Філатов Р А, Храмов А Е, Калінін Ю А, Єгоров Є Н Саратовський державний університет Саратов, 410012, Росія Тел: (8452) 514294 e-mail: slattern@nonlinsguru, aeh@nonlinsguru

Анотація – У роботі в рамках чисельного моделювання проводиться дослідження іонізації залишкових газів в робочій камері на коливальні процеси і ха-рактеристики генерації низьковольтного віркатора Запропоновано чисельна модель дозволяє врахувати іонізацію залишкового газу електронним потоком Отримані теоретичні результати знаходяться в доброму відповідності з експериментальним дослідженням на макеті низьковольтного віркатора

I                                       Введення

в даний час активно вивчаються джерела випромінювання НВЧ діапазону, що використовують в якості активного середовища електронні пучки з віртуальним катодом (ВК) [1,2] Одним з перспективних пристроїв з віртуальним катодом, запропонованих останнім часом, є низьковольтний Вірка-тор [3, 4], в якому освіта нестаціонарного ВК в нерелятивістському електронному потоці здійснюється за рахунок додаткового гальмування електронів в просторі дрейфу У подібній системі можливе формування ВК і генерація хаотичного широкосмугового сигналу при малих токах і щільностях електронного пучка [3]

Важливою завданню дослідження коливальних процесів в електронному пучку з ВК є облік процесів іонізації залишкового газу в робочій камері низьковольтного віркатора і, відповідно, впливу позитивних іонів

Відомо [5], що при інжектування релятивістського електронного пучка з надкритичним струмом в робочу камеру віркатора, заповнену газом низького тиску, спочатку в ній формується ВК, в області якого відбувається інтенсивна іонізація газу (швидкість електронів мала, а їх концентрація в області ВК сильно перевершує концентрацію в площині інжекції) За рахунок іонізації і появи позитивного заряду іонів відбувається зарядова нейтралізація ВК, в результаті чого він зміщується у напрямку руху прогонових електронів до вихідний стінці труби дрейфу При досягненні ВК вихідний стінки СВЧ генерація в віркатора припиняється

Представляється цікавим, розглянути вплив іонізації залишкових газів на фізичні процеси в нерелятивістському електронному пучку, тому метою даної роботи є теоретичне вивчення впливу залишкових газів на динаміку ВК і характеристики генерації низьковольтного віркатора

II                              Основна частина

Для моделювання процесів іонізації залишкового газу в пролетном проміжку була запропонована наступна чисельна схема При інжектування електронного пучка в трубу дрейфу, заповнену залишковим газом електрони можуть виробляти ударну іонізацію молекул газу, в результаті якої утворюється позитивно заряджений іон і повільний вторинний електрон Позитивні іони вводилися шляхом урахування коефіцієнта іонізації [6], який визначається, як кількість іонів, утворених одним електронів на шляху в 1см при тиску в 1 мм рт ст і температурі 20 ° С Таким чином кількість пар «позитивний іон – повільний електрон »утворених в одиничному обсязі за час At виражається як:

де Вр – нормований коефіцієнт іонізації, що залежить від тиску в робочій камері і від середньої по модулю Vav швидкості всіх і частинок пройшли за час At через одиничний обєм

Рис 1 Просторово-часова діаграма і розподіл щільності просторового заряду електронного пучка, а також просторово тимчасовий розподіл щільності просторового заряду позитивних іонів при тиску в 5 ^ 10

^ Мм рт ст

Fig 1 Spatiotemporal diagram and space charge density distribution of the electron beam and spatiotemporal distribution of the positive ions space charge for the value of pressure 5^1millimeters of mercury

Моделювання нестаціонарних процесів в пучку з ВК проводилося в рамках одновимірної моделі методом великих часток Результати чисельного розрахунку показують, що за наявності залишкового газу в пролетном проміжку утворюється ВК, після чого начитається активна іонізація залишкового газу в області ВК, де швидкості електронів досить малі [6] Потім, у міру того як просторовий заряд ВК нейтралізується позитивними іонами, відбувається його зміщення у напрямку прогонових електронів

На рис1 представлені просторово тимчасова діаграма електронного потоку (кожна лінія відповідає траєкторії окремого електрона в координатах X і г) і діаграми розподілу щільності просторового заряду електронів та іонів З малюнка видно, що після утворення ВК в просторі взаємодії щільність електронів різко зростає, починається активна іонізація залишкового газу, що добре видно з просторового розподілу щільності заряду іонів У міру компенсації просторового заряду ВК він зміщується до правої межі системи і потім витісняється з простору взаємодії

Далі під дією зовнішнього поля важкі позитивні іони повільно дрейфують до правої межі системи, в результаті чого щільність позитивного просторового заряду в межсеточ-ном просторі знижується, і створюються умови для виникнення другого ВК і відновлення генерації [7] Після утворення ВК знову відбувається збільшення просторового заряду іонів і витіснення ВК, потім цей процес повторюється

Таким чином, сигнал низьковольтного віркатора являє собою послідовність хаотичних імпульсів Отримані теоретичні та чисельні результати виявляються в хорошому якісному співвідношенні з результатами експериментального дослідження низьковольтного віркатора при великих тисках залишкового газу в камері дрейфу [7]

III                                  Висновок

Таким чином, розроблена чисельна модель, що дозволяє врахувати процеси іонізації залишкових газів і вплив позитивних іонів на коливальні процеси в низьковольтному віркатора У рамках чисельного моделювання показано, що наявність залишкових газів в робочій камері низьковольтного віркатора призводить до витіснення ВК з простору взаємодії і зриву СВЧ генерації

Робота виконана за підтримки РФФМ (проекти № № 05-02-16286 та 06-02-81013), ФЦНТП «Дослідження і розробки за пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки» (НДР 2006-РІ-190/001/053, 2006-РІ -190/001/054) і Президентської програми підтримки провідних наукових шкіл РФ (НШ-416720062)

IV                           Список літератури

[1] А А Рухадзе, С Д стовпець, В П Тараканов І Радіотехніка та електроніка 1992 Т 37 № 3 С 385 .

[2] Д І Трубецькой, А Е Храмов «Лекції з СВЧ електроніці для фізиків» Т2 М: Физматлит, 2004 .

[3] Ю А Калінін, А А Куренівський, А Е Храмов,

Є Н Єгоров, Р А Філатов І Фізика плазми 2005 Т

31 № 11 С 1009-1025

[4] Єгоров Є Н, Калінін Ю А, Левін Ю І, Трубецькой Д І, Храмов А Е І Изв РАН, сер физич,

69(12): 1724, 2005

[5] Селемір В Д, Дубини А Е, Птіцин Б Г, Євсєєв-ко А А, Летягін В А, Нургалієв Р К, Суворов В Г, Судовцов А В / / Листи в ЖТФ 27 (22), (2001), 73-79

[6] І В Алімовський, Електронні пучки та електронні гармати М: Сов Радіо, 1966

[7] Р А Філатов, Ю А Калінін, А Е Храмов / / Листи до ЖТФ 2006 Т 32 № 11 С 61 -67

THE INFLUENCE OF RESIDUAL GASES IONIZATION ON THE VIRTUAL CATHODE DYNAMICS IN THE LOW-VOLTAGE VIRCATOR

Filatov R A, Hramov A E, Kalinin Yu A, Egorov E N Saratov State University Saratov, 410012, Russia e-maii: siattern@noniinsgu ru

Abstract – Present report deals with studying of the influence of the residual gases ionization on the oscillatory processes and generation characteristics ofthe low-voltage vircator in terms of numerical simulation We have offered the numerical model that allows considering of residual gases ionization by electron flow

I                                         Introduction

Microwave radiation sources using electron beams with virtual cathodes (VCs) as the active medium have been extensively studied [1, 2] Recently, we proposed new promising scheme ofthe microwave generator with VC, called low-voltage vircator [3, 4], where nonstationary VC in the electron beam is formed due to additional electrons retardation in the drift space In this system, VC formation and chaotic broadband signal generation are possible at low currents and electron flux densities [3] Investigation of oscillatory processes in the low-voltage vircator is in the evaluation of positive ions influence on space charge oscillations in the electron beam with VC

II                                        Main part

Detailed analysis of physical processes in the electron beam with VC in the presence of residual gases was performed by means of numerical simulation using the particle-in-cell (PIC) code While injecting in the drift tube electron can effect the impact ionization which results in the generation of the positive ion and the slow secondary electron Positive ions have been introduced using calculation of the ionization coefficient which is the quantity of the positive ions generated by one electron passing 1 cm way for 1 mm of mercury pressure and 20 °C temperature Thus, the quantity of the positive ions generated in the unit volume for the interval At is calculated as:

where Sp is the normalized ionization coefficient depending on the pressure in the working chamber and on the average by the absolute value velocity Vav of n particles that have passed the unit volume for the interval Af Numerical simulation shows that the presence of residual gases in the working chamber leads to electron charge neutralization near the VC As a result, the VC shifts in the direction of beam propagation toward the output end ofthe drift tube Figure 1 shows the typical spatiotemporal diagram and the corresponding distributions of the space charge density due to electrons ofthe beam and positive ions It clearly illustrates the process of VC formation in the drift space, which is characterized by the densification of particle trajectories in the spatiotemporal diagram and by an increase in the space charge density of electrons in the beam The VC formation is accompanied by the intense ion production near the VC, where the electron velocities are close to zero Then, as the negative space charge is compensated by the positive ions (whose density near the VC is increasing), the VC is shifted toward the second grid and displaced out ofthe interaction space, and the microwave generation in the system is terminated

III                                       Conclusion

The work deals with an experimental and theoretical study of the positive ion influence on the VC dynamics in the low- voltage vircator It was shown that the presence of residual gases in the working chamber leads to displacement of VC out of the floating-drift space and to the suppression of microwave oscillations

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р