WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 5 01;04;12 Экспериментальное и теоретическое исследование влияния распределения электронов по скоростям на хаотические колебания в электронном потоке в режиме образования виртуального катода © Ю.А. Калинин, А.Е. Храмов Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 Саратов, Россия e-mail: aeh@cas.ssu.runnet.ru (Поступило в Редакцию 4 февраля 2005 г.) Экспериментально и теоретически (в рамках численного моделирования) рассмотрено влияние разброса поперечных и продольных скоростей электронов на влете в пространство взаимодействия (многоскоростной пучок) на широкополосные хаотические колебания в интенсивных электронных пучках в режиме образования виртуального катода (ВК). Обнаружено, что увеличение разброса электронов по скоростям приводит к хаотизации колебаний ВК. С помощью численого моделирования рассмотрены физические процессы, протекающие в многоскоростном пучке с ВК. Показано, что хаотизация колебаний связана с формированием дополнительных электронных структур, которые были выделены с помощью построения функций распределения заряженных частиц.

PACS: 05.45.-a, 41.75.Fr Введение плотностях электронного пучка, что делает возможным детальное экспериментальное исследование физических Предложенный в конце 70-х-начале 80-х гг. новый процессов в пучке с ВК с привлечением методов фикласс приборов мощной электроники, использующих в зического эксперимента в электронике сверхвысоких качестве активной среды электронный пучок с вирту- частот [29]. Отметим, что подобные системы с ВК при альным катодом [1–4], остается объектом интенсивных торможении электронного потока могут представлять исследований [5–9]. Уже в первых экспериментах и интерес как источники шумоподобного широкополосночисленных расчетах была отмечена сложная нестацио- го хаотического сигнала среднего уровня мощности в нарная динамика излучения генераторов на виртуальном СВЧ-диапазоне.

катоде (ВК) [10–14]. В целом ряде теоретических и экс- В работах [27,28,30–32] показано, что в системах с ВК периментальных работ проводились исследования хао- и дополнительным торможением электронного потока тической генерации в ВК [6,8,9,14–18], анализировались при определенных значениях тормозящего потенциала и процессы возникновения и взаимодействия когерентных тока пучка наблюдаются широкополосные шумоподобпространственно-временных структур в электронном ные колебания с характерной шириной полосы более пучке с ВК [17,19–23].

октавы и слабой изрезанностью N (N = Pmax/Pmin, здесь Заметим, что экспериментальное исследование и ре- Pmax —максимальная и Pmin — минимальная мощности ализация генераторов на ВК является весьма сложной спектральных компонент в рабочей полосе частот) спекзадачей в связи с необходимостью использования интен- тра мощности генерируемого излучения. Отметим, что сивных релятивистских электронных пучков с токами, в перечисленных работах рассматривались моноскоростпревышающими предельный вакуумный (сверхкритиче- ные пучки заряженных частиц. Представляет значительский) ток [24]. В этом случае отсутствует возможность ный интерес изучение влияния многоскоростного пучка, детального исследования характеристик генерации вир- формируемого электронной пушкой, на характеристики каторных систем и физических процессов в электронном хаотической генерации ВК.

пучке с ВК. Одним из возможных путей „смягчения“ Целью данной работы является экспериментальное и условий проведения эксперимента по генерации СВЧ-ко- теоретическое исследование влияния разброса электролебаний с помощью ВК является использование систем нов по скоростям (многоскоростного пучка, формируес дополнительным торможением электронов, в кото- мого электронно-оптической системой с термокатодом) рых нестационарный колеблющийся ВК формируется за на характеристики широкополосной хаотической генерасчет сильного торможения пучка (электронный пучок ции в пучке с ВК.

со сверхкритическим первеансом)1 [27,28]. В подобной системе возможно формирование ВК и генерация хао1. Схема экспериментальной тического широкополосного сигнала при малых токах и установки Отметим определенную связь колебаний в подобной электронной системе с торможением с колебаниями Баркгаузена и Курца [25], а В качестве объекта экспериментальных исследований также с колебаниями в электронно-волновом генераторе с тормозящим полем [26]. колебаний в пучке с ВК была выбрана диодная схема, в 26 Ю.А. Калинин, А.Е. Храмов При увеличении тормозящей разности потенциалов Vt между сетками диодного промежутка при некотором критическом значении [ Vt]cr в системе наблюдалось возникновение ВК, колебания которого во времени и пространстве модулировали электронный пучок, причем часть электронов отражалась от ВК обратно к входной сетке. В результате в системе возникали хаотические колебания, вид и мощность которых существенно зависели от разности потенциалов Vt между сетками диодного промежутка.

Для анализа шумоподобных колебаний в электронном пучке использовался широкополосный отрезок спиральной замедляющей системы (ОСЗС) 7, нагруженный на поглощающую вставку, и вывод энергии 8 [29].

Далее отработанный электронный пучок осаждался на коллекторе 9. Модулированный по скорости и плотности в области диодного промежутка электронный пучок возбуждал ОСЗС, сигнал с которого исследовался анализатором спектра СЧ-60 (диапазон от 200 MHz Рис. 1. Схема (a) и внешний вид (b) экспериментальной до 19 GHz) и высокочастотного анализатора С1-74. Для установки для исследования хаотических колебаний в пучке анализа также использовались высокодобротные (полоса с ВК в системе со сверхкритическим первеансом. Здесь 1 — частот 2-4MHz) фильтры с записью детектируемого термокатод с напряжением накала Vn, 2 — сетка пушки с сигнала с помощью ЭПП-09. Это позволяло определить напряжением Vg, 3 —второй анод пушки, 4 — формируемый спектральную плотность мощности шума колебаний, сходящийся электронный пучок, 5 — входная сетка диодного генерируемых электронным пучком с ВК.

промежутка, 6 — выходная сетка, на которую подается торИсследования проводились на разборной вакуумной мозящий потенциал, 7 — ОСЗС, 8 — вывод энергии, 9 — установке при непрерывной откачке (при минимальном коллектор.

давлении остаточных газов 10-7 Torr). Внешний вид установки представлен на рис. 1,b.

которой электронный пучок, формируемый электроннооптической системой (ЭОС), инжектируется в систему, 2. Результаты экспериментальных состоящую из двух сеточных электродов с тормозящим исследований полем (рис. 1,a). Последнее создавалось за счет подачи отрицательного относительно входной 5 (первой) сетки На первой стадии исследовалась структура пучка, потенциала Vt на выходную 6 (вторую) сетку.

формируемого пушкой с термокатодом, в плоскости Источником электронов служил термокатод 1, котоего влета в пространство взаимодействия (исследуерый работал в режиме, обеспечивающем значительный мая плоскость отмечена на рис. 1, a символом z ).

разброс электронов по скоростям (подробнее см. разСпектры скоростей измерялись с помощью метода подел 2). ЭОС формировала аксиально-симметричный сходвижных диаграмм и энергоанализатора с тормозящим дящийся цилиндрический электронный пучок 4 со знаполем [29,33].

чительным разбросом электронов по скоростям. УскоряНа рис. 2 показаны экспериментально измеренные ющее напряжение электронного пучка в экспериментах распределения электронов по углам f () и продольным составляло 2.0 kV. Ток пучка на выходе ЭОС изменялся скоростям f (v) на входе в пространство взаимодействия в пределах 50-100 mA в зависимости от напряжения для различных режимов работы электронной пушки. На накала катода. Радиус пучка был равен rb = 4 mm, рис. 2,a показаны распределения f () и f (v) электрорасстояние между сетками диодного промежутка L сонов формируемого ЭОС пучка в режиме ограничения ставляло 20 mm.

тока пространственным зарядом (напряжение накала После ЭОС электронный пучок с начальным разброкатода Vn = 6.3V) и потенциалом на сетке, равным сом электронов по скоростям попадает в сеточный зазор (диодный промежуток). Потенциал первой сетки V0 естественному. Распределения измерены в центре пучка r/vb = 0.5, они практически не зависят от радиуса. Из равен потенциалу анода VA (ускоряющее напряжение), рисунка следует, что разброс углов влета и продольных потенциал второй сетки Vt = V0 - Vt изменяется от Vt/V0 = 1 ( Vt = 0, отсутствие торможения, классиче- скоростей в данном режиме мал: ширина функции расский диод Пирса) до Vt/V0 = 0 ( Vt = V0, полное тор- пределения по углам составляет 0.05, а по проможение электронного потока). Величина Vt имеет дольным скоростям — v/v0 0.25%. Данный режим смысл разности потенциалов между сетками, создающей работы ЭОС является типичным, и электронные пушки тормозящее поле в диодном промежутке. обычно работают в нем.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния распределения электронов... ростного разброса электронов. Как уже говорилось выше, колебания в исследуемой системе определяются наличием ВК в межсеточном пространстве с тормозящим полем. Как показывают эксперимент и численное моделирование системы с тормозящим полем [27,28,31,32], при малых значениях тормозящей разности потенциалов Vt/V0 между сетками в диодном промежутке в электронном пучке не регистрируются колебания. С усилением торможения электронов пучка (при увеличении Vt/V0) при некотором критическом значении [ Vt/V0]cr в системе формируется ВК, от которого начинает отражаться часть электронов к первой сетке диода. При малом торможении колебания ВК близки к регулярным, и спектр генерируемого излучения является дискретным.

С дальнейшим увеличением торможения электронов в системе возникают широкополосные шумоподобные колебания. При значительном торможении пучка генерация снова исчезает.

Рис. 4 иллюстрирует вышесказанное для системы с малым разбросом электронов по скоростям (моноскоростного пучка). На рис. 4,a представлена зависимость Рис. 2. Распределение электронов по углам f () (слева) и нормированной интегральной мощности колебаний от продольным скоростям f (v) (справа) на входе в пространство разности потенциалов Vt/V0 между сетками при развзаимодействия для случаев: (a) малого скоростного разброса, бросе электронов по скорости v/v0 0.2%. Интеэлектронная пушка работает в режиме ограничения тока програльная мощность P измерялась во всем диапазоне странственным зарядом (напряжение накала катода Vn = 6.3V) частот генерации. Нормировка мощности на рис. 4 осуи потенциалом на сетке, равным естественному, измеренные в ществлялась на максимальную величину генерируемой центре пучка r/rb = 0.5; (b) для случая большого скоростного разброса, пушка работает в режиме температурного ограниче- интегральной мощности, можно видеть, что при малом ния тока (Vn = 12 V) и потенциалом сетки в 1.6 раз больше торможении интегральная мощность P колебаний в естественного. Во втором случае распределения построены пучке с ВК мала. С увеличением Vrmt/V0 мощность для трех точек поперечного сечения пучка: 1 — r/rb = 0.9, растет и при некотором оптимальном тормозящем по2 —0.5, 3 —0.

тенциале достигает максимального значения, далее снова уменьшается. На рис. 4,a также показана величина K токопрохождения через диодный промежуток, которая Выход из данного режима работы ЭОС приводит к определяется как отношение усредненной во времени расширению распределений электронов по скоростям величины выходящего через вторую сетку тока Iout и углам (формированию многоскоростных пучков). Результаты измерения (для трех точек r/vb поперечного сечения пучка) характеристик формируемого электронного потока при большом скоростном разбросе (пушка работает в режиме температурного ограничения тока (Vn = 12 V) и потенциалом Vg сетки в 1.6 раз больше естественного Vge) приведены на рис. 2b. Видно, что в данном случае разброс по углам в зависимости от точки поперечного сечения пучка составляет 0.125-0.2, а по продольным скоростям — v/v0 0.2-2.0%.

На рис. 3 показано изменение разброса продольных скоростей от величин потенциала сетки, от напряжения накала катода и при учете обоих факторов. Измерения были выполнены для точки поперечного сечения пучка r = 0.5rb. Изменяя напряжение накала катода и потенциал сетки пушки относительно естественного, можно Рис. 3. Зависимость разброса v/v0 продольных скоростей управлять разбросом электронов по скоростям в предеэлектронов от: 1 — потенциала сетки, в режиме ограничения лах 0.05-2.5% и, следовательно, исследовать влияние тока пространственным зарядом, Vn = 6.3V; 2 —напряжения начального разброса скоростей пучка на генерацию в канала катода при потенциале на сетке, равном естественному;

системе с ВК.

3 — при введении обоих факторов при изменении напряжения Рассмотрим теперь экспериментальные характеристи- накала и потенциале сетки в 1.6 раз больше естественного, ки генерации исследуемой системы при изменении ско- Vg = 1.6Vge.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 28 Ю.А. Калинин, А.Е. Храмов к хаотическим колебаниям через область периодической динамики. При этом с ростом тормозящего потенциала сложность хаотических колебаний увеличивается (расширяются полосы генерируемых частот и уменьшается изрезанность спектра мощности).

Рассмотрим влияние разброса электронов по скоростям, выбрав значение отражающего потенциала V /V0 = 0.5, при этом в системе наблюдается широкополосная хаотическая генерация, а интегральная мощность выходного излучения близка к максимальной.

На рис. 5,a показаны ширина полосы генерируемых частот f / f и изрезанность спектра мощности N колебаний в пучке ВК от потенциала сетки, от напряжения накала катода, Vg = Vge и при учете обоих факторов. ШиРис. 4. (a) Зависимость нормированной интегральной мощности P взаимодействия и токопрохождения K через диод от нормированной разности потенциалов Vt/V0 между сетками для моноскоростного пучка; (b) области характерных режимов генерации системы на ВК с моноскоростным пучком при изменении тормозящего потенциала: S — область отсутствия генерации СВЧ-излучения, P — область регулярных колебаний виртуального катода, C — область хаотической широкополосной генерации системы. Серым цветом отмечена область формирования нестационарного ВК (СВЧ-генерации в исследуемом электронно-волновом генераторе).

(здесь · означает усреднение во времени) к величине тока пучка I0, формируемого электронной пушкой:

K = Iout /I0. Из рисунка следует, что с увеличением тормозящего потенциала (в отличие от интегральной мощности P колебаний) величина токопрохождения K монотонно уменьшается. Это означает, что с ростом тормозящей разности потенциалов Vt число электронов, отражающихся от ВК или в области диодного пространства за ним обратно ко входной сетке, увеличивается.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.