книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

лись зонды из тонкой медной проволоки, которые устанавливались па одном уровне с катодом и на расстоянии s от места поджига. На диод подавался прямоугольный импульс напряжения длитель­ ностью до 1,3 мкс и амплитудой до 30 кВ. Одновременно на под­ жигающий электрод подавался импульс длительностью 5 нс и та­ ким образом фиксировалось место образования первичного КФ. Выяснилось, что новые КФ образуются практически только во вре­ мя высоковольтной стадии вакуумного разряда и последовательно размножаются в направлении силы Ампера. С помощью зондов

вых измерений и фотографий плазмы следует, что скорость движе­ ния границы образования КФ составляет (0,5— 2) •106 см/с и не зависит от магнитного поля 2? = 2— 10 кГс.

Полученные результаты позволили авторам [159] предложить механизм образования новых КФ в магнитном поле. Плазма, выте­ кающая из первоначального эмиссионного центра, дрейфует по ази­ муту вдоль катода со скоростью, достигающей 2 •106 см/с [161]. Из-за неравномерности поступления материала катода в плазму [105] в ней возникают разрывы и потенциал периферийной обла­ сти КФ может достигать единиц киловольт. При повышении по­ тенциала плазмы над данным участком катода на нем возникает ВЭЭ и образуется новый катодный факел. Последующие КФ обра­ зуются эстафетно от предыдущих.

Эксперименты [160] проводились в КДМИ с неоднородным

исследовалась с помощью анализатора, который устанавливался в трубе дрейфа в области однородного магнитного поля. Основным элементом анализатора был графитовый конус с радиальными раз­ резами различной ширины. Длина щелей вдоль магнитного поля

Рас. 2.9. Осциллограммы полного тока пучка (а), тока за щелью ши­ риной 2,5 (б) и 4 мм (в).

была больше шага ларморовской спирали. Конус служил коллекто­ ром для основной части тока пучка /*. Для регистрации тока за щелью / к использовались специальные графитовые коллекторы. Эффективная ширина щели /эф определялась как разность между поперечным размером щели и диаметром ларморовской окружности.

Осциллограммы коллекторного тока IK(t) не повторяли по фор­ ме импульс тока пучка h {t ), на них наблюдаются всплески разной интенсивности с периодом 100— 180 нс (рис. 2.9). Это свидетель­ ствует о том, что в пучке существуют азимутальные уплотнения тока (струи), причем они сохраняются на протяжении всего им­ пульса. Из сравнения максимальных токов в струях в различные моменты времени можно оценить динамику изменения числа струй в пучке. Если число струй со временем увеличивается, то средний ток струи должен падать, т. е. при t2 > i\

ми с одинаковой /оф. Поскольку размер струи неизвестен, число струй из этих измерений найти нельзя. Однако можно определить

Из результатов, полученных по этой методике, следует, что число струй увеличивается практически только в первые 200—300 нс, т. е. на переднем фронте импульса напряжения. Число струй ра­ стет примерно линейно с увеличением магнитного поля в иссле­ дованном диапазоне Вп — 1,2—4,2 кГс (рис. 2.10). По автографу

Полученная совокупность экспериментальных результатов по­ зволяет сделать два основных вывода. Во-первых, нет универсаль­ ной зависимости линейной плотности КФ на катоде (расстояния между КФ) от магнитного поля. Она зависит как от магнитного поля на катоде, так и от материала катода и скорости нарастания напряженности электрического поля на катоде. Во-вторых, в силь­ ных электрических полях, достаточных для возбуждения ВЭЭ, чис­ ло КФ практически полностью определяется эффектом экраниров­ ки, а размножение КФ вследствие подхвата под плазмой [159] несущественно и играет дополнительную роль.

2.5.2.Характеристики катодной плазмы

вмагнитном поле

Характеристики плазмы, образующейся на катоде при ВЭЭ в

Массовый состав плазмы определялся из спектральных измерений

164]. Концентрация плазмы измерялась с помощью лазерной ин­ терферометрии [156, 162], шлирен-фотографии [163], голографии [164] и по штарковскому уширению линий водорода [124, 156]. Минимальная концентрация плазмы в используемых методиках со­ ставляла 1015 -г- 1016 см-3, пространственное разрешение ^ 0,1 мм. Температура плазмы вычислялась [163] по относительной интен­ сивности свечения спектральных линий в предположении локаль­

дились с использованием катодов из графита, алюминия и меди. Полученные спектрограммы указывали на присутствие в плазме

ность свечения последних значительно превышала интенсивность линий металла и была практически одинаковой для всех катодов (С, А1, Си). При фотометрировании в аксиальном направлении

Рис. 2.11. Продольное (а) и поперечное (б) распределения интенсивности ли­ ний Cul 1521,8 нм (7), Cull 490,9 нм (!'), Нр 458,0 нм (2), С2 516,5 нм (5),

С II 558,9 нм (4) (гК)= ' 3,2 см, ти = 3 мкс, В = 5,1 кГс/, U = 230 кВ).

в механизмах разлета плазмы поперек и вдоль магнитного поля. Для графитового катода наиболее интенсивны линии На и СП 657,8 нм [124]. Причем интенсивность линии На (концентра­

ция излучающих атомов) существенно различалась от импульса к , импульсу при постоянной плотности электронов. Для воспроизводи­ мости результатов в диод напускали водород, который адсорбиро­ вался иа поверхности графитового катода в течение нескольких минут, а затем диод откачивался до рабочего вакуума. Данные экспериментальные результаты также указывают на важную роль ионизации десорбируемого с катода газа в формировании прикатодной плазмы.

В спектре прикатодной плазмы при исследованиях с времен­ ным разрешением [164] во время высоковольтной стадии вакуум­ ного разряда наиболее ярки водородные линии На и Нр. После окончания импульса высокого напряжения длительностью ти = 70 нс плазма излучала еще более чем 100 нс. В этот период регистриро­ вались многие линии нейтралов и молекулярные полосы, особенно углеродные. Это позволяет предполагать, что полосы С2, СН [156] соответствуют низковольтной стадии вакуумного разряда в КДМИ. Отметим также, что на катоде из нержавеющей стали зарегистри­ ровано свечение ионов углерода, кислорода, кремния во время вы­ соковольтного импульса напряжения [163].

Проведенные исследования показали, что плотность плазмы увеличивается в течение импульса и практически линейно растет с током. Так, изменение линейной плотности тока от 4 до 0,5 кА/см (ти = 4 0 нс) при изменении индукции магнитного поля от нуля до 14 кГс привело к уменьшению плотности плазмы вблизи катода

представляет собой трубку с толщиной стенки 2 — 3 мм, вытянутую вдоль неоднородного магнитного поля [162]. Такая геометрия ка­ тодной плазмы также указывает на различный характер ее рас­ ширения поперек и вдоль магнитного поля.

Сравнение спектроскопических данных для алюминиевого ка­ тода в диоде без магнитного поля [96] и в КДМИ [156] показало наличие одних и тех же линий алюминия. Это позволило предпо­ ложить, что температура катодной плазмы в КДМИ не превышает 5 эВ [156]. Специальные измерения [163] температуры катодной плазмы в коаксиальной линии с магнитной изоляцией дали вели­ чину кТ ^ 2 эВ.

Проведенные различными авторами исследования позволяют сделать следующие основные выводы. Плазма на катоде состоит как из материала катода, поступающего из эмиссионных центров при ВЭЭ, так и из десорбированного газа и продуктов крекинга масла, используемого при получении вакуума в диоде. Причем за­ метную часть плазмы, или даже основную, может составлять во­ дород. Плотность плазмы вблизи катода в широком диапазоне ус­ ловий эксперимента ( /л = 0,1— 10 кА/см) составляет 1015— 1016 см~3 и быстро спадает внутрь разрядного промежутка. Плазма с высокой плотностью лг = 1018— 1020 см-3, необходимой для самоподдержания ВЭЭ, сосредоточена вблизи катода на расстоянии менее 0,1 мм.

2.6.ВАКУУМНЫЙ ПРОБОЙ И ДВИЖЕНИЕ КАТОДНОЙ ПЛАЗМЫ

ВКДМИ С ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

2.6.1. Методы измерения скорости разлета катодной плазмы

Привлекательной особенностью КДМИ, как уже отмечалось, яв­ ляется возможность получения трубчатых РЭП с запасаемой энер­ гией в сотни килоджоулей вследствие увеличения длительности им­

пульса тока пучка. Для определения причин ограничения ти в КДМИ необходимо было выяснить роль в вакуумном пробое диода катодной и анодной плазмы, коллекторной плазмы, образующейся при посадке пучка на коллектор (см. рис. 2.5), а также остаточ­ ного газа.

Вторым направлением исследований физики плазменных про­ цессов в КДМИ является изучение динамики разлета катодной плазмы в магнитном поле с целью выяснения механизма ее дви­ жения. Динамика разлета катодной плазмы определяет геометрию, плазмокатода и, следовательно, пространственно-временные харак­ теристики формируемых РЭП.

Наиболее детально [165— 167] исследовались плазменные про­ цессы в цилиндрическом КДМИ с однородным магнитным полем (см. рис. 2.4, б)\ Поэтому удобно рассмотреть физические явления в КДМИ на примере простой геометрии, а затем перейти к их осо­ бенностям в КДМИ более сложной геометрии.

Наиболее распространена [156, 168] методика измерения ра­ диальной составляющей скорости движения катодной плазмы по­ перек магнитного поля иР± по расширению электронного пучка, ре­ гистрируемого системой коллекторов (токовых датчиков), установ­ ленных в конце трубы дрейфа (рис. 2.12). При этом предполага­ ется, что электроны пучка идут строго по силовым линиям маг­ нитного поля и переносят изображение плазмы. В большинстве случаев это приближение выполняется, за исключением начальной стадии формирования пучка при мегавольтных напряжениях на диоде [150]. Назовем эту методику измерения vPJL коллекторной. Используются разные модификации метода, в том числе с регистра­ цией электронов пучка по рентгеновскому излучению [127]. Зна­ чение vP_L оценивается также по фотографиям свечения плазмы, получаемым в разные моменты импульса с помощью электронно­ оптических преобразователей [131, 155]. Фотоэлектрическая мето­ дика [169] позволяет измерять скорости разлета слоев плазмы с разной интенсивностью свечения (плотностью). Минимальный све­

Рис. 2Л2. Схема эксперимента по регистрации скорости разлета плазмы.

1 — катод; 2 — катодная плазма; 3 —

литографам' пучка на чувствительной полимерной пленке, получен­ ным при разных длительностях импульса напряжения на диоде [161]. В последнем случае предполагается, что скорость азимуталь­ ного вращения пучка мала. Она легко оценивается, а также из­ меряется по нескольким автографам пучка, полученным вдоль его распространения, для профилированного каким-либо способом катода.

Скорость движения катодной плазмы вдоль магнитного поля vn измерялась с помощью фотоэлектрической методики [146, 168], СВЧ-интерферометрии [170], емкостных делителей напряжения

[146].При использовании СВЧ-интерферометра 8-мм диапазона

слоев с низкой концентрацией. С помощью емкостных делителей напряжения, установленных вдоль трубы дрейфа, обычно измеряют разность потенциалов между электронным пучком и трубой дрейфа А и ь (2.8), которая меньше приложенного к диоду напряжения. При подходе катодной плазмы к емкостному делителю амплитуда сигнала на нем возрастает до значения, соответствующего напря­ жению на диоде. По перегибу на осциллограмме сигнала с емко­ стного датчика определяют время подхода к нему плазмы, пере­ носящей потенциал катода. Характерные осциллограммы сигналов с ФЭУ и емкостных делителей напряжения приведены на рис. 2.13 [146].

Скорость распространения коллекторной плазмы вдоль магнит­

Несмотря на относительно небольшое количество используемых методик, в экспериментах удалось выделить роли катодной и кол­ лекторной плазмы в пробое диода, а также проследить динамику разлета катодной плазмы поперек и вдоль магнитного поля.

2.6.2. Вакуумный пробой КДМИ поперек магнитного поля

Для характеристики пробоя КДМИ поперек однородного маг­ нитного поля будем использовать время коммутации £„±, определяе­ мое по длительности импульса диодного напряжения на уровне 0,1 от амплитудного значения (см. рис. 2.13,6) [156, 161, 169]. В эк­ спериментах осуществлялся постоянный контроль за тем, чтобы пробой развивался именно поперек магнитного поля. Другие кана­ лы развития разряда устранялись, в частности, увеличением рас­ стояния от катода до коллектора. Все исследования проводились

Для выяснения роли катодной плазмы в пробое поперек маг­ нитного поля проводились [156, 169] измерения t1<± и времени за­ паздывания появления катодной плазмы в различных точках по радиусу вплоть до анода с помощью коллекторной методики. Для

порядка 10 % от тока пучка. Время задержки тока на анод умень­ шалось с уменьшением межэлектродного зазора d и составляло для тока 150 А величину ~ tKJ 2 при d = 0,65 см. В этих условиях ско­ рость катодной плазмы vp±, усредненная по большей части зазора, и скорость коммутации диода d/tK± совпадают в пределах погреш­ ности измерений. Таким образом, анодная плазма, которая может образовываться при попадании электронов на анод, не оказывает существенного влияния на пробой диода. Аналогичные результаты получены для КДМИ с торцевыми катодами из графита и меди [156]. Следует отметить, что dJtK± в цилиндрическом КДМИ слабо

торых изменение геометрии катода при прочих равных условиях

тодная плазма в цилиндрическом КДМИ состоит в основном из ионизованного десорбированного газа. Поэтому представляют инте­ рес исследования пробоя диода с катодом, нагретым до температу­

Импульс напряжения подавался на диод без снятия накала катода. Массовый состав катодной плазмы на нагретом катоде не контроли­ ровался, но известно [171], что при такой температуре поверхность тантала является практически чистой. Нагрев катода до 1400 СС при d = 6 мм, 5 = 6 кГс не привел к изменению tK±. Полученные данные позволяют полагать, что пробой диода обусловлен собствен­ но катодной плазмой, а не движением фронта ионизации газа, де­ сорбированного с катода в сторону анода.

Рассмотрим влияние магнитного поля, напряжения, зазора, то­ ка, радиуса катода на время пробоя диода поперек магнитного по­ ля, обусловленное, как показано выше, разлетом катодной плазмы. В характерных зависимостях £Kj_ от магнитного поля для графито­ вого трубчатого катода при d = 0,37 -f- 2,6 см и гк = 3,0 см

нитного поля tK± от магнитного поля для графитового трубчатого

катода.

линии — расчет.

(рис. 2.16) можно выделить три области [169]. В первой области ^K_L растет примерно линейно с увеличением магнитного поля, вторая область соответствует слабой зависимости tvjL от В, а в третьей tKjL уменьшается с ростом В. Границы указанных областей с умень­ шением зазора d смещаются в сторону более сильных магнитных полей. Так, на графиках tK±(B) при d = 0,37 см отсутствует третья область, а при d = 2,6 см — первая область. Из графиков dJtK±(B)