ВЛИЯНИЕ ИОНИЗАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ НА ДИНАМИКУ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА В НИЗКОВОЛЬТНОМ ВИРКАТОРЕ

January 6, 2013 by admin Комментировать »

Филатов Р. А., Храмов А. Е., Калинин Ю. А., Егоров Е. Н. Саратовский государственный университет Саратов, 410012, Россия Тел.: (8452) 514294; e-mail:slattern@nonlin.sgu.ru, aeh@nonlin.sgu.ru

Аннотация – В работе в рамках численного моделирования проводится исследование ионизации остаточных газов в рабочей камере на колебательные процессы и ха- рактеристики генерации низковольтного виркатора. Предложена численная модель позволяющая учесть ионизацию остаточного газа электронным потоком. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем соответствии с экспериментальным исследованием на макете низковольтного виркатора.

I.                                       Введение

в настоящее время активно изучаются источники излучения СВЧ диапазона, использующие в качестве активной среды электронные пучки с виртуальным катодом (ВК) [1,2]. Одним из перспективных устройств с виртуальным катодом, предложенных в последнее время, является низковольтный вирка- тор [3, 4], в котором образование нестационарного ВК в нерелятивистском электронном потоке осуществляется за счёт дополнительного торможения электронов в пространстве дрейфа. В подобной системе возможно формирование ВК и генерация хаотического широкополосного сигнала при малых токах и плотностях электронного пучка [3].

Важной задаче исследования колебательных процессов в электронном пучке с ВК является учет процессов ионизации остаточного газа в рабочей камере низковольтного виркатора и, соответственно, влияния положительных ионов.

Известно [5], что при инжектировании релятивистского электронного пучка со сверхкритическим током в рабочую камеру виркатора, заполненную газом низкого давления, сначала в ней формируется ВК, в области которого происходит интенсивная ионизация газа (скорость электронов мала, а их концентрация в области ВК сильно превосходит концентрацию в плоскости инжекции). За счет ионизации и появления положительного заряда ионов происходит зарядовая нейтрализация ВК, в результате чего он смещается по направлению движения пролетных электронов к выходной стенке трубы дрейфа. При достижении ВК выходной стенки СВЧ генерация в виркаторе прекращается.

Представляется интересным, рассмотреть влияние ионизации остаточных газов на физические процессы в нерелятивистском электронном пучке, поэтому целью данной работы является теоретическое изучение влияния остаточных газов на динамику ВК и характеристики генерации низковольтного виркатора.

II.                              Основная часть

Для моделирования процессов ионизации остаточного газа в пролетном промежутке была предложена следующая численная схема. При инжектировании электронного пучка в трубу дрейфа, заполненную остаточным газом электроны могут производить ударную ионизацию молекул газа, в результате которой образуется положительно заряженный ион и медленный вторичный электрон. Положительные ионы вводились путем учета коэффициента ионизации [6], который определяется, как количество ионов, образуемых одним электронов на пути в 1см при давлении в 1 мм рт. ст. и температуре 20°С. Таким образом количество пар «положительный ион – медленный электрон» образуемых в единичном объеме за время At выражается как:

где Вр – нормированный коэффициент ионизации, зависящий от давления в рабочей камере и от средней по модулю Vav скорости всех и частиц прошедших за время At через единичный объем.

Рис. 1. Пространственно-временная диаграмма и распределение плотности пространственного заряда электронного пучка, а также пространственно временное распределение плотности пространственного заряда положительных ионов при давлении 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.

Моделирование нестационарных процессов в пучке с ВК проводилось в рамках одномерной модели методом крупных частиц. Результаты численного расчета показывают, что при наличии остаточного газа в пролетном промежутке образуется ВК, после чего начитается активная ионизация остаточного газа в области ВК, где скорости электронов достаточно малы [6]. Затем, по мере того как пространственный заряд ВК нейтрализуется положительными ионами, происходит его смещение по направлению пролетных электронов.

На рис.1 представлены пространственно временная диаграмма электронного потока (каждая линия соответствует траектории отдельного электрона в координатах X и г) и диаграммы распределения плотности пространственного заряда электронов и ионов. Из рисунка видно, что после образования ВК в пространстве взаимодействия плотность электронов резко возрастает, начинается активная ионизация остаточного газа, что хорошо видно из пространственного распределения плотности заряда ионов. По мере компенсации пространственного заряда ВК он смещается к правой границе системы и затем вытесняется из пространства взаимодействия.

Далее под действием внешнего поля тяжелые положительные ионы медленно дрейфуют к правой границе системы, в результате чего плотность положительного пространственного заряда в межсеточ- ном пространстве снижается, и создаются условия для возникновения второго ВК и возобновления генерации [7]. После образования ВК вновь происходит увеличение пространственного заряда ионов и вытеснение ВК, затем этот процесс повторяется.

Таким образом, сигнал низковольтного виркатора представляет собой последовательность хаотических импульсов. Полученные теоретические и численные результаты оказываются в хорошем качественном соотношении с результатами экспериментального исследования низковольтного виркатора при больших давлениях остаточного газа в камере дрейфа [7].

III.                                  Заключение

Таким образом, разработана численная модель, позволяющая учесть процессы ионизации остаточных газов и влияние положительных ионов на колебательные процессы в низковольтном виркаторе. В рамках численного моделирования показано, что наличие остаточных газов в рабочей камере низковольтного виркатора приводит к вытеснению ВК из пространства взаимодействия и срыву СВЧ генерации.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты №№ 05-02-16286 и 06-02-81013), ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (НИР 2006-РИ- 19.0/001/053, 2006-РИ-19.0/001/054) и Президентской программы поддержки ведущих научных школ РФ (НШ-4167.2006.2).

IV.                           Список литературы

[1]  А. А. Рухадзе, С. Д. Столбецов, В. П. Тараканов И Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37. № 3. С. 385..

[2]  Д. И. Трубецков, А. Е. Храмов «Лекции по СВЧ электронике для физиков». Т.2. М.: Физматлит, 2004..

[3]  Ю. А. Калинин, А. А. Короновский, А. Е. Храмов,

Е. Н. Егоров, Р. А. Филатов И Физика плазмы. 2005. Т.

31. № 11. С. 1009-1025.

[4]  Егоров Е. Н., Калинин Ю. А., Левин Ю. И., Трубецков Д. И., Храмов А. Е. И Изв. РАН, сер. физич.,

69(12): 1724, 2005.

[5]  Селемир В. Д., Дубинов А. Е., Птицын Б. Г., Евсеен- ко А. А., Летягин В. А., Нургалиев Р. К, Суворов В. Г., Судовцов А. В. // Письма в ЖТФ 27(22), (2001), 73-79.

[6]  И. В. Алимовский, Электронные пучки и электронные пушки. М.: Сов. Радио, 1966.

[7]  Р. А. Филатов, Ю. А. Калинин, А. Е. Храмов // Письма в 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@noniin.sgu 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты