный к. п. д. усилителя.
К моменту написания этой книги ни один из способов получения плазмы не мог удовлетворить этим требова ниям во всех диапазонах частот. Наиболее известным способом получения плазмы является электрический раз ряд в газе низкого давления. Простейшая форма — плаз
те с вольфрамом цезий отдает свой валентный электрон и испаряется с поверхности вольфрама уже в виде иона. Так как при такой высокой температуре вольфрам яв ляется хорошим эмиттером электронов, то вместе с по ложительным ионом с поверхности вольфрама уходит и электрон. В результате получаем нейтральную плазму, дрейфующую от горячей пластины. Недостаток этого метода — необходимость значительной мощности для под держания требуемой температуры на вольфрамовой пла стине. Кроме того, чтобы предотвратить повреждение соседних элементов, приходится предусматривать спе циальные средства для их охлаждения.
Способом получения плазмы, который, по-видимому, дает наилучшие компромиссные результаты на частотах 3 Ггц и ниже, является генерация плазмы электронным лучом. В этом случае газ ионизуется вследствие соударе ний между электронами луча и молекулами газа. Образую щаяся таким образом плазма может быть удержана с помощью магнитных зеркал или электростатического поля. Этим способом была получена ксеноновая плазма па частоте 3 Ггц со степенью ионизации 30%. С экономи ческой стороны этот способ требует наименьшего услож нения конструкции лампы, поскольку для генерации плаз мы может использоваться тот же электронный луч, ко торый служит источником энергии в процессе взаимодей ствия.
V.Способы связи с усилителями
Вразд. 2.7.2 мы дали общее описание плазменно лучевого усилителя и упомянули, что для возбуждения волн в таком усилителе и отбора из него мощности долж ны быть предусмотрены некоторые средства связи. Труд ности создания этих средств связи являются основной
причиной того, что плазменно-лучевые усилители пока не начали применять на практике. В построенных до сих пор экспериментальных усилителях, на которых были получены хорошие результаты, для связи с волнами про странственного заряда пучка использовались резонаторы или спиральные устройства связи.
На резонаторные устройства связи распространяются те же соображения, которыми пользуются при конструи-
ровании клистронов. Другими словами, для эффективной связи нужно, чтобы диаметр трубы дрейфа был мал по сравнению с длиной волны. Точно так же при использо вании спиральных устройств связи следует учитывать методы конструирования ЛБВ. Поскольку размеры этих структур ограничены рабочей длиной волны, то ограни чение накладывается и на диаметр пучка. Но если диаметр пучка взять таким же, как в обычных усилителях, а устройства связи рассчитать на обычные для этих уси лителей уровни мощности и придать им обычную довольно сложную форму, то извлечь все преимущества из исполь зования плазменно-лучевых усилителей не удастся. Та ким образом, надо отыскать эффективный способ связи с электронным пучком большого диаметра либо способ возбуждения волн непосредственно в плазме. В этом направлении сейчас активно ведутся исследования и пока нельзя предсказать, какое решение будет найдено. За дача усложняется тем, что плазма, заключенная в кон тейнер с размерами усилителя СВЧ, неоднородна. По этому, прежде чем построить устройства связи с плазмой, нужно исследовать существо этих неоднородностей и их влияние на распространение СВЧ-колебаний в плазме.
VI. Современное состояние в области плазменно-лучевых усилителей
Экспериментальными исследованиями механизма плаз менно-лучевого взаимодействия доказана возможность получения усиления в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до 30 Ггц. При использовании разряда Пеннинга была получена плазма, концентрация которой отвечает требованиям усилителей для частоты 100 Ггц. Экспериментальный прибор, предназначенный для иссле
дований |
в диапазоне частот 3 Ггц, показан на фиг. 5. |
В этом |
приборе плазма создается электронным пучком |
и удерживается электростатическим полем. В качестве входного и выходного устройств используются резона торы клистронного типа. Пиковая выходная мощность этого прибора оказалась равной 22 кет при к. п. д. выше 35%. Усиление малого сигнала, равное 58 дб и получен ное при длине плазменного столба 4 см, подтверждает
возможность реализации больших усилений при взаимо действиях такого типа. В других экспериментах была из мерена ширина полосы 20% и построен усилитель 3-сан-
Фи г. 5. Экспериментальный плазменно-лучевой усилитель.
/— элемент настройки входного устройства; 2 — клеммы для подачн
напряжения удержания плазмы; 3 — выходной резонатор; 4 — кол лектор; 5 — выходной волновод; 6 — электроды удержания плазмы; 7 — входной разъем; 8 — входной резонатор; 9 — пушка.