ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ ДЛЯ МОЩНЫХ ВАКУУМНЫХ СВЧ-УСТРОЙСТВ

October 24, 2014 by admin Комментировать »

Г. Г. Соминский

Государственный технический университет, Санкт-Петербург

Вакуумные электронные устройства, используемые для получения СВЧ-излучений большой мощности, весьма разнообразны, но их роднит важное свойство: их характеристики определяются в значительной степени явлениями в своеобразной "активной среде" – пространственном заряде высокой плотности. Понимание физических процессов, происходящих в такой среде, знание характеристик электронных потоков необходимы для совершенствования существующих СВЧ-устройств, а также для выявления новых способов решения задач СВЧ-электроники больших мощностей. Пространственный заряд в сильноточных СВЧ- устройствах существенно неоднороден, представляет собой колебательную систему, свойства которой определяются условиями его создания и удержания, взаимодействием электронов с электромагнитными полями и окружающими электродами. Аналитическое рассмотрение процессов в столь сложной системе сталкивается зачастую с непреодолимыми трудностями, а численные компьютерные методы применимы, как правило, для рассмотрения только сильно идеализированных моделей явлений. По указанным причинам эксперимент до сих пор является основным, а во многих случаях и единственным способом определения важнейших характеристик активной среды электронных СВЧ-устройств. В настоящее время создано множество слабовозмущающих методов диагностики, позволяющих определять важнейшие характеристики электронных потоков высокой плотности [1-9]. В данном кратком обзоре мы ограничимся рассмотрением методов диагностики только электронно-пучковых систем и не будем детально анализировать широко используемые методы измерения. В большей степени сосредоточимся на небольшом количестве экспериментальных методов, не описанных подробно в существующих монографиях и обзорах, но представляющих интерес с практической точки зрения.мишенях [1, 3, 7]. Но эта информация может быть получена только в одном импульсе, после чего мишень должна быть заменена. Лучше приспособлены для измерения характеристик j(f) специально разработанные матричные многоэлектродные системы, использование которых позволяет одновременно фиксировать токи на разные участки поверхности коллектора [12, 13]. Указанные системы также не лишены недостатков. При их использовании необходимо одновременно измерять токи с большого количества миниатюрных коллекторов, что технически трудно. Одна из трудноразрешимых проблем данной методики состоит, кроме того, в необходимости выделения малых полезных сигналов на фоне больших по амплитуде – паразитных сигналов.

Повысить помехозащищенность удается путем замены измерения токов на малые локальные участки коллектора регистрацией характеристик рентгеновского излучения с этих участков, вызванного электронной бомбардировкой [14, 15]. Для выделения рентгеновских излучений с локальных участков коллектора авторы работ [14, 15] использовали специальные маски, которые пропускали рентгеновское излучение с коллектора только через систему периодически расположенных малых отверстий. Проникающее сквозь отверстия в маске рентгеновское излучение регистрировалось вне вакуумной оболочки экспериментального прибора с помощью миниатюрных pin-диодов [14] или давало "отпечаток" на чувствительном фотоматериале [15]. Несмотря на очевидное достоинство рентгеновской диагностики, она, как и другие модификации метода, использующего многоэлектродные системы, не обеспечивает высокого пространственного разрешения при регистрации структуры пучка.

Наиболее совершенными из существующих представляются методы определения поперечной структуры сильноточных электронных пучков на основе регистрации полной картины рентгеновского (ПРК) [16, 17] либо теплового (ПТК) [6] излучения с коллектора. Рассмотрим эти два метода более подробно на основе данных нашей научной группы [6, 17]. В рентгеновской диагностике [17] для определения поперечной структуры РЭП регистрировалось распределение потока тормозного рентгеновского излучения с коллектора. На рис. 1 схематически показано сечение коаксиального диода с магнитной изоляцией (КДМИ), использованного для формирования РЭП. Визуализация этого распределения осуществлялась специальным рентгеновским электронно-оптическим преобразователем (РЭОП) с микроканальным вторичноэлектронным умножителем на входе. Излучение с коллектора КДМИ направлялось на РЭОП через камеру-обскуру. Изображения с его выхода с помощью телекамеры и системы цифрового преобразования сигналов передавались в компьютер, который использовался для хранения и обработки информации. Пространственное разрешение при таком способе регистрации увеличивается с уменьшением диаметра отверстия в камере-обскуре и ограничивается в связи с этим чувствительностью системы регистрации. В работе [17] было обеспечено пространственное разрешение ~1 мм. Рентгеновское изображение в РЭОП может быть сформировано за единицы – десятки наносекунд. Поэтому описанный метод открывает возможность наблюдения с высоким временным разрешением за изменением структуры электронного пучка в течение импульса.

Подобна рентгеновской (ПРК) методика тепловой визуализации (ПТК) структуры электронного пучка [6]. На рис. 2 схематически показано сечение использованной в [6] анализирующей системы. Тепловое изображение с бомбардируемого электронным пучком коллектора с помощью зеркала направляется через окно на вход электронно-оптического преобразователя (ЭОП), чувствительного в инфракрасной области спектра. Дее, как и в методе ПРК, изображение с экрана ЭОП с помощью телекамеры передается в компьютер. При использовании такого своеобразного ’’тепловизора” важно свести к минимуму влияние паразитного светового излучения от плазменных образований в канале транспортировки РЭП. При исследовании микросекундного РЭП изображение коллектора наблюдалось после окончания импульса, ускоряющего электроны напряжения. Таким образом удавалось выделить полезное тепловое излучение в связи с уменьшением к этому моменту уровня плазменных излучений. За время задержки тепловое изображение слабо менялось из-за теплопроводности. Как показали контрольные измерения, в которых наблюдались неоднородности РЭП, искусственно создаваемые с помощью специальных электродов, помещенных на пути пучка, даже при исследовании длинноимпульсного РЭП в методе ПТК достигается пространственное разрешение 2-3 мм. Кажется очевидным, что с уменьшением длительности импульсов пространственное разрешение, достижимое в методе ПТК, должно улучшаться.

Методы определения энергетических характеристик электронных потоков

Энергетический спектр электронов, а также их разброс по поперечной и продольной относительно направления магнитного поля составляющим скорости – важнейшие характеристики электронно-пучковых устройств. Для определения энергетических характеристик широко используется в интервале энергий вплоть до WQ~ 50-100 кэВ метод задерживающего поля (МЗП) [8, 18, 19]. При больших энергиях трудно обеспечить достаточную электрическую прочность высоковольтных зазоров анализирующих систем. Измерения энергетического спектра электронов в области энергий WQ> 100 кэВ могут быть выполнены на основе измерения глубины проникновения электронов в твердое тело [20]. Для реализации этого метода были созданы и использовались специальные многофольговые анализаторы [20]. Конструкция анализатора такого типа показана на рис. 3. Измерение токов на последовательность расположенных перпендикулярно электронному пучку поглощающих тонких металлических пластиноерегородок позволяет определять закономерности ослабления электронного тока фольгой и на основе этих данных определять энергетический спектр электронов. Для проведения таких измерений важно исключить формирование вторичной плазмы между перегородками. Это ограничивает плотности анализируемых токов величиной -100 А/см2 для микросекундных пучков с энергиями в несколько сотен килоэлектронвольт.

Рис. 4. Анализатор угловых характеристик движения электронов

При исследовании сильно замагниченных электронных пучков очень трудно оценить соотношение между продольной и поперечной составляющими скорости электронов. Поэтому был разработан специальный метод измерения угловых характеристик движения электронов, определяемых соотношением поперечной и продольной составляющих их скорости [21, 22]. Типичный анализатор для реализации такого метода схематически изображен на рис. 4. Измерение токов на стенки системы электродов с малым отверстием (коллиматоров) позволяет определить среднеквадратичные значения угла движения электронов в анализаторе. Полученные данные допускают однозначную интерпретацию, если радиус отверстий в коллимирующих электродах сравним по величине с ларморовским радиусом траектории электрона.

2.     Методы определения характеристик электронных потоков в пространстве их транспортировки

Реализовать слабовозмущающую диагностику электронного пучка на участке его транспортировки труднее, чем в коллекторной области. Многие слабовозмущающие методы, хорошо отработанные применительно к плазменным системам, не пригодны для исследования электронных пучков. Так, например, методы томпсоновского рассеяния и интерференционные, а также разнообразные СВЧ-методы диагностики [23] не могут обеспечить достаточного пространственного и временного разрешения при исследовании существенно неоднородных электронных потоков с концентрациями менее 1012—1013 см-3. Пригоден для исследования характеристик пространственного заряда электронных пучков на участке их транспортировки весьма ограниченный набор слабовозмущающих методов диагностики.

Как показали авторы [24], информация о поперечной структуре короткоимпульсных (30 нс) РЭП может быть получена при наблюдении люминесценции простреливаемой пучком тонкой (10 мкм) полимерной пленки. В данном случае пленочная мембрана выполняет роль своеобразного светящегося экрана. Однако эта простая и привлекательная методика не может быть использована для обследования более длинноимпульсных пучков, разрушающих даже такую тонкую преграду. Визуализация структуры электронных пучков может быть осуществлена с использованием вместо полимерной пленки других, более стойких по отношению к электронной бомбардировке "возобновляемых" экранов. Было испытано несколько способов создания таких экранов. В работе [25] в этом качестве использована струя атомов инертного газа. Наблюдаемое в направлении, перпендикулярном струе, свечение атомов газа, возбужденных электронным ударом, несет информацию о радиальном распределении плотности тока в пучке. Широкого распространения такая методика не получила, так как в этом случае трудно избежать существенного повышения давления газа в исследуемом приборе. Авторами работы [4] продемонстрирована возможность использования вместо газовой струи потока атомов легкоплавкого металла (индия). Преимущество такой диагностики перед газоструйной [25] в том, что атомы металла, обладающие существенно большим коэффициентом аккомодации, чем инертный газ, оседают на поверхности ограничивающих пучок электродов. Тогда в этом случае можно избежать заметного ухудшения вакуумных условий в приборе, не применяя скоростной его откачки. Может быть реализована возобновляемая мишень для визуализации потока электронов также с помощью осыпающегося порошка микрочастиц с характерными размерами порядка нескольких микрон [26]. Описанные возобновляемые мишени не возмущают заметным образом исследуемого электронного потока, если длина свободного пробега электронов существенно превосходит толщину мишени в направлении распространения электронов. Это условие удается выполнить даже для пучков с умеренной энергией электронов -10-20 кэВ [4, 25, 26]. Можно ожидать, по-видимому, что при больших энергиях электронов это условие будет выполнено тем более. Однако описанные возобновляемые мишени не использовались до сих пор для диагностики сильноточных электронных потоков.

Описанные в данном разделе методы несут только качественную информацию о структуре электронного пучка. Практически единственный метод дает непосредственную информацию о распределении потенциала (или пространственного заряда) в электронных пучках. Это так называемый "метод ионного тока" [27, 28]. Первоначально этот метод был разработан и испытан для диагностики пространственного заряда в мощных устройствах магнетронного типа [27]. Но позже была продемонстрирована возможность его применения для исследования характеристик РЭП [28]. При использовании этого метода в магнетронных приборах информация о распределении потенциала в сечении электронного потока получалась на основе измерения энергетического спектра положительных ионов, образованных электронным ударом из частиц специально напускаемого "пробного" газа и бомбардирующих катод. При диагностике электронно-пучковых систем такая же информация может быть получена при измерении энергетического спектра отрицательных ионов, бомбардирующих стенку канала транспортировки. В диагностике использовано то обстоятельство, что ионы падают на стенку ограничивающего электронный поток электрода с энергией, определяемой пройденной разностью потенциалов. Поэтому измерение их энергии позволяет определить потенциал места их рождения. Проведенные эксперименты показали, что метод ионного тока обеспечивает рекордное пространственное разрешение порядка сотых долей миллиметра. Этот метод может быть реализован при достаточно малых давлениях пробного газа (10-6— 10-4 Торр) и поэтому может считаться слабовозмущающим. Однако его использование для диагностики сильноточных релятивистских пучков встречается с существенными трудностями, так как требует измерения малых ионных токов в присутствии свойственных таким системам больших паразитных сигналов.

Все описанные выше способы диагностики не дают информации о быстропротекающих коллективных процессах в пространственном заряде электронных потоков. Регистрируя изменения во времени тока пучка на коллектор или на отдельные локальные его участки, в принципе, удается выявлять присутствие колебаний в пучке [7]. Однако таких данных не всегда достаточно для интерпретации природы наблюдаемых коллективных явлений. Больший объем информации о колебаниях пространственного заряда удается получить в специальных зондовых измерениях. Авторы работ [5, 6, 9] использовали зонды, вынесенные из канала транспортировки и сообщающиеся с пучком через малые отверстия в его поверхности. Зонды такого типа показаны на рис. 1. Удаление зондов от внутренней поверхности канала позволяло исключить их бомбардировку электронами. В таких условиях удавалось зарегистрировать наведенные на зонды сигналы, обусловленные движущимися в канале транспортировки сгустками пространственного заряда. На основе фурье-анализа коротких (10-500 нс) временных реализаций наведенных сигналов определялись "мгновенные" спектры колебаний в широкой полосе частот (~0,1-8 ГГц). Выбранная конструкция зондовых систем обеспечивала их преимущественную связь с ближайшей зоной канала транспортировки. Поэтому сопоставление сигналов на зондах, расположенных в разных местах канала транспортировки, позволяет определять направления и скорости движения сгустков пространственного заряда и получать таким образом информацию о дисперсионных характеристиках исследуемого электронного потока.

* * *

Итак, существуют простые и достаточно надежные методы определения пространственно-временных и энергетических характеристик электронных пучков в коллекторной области сильноточных устройств.

Методы диагностики таких потоков на участке их транспортировки менее отработаны. Существующие методы определения поперечной структуры электронных потоков и связанных с ними полей пространственного заряда испытаны преимущественно на установках с умеренными энергиями электронов (< 50 кэВ) и токами (< 50 А). Поэтому достаточно надео определиться с возможностями их использования на сильноточных электронных установках можно только после проведения специальных экспериментов.

Из-за весьма ограниченного объема данной работы автор не имеет возможности привести, даже для примера, какие-либо данные, полученные с помощью описанных методов диагностики. Однако читатель может познакомиться с ними, воспользовавшись цитируемой литературой.

Литература

1.        Релятивистская высокочастотная электроника / Под ред. А. В. Гапонова-Грехова; Горький, ИПФ АН СССР. 1979. 298 с.

2.        Москалев В. А., Сергеев Г. И., Шестопалов В. Г. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Атомиздат, 1980. 156 с.

3.        Абрамян Е. А., Алътеркоп Б. А., Кулешов Г. Д. Интенсивные электронные пучки. М.: Энерго-атомиздат, 1984. 231 с.

4.        Соминский Г. Г. Диагностика пространственного заряда сильноточных электронных систем // Проблемы физической электроники – 87 / ФТИ. Л., 1987. С. 96-121.

5.        Архипов А. В., Богданов Л. Ю., Воскресенский С. В., Левчук С. А., Соминский Г. Г. Развитие методов диагностики сильноточных электронных потоков // Проблемы физической электроники – 89 / ФТИ. Л., 1989. С. 28-47.

6.        Богданов Л. Ю., Воскресенский С. В., Соминский Г Г. Исследование характеристик релятивистского электронного пучка // Проблемы физической электроники – 91 / ФТИ. Л., 1991. С. 102—119.

7.        Бугаев С. П., Канавец В. И., Кошелев В. И., Черепенин В. А. Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы. Новосибирск: Наука, 1991. 296 с.

8.        Архипов А. В., Соминский Г. Г. Временная эволюция длинноимпульсного электронного пучка высокой плотности // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 12. С. 54-58.

9.        Архипов А. В., Богданов Л. Ю., Воскресенский С. В., Левчук С. А., Лукша О. И., Соминский Г. Г Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном потоке с магнитным удержанием // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. Т. 3. Ч. 1, № 4. С. 43-54; Ч. 2, № 5. С. 35-58.

10.     Егоров Б. Н, Местечкин Я. И., Мышлецов А. В., Шубин Л. В. Установка для автоматического измерения структуры электронного потока // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1970, № 7. С. 52-59.

11.     Александров Г. И., Калинин Ю. А. Экспериментальное исследование трехмерной структуры ленточного электронного пучка в скрещенных полях // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1976, № 1. С. 45-51.

12.     Глейзер И. 3., Усов Ю. П., Цветков В. И., Шатанов А. А. Секционированный цилиндр Фарадея для замагненных электронных пучков // ПТЭ. 1980, № 2. С. 46-48.

13.     Никонов А. Г, Савельев Ю. М., Энгелько В. И. Датчик для измерения плотности тока сильноточного микросундного пучка//ПТЭ. 1984, № 1. С. 37-39.

14.     Зайцев Н. И, Иляков Е. В., Родин Ю. В., Солуянов Е. И., Шмелев М. Ю., Ястребов В. В. Рентгеновская диагностика для исследования пространственно-временных характеристик СРЭП // ПТЭ. 1989, № 2. С. 150-152.

15.     Дувидзон В. М., Маркевич О. С, Свинцов В. В. и др. Узел рентгеновской диагностики радиального распределения плотности электронного пучка // ПТЭ. 1990, № 3. С. 192-194.

16.     Bakshaev Yj. L, Basmanov A. В., Blinov P. I. et al Dynamics of Microsecond REB structura //Plasma Phys. 1989. V. 15. P. 575.

17.     Bogdanov L. Yu., Dvoretskaya N. V., Sominskii G. G., Fabirovskii A. Ya. Influence of nonuniformities of a magnetic mirror field on the space-time characteristics of a long-pulse relativistic electron beam //Tech. Phys. 1997. V. 42, № 8. P. 930-934.

18.     Венедиктов H. /7., Глявин M. Ю., Голъденберг A. 77., Запевалов В. E., Куфтин A. H., Постникова А.С. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 95-98.

19.     PiosczykB., Braz О., Dammertz G., Iatrou C.T., Illy S., Kuntze M., Michel G., Thumm M. 165 GHz, 1.5 MW – Coaxial Cavity Gyrotron with Depressed Collector // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27. P. 484-489.

20.     Аржанников А. В., Астрелин В. T., Драгунов В. П. Определение спектра энергий электронов по их поглощению в металле: Препринт ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск. 1977. 22 с.

21.     Arzhannikov А. V., Koidan V. S., Sinitsky S. L. Deceleration and Scattering of Relativistic Electrons at a Collective REB-plasma Interaction // Proc. 15th Int. Conf. on Phenom. in Ionized Gases. Dussel’dorf. FRG. 1983. P. 348.

22.     Arzhannikov A. V., Bobylev V. B., Koidan V. S., Sinitsky S. 7., Andreev A., Engelko V., Komarov O., Kovalev V., Wuerz H. Design, Construction, Test of Diagnostic and Measurement of the Angular Distribution of Electron Beam at the ELDISS Facility // Bericht. Forshungszentrum. Karlsruhe. Deutshland. 1998.

23.     Edited by Huddlestone R. H. and Leonard S. L. Plasma Diagnostic Techniques. New York-London: Academic Press. 1965. 515 p.

24.     Богданов В. В., Воронков С. М., Кременцов В. И., Стрелков П. С, Шафер В. Ю., Шкварунец А. Т. Экспериментальное исследование индуцированного циклотронного излучения миллиметрового диапазона длин волн сильноточным электронным пучком // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 1. С. 106-113.

25.     Doehler О., Dohler G., Friz W. Molecular Beam Probing of Electron Beams // IEEE Trans, on Electron Dev. 1979. V. ED-26, № 10. P. 1617-1622.

26.     Лукша О. И., Цыбин О. Ю. Применение распределенной мелкодисперсной мишени для анализа структуры электронного потока // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, № 23. С. 75-78.

27.     Малюгин В. И., Соминский Г. F. Исследование распределения заряда в приборах со скрещенными полями на основе анализа ионной бомбардировки катода // ЖТФ. 1974. Т. 44, № 7. С. 1511-1516.

28.     Болотов В. Е., Зайцев Н. И., Кораблев Г. С, Нечаев В. Е., Соминский F. F, Цыбин О. Ю. Исследование возможности диагностики сильноточных релятивистских пучков методом ионного тока // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, №16. С. 1013-1016.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

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