WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 1 01;04;10 Динамика нарушения магнитной изоляции и самоорганизация электронного потока в магнетронном диоде 2 © А.В. Агафонов,1 В.П. Тараканов,2 В.М. Федоров 1 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия 2 Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенный институт высоких температур РАН, 125412 Москва, Россия e-mail: agafonov@sci.lebedev.ru (Поступило в Редакцию 7 мая 2003 г.) Приведены результаты численного моделирования динамики нестабильности типа обратной бомбардировки (ВКВ) в магнетронном диоде (коаксиальный диод в магнитном поле, B B0z B0). Получен „квазистационарный“ режим утечки электронов поперек сильного магнитного поля (B0/Bcr > 1.1, Bcr — критическое поле изоляции). Электронный поток в зазоре разбивается в азимутальном направлении на ряд сгустков и создает компоненту электрического поля E(r,, t). Это поле ускоряет некоторые электроны, и они, получив дополнительную энергию, бомбардируют катод, вызывая вторичную эмиссию электронов.

Другие электроны теряют кинетическую энергию и уходят на анод. Неустойчивость поддерживается, если катод имеет малую первичную эмиссию и коэффициент вторичной эмиссии kes = Ies /IeBKB > 1. Численный расчет сопоставлен с известными экспериментальными данными и показано их согласие. Предложена физическая модель BKB нестабильности. Коллективные колебания заряженных потоков происходят в зазоре со скрещенными электрическим и магнитным полями (E B-поле) при обменах импульсом и энергией между электронами и E B-полем. Автогенерация и самоорганизация потоков происходят благодаря вторичной эмиссии электронов с катода.

Введение Использование упрощенных моделей (типа 1.5-D кода) приводит к неверным выводам. Например, в [7] ошибочРабота посвящена исследованиям по физике наруше- но утверждается, что пучок в МД становится неустойния магнитной изоляции плотного электронного пото- чивым при больших токах эмиссии с катода в случаях, ка в вакуумном коаксиальном диоде с приложенным когда формируется виртуальный катод. Как известно, скрещенным E B-полем (магнетронный диод — МД). неустойчивость виртуального катода связана с высокой Интерес к физике процессов в приборах со скрещен- подвижностью заряженных частиц вдоль приложенного ными электрическим и магнитным полями обусловлен электрического поля E [8], тогда как в МД подвижность их широким использованием в вакуумной электрони- зарядов вдоль E-поля подавлена поперечным B-полем.

ке больших мощностей (СВЧ генераторы, инжекторы Сильная неустойчивость пучка в МД возникает при сильноточных пучков и др.). В то же время теория малом токе эмиссии „первичных“ электронов с катода.

таких приборов в большей части остается на фено- Этот результат был получен в середине XX века во мноменологическом уровне. Как известно, магнитное поле гих экспериментах [1,9,10] при использовании диодов с (B0) подавляет подвижность электронов (ионов) попе- „холодными“ вторично-эмиссионными1 катодами и при рек силовых линий поля B0 на размерах, превышающих малом токе первичной эмиссии электронов (Ie0 < 1A).

ларморовский радиус частиц (dAK > reL = mveAK/eB0). При подаче импульса напряжения (VAK = 5... 30 kV) Этот эффект, называемый магнитной изоляцией, бывает на диод и при kes(weBKB) > 1 в электронном потоке почти абсолютным в осесимметричных системах с „ред- возникали коллективные колебания большой амплитуды.

ким“ пучком (enedAK VAK/dAK = E0). В электронных Собственно сами колебания заряда и электрического приборах большой мощности реализуется режим „плот- поля внутри диода не были измерены как в [9,10], ного пучка“ (enedAK E0). В этом случае, как правило, так и в других опытах из-за технических трудностей.

наблюдается некоторый ток утечки поперек магнитного Присутствие высокого уровня колебаний пучка внутри поля, что связано с возникновением флуктуаций в рас- диода проявлялось в измеренных эффектах: „обострепределении зарядов, так называемой турбулентностью ние эмиссии“ более 102 раз (ток через диод резко потока.

Эффект вторичной эмиссии с поверхности металлов был открыт Физика приборов со скрещенными E B-полями ока- в 1902 г. при изучении катодных лучей. Коэффициент вторичной эмиссии (kes = Ies /IeBKB ) для чисто металлических катодов, использалась сложной для теоретического анализа из-за сильзованных в [9], превышает единицу при энергии бомбардирующих ной нелинейности процессов, а при попытках численных электронов weBKB > 200 eV. Сложные соединения, например оксидные расчетов самосогласованных моделей требовались болькатоды, использованные в [10], имеют более низкий энергетический шой объем вычислений и специальные программы [1–6]. порог [11].

94 А.В. Агафонов, В.П. Тараканов, В.М. Федоров возрастал: eB = IAK/Ie0 1 при включении магнитно- eVA0 = mv2 /2, veA

источника питания. Этот феномен интерпретировался многими авторами [1,9,10] как генерация пучка за счет eA/2e; eBKB eK0)/2e, PeA = IeAmv2 PeBKB = IeBKBm(v2 - vвторичной эмиссии при обратной бомбардировке катода (1) потоком высокоэнергетических электронов, что приво eA/2, eBKB/2 eK0/где weA = mv2 weBKB = mv2 и weK0 = mvдит также к дополнительному нагреву катода. Однако есть средние энергии электронов, которые падают на теоретическую модель этого процесса построить „на анод (weA < eVAK), бомбардируют катод и вылетают с кончике пера“ не удалось.

катода.

Наличие электронов с избыточной энергией Компьютерная модель позволяла в отличие от weK 300 eV в зазоре МД было обнаружено еще в натурных опытов [9,10] „измерять“ поля, токи, ранних опытах [12], но в то время удовлетворительного потоки энергии и импульса в диодном зазоре.

объяснения этому явлению не было дано. Отметим, что Измерение азимутального импульса МД возникает исследуемые диоды эксплуатировались, как правило, от действия момента магнитной силы, который подобен в высоком вакууме и напряжениях VAK > 1kV.

крутящемуся моменту обычного электромотора В этих условиях можно пренебречь парными rA rA столкновениями электронов и ионизацией остаточного IeA B0B = 2 JerB0r2dr = IeAB0rdr = mveA0rA ;

газа. Заметный эффект в перераспределении энергии e Bcr rK rK могут дать только коллективные взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Обычно такие 2rAmveABcr =, (2) колебания, которые не связаны с наличием какихe(r2 - r2 ) A K либо резонансных структур, называют турбулентными.

где B0 — приложенное аксиальное магнитное поле;

Проблема в исследовании турбулентности электронного Bcr — критическое магнитное поле, называемое также потока в МД заключена в трудности получения полем отсечки Хелла.

экспериментальных данных о ней. Измеренный уровень Момент импульса (2) передается электродам МД при колебаний (шумов) во внешних цепях был относительно падении электронов на анод (под углом eA) и при бомнизкий и имел слабую корреляцию с эффектами бардировке катода электронами с избыточной энергией нарушения магнитной изоляции, что указывало на (под углом eBKB) безызлучательный тип колебаний. „Магнетронные“ исследования за период 1940-1960 гг., представлены eA =(IeA/e)mrAveA sin eA;

в трудах [1]. Авторы статей (О. Бунеман, Р. Джепсен, eK =(IeBKB/e)mrK(veBKB - veK0) sin eBKB;

Г. Симс и др.) признают, что проблема турбулентности электронных потоков в приборах со скрещенными eA/0B + eK/0B = 1. (3) E B-полями осталась нерешенной. В последующие Закон сохранения азимутального импульса системы годы вопросы устойчивости мощных пучков в скрещенбудет выполнен при условии (3). Теперь выясним, возных полях снова привлекли к себе внимание в связи можна ли утечка электронов на анод МД (IeA = 0), если с работами в области управляемого термоядерного пренебречь обратной бомбардировкой катода (eK 0).

синтеза: ускорители плазмы [13], магнитная изоляция Это предположение оказывается несовместимым с закогорячей плазмы от „холодных“ стенок [14], генерации и нами сохранения энергии (veA

импульса (3), так как имеется следующее неравенство:

0B/eA > B0/Bcr > 1. Таким образом, явление обратной бомбардировки катода есть прямое следствие на1. Физика процессов в МД рушения режима магнитной изоляции в электронном при утечке электронов на анод диоде. В работах [3,6] было предложено называть такой режим как BKB нестабильность (back-bombardment „Странная“ неустойчивость, обнаруженная в опытах с instability).

МД, была промоделирована нами впервые в 1996 г., и эти исследования были продолжены и развиты в последующие годы [15–18]. Расчеты сделаны с использованием 2. Колебания зарядов в МД электромагнитного PIC кода КАРАТ [19,20]. Результапри BKB нестабильности ты счета верифицировались прежде всего по исполнению энергетического баланса: PAK PeA + PeBKB — В работах [15–18] было показано, что картина элек= потребляемая мощность и адсорбированная на элек- тронного потока в зазоре гладкого МД представляет тродах мощность были равны в пределах нескольких собой в (r, )-плотности самоорганизующуюся и самообпроцентов. Рассмотрим установившийся режим утечки новляемую структуру в виде плотных электронных облаэлектронов на анод (IeA(t) IAK = const, VAK(t) VA0, ков, вращающихся вокруг катода. Азимутальный размер Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Динамика нарушения магнитной изоляции и самоорганизация электронного потока... облаков был близок к величине диодного зазора dAK, что турбулентного пучка в МД имеются проблемы как соответствует расстоянию экранирования возмущений в решении нелинейных уравнений, так и в описании электрического поля между электродами. Электрическое промежуточных агентов, делающих возможным процесс поле, создаваемое сгустками зарядов, в определенной обмена энергией и импульсом между одними электромере подобно вращающемуся ВЧ электрическому полю нами, которые уходят на анод, и другими электронами, в диоде генераторного магнетрона2 [21,22]. Как извест- которые возвращаются на катод. Обмен энергией в но, в магнетроне используется замедляющая структура коллективных колебаниях электронов в МД происходит (разрезной анод с резонаторами), которая генерирует при их взаимодействии со скрещенным E B-полем.

бегущее азимутальное ВЧ поле E(rA, - t). Для ко- В этом процессе магнитное поле остается практически личественного описания электроники магнетрона была неизменным, а электрическое поле заметно изменяется создана в 40-50-е годы ее инженерная модель (см., из-за объемного заряда плотного пучка. В коллективных например, [1,21,22]). Согласно этой модели, основная колебаниях электронов энергия E-поля играет роль энерчасть потока электронов в диоде магнетрона органи- гетического буфера (0E2/2 nemv2 /2), что признано зована в виде спиц. Электронные спицы вращаются большинством исследователей.

вокруг катода со скоростью, примерно равной скоро- Процесс обмена импульсом между электронами пучсти электрического дрейфа vEB = Er /B0, синхронно с ка в МД (без этого невозможен колебательный пробегущим ВЧ полем E(rA, - t), что обеспечивает цесс) и передача азимутального импульса электродам эффективный отбор мощности от пучка. Замедленные (см. (2,3)) исследованы плохо по причине сложности электроны не могут удерживаться магнитным полем этой проблемы. Как известно, приборы со скрещенными B0 (weA < 0.3eVAK, eEA > eveAB0) и „притягиваются“ E B-полями имеют ненулевую плотность электромагк аноду, где поглощаются, создавая ток IeA, который нитного импульса (gEB = 0E B0) как для быстрых, отбирает мощность PAK = IeA · VAK от источника пита- так и медленно меняющихся во времени полей, т. е. в ния. Эмиссия электронов в спицы происходит с поверх- отсутствие электромагнитных волн (см., например, [25, ности катодной „электронной втулки“ (ее толщина по § 104; 25, гл. 27]). Простой анализ показывает, что оценкам равна eK =(0.1-0.2)dAK), которая создается в диодах с магнитной изоляцией электронов электроплотным потоком электронов, как вылетевших с катода, магнитный импульс и импульс потока электронов в так и возвращенных обратно. Ток эмиссии с катода в единице объема (|gEB| |nemve|) оказываются сравнимы инженерной модели полагался ограниченным объемным по величине. Применительно к устройствам типа МД зарядом (на катоде поле EK = 0). Оправдание этому (B0z = const, E = V (r,, t)) можно сформулировать постулату служило удовлетворительное соответствие следующее утверждение. В диодном зазоре возможны расчетов практике. практически безызлучательные ВЧ колебания электриИспользование подобного подхода в анализе коле- ческих зарядов с большой амлитудой (ne ne), прибаний в диоде с гладким анодом (МД) оказалось чем при относительно малых изменениях приложенного непродуктивным, поскольку в зазоре отсутствуют ис- напряжения и диодного тока. Эти колебания поддерточники высокочастотного (ВЧ) электрического поля живаются при взаимодействии зарядов со скрещенным (как внешние (мощность P = 0), так и внутренние: E B-полем, при обмене с ним импульсом и энергией и EA = 0, EK = 0). В МД роль формирователя бегущего благодаря нестационарной вторичной эмиссии электроВЧ электрического поля играет катод (на катоде поле нов с катода.

EK = Er(rK; - · t; t) = 0) с неоднородной нестационарной эмиссией. Эта вторичная эмиссия возникает под 3. Постановка задачи действием обратного потока электронов, что предполаи математическая модель гает высокий уровень колебаний пучка. В исследовании Напомним, что мощный импульсный СВЧ магнетрон был создан в Динамика частиц в гладком магнетроне моделированачале 1940-х годов усилиями больших коллективов Старого и Нового лась по коду КАРАТ комбинированным способом. ВнешСвета. Радиолокаторы, оснащенные магнетронами, сыграли большую ний источник импульсного напряжения VP(t) подключалроль во Второй мировой войне. Высокие импульсные мощности СВЧ излучения P = 0.1-1 MW, генерируемые магнетронами в санти- ся к диоду через RL-цепочку, а сам диод представлялся метровом диапазоне длин волн с = P/PAK = 50-70%, удалось в электрической цепи (рис. 1) в виде элемента с параполучить неожиданно, так как обнаружилась сильная эмиссия элекметрами: VAK(t) — напряжение на диоде и IAK(t) —ток тронов с катода (Je 100 A/cm2, Je/Je0 102 [21, гл. 1, 12]), которая через диод. Схема описывалась уравнением Кирхгофа значительно превышала термоэмиссионную способность катода. Это явление было обусловлено вторичной эмиссией электронов, вызванной обратной бомбардировкой катода. В 30-х годах и ранее в качестве VAK(t) =VP(t) - R1IAK(t) - L1dIAK(t)/dt, катодов часто использовались тонкие нити, которые легко перегорали.

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.