МОЩНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ

December 20, 2014 by admin Комментировать »

В. И. Переводчиков, П. В. Боровиков, С. И. Гусев, М. А. Завьялов, Ю. А. Кузнецов,

Π. М. Тюрюканов, А. Л. Шапиро

ГУП "Всероссийский электротехнический институт им. В. И. Ленина" (ВЭИ), Москва

Открытие пучковой неустойчивости в плазме Файнбергом и Ахиезером [1] и последуие исследования привели к созданию плазменной СВЧ-электроники. Явление пучковой неустойчивости, основанное на черенковском резонансе, состоит в эффективном взаимодействии электронного пучка с плазмой, сопровождаемое возбуждением плазменных колебаний. Последующие эксперименты [2-4] продемонстрировали возможность высокоэффективной трансформации начальной энергии электронного пучка в микроволновую энергию возбужденных колебаний. Этой проблемой в настоящее время активно занимаются ученые Института общей физики РАН, Харьковского физико-технического института [5-6]. Большие теоретические и экспериментальные исследования по изучению влияния плазмы на дисперсионные и электронные характеристики пучково-плазменных приборов (111Ш) проводятся в Мэрилендском университете (США) [7, 8]. В компании "Huges” (США) проводится разработка и экспериментальные исследования плазменно-наполненных СВЧ-генераторов [9]. Работы по созданию приборов СВЧ на этом принципе находятся всюду пока в исследовательской стадии.

Поскольку уже в начале исследований была показана возможность использования преимуществ пучково-плазменного взаимодействия, перед нами встала задача создания нерелятивистского прибора СВЧ с плазменным заполнением, но изготовленного по технологии отпаянного электровакуумного прибора. Основные параметры, по которым он должен превышать традиционные вакуумные приборы, – более высокое значение электронного КПД и мощности непрерывного излучения, а также расширенная полоса частотного диапазона. Учитывая специфику возбуждения колебаний в заполненных плазмой замедляющих структурах (ЗС), необходимо было тщательно исследовать качество усиливаемого сигнала, и особенно его шумовые характеристики.

Известно, что первоначальные попытки создания нерелятивистского СВЧ-прибора с плазменным заполнением окончились неудачно [10]. Причиной создавшейся ситуации является сама природа плазменных полей, носящих коллективный кулоновский характер, приводящий к переходу системы к нелинейной динамике, с подключением распадных и параметрических неустойчивостей уже на начальной стадии пучково-плазменного взаимодействия, а также трудности при создании эффективного широкополосного устройства для излучения колебаний плазменного волновода во внешние антенно-фидерные устройства.

Одним из возможных путей выхода из создавшейся ситуации стал переход к использованию в качестве ЗС плазменно-резонаторных систем, представляющих собой цепочки магнитносвязанных резонаторов с плазменным заполнением пролетного канала (рис. 1). В таких ЗС пучково-плазменное взаимодействие сосредоточено в пролетном канале ЗС, при этом большая часть продольного потока микроволновой энергии проходит вне пролетного канала через маитные щели связи. Гибридная ЗС имеет ’’вакуумную” структуру электромагнитного поля вне пролетного канала, что позволяет применять традиционные решения для конструирования согласующих устройств, обеспечивающих ввод и вывод СВЧ-энергии, а плазменное наполнение пролетного канала обеспечивает высокую эффективность взаимодействия между пучком и волной [12, 13].Рис. 1. Вид замедляющей структуры типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР): 7 – область пролетного канала, заполненная плазмой, 2 – область резонатора с индуктивными щелями связи.

Детальные исследования структуры электромагнитных полей в гибридных структурах выявили разделение в поперечном направлении продольных и поперечных компонент электромагнитного поля [7]. Это приводит к перераспределению продольного потока в область магнитных щелей связи, вне плазменного волновода. При этом сохраняется объемная структура продольного электрического поля. Вытеснение потока энергии из объема, занятого плазмой, с одной стороны, приводит к эффективному излучению волн во внешние волноводы, с другой – существенно уменьшает плотность энергии в плазменном волноводе, стабилизируя развитие нелинейных плазменных процессов. Таким образом, гибридные плазменно-резонаторные системы сочетают в себе высокую эффективность взаимодействия, характерную для плазменных волноводов, с возможностью практически полного излучения микроволновой энергии возбуждаемых СВЧ-полей [6, 14].

Преимущества гибридных замедляющих структур определяются следующими особенностями:

■ компенсацией пространственного заряда электронного пучка и, следовательно, большей фазовой плотностью электронных сгустков; и         объемным характером взаимодействия в

Рис. 2. Распределение поля Ег (г) в пролетном канале ЦСР: 1 – ωρ = 0; 2 – ωρ = 1,0 ω0; 3 – ωρ = 1,25 ω0; 4 – ωρ = 2,2 ω0; ω0 – рабочая частота.

системе пучок – плазма, при котором электромагнитная волна в зазорах ЗС имеет максимум поля в центре пролетного канала (рис. 2), что приводит к более эффективному энергообмену между пучком и усиливаемой СВЧ волной;

и           численные расчеты гибридной ЗС показы вают, что при заполнении плазмой значительно, в три – пять раз, вырастает сопротивление плазмы [15] (рис. 3), что позволяет повысить мощность прибора; и       экспериментальное исследование электро динамических характеристик гибридных ЗС [16] показало, что при заполнении ЗС плазмой происходит сдвиг дисперсионной кривой в сторону высших частот (рис. 4), практическим следствием этого стало расширение рабочего частотного диапазона прибора.

Кроме того, в [17] установлено, что в условиях стационарной инжекции электронного пучка в плазму может иметь место нелинейный фазовый резонанс, в условиях которого фазовая скорость волны в плазме убывает синхронно со скоростью пучка. Спад фазовой скорости волны обусловлен зависимостью плотности плазмы от амплитуды поля, а спад скорости электронов пучка в приборах О-типа – передачей энергии пучка возбужденным микровол-

новым колебаниям. Поэтому для захваченных волной электронных сгустков черенковский резонанс сохраняется на нелинейной стадии взаимодействия, что сопровождается существенным ростом КПД плазменно-пучкового усилителя.

Решающим шагом в создании ППП стала разработка в ВЭИ газодинамической системы, обеспечивающей изменение давления водорода в структуре ЦСР при сохранении достаточно высокого вакуума в электронной пушке. В сочетании с разработкой специфических вакуумно-технологических процессов и элементов катодно-подогревательного узла это позволило создать отпаянный прибор. Срок службы ППП может достигать более тысячи часов.

Рис. 5. Схематический вид пучковоплазменного прибора – плазменной ЛБВ:

1 – электронная пушка, 2 – гетерная система дифференциальной откачки, 3 – коаксиальный вход, 4 – электродинамическая система, 5 – окно вывода СВЧ-мощности, 6 – коллектор электронного пучка, 7 – генераторы водорода.

На рис. 5 представлена конструктивная схема прибора. ППП можно называть плазменной ЛЕВ. Электронный пучок (20 кэВ, ЗА), транспортируемый в пролетном канале ЦСР в магнитном поле с индукцией 0,25 Т, создает пучковую плазму с концентрацией до 1012 см"3 и электронной температурой до 20 эВ при давлении водорода 1,0-10"3 Торр. Газодинамическая система ППП позволяет регулировать давление газа в электродинамической структуре от 10"6 до 10"2 Торр. При этом обеспечивается вакуумный перепад между электродинамической структурой и электронной пушкой, что делает возможным как вакуумный, так и плазменный режим работы.

На рис. 6 показана зависимость выходной мощности электромагнитного излучения усилителя от давления рабочего газа (водорода) при постоянных параметрах электронного пучка. Плазменный режим работы прибора с электронным КПД 30% достигается при давлении 0,6-1,0 мТорр.

Исследование и разработка гибридных резонаторных систем, заполненных плазмой, позволили существенно расширить рабочий диапазон. На рис. 7 приведены характеристики КСВ по входу 111111, показывающие, что в высокочастотной области граничная частота в плазменном режиме может быть существенно сдвинута. Эти данные подтверждаются также исследованиями амплитудно-частотных характеристик прибора.

На рис. 8 приведены амплитудно-частотные характеристики прибора для вакуумного и плазменного режимов работы, полученные при фиксированной мощности входного сигнала. Характеристики наглядно демонстрируют преимущества: увеличение выходной мощности и расширение рабочей полосы частот в плазменном режиме.Разрабатываемый ППП, благодаря большой мощности и ширине рабочей полосы частот, может найти применение в технологических плазмохимических процессах, перспективно также применение ППП в системах связи и радиолокации. Оценка его возможностей использования в данных целях потребовала детального исследования качества усиливаемого сигнала. Исследования амплитудной характеристики показали, что они линейны в диапазоне входных сигналов от 10 до 50-100 Вт. Выходная мощность при этом изменилась от единиц до 15-25 кВт.

Рис. 6. Зависимость выходной мощности электромагнитного излучения усилителя от давления рабочего газа (водорода) при нулевом потенциале коллектора (1), при (Лолл= -60 В (2).

Рис. 7. График частотной зависимости КСВ для коаксиального входного устройства ППП: 1 – вакуумный режим; 2 – плазменный режим работы.

Предварительные исследования показали, что изменение фазы не превышает 0,02 рад за 0,6 мс. Детально были исследованы характеристики шумов в рабочей полосе частот и её окрестностях, а также излучение на 2-й и 3-й гармониках. Было установлено, что уровень излучения на второй гармонике составляет -40 дБ, на третьей ниже -55 дБ.

Рис. 8. График зависимости выходной мощности (кВт) ППП от частоты (отн. ед.) – амплитудно-частотные характеристики прибора: 1 – вакуумный режим, 2 – плазменный режим работы.

В непрерывном режиме, при наличии электронов пучка номинальной мощности и отсутствии входного сигнала, интегральная мощность шумов в рабочей полосе не превышает 0,1 Вт, что соответствует уровню -50 дБ по отношению к максимальной величине усиливаемого сигнала.

Исследования возбуждения комбинационных составляющих при усилении двух сигналов показали, что их уровень не превышает -27 дБ.

Таким образом, можно заключить, что по качеству усиливаемого сигнала плазменная ЛБВ не уступает мощным вакуумным приборам. Это позволяет считать, что использование ППП в связи и радиолокации возможно. Большая мощность в непрерывном режиме и ширина рабочей полосы частот определяют перспективность дальнейших исследований в данном направлении.

Параметры разрабатываемых ППП в S- и С-диапазоне следующие: выходная СВЧ-мощность 20 кВт, ширина рабочей полосы частот по уровню -3 дБ 30%,

КПД 30%, ускоряющее напряжение ~20 кВ, коэффициент усиления 22 дБ, уровень плотности шума в рабочей полосе, не более 1,0 мкВт/МГц, относительный уровень шума в рабочей полосе, не более            -50 дБ, уровень комбинационных составляющих при режиме усиления двух сигналов, не более-27 дБ, уровень возбуждения второй гармоники, не более -40 дБ.

Создание усилителя на ППП привело к необходимости разработки мощного компактного источника питания, отвечающего современным требованиям. Для обеспечения минимальных массогабаритных показателей в источнике питания используется инвертор, повышающий рабочую частоту с 50 Гц до 8 кГц, а также конвертер, стабилизирующий отбор мощности из сети в режиме большой длительности импульсов. В высоковольтном трансформаторе используется аморфное железо и твердотельная изоляция. Он имеет жидкостное охлаждение.

Рис. 9. Вид пучково-плазменного усилителя с источниками питания.

На выходе источника питания установлен электронный коммутатор на специально разработанной электронной лампе – электронно-лучевом вентиле. Коммутатор обеспечивает формирование импульсов в широком диапазоне частоты и скважности, ограничивает ток нагрузки и обеспечивает защитные функции.

Масса усилителя, включающего ППП с соленоидом и источник питания, не превышает 600 кг. На рис. 9 приведена фотография усилителя с соленоидом и источниками питания.

Уникальное сочетание параметров ППП – высокий КПД, широкополосность, качество усиливаемого сигнала – открывает широкие перспективы их применения в телекоммуникациях и других технологиях.

Разработка новых пучково-плазменных СВЧ-приборов, основанных на новых физических принципах и с новыми техническими характеристиками, с повышенным уровнем непрерывной выходной микроволновой мощности в телекоммуникациях, позволит:

■        увеличить число каналов в линиях радиосвязи, радиовещания, телевидения и телеуправления не менее чем в 10 раз;

■        сократить в 3-5 раз количество спутниковых ретрансляторов в космических системах связи, радиовещания и телевидения;

■        повысить дальность действия и помехозащищенность систем радиосвязи, радиолокации, радионавигации и телеуправления;

“ создать мощные широкополосные передатчики, предназначенные для нарушения работы систем связи, управления, радиолокации и навигации противника в военных конфликтах.

Не менее интересны возможности 111111, имеющих большую мощность непрерывного излучения и широкую полосу рабочих частот, в технологии. В настоящее время все основные СВЧ-разрядные технологии основаны на применении магнетронов, имеющих выходную мощность несколько десятков киловатт и узкую, не перестраиваемую рабочую полосу электромагнитного излучения. Сканирование частоты мощного излучения по требуемому закону даёт возможность создавать эффективные управляемые СВЧ-генераторы неравновесной плазмы. Электронно-циклотронные СВЧ-разряды со сканированием частоты эффективны для применения в плазмохимических ’’реакторах-локализаторах”, которые позволят решать задачи получения водорода из углеводородов, а также актуальные экологические проблемы по переработке радиоактивных отходов, компонентов химического оружия, очистки газов.

Процессы стохастизации СВЧ-колебаний в генераторах на основе пучково-плазменных усилителей с запаздывающей обратной связью могут быть также применимы в неравновесной плазмохимии на основе стохастического СВЧ-разряда. Электронно-циклотронные разряды со сканированием частоты в неоднородных магнитных полях позволяют создавать широкие направленные интенсивные потоки ионов для модификации материалов и получения пленочных структур в электронике.

Пучково-плазменные усилители СВЧ эффективны для высокотемпературных технологических процессов, таких как спекание керамических изделий, материалов на основе диоксида урана для элементов ТВЭЛ’ов ядерных реакторов, а также известных систем с СВЧ- нагревом [18]. Регулирование и подстройка частоты позволяют сохранить высокую эффективность вклада СВЧ-мощности при изменении электрофизических свойств обрабатываемых материалов и обеспечить равномерность нагрева по площади и глубине объекта.

Литература

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

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

Бернашевский Г. А., Богданов E. В., Кислое В. Я., Чернов 3. С. Плазменные и электронные усилители и               гене раторы СВЧ / Под ред. 3. С. Чернова. М.: Сов. радио, 1965. 96 с.

3.        Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Богданкевич Л. С. Плазменная СВЧ-электроника // УФН. 1981. Т. 133. С. 3.

4.        Кузелев М. В., Рухадзе А. А., Лоза О. Т, Шкварунец П. С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника //Физикаплазмы. 2001. Т. 27, № 8. С. 710-733.

5.        Файнберг Я. Б., Блиох Ю. П., Корнилов Е. А. и др. Пучково-плазменный генератор // Физика плазмы. 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.        Трубецков Д. И., Пищик Л. А. //Физика плазмы. 1989. Т. 15. С. 342.

И. Mitin L. A., Perevodchikov V. I., Shapiro A. L. et al И IEEE Transactions on Plasma Science. 1994. V. 22, № 5. P. 600-607.

12.     Файнберг Я. Б., Блиох Ю. П., Любарский М. Г. и др. Электродинамика гибридных плазменно-волноводных замедляющих систем // Доклады АП УССР. 1990. № 11. С. 77.

13.     Karbushev N. I., Kolosov V. A., 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., Григорьев А. Д., Мейев В. А., Митин Л. А. Расчет характеристик гибридных волн в ЗС типа ЦСР, частично заполненных плазмой // Известия ЛЭТИ. Л., 1991. Вып. ХЬ 434. С. 72-75.

16.     Боровиков П. В., Завьялов М. А., Конкин В. А. Метод теплых испытаний гибридных электродинамических структур СВЧ // Научная сессия МИФИ-2000. М., 2000. С. 50.

17.     Красовицкий В. Б., Митин Л. А. Усиление регулярной волны электронным пучком в плазме в условиях нелинейного фазового резонанса// Физика плазмы. 1997. Т. 23, № 3. С. 230-235.

18.     Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ-энергетика. М., 2000.

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