WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 4 04;10;12 Влияние условий формирования на развитие колебаний пространственного заряда в длинноимпульсном релятивистском электронном пучке © Л.Ю. Богданов, Г.Г. Соминский, А.Я. Фабировский Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 21 октября 1996 г. В окончательной редакции 31 марта 1997 г.) Определены характеристики колебаний пространственного заряда длинноимпульсного релятивистского электронного пучка в диодах с магнитной изоляцией, отличающихся геометрией участка ускорения электронов и материалом взрывоэмиссионных катодов. Выявлена важная роль потока электронов с большими поперечными скоростями в развитии колебаний и выяснены закономерности формирования этого потока.

Описаны возможные механизмы колебаний пространственного заряда, учитывающие взаимодействие потока электронов в ореоле пучка и основного потока электронов, развитие диокотронной неустойчивости в потоке электронов, эмиттированных внешней боковой поверхностью плазменного эмиттера, а также неустойчивость пространственного заряда ”долгоживущих” электронов в канале транспортировки пучка.

Введение ли измерены амплитудно-частотные и пространственновременные характеристики колебаний в наименее ис Огромные и до сих пор далеко не исчерпанные воз- следованных ранее длинноимпульсных РЭП. Однако можности использования релятивистских элеткронных полученных данных оказалось недостаточно для однопучков (РЭП) в электронике и энергетике больших значного определения их природы. В настоящей работе мощностей, поиск эффективных способов управления их сообщается о новых результатах, позволяющих лучше характеристиками определяют постоянно существующий понять механизмы коллективных процессов и их связь интерес к этому сложному объекту исследований. К с особенностями формирования и транспортировки РЭП сожалению, до сих пор часто не удается получить РЭП в широко используемых на практике диодах с магнитной достаточно высокого качества. Препятствует этому, в изоляцией.

частности, недостаток информации о закономерностях протекающих в них коллективных процессов.

Результаты измерений и их обсуждение Имеется большое количество публикаций, в которых анализируются закономерности формирования и Измерения выполнены на установке СЭР-1 [15,19] в транспортировки РЭП и их устойчивость (см., наприэкспериментальном приборе, сечение которого схематимер, [1–7]). В теоретических исследованиях выявлены чески показано на рис. 1. Электроны, эмиттированные основные причины развития неустойчивостей, связанные кромочным взрывоэмиссионным катодом 1 диаметром с существованием градиентов скоростей и концентрации Dc, ускорялись в зазоре Lca между катодом и анодом электронов в потоках. Механизм развития неустойчидо энергии около 200 keV, далее дрейфовали в канале востей под действием этих факторов имеет достаточно общий характер и проявляется не только в РЭП (см., например, [8,9]). Известные теоретические исследования выполнены для сильно идеализированных моделей пучков и большей частью в линейном приближении. Они успешно объясняют разрушение РЭП, однако не позволяют, как правило, определить амплитудно-частотные и пространственно-временные характеристики происходя щих в них коллективных процессов.

В экспериментальных работах из-за трудностей диагностики сильноточных электронных потоков анализировались преимущественно либо весьма низкочастотные ( 100 MHz) либо уже существенно высокочастотные процессы ( 3000 MHz) (см., например, [2,10–13]).

Лишь недавно благодаря использованию достаточно совершенной слабовозмущающей методики исследования были получены сведения о характеристиках коллективных процессов в широкой полосе частот [14–18]. БыРис. 1. Схема сечения экспериментального прибора.

Влияние условий формирования на развитие колебаний пространственного заряда... транспортировки 3 (диаметром Dt = 32 mm и длиной Lt = 1.2m) и осаждались на поверхности коллектора 4 в спадающем краевом магнитном поле системы соленоидов 5. Во всем пространстве транспортировки пучка, за исключением краевой области, создавалось приблизительно однородное магнитное поле B0 1T.

Отклонения от величины B0 ”на стыках” соленоидов были меньше 10%. В исследованных системах длительность импульсов тока I на коллектор и величина тока менялись соответственно в пределах 1.0... 3.0µs и 0.7... 1.1kA.

Основное внимание в работе уделено выяснению влияния условий формирования пучка на характеристики развивающихся в нем колебаний пространственного заряда.

Варьировались материал катода (нержавеющая сталь и углерод) и его диаметр (12 и 20 mm), а также в пределах от 12 до 27 mm расстояние Lca между катодом и анодом.

Кроме того, во всех исследованных системах испытано воздействие на колебания локальных неоднородностей магнитного поля, создаваемых дополнительными катушками 6 и 7, расположенными соответственно на расстояниях 20 и 60 cm от катода. Катушки создавали неоднородности магнитного поля пробочной конфигурации, полуширина которых вдоль оси системы была 10 cm, а амплитуда в разных экспериментах составляла или 60% от величины основного удерживающего пучок Рис. 2. Изменения во времени тока коллектора I (кривая 1) магнитного поля B0.

и амплитуды A продетектированных сигналов с зондов Характеристики колебаний определялись по разра(кривая 2) и 9 (кривая 3) в системе формирования РЭП с ботанной в [15] методике с помощью зондов 8 и 9, графитовым катодом. a, b — характеристики получены при установленных на расстояниях от катода соответственно удержании РЭП в однородном магнитном поле B0 1T;

= 40 и 80 cm. Зонды ”сообщались” с пучком через c, d — данные получены при введении локальных неоднородмалые (диаметром 3mm) отверстия в стенке канала ностей магнитного поля амплитудой 0.3 B0 соответственно с транспортировки и фиксировали наведенные сигналы, помощью катушек 6 и 7; a — Dc = 20 mm, Lca = 12 mm;

связанные с движением сгустков пространственного заb, c, d — Dc = 20 mm, Lca = 27 mm.

ряда в пучке. Регистрировались ”магнитные” спектры колебаний за времена 6... 15 ns, а также импульсные изменения продетектированных зондовых сигналов.

амплитуда у зонда 9 достигает во всех исследованных сиХарактеристики колебаний качественно подобны во стемах значений 106V/m (т. е. 10% от статического всех исследованных системах. Изменения амплитуды A поля между пучком и стенкой канала транспортировки).

колебаний во времени t и в пространстве можно проЭти данные свидетельствуют об усилении волновых следить, наблюдая продетектированные сигналы зондов.

процессов на участке между зондами, о том, что сигналы На рис. 2 показаны типичные зависимости A(t) зондов удаленного от катода зонда во всяком случае в данном и 9. Здесь же приведены изменения во времени тока временном интервале определяются нарастающими вол I коллектора. Как показали выполненные нами ранее нами в пучке. Отсутствие данных о пространственном исследования [15], зонды связаны с ближней зоной канаизменении амплитуды колебаний в ближней к катоду ла транспортировки и надежно регистрируют колебания зоне затрудняет определение природы колебаний зонда 8.

пространственного заряда РЭП до тех пор, пока плотная Его сигналы принципиально могут быть обусловлены катодная плазма в процессе своего аксиального расширене только усилением волн, распространяющихся вдоль ния не достигнет уровня входного отверстия в зондовую пучка, но и колебательными процессами другого типа.

секцию.

Поэтому для выяснения закономерностей нарастания Плазменные колебания практически не улавливаются волн в пучке проанализируем особенности характеризондом 9 в течение всего импульса тока пучка, но именно стик сигналов удаленного от катода зонда.

они определяют сигнал зонда 8 в интервалы времени, соответствующие спаду тока на коллектор. На переднем С увеличением тока пучка амплитуды сигналов зонда фронте импульса тока I можно выделить временные нарастают во времени, причем скорость этого процесса участки, для которых характерно нарастание колебаний сначала невелика, а затем после некоторого характерпространственного заряда с удалением от катода. Их ного для данной системы интервала времени t = t Журнал технической физики, 1998, том 68, № 104 Л.Ю. Богданов, Г.Г. Соминский, А.Я. Фабировский Таблица 1. изменение магнитного поля вблизи дополнительных катушек 6 и 7, для определения условий отражения можно Материал Нержавеющая Углерод воспользоваться выражением адиабатического инварианкатода сталь та и записать Dc, mm 20 12 Lca, mm 27 12 27 12 V0/V 0 (B0/B)1/2, (1) t, µs 0.5-0.6 0.2 0.4-0.5 0-0.1 0.3-0.td, µs 0.6 0.15 0.4 0.1 0.где V0 и V 0 — соответственно поперечная и продольная составляющие скорости электронов, подлетающих к магнитной пробке; B — амплитуда изменения магнитного поля.

резко увеличивается (рис. 2). Величина t заметно Так как воздействие неоднородностей магнитного поля меняется при изменении геометрии участка ускорения становится ощутимым при B0/B = 3, из (1) следует, электронов или материала катода. В табл. 1 приведены что отражены должны быть электроны с поперечныхарактерные значения t для исследованных в работе ми скоростями V0 1.7V 0. Такие скорости могут систем формирования РЭП.

быть приобретены выходящими из катодной плазмы Меняется с течением времени и спектр колебаний зонда 9. В начальные моменты времени t < t электронами при движении в поперечном магнитному электрическом поле E 108 V/m. Чтобы определить при малых амплитудах сигналов преобладают сравусловия возникновения электронов со столь большими нительно низкочастотные колебания в полосе частот поперечными скоростями, были проведены оценки полей 100 f 300 MHz. В условиях же, когда реализуются у поверхности плазменного эмиттера при разных его достаточно большие амплитуды (t > t), в спектре размерах и аксиальных положениях с учетом неодновыделяются дискретные пики в диапазоне более высоких частот приблизительно от 500 до 1500 MHz. Типичные спектры колебаний зонда 9 показаны на рис. 3.

Влияние локальных неоднородностей магнитного поля пробочной конфигурации на колебания пространственного заряда РЭП наблюдалось ранее в [16–18]. Измерения были выполнены в системе формирования РЭП с катодом из нержавеющей стали диаметром Dc = 20 mm, установленным на расстоянии Lca = 27 mm от входа в канал транспортировки. Полученные в настоящей работе данные позволяют обобщить выводы первых измерений на случаи разной геометрии участка ускорения электронов и разных материалов катода. Эффект воздействия зависит не только от величины неоднородности, но и от ее расположения в канале транспортировки. Увеличение магнитного поля на 30% вблизи катода (с помощью катушки 6) подавляет сигналы обоих зондов. Сигналы зонда 8 заметно уменьшаются в интервалы времени, когда они могут быть связаны с катодной плазмой. В области же зонда 9 четко отмечается падение интенсивности колебаний пространственного заряда РЭП. Уменьшение амплитуды колебаний здесь достигает 1.5... 4раз (рис. 2, c). Увеличение этой неоднородности магнитного поля до 60% от B0 приводит к дополнительному снижению амплитуды колебаний зонда 9 в 2... 4 раза.

Введение неоднородностей такого типа с помощью удаленной от катода катушки 7 в отличие от описанного воздействия катушки 6 практически только ускоряет развитие колебаний, причем не только в прошедшем мимо нее пучке, но и у зонда 8 (рис. 2, d).

Рис. 3. Типичные спектры сигналов с зонда 9, полученные в Обнаруженное влияние неоднородностей магнитного однородном магнитном поле B0 1 T в системе формирования = поля находит объяснение, если предположить, что их РЭП с графитовым катодом. Dc = 20 mm, Lca = 27 mm; t, µs:

создание приводит к отражению части электронов поa — 0.3 (t < t), b — 0.6 (t > t); Am1 и Am2 — мактока, оказывающей сильное влияние на характеристики симальные значения амплитуды A регистрируемых спектров;

регистрируемых колебаний. Учитывая адиабатическое Am2/Am1 15.

= Журнал технической физики, 1998, том 68, № Влияние условий формирования на развитие колебаний пространственного заряда... Таблица 2. и электронов с торца плазменного эмиттера с максимальными продольными скоростями V max. Наиболее Материал катода Vp, cm/ s Vp, cm/ s эффективным такое взаимодействие должно быть при Нержавеющая сталь 3 · 105 3 · 106 синхронизме быстрой волны пространственного заряда Углерод 5 · 105 5 · в первом потоке с медленной волной пространственного заряда во втором. В этом случае, приравнивая фазовые скорости волн, легко получить выражение для частоты f возникающих в результате развития неустойчивости родностей его поверхности.1 Оценки показали, что поля колебаний E необходимой напряженности могут возникать у неV minp max + V maxp min однородностей внешней боковой границы плазмы вблизи f =, (2) входа в канал транспортировки, т. е. с запаздыванием от2 V max - V min носительно начала импульса тока, которое определяется где p max и p min — соответственно редуцированные расстоянием до этой области и скоростью расширения плазменные частоты потоков со скоростями V max и V min.

катодной плазмы. Полученные данные позволили рассчиПроведенные расчеты, в которых для определения тать время запаздывания td для исследованных систем редуцированных плазменных частот использованы полу(табл. 1). В расчетах предполагалось, что усиление поля ченные нами ранее данные о характеристиках распрена неоднородностях плазменного эмиттера одинаково деления пространственного заряда в РЭП [16–18], дают для всех систем и равно 5. Использованные же зназначения f 500... 700 MHz, приближенно соответчения поперечной (Vp) и продольной (Vp ) скоростей ствующие наиболее интенсивным колебаниям, наблюдавдвижения плазмы для катодов из нержавеющей стали и шимся в экспериментах.

из углерода приведены в табл. 2.

Рассмотренная двухпотоковая модель объясняет не Они выбраны в соответствии с существующими литетолько диапазон частот наблюдаемых колебаний, но и суратурными данными о движении катодной плазмы вблизи щественно разное воздействие на их характеристики некатода [7].

Pages:     || 2 |



© 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.