книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

сгавлениями [104], максимальная скорость расширения плазмы в вакуум ограничивается тепловой скоростью электронов

Во втором режиме (рис. 2.3, 1) напряженность электрического* ноля на границе плазма — вакуум всегда равна нулю. При умень­ шении концентрации плазмы эмитирующая граница смещается к катоду, при увеличении — к аноду. Для такого режима эмиссии электронов «закон 3/2» должен быть переформулирован в выраже­

В реальном диоде с неоднородной катодной плазмой режимы эмиосии могут меняться во времени. Первоначально на границе плот­ ность плазмы большая и реализуется режим неограниченной эмис­ сии, при этом скорость разлета плазмы может увеличиваться^ С расширением плазмы в вакуум ее плотность уменьшается и плот­ ность тока пучка может стать равной плотности тока насыщения.. Начиная с этого момента разлет катодной плазмы тормозится дав­ лением внешнего электрического поля 2?2/8я и скорость плазмы мо­ жет стать существенно меньше первоначальной. Оба режима эмис­ сии наблюдались в диоде с острийным катодом и плоским анодом; [105].

Одной из основных проблем источников электронов с ВЭЭ яв­ ляется торможение разлета катодной плазмы. Исследования в этой области пошли по двум основным направлениям. Первое направ­ ление связано с торможением плазмы электрическим полем, вто­ рое — магнитным. Для торможения плазмы электрическим полем не­ обходимо, как уже отмечалось выше, перевести плазму в режим на­ сыщения эмиссии электронов, т. е. уменьшить ее концентрацию. С этой целью снижают ток через ЭЦ и, следовательно, среднюю плотность тока на катоде до 0,1— 10 А/см2. Для получения килоамперных токов в таких диодах формируют электронные пучки большого сечения [106], которые нашли широкое применение для накачки газовых лазеров.

Наложение магнитного поля поперек разрядного промежутка,, как показали первые эксперименты [107], тоже приводит к умень­ шению скорости расширения катодной плазмы. Это позволяет уст­ ранить либо существенно уменьшить ток на анод и тем самым ослабить анодные процессы, а также убрать анодную фольгу, ко­ торая является наиболее слабым элементом инжектора пучка диод­ ного типа. Первые бесфольговые коаксиальные диоды с магнитной

лях. Трубчатые электронные пучки, формируемые в таких диодах,, сразу же стали применяться для генерации СВЧ-излучения [109]...

Следует отметить, что возможно совмещение двух подходов в од­ ном диоде, а именно, торможение разлета плазмы электрическим полем на катоде большой площади и формирование трубчатого пучка в сходящемся неоднородном магнитном поле КДМИ [110] -

Известно множество конструкций коаксиальных диодов с маг­ нитной изоляцией. По взаимному расположению катода и анода

из плазмы, образующейся на катоде в процессе ВЭЭ, формируется трубчатый электронный пучок, который по силовым линиям маг­ нитного поля выводится из диода в вакуумную трубу дрейфа. Если на внутренний электрод диода (например, на рис. 2.4, б) подать положительный импульс напряжения, то такой диод становится обращенным. Он используется для генерации СВЧ-излучения в об­ ращенных магнетронах [111, 112] и получения ионных пучков [113— 115]. Из таких диодов электронный пучок не выводится. Поэтому обращенные электронные КДМИ условно можно разделить на нагруженные и ненагруженные электронным пучком. Ниже под КДМИ мы всегда будем подразумевать прямые диоды, обращенные будут отмечаться особо.

Другим основанием для классификации КДМИ является кон­

го потока и при однородном в поперечном сечении магнитном поло равен

катода вдоль оси легко регулируются межэлектродный зазор и ра­ диус пучка. В плоском диоде можно изменять соотношение попе­ речной и продольной составляющих напряженности электрического поля на катоде. Однако в области прямоугольного перехода анод — труба дрейфа электрическое поле неоднородно, что может приво­

трубчатого катода. Недостатком торцевого катода является эмисси­ онный ток с торца при высокой напряженности электрического по­ ля, паразитный в СВЧ-устройствах. Использование многоострийного катода также ограничено возбуждением ВЭЭ на электродах, между которыми располагаются острия (рис. 2.4, д) . Поэтому наи­ большее применение в релятивистской высокочастотной электрони­ ке нашли трубчатые катоды.

Индукция магнитного поля в КДМИ выбирается такой, чтобы при заданном напряжении на диоде электроны, эмитируемые като­

Значение индукции магнитного поля, при которой происходит от­ сечка электронного тока на анод, называется критическим 5 кр. Для релятивистских электронов при условии сохранения полного маг­ нитного потока в межэлектродном зазоре [122, 123]

(2.14)

Здесь йэф— эффективный межэлектродный зазор, который в пло­ ском диоде равен расстоянию между катодом и анодом. В диоде4

чтобы толщина скин-сдоя собственного магнитного поля электроналого потока в металле электродов была много меньше толщины этщ; электродов. Это условие хорошо выполняется для используемых в КДМИ длительностей импульсов напряжения. Отметим, что вы­ ражение (2.14) справедливо и в одночастичном приближении.

Экспериментально измеренное 5 кр [124, 125] для цилиндриче­ ского диода в пределах 5 % совпадает с вычисленным по формуле

коррелирует с возбуждением в диоде СВЧ-колебаний широкого ча­ стотного диапазона [124, 125, 129, 130] и связывается [129, 130] с развитием диокотронной неустойчивости электронного слоя во­ круг катода. Анодный ток при 2 ? > 5 кр может приводить к образо­ ванию анодной плазмы, как это экспериментально показано для обращенных КДМИ [115, 128, 131]. Магнитная изоляция нереля­ тивистских диодов с термокатодами подробно исследовалась [132, 133].

Ток проводимости, протекающий по внутреннему электроду (катоду) в коаксиальном цилиндрическом диоде с внешним маг­ нитным полем В , создает азимутальное магнитное поле 5 0. При этом траектории электронов в диоде определяются суммарным воз­ действием обоих магнитных полей [122, 124, 125]. Изоляция меж­ электродного промежутка, создаваемая только полем 2?0, получила

где р — волновое сопротивление линии, U — приложенное напря­ жение.

Экспериментально измеренный [134] ток самоизоляции не­ сколько больше, чем это следует из формулы (2.15), полученной в одночастичном приближении. Наблюдаемое различие может быть связано с влиянием объемного заряда электронного потока. В пос­ леднее время коаксиальные линии с магнитной самоизоляцией на­ чинают применять и для генерации СВЧ-излучения [135, 136]. Привлекательность таких систем связана с возможностью исполь­ зования больших токов без внешнего магнитнбго поля, создание ноторого, особенно в больших объемах, требует серьезных затрат.

2.4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ С ВНЕШНИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Использование коаксиальных диодов с магнитной изоляцией для формирования сильноточных РЭП накладывает свои особенно­ сти на конструкции электронных пушек. Основными элементами электронных пушек с КДМИ (рис, 2,5) являются вакуумный изо-

Рис. 2.5. Схемы электронных пушек с КДМИ.

1 — вакуумный изолятор; 2 — катододержатель; 3 — отражатель; 4 — анод; б — катод; 6 — соленоид; 7 — сило­ вые линии магнитного поля; 8 — коллектор.

лятор, катодно-анодный узел, магнитная система. Давление оста­

и резистивных делителей. При наносекундных длительностях им­ пульса напряжения (ти < 100 нс), подаваемого на электронную пушку, используются все типы делителей. При первом типе де­ ления напряжения емкостями служат секции изолятора — чередую­ щиеся диэлектрические и металлические кольца. Для индуктивного деления напряжения на поверхность сплошного изолятора нама­ тывается спираль с определенным шагом. При микросекундных длительностях импульса (ти > 1 мкс) используются резистивные делители напряжения. Для секционированных изоляторов это обыч­ но цепочки резисторов, которые закреплены последовательно на металлических градиентных кольцах. В сплошных изоляторах ре­ зистивное распределение напряжения может осуществляться прово­ дящей жидкостью (электролитом). В этом случае [137] изолятор (рис. 2.5, б ) состоит из двух коаксиальных цилиндров, между ко­ торыми залит раствор медного купороса. Общее требование к де­ лителям напряжения — это малый по сравнению с током пучка потребляемый ток. Средняя по длине секционированного изоля­ тора напряженность электрического поля при ти ^ 1 мкс выбирает­ ся в пределах 10— 20 кВ/см [138, 140]. При наносекундных дли­

тельностях импульса напряжения она в несколько раз выше и

изоляторов важную роль в работе электронных пушек играют об­ ратный ток и ток утечки с катододержателя. Эти паразитные то­ ки уносят часть энергии и снижают эффективность ускорителей, которая определяется как отношение энергии выведенного элек­ тронного пучка к энергии высоковольтного накопителя. Кроме то­ го, они влияют на работу диода и электрическую прочность изо­ лятора. Обратный ток является специфической особенностью ис­ точников электронов с КДМИ.

Обратный ток в КДМИ обусловлен наличием компоненты ус­ коряющего электрического поля с обратной стороны катода или катодной плазмы. В первых КДМИ катод обычно закреплялся на катододержателе меньшего диаметра (см. рис. 2.4, а, б). При вы­ сокой напряженности электрического поля возникала ВЭЭ с об­ ратной стороны катода и электронный пучок по силовым линиям спадающего магнитного поля ускорялся в сторону вакуумного изо­ лятора. Обратный ток при такой конфигурации электродов может превышать ток прямого пучка электронов, инжектированного в трубу дрейфа. Попадание электронов на изолятор инициирует про­ бой по его поверхности [137, 141], а на анод — образование анод­ ной плазмы и пробой диода [142].

При одинаковых диаметрах катода и катододержателя обрат­ ный ток формируется с задней стороны катодной плазмы, расши­ ряющейся поперек однородного магнитного поля (см. рис. 2.4, в) на сантиметровые расстояния при микросекундных длительностях импульсов напряжения. В этом случае обратный ток меньше пря­ мого и возрастает по мере расширения катодной плазмы. В неод­ нородном магнитном поле (см. рис. 2.4, а) обратный ток возникает одновременно с прямым пучком сразу же на переднем фронте импульса напряжения при возбуждении ВЭЭ на кромке катода.

Подавление обратного тока требует реализации таких условий,, при которых силовые линии магнитного поля, выходящие на по­ верхность анодного узла и изолятор, не пересекают эмитирующую поверхность катода [143]. С этой целью обычно между катодом и катододержателем располагают отражатель электронов конической (см. рис. 2.5, а), плоской (см. рис. 2 .5,6) или сферической формы. При этом силовые линии магнитного поля, соответствующие радиу­ су катода с учетом поперечного расширения катодной плазмы, должны проходить ниже вершины катододержателя (см. рис. 2.5, а, б) . Желательно отсутствие эмиссии электронов с отражателя.

Исследования обратного тока в КДМИ с коническим и плоским

током пучка I v = 4 — 17 кА, Во — 18 кГс. Если силовая линия маг­ нитного поля, касающаяся кромки трубчатого графитового катода, шла вдоль поверхности конического отражателя, то обратный ток

па фронте импульса напряжения практически отсутствовал, но через 0,5 мкс достигал 15 % от тока пучка. Если же силовая ли­ ния, соответствующая радиусу катода, проходила выше вершины отражателя на 11 мм, обратный ток уже на фронте импульса со­ ставлял 20 % от тока пучка. Для плоского отражателя в этом же

магнитные силовые линии шли ниже вершины отражателей. Не­ достатком такого метода подавления обратного тока является эмис­ сия электронов с вершины отражателя при напряженности элек­

Все другие методы подавления обратного тока связаны с под­ бором конфигурации магнитного поля. Так, обратный ток в одно­ родном коаксиале, который составлял 25— 35 % от тока пучка, устранялся использованием магнитного поля пробочной конфигу­

ные пушки в настоящее время используются только для получения трубчатых пучков малого диаметра.

В пушках, выполненных по схеме, приведенной на рис. 2,5, а, катододержатели имеют большую площадь, особенно при мегавольтных напряжениях. Это снижает среднюю напряженность электри­ ческого поля, при которой возникает ВЭЭ и идет утечка с катодо­

малая длина катододержателя. Для уменьшения тока утечки с от­ ражателя и градиентных колец изолятора такой пушки вводился дополнительный соленоид, который наматывался на вакуумную ка­ меру [140]. В плоском диоде с электронной пушкой подобного типа получен электронный пучок с энергией 150 кДж при эффективно­ сти ускорителя 75 % [151].

Для получения сплошных цилиндрических пучков с малым энергетическим разбросом, применяемых в мазерах и лазерах на свободных электронах, разрабатываются электронные пушки с элек­ тростатической фокусировкой. Электронные пучки в таких пушках формируются и ускоряются с помощью многоэлектродной системы.

С использованием электростатической ускорительной трувки при напряжении 2 МВ получен электронный пучок с длительностью импульса 30 нс, током 1,1 кА и разбросом Луп/Тп ~ 0,01 % [152]. Пучок имел диаметр 5 см при диаметре катода 4 см. Из графитов разных марок лучшим оказался реакторный. Качество пучка улуч­ шалось с увеличением напряженности электрического поля на ка­ тоде, которая в экспериментах изменялась в пределах 245 -т- -т- 650 кВ/см.

Цилиндрические пучки формируются также с помощью КДМИ специальной конструкции [153, 154]. В таких диодах используется стержневой профилированный катод для повышения однородности пучка по радиусу. Из всего пучка с помощью диафрагмы выреза­ ется центральная часть. При этом ток пучка, инжектированного в трубу дрейфа, существенно меньше тока диода. В КДМИ такого типа [154] получен цилиндрический пучок диаметром 7 мм с то­ ком 2,2 кА и энергией электронов 1 МВ при длительности им­

Отметим, что применение электронных пушек описанных вы­ ше двух типов ограничено наносекундным диапазоном длительно­ стей импульса напряжения, так как расширяющаяся катодная плаз­ ма может полностью исказить электронную оптику. Кроме того, в таких системах ограничен и ток, что не позволяет надеяться на существенное наращивание мощности в устройствах СВЧ.

2.5. ОБРАЗОВАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЫ В МАГНИТНОМ ПОЛБ

2.5.1.Образование катодных факелов

вмагнитном поле

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов формирования трубчатых электронных пучков в КДМИ, необходимо проанализи­ ровать особенности образования катодной плазмы в магнитном по­ ле, такие ее характеристики, как массовый состав, концентрация и температура. Наложение магнитного поля не изменяет время задержки взрывной эмиссии электронов [107]. Однако оно суще­ ственно влияет на процесс плазмообразования в КДМИ. Фотогра­ фирование свечения плазмы в диоде через фланец трубы дрейфа с помощью электронно-оптического преобразователя [155] либо фотоаппарата с открытым затвором [101, 156] показало, что число катодных факелов возрастает с усилением магнитного поля. При этом улучшается однородность плазмы, особенно при микросекундных длительностях импульса напряжения [155, 156]. Фотографии свечения плазмы в КДМИ с графитовым катодом при напряжении на диоде U < 300 кВ и длительности импульса ти < 3 мкс для раз­ личных значений магнитного поля приведены на рис. 2.6. В этих экспериментах [156] использовались торцевые катоды из графита, алюминия и меди. При 5 = 0 число КФ обычно не превышало де-

Рис. 2.6. Свечение плазмы в диоде для 5 = 0 (а), 6 (б), 18 кГс (в).

сяти и было максимальным на катоде из графита. Напротив плаз­ мы КФ под воздействием электронов образуется анодная плазма. Развитие плазменных процессов приводит к пробою диода. Малое число КФ при В = 0, как отмечалось выше (см. разд. 2.2), обус­ ловлено эффектом экранировки. Магнитное поле замагничивает электроны вблизи катода при В > 2?кр и тем самым уменьшает эк­ ранирующее влияние объемного заряда электронного потока. На­ пряженность электрического поля на катоде возрастает, что и при­ водит к увеличению числа КФ.

Эти процессы исследовались подробно [101]. В КДМИ на гра­ фитовый трубчатый катод с толщиной стенки 0,5 мм подавался

фактор не вызывал существенного уменьшения электрического по­ ля на катоде. Ведущую роль в экранировке играл объемный заряд электронного тока. Исследования показали, что число КФ в основу ном росло в области малых магнитных полей, где ларморовский радиус электронов гл > г;Рти. При этом линейную плотность КФ' по периметру можно приближенно аппроксимировать зависимостью

вследствие конечного числа КФ при длительностях импульса на­ пряжения ти = 30 нс и переднего фронта тф= 3 нс исследовалось для катодов из графита, меди и нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 2 мм при напряжении на диоде. U = 500 кВ и магнитном поле

в первой половине импульса, а его нестабильность уменьшалась. Влияние материала катода на характеристики пучка при малых ти может быть более существенным, чем напряженности электри­ ческого поля. Так, при частоте повторения импульсов 50 с-1 не­

стабильности тока пучка и напряжения на диоде близки (< 1 % ) для трубчатого катода из графита толщиной hK= 0,5 мм и для медного катода с hK= ОД мм. Это объясняется зависимостью вре­ мени запаздывания возникновения КФ и соответственно их линей­ кой плотности от материала катода. Так, при В = 0 измерены т3 для катодов из С, Pb, Си, Al, Mo и показано, что т3 минимально

исследовании образования КФ в КДМИ с неоднородным магнит­

экспериментах использовались трубчатые катоды из графита тол­

зионных меток на автографе, получаемом на металлической пла­ стине, устанавливаемой непосредственно на выходе диода. При этом полагалось, что число струй в пучке соответствует количеству КФ на катоде. Для графитового катода линейную плотность КФ также можно аппроксимировать зависимостью N ~ В^, где а ^ 0,5— 1. Более определенное значение а трудно получить из-за нестабиль­ ности N от импульса к импульсу, зависимости а от Вк и малого количества импульсов. Для примера при 2?к= 12 кГс на катоде

зора не приводило к заметному изменению числа КФ. Это обус­ ловлено тем, что КФ возникают на фронте импульса напряжения при близких напряженностях электрического поля. При этом dEJdt изменялось несущественно. При замене графитового катода с hK^ ^ 1 мм на более тонкие металлические катоды число КФ увеличи­ валось в 2—3 раза. Уменьшение толщины катода на порядок при­ вело к существенному увеличению dEJdt. Причем различие в ли­ нейной плотности КФ для различных металлов не превышало 30 %. Отсюда следует, что при тф> 100 нс определяющую роль в фор­ мировании плазмы КФ играет скорость нарастания напряженности электрического поля на катоде, а не материал катода.

В формировании плазменной эмиссионной поверхности важна динамика образования КФ во времени, которая исследовалась для дгух принципиально отличных экспериментальных условий [159, 160]. В одном случае [159] напряженность электрического поля в диоде была недостаточна для возбуждения взрывной эмиссии на катоде и плазма первичного 1£Ф создавалась поджигом от специ­ ального источника напряжения. В другом [160]— ВЭЭ возбужда­ лась внешним электрическим полем.

В первом эксперименте [159] (рис. 2.7) катодом служил мед­ ный диск диаметром 12 и толщиной 0,5 мм. Межэлектродный зазор d = 5 мм. Для изучения динамики образования КФ использова-