В. І. Перекладачів, П. В. Боровиков, С. І. Гусєв, М. А. Зав’ялов, Ю. А. Кузнецов,

Π. М. Тюрюканов, А. Л. Шапіро

ГУП “Всеросійський електротехнічний інститут ім. В. І. Леніна” (ВЕІ), Москва

Відкриття пучкової нестійкості в плазмі Файнберг і Ахієзером [1] і підемо дослідження привели до створення плазмової СВЧ-електроніки. Явище пучкової нестійкості, засноване на черенковських резонансі, полягає в ефективній взаємодії електронного пучка з плазмою, супроводжуване порушенням плазмових коливань. Наступні експерименти [2-4] продемонстрували можливість високоефективної трансформації початкової енергії електронного пучка в мікрохвильову енергію збуджених коливань. Цією проблемою в даний час активно займаються вчені Інституту загальної фізики РАН, Харківського фізико-технічного інституту [5-6]. Великі теоретичні та експериментальні дослідження по вивченню впливу плазми на дисперсійні та електронні характеристики пучково-плазмових приладів (111Ш) проводяться в Мерілендського університеті (США) [7, 8]. У компанії “Huges” (США) проводиться розробка та експериментальні дослідження плазмово-наповнених СВЧ-генераторів [9]. Роботи зі створення приладів НВЧ на цьому принципі знаходяться усюди поки в дослідницькій стадії.

Оскільки вже на початку досліджень була показана можливість використання переваг пучково-плазмового взаємодії, перед нами постало завдання створення нерелятівістского приладу СВЧ з плазмовим заповненням, але виготовленого за технологією відпаяного електровакуумного приладу. Основні параметри, за якими він повинен перевищувати традиційні вакуумні прилади, – більш високе значення електронного ККД і потужності безперервного випромінювання, а також розширена смуга частотного діапазону. Враховуючи специфіку порушення коливань в заповнених плазмою уповільнюють структурах (ЗС), необхідно було ретельно дослідити якість підсилюється сигналу, і особливо його шумові характеристики.

Відомо, що початкові спроби створення нерелятівістского СВЧ-приладу з плазмовим заповненням закінчилися невдало [10]. Причиною ситуації є сама природа плазмових полів, що носять колективний кулонівський характер, що призводить до переходу системи до нелінійної динаміці, з підключенням розпадного і параметричних нестійкостей вже на початковій стадії пучково-плазмового взаємодії, а також труднощі при створенні ефективного широкосмугового пристрою для випромінювання коливань плазмового хвилеводу в зовнішні антенно-фідерні пристрої.

Одним з можливих шляхів виходу із ситуації став перехід до використання як ЗС плазменно-резонаторних систем, що представляють собою ланцюжки магнітносвязанних резонаторів з плазмовим заповненням прогонової каналу (рис. 1). У таких ЗС пучково-плазмове взаємодія зосереджена в пролетном каналі ЗС, при цьому велика частина поздовжнього потоку мікрохвильової енергії проходить поза прогонової каналу через маітние щілини зв’язку. Гібридна ЗС має ” вакуумну “структуру електромагнітного поля поза прогонової каналу, що дозволяє застосовувати традиційні рішення для конструювання узгоджувальних пристроїв, забезпечують введення і виведення СВЧ-енергії, а полум’яне наповнення прогонової каналу забезпечує високу ефективність взаємодії між пучком і хвилею [12, 13] .Ріс. 1. Форма замедляющей структури типу ланцюжка пов’язаних резонаторів (ЦСР): 7 – область прогонової каналу, заповнена плазмою, 2 – область резонатора з індуктивними щілинами зв’язку.

Детальні дослідження структури електромагнітних полів в гібридних структурах виявили поділ у поперечному напрямку поздовжніх і поперечних компонент електромагнітного поля [7]. Це призводить до перерозподілу поздовжнього потоку в область магнітних щілин зв’язку, поза плазмового хвилеводу. При цьому зберігається об’ємна структура поздовжнього електричного поля. Витіснення потоку енергії з обсягу, зайнятого плазмою, з одного боку, призводить до ефективного випромінювання хвиль в зовнішні хвилеводи, з іншого – суттєво зменшує щільність енергії в плазмовому хвилеводі, стабілізуючи розвиток нелінійних плазмових процесів. Таким чином, гібридні плазменно-резонаторні системи поєднують в собі високу ефективність взаємодії, характерну для плазмових хвилеводів, з можливістю практично повного випромінювання мікрохвильової енергії порушуваних СВЧ-полів [6, 14].

Переваги гібридних уповільнюють структур визначаються такими особливостями:

■ компенсацією просторового заряду електронного пучка і, отже, більшою фазової щільністю електронних згустків; іоб’ємним характером взаємодії в

Рис. 2. Розподіл поля Ег (Г) в прогонових каналі ЦСР: 1 – ωρ = 0; 2 – ωρ = 1,0 ω0; 3 – ωρ = 1,25 ω0; 4 – ωρ = 2,2 ω0; ω0 – Робоча частота.

системі пучок – плазма, при якому електромагнітна хвиля в зазорах ЗС має максимум поля в центрі прогонової каналу (рис. 2), що призводить до більш ефективного енергообміну між пучком і підсилюваної СВЧ хвилею;

ічисельні розрахунки гібридної ЗС покази вают, що при заповненні плазмою значно, в три – п’ять разів, виростає опір плазми [15] (рис. 3), що дозволяє підвищити потужність приладу; іекспериментальне дослідження електро динамічних характеристик гібридних ЗС [16] показало, що при заповненні ЗС плазмою відбувається зрушення дисперсійної кривої у бік вищих частот (рис. 4), практичним наслідком цього стало розширення робочого частотного діапазону приладу.

Крім того, в [17] встановлено, що в умовах стаціонарної інжекції електронного пучка в плазму може мати місце нелінійний фазовий резонанс, в умовах якого фазова швидкість хвилі в плазмі убуває синхронно зі швидкістю пучка. Спад фазової швидкості хвилі обумовлений залежністю щільності плазми від амплітуди поля, а спад швидкості електронів пучка в приладах О-типу – передачею енергії пучка збудженим мікровол-

новим коливанням. Тому для захоплених хвилею електронних згустків черенковський резонанс зберігається на нелінійній стадії взаємодії, що супроводжується істотним зростанням ККД плазменно-пучкового підсилювача.

Вирішальним кроком у створенні ППП стала розробка в ВЕІ газодинамической системи, що забезпечує зміну тиску водню в структурі ЦСР при збереженні досить високого вакууму в електронній гарматі. У поєднанні з розробкою специфічних вакуумно-технологічних процесів та елементів катодно-підігрівальні вузла це дозволило створити відпаяти прилад. Термін служби ППП може досягати більше тисячі годин.

Рис. 5. Схематичний вид пучковоплазменного приладу – плазмової ЛБХ:

1 – електронна гармата, 2 – гетерная система диференціальної відкачування, 3 – коаксіальний вхід, 4 – електродинамічна система, 5 – вікно виведення СВЧ-потужності, 6 – колектор електронного пучка, 7 – генератори водню.

На рис. 5 представлена ​​конструктивна схема приладу. ППП можна називати плазмової ЛЕВ. Електронний пучок (20 кеВ, ЗА), що транспортується в пролетном каналі ЦСР в магнітному полі з індукцією 0,25 Т, створює пучкову плазму з концентрацією до 1012 см “3 та електронної температурою до 20 еВ при тиску водню 1,0-10 “3 Торр. Газодинамічна система ППП дозволяє регулювати тиск газу в електродинамічної структурі від 10 “6 до 10 “2 Торр. При цьому забезпечується вакуумний перепад між електродинамічної структурою і електронною гарматою, що робить можливим як вакуумний, так і плазмовий режим роботи.

На рис. 6 показана залежність вихідної потужності електромагнітного випромінювання підсилювача від тиску робочого газу (водню) при постійних параметрах електронного пучка. Плазмовий режим роботи приладу з електронним ККД 30% досягається при тиску 0,6-1,0 мТорр.

Дослідження та розробка гібридних резонаторних систем, заповнених плазмою, дозволили істотно розширити робочий діапазон. На рис. 7 наведені характеристики КСВ по входу 111111, що показують, що в високочастотної області гранична частота в плазмовому режимі може бути істотно зрушена. Ці дані підтверджуються також дослідженнями амплітудно-частотних характеристик приладу.

На рис. 8 наведено амплітудно-частотні характеристики приладу для вакуумного і плазмового режимів роботи, отримані при фіксованій потужності вхідного сигналу. Характеристики наочно демонструють переваги: ​​збільшення вихідної потужності і розширення робочої смуги частот в плазмовому режіме.Разрабативаемий ППП, завдяки великої потужності і ширині робочої смуги частот, може знайти застосування в технологічних плазмохимических процесах, перспективно також застосування ППП в системах зв’язку та радіолокації. Оцінка його можливостей використання в даних цілях зажадала детального дослідження якості підсилюється сигналу. Дослідження амплітудної характеристики показали, що вони лінійні в діапазоні вхідних сигналів від 10 до 50-100 Вт Вихідна потужність при цьому змінилася від одиниць до 15-25 кВт.

Рис. 6. Залежність вихідної потужності електромагнітного випромінювання підсилювача від тиску робочого газу (водню) при нульовому потенціалі колектора (1), при (Лолі = -60 В (2).

Рис. 7. Графік частотної залежності КСВ для коаксіального вхідного пристрою ППП: 1 – вакуумний режим; 2 – плазмовий режим роботи.

Попередні дослідження показали, що зміна фази не перевищує 0,02 радий за 0,6 мс. Детально були досліджені характеристики шумів в робочій смузі частот і її околицях, а також випромінювання на 2-й і 3-й гармониках. Було встановлено, що рівень випромінювання на другій гармоніці становить -40 дБ, на третьому нижче -55 дБ.

Рис. 8. Графік залежності вихідної потужності (кВт) ППП від частоти (відн. Од.) – Амплітудно-частотні характеристики приладу: 1 – вакуумний режим, 2 – плазмовий режим роботи.

У безперервному режимі, при наявності електронів пучка номінальної потужності і відсутності вхідного сигналу, інтегральна потужність шумів в робочій смузі не перевищує 0,1 Вт, що відповідає рівню -50 дБ по відношенню до максимальної величини підсилюється сигналу.

Дослідження збудження комбінаційних складових при посиленні двох сигналів показали, що їх рівень не перевищує -27 дБ.

Таким чином, можна зробити висновок, що за якістю підсилюється сигналу плазмова ЛБХ не поступається потужним вакуумним приладам. Це дозволяє вважати, що використання ППП в зв’язку та радіолокації можливо. Велика потужність у безперервному режимі і ширина робочої смуги частот визначають перспективність подальших досліджень у даному напрямку.

Параметри розроблюваних ППП в S- і С-діапазоні наступні: вихідна СВЧ-потужність 20 кВт, ширина робочої смуги частот за рівнем -3 дБ 30%,

ККД 30%, прискорює напруга ~ 20 кВ, коефіцієнт посилення 22 дБ, рівень щільності шуму в робочій смузі, не більше 1,0 мкВт / МГц, відносний рівень шуму в робочій смузі, не більше -50 дБ, рівень комбінаційних складових при режимі посилення двох сигналів, не більше-27 дБ, рівень збудження другої гармоніки, не більше -40 дБ.

Створення підсилювача на ППП призвело до необхідності розробки потужного компактного джерела живлення, що відповідає сучасним вимогам. Для забезпечення мінімальних масогабаритних показників у джерелі живлення використовується інвертор, що підвищує робочу частоту з 50 Гц до 8 кГц, а також конвертер, стабілізуючий відбір потужності з мережі в режимі великої тривалості імпульсів. У високовольтному трансформаторі використовується аморфне залізо і твердотільна ізоляція. Він має рідинне охолодження.

Рис. 9. Форма пучково-плазмового підсилювача з джерелами живлення.

На виході джерела живлення встановлений електронний комутатор на спеціально розробленій електронній лампі – електронно-променевому вентилі. Комутатор забезпечує формування імпульсів в широкому діапазоні частоти і шпаруватості, обмежує струм навантаження і забезпечує захисні функції.

Маса підсилювача, що включає ППП з соленоїдом і джерело живлення, не перевищує 600 кг. На рис. 9 приведена фотографія підсилювача з соленоїдом і джерелами живлення.

Унікальне поєднання параметрів ППП – високий ККД, широкополосность, якість підсилюється сигналу – відкриває широкі перспективи їх застосування в телекомунікаціях та інших технологіях.

Розробка нових пучково-плазмових СВЧ-приладів, заснованих на нових фізичних принципах і з новими технічними характеристиками, з підвищеним рівнем безперервної вихідний мікрохвильової потужності в телекомунікаціях, дозволить:

■ збільшити число каналів в лініях радіозв’язку, радіомовлення, телебачення та телеуправління не менш ніж у 10 разів;

■ скоротити в 3-5 разів кількість супутникових ретрансляторів в космічних системах зв’язку, радіомовлення і телебачення;

■ підвищити дальність дії і перешкодозахищеність систем радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації і телеуправління;

“Створити потужні широкосмугові передавачі, призначені для порушення роботи систем зв’язку, управління, радіолокації та навігації противника у військових конфліктах.

Не менш цікаві можливості 111111, що мають велику потужність безперервного випромінювання і широку смугу робочих частот, в технології. В даний час всі основні СВЧ-розрядні технології засновані на застосуванні магнетронов, що мають вихідну потужність кілька десятків кіловат і вузьку, що не перестраиваемую робочу смугу електромагнітного випромінювання. Сканування частоти потужного випромінювання по необхідному закону дає можливість створювати ефективні керовані СВЧ-генератори нерівноважної плазми. Електронно-циклотронні СВЧ-розряди зі скануванням частоти ефективні для застосування в плазмохимических ” Реакторах-локалізатори “, які дозволять вирішувати завдання отримання водню з вуглеводнів, а також актуальні екологічні проблеми з переробки радіоактивних відходів, компонентів хімічної зброї, очищення газів.

Процеси стохастизації НВЧ-коливань в генераторах на основі пучково-плазмових підсилювачів з запізнілої зворотним зв’язком можуть бути також застосовні в нерівноважної плазмохімії на основі стохастичного СВЧ-розряду. Електронно-циклотронні розряди зі скануванням частоти в неоднорідних магнітних полях дозволяють створювати широкі спрямовані інтенсивні потоки іонів для модифікації матеріалів і отримання плівкових структур в електроніці.

Пучково-плазмові підсилювачі НВЧ ефективні для високотемпературних технологічних процесів, таких як спікання керамічних виробів, матеріалів на основі діоксиду урану для елементів ТВЕЛ’ов ядерних реакторів, а також відомих систем з СВЧ- нагріванням [18]. Регулювання та підстроювання частоти дозволяють зберегти високу ефективність вкладу СВЧ-потужності при зміні електрофізичних властивостей оброблюваних матеріалів і забезпечити рівномірність нагріву за площею і глибиною об’єкта.

Література

1.        Ахиезер А. К, Файнберг Я. Б. / ДАН СРСР. 1949. Т. 69. С. 555.

2.        Fainberg Y. В., Thatch YV, Gadetsky N. Р. et al І Ukr. Phys. J. 1978. V. 23. P. 1902.

Бернашевскій Г. А., Богданов E. В., Кисле В. Я., Чернов 3. С. Плазмові та електронні підсилювачі і гені ратора СВЧ / Под ред. 3. С. Чернова. М .: Сов. радіо, 1965. 96 с.

3.        Кузеля М. В., Рухадзе А. А., Богданкевич Л. С. Плазмова СВЧ-електроніка // УФН. 1981. Т. 133. С. 3.

4.        Кузеля М. В., Рухадзе А. А., Лоза О. Т, Шкварунец П. С. Плазмова релятивістська СВЧ-електроніка // Фізікаплазми. 2001. Т. 27, № 8. С. 710-733.

5.        Файнберг Я. Б., Бліох Ю. П., Корнілов Е. А. та ін. Пучково-плазмовий генератор // Фізика плазми. 1994. Т. 20, № 9. С. 777.

6.        Carmel Y., Lou W. R., Antonsen T. M. Jr., Rodgers 3., Levush B., Destler W. W., and Granatstein V. L. Relativistic plasma microwave electronics: Studies of high-power plasma-filled backward wave oscillators // Ph vs. Fluids B. 1992. V. 4. P. 2286-2292.

7.        Carmel Y., Antonsen T. M. Jr., Nusinovich G. S., Goebel D. M. Recent progress in the Development of Plasma-Filled TWT’s and BWO’s // IEEE Trans. Plasma Sci. June 1998. V. 26. P. 693-698.

8.        Goebel D. M., Schumacher R. W., and Eisenhart R. L. Perfomance and Pulse Shortening in 200-kV PASATRON HPM // IEEE Trans. Plasma Sci. June 1998. V. 26. P. 354-366.

9.        Трубецькой Д. І., Пищик Л. А. // Фізика плазми. 1989. Т. 15. С. 342.

І. Mitin LA, Perevodchikov VI, Shapiro AL et al І IEEE Transactions on Plasma Science. 1994. V. 22, № 5. P. 600-607.

12.     Файнберг Я. Б., Бліох Ю. П., Любарський М. Г. та ін. Електродинаміка гібридних плазмово-хвилеводних уповільнюють систем // Доповіді АП УРСР. 1990. № 11. С. 77.

13.     Karbushev NI, Kolosov VA, Ostreosky Е. 1., and Polovkov А. I. Hybrid plasma slow-wave structures for linacs and microwave power sources // Pulsed RE Sources A1P Conf. Proc. 337. 1994. Montauk, NY.

14.     Borovikov P. V., Perevodchikov V. /., Kuznetsov Y. A. et al. High Power Wide Bandwidth Plasma-beam Amplifier // Proc. of Int. Vacuum Electronics Conf. Monterrey, 2000.

15.     Боровиков П. В., Григор’єв А. Д., Мейев В. А., Мітін Л. А. Розрахунок характеристик гібридних хвиль в ЗС типу ЦСР, частково заповнених плазмою // Известия ЛЕТІ. Л., 1991. Вип. Хь 434. С. 72-75.

16.     Боровиков П. В., Зав’ялов М. А., Конкін В. А. Метод теплих випробувань гібридних електродинамічних структур НВЧ // Наукова сесія МІФІ-2000. М., 2000. С. 50.

17.     Красовицький В. Б., Мітін Л. А. Посилення регулярної хвилі електронним пучком в плазмі в умовах нелінійного фазового резонансу // Фізика плазми. 1997. Т. 23, № 3. С. 230-235.

18.     Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. СВЧ-енергетика. М., 2000.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.