книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

буждаемыми ВЧ-волнами. Мы не будем учитывать соуда­ рения электронов и тепловое распределение по ско­ ростям, так как эти эффекты не вносят каких-либо прин­ ципиальных изменений в процесс взаимодействия между плазмой и электронным лучом. Их основное влияние^ проявляется в ослаблении ВЧ-полей и увеличении потерь' в системе1).

Из уравнений Максвелла можно показать, что влия­ ние плазмы на цепь СВЧ можно приблизительно оценить, если рассматривать плазму как диэлектрик с зависящей

Статическое магнитное поле делает плазму анизо­ тропной, и в этом случае диэлектрическая проницаемость записывается в виде тензора

ОО Л33

Предположим теперь, что магнитное поле направлено вдоль оси. Тогда компоненты тензора имеют вид

Мы ви д и м , что зависимость тензора диэлектрической проницаемости от частоты будет сильно влиять на свой­ ства СВЧ-цепей, особенно на частотах, близких к а>пл и соц. В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим металлическую трубу, заполненную холодной плазмой)*

*) Указанные соударения могут также порождать флуктуациоиные шумы и нестабильность амплитуды и фазы колебаний на выходе

усилителя.— Прим. ред.

и помещенную в магнитное поле, параллельное оси этой трубы (фиг. 2). Считаем также, что соударений между частицами нет. Диализ такой системы, выполненный в работах [2] и [3], показал, что электромагнитные волны могут распространяться по трубе на частотах, лежащих ниже частоты отсечки пустой трубы. Природа этих волн поясняется дисперсионной зависимостью, представлен­ ной на фиг. 3. На этой фигуре построена зависимость ча-

Ф и г. 2. Труба, заполненная плазм

стоты сигнала от 1/Я0, где Хв — длина волны в волноводе, для случая, когда поле не меняется по азимутальному углу и плазменная частота больше циклотронной. Из этого графика вытекает, что могут существовать две волны. В диапазоне от нулевой частоты до циклотронной существует волна, которая имеет фазовую скорость (Иф), меньшую скорости света в вакууме, и которая подобна волнам в замедляющих системах лампы бегущей волны (ЛБВ). В диапазоне от плазменной частоты до частоты,

равной Уо>пл + <о5, существует другая медленная волна, которая подобна волнам в замедляющих системах ламп обратной волны (ЛОВ). В полосе частот между циклотрон­ ной и плазменной частотами никакие волны существовать не могут и в трубе, заполненной плазмой, реализуется режим отсечки.

Следовательно, мы видим, что плазма может менять свойства простейших СВЧ-цепей так, что по ним стано­ вится возможным распространение волн со скоростями меньше скорости света. Отсюда сразу же вытекает воз­

можность режима работы плазменного усилителя. Если теперь ввести вдоль оси нашей трубы с плазмой электрон­ ный пучок, скорость которого была бы близкой к ско­ рости ВЧ-волны, то будет происходить кумулятивный процесс взаимодействия. При определенных условиях

Ф и г. 3. Дисперсионная диаграмма тр у б ы с п л азм о й .

пучок сможет отдавать свою кинетическую энергию волне и амплитуда волны будет нарастать. Такой процесс взаи­ модействия аналогичен процессу, происходящему в ЛБВ, с той разницей, что в данном случае роль замедляющей системы играет плазма. Возможность использования этой более низкочастотной полосы в усилителе прямой волны исследовалась Феррари [41. Недостатком работы на этом участке является то, что циклотронная и плазменная частоты должны быть больше частоты сигнала. В диапа­ зоне СВЧ приходится поэтому создавать магнитные поля свыше 0,05 пи. Попытки использовать верхнюю полосу

частот (фиг. 3) для создания генератора обратной волны не увенчались успехом, по-видимому, из-за больших по­ терь, характерных для обратной волны. В работе [5] были получены автоколебания в режиме генератора об­ ратной волны при использовании дипольной моды в плазменном столбе без внешнего магнитного поля. Даль­ нейшая работа в. этих направлениях, возможно, приведет нас к какому-либо практическому методу использования плазмы для генерирования энергии СВЧ.

Обращаясь снова к нашей трубе, заполненной плаз­ мой, мы видим, что на частотах, заключенных между циклотронной и плазменной, волны по трубе не распро­ страняются. Причиной отсечки является плазма, кото­ рая фактически ведет себя как индуктивная среда. На этих частотах нашу систему можно использовать для та­ кого взаимодействия с электронным пучком, которое во многом будет похоже на взаимодействие в клистроне, содержащем бесконечное число бесконечно тонких про­ межуточных резонаторов. На частотах, близких к плаз­ менной, усиление становится очень большим, а теорети­ ческий расчет дает скорости нарастания амплитуд волны порядка десятков децибел на 1 см. Этот режим работы привлек внимание исследователей, так как он наиболее перспективен с точки зрения использования потенциаль­ ных преимуществ плазменно-лучевого взаимодействия. Краткий обзор в данной области сделал Чорни [6] 1>, и приведенную им библиографию можно рекомендовать всем исследователям, интересующимся тем или иным экспериментом.

111.Потенциальные преимущества

плазменно-лучевого взаимодействия для тех применений, где требуется большая мощность

Из приведенного выше краткого описания плазмен­ но-лучевых взаимодействий вытекает возможность созда­ ния усилителей, в которых не будет замедляющих систем

А) См. также: Р Иа ш Т и М а пЬ, «Оошашез сГатрППса-

буждение электронным пучком резонатора, заполненного плазмой.

Радиотехника и электроника, 15, № 1, 1970. — Прим. ред.

или резонаторов. Это означает, что мы сможем иметь усилители клистронного типа без резонаторов и усили­ тели бегущей волны без спиралей или иных замедляющих систем. Таким образом, использование плазмы позволит исключить из этих приборов СВЧ их наиболее сложные элементы.

Еще одно важное преимущество плазменно-лучевого взаимодействия вытекает из того факта, что плазма про­ ницаема для электронного пучка, и таким образом плаз­ ма и пучок могут занимать одно и то же пространство. В обычных усилителях СВЧ-пучок взаимодействует с по­ лями СВЧ-структур и должен проходить вблизи от этих структур, если требуется реализовать сильное взаимо­ действие. Поскольку в плазменных усилителях электрон­ ный пучок и плазма совмещены, максимум напряжен­ ности поля находится в пределах пучка и должно достигаться высокое усиление на единицу длины прибора.

Другое преимущество, связанное с пространственным совмещением пучка и плазмы, заключается в возмож­ ности использования пучка увеличенного диаметра.

В обычных усилителях для того, чтобы поля, с которыми происходит взаимодействие, имели заметную величину, диаметр ВЧ-систем приходится делать малым по сравне­ нию с рабочей длиной волны. Следовательно, диаметр пучка, проходящего через такие системы, ограничен. При плазменно-лучевом взаимодействии это ограниче­ ние в значительной степени ослаблено. Использование пучков большого диаметра приводит к уменьшению тре­ буемой плотности тока катода и к менее тяжелым требо­ ваниям по сходимости пучка, которым должна удовле­ творять электронная пушка.

Сочетание большого усиления на единицу длины и больших диаметров пучка сильно снижает требования к величине фокусирующего магнитного поля. Если исполь­ зуется взаимодействие типа взаимодействия с реактивной средой» для самой плазмы магнитное поле не нужно, а пониженные требования к фокусирующему магнитному полю могут дать значительный выигрыш по сравнению с обычными усилителями. Действительно, когда роль плазмы исполняет ионизованный газ, силы пространст­

венного заряда в пучке можно скомпенсировать с по­ мощью ионов и в результате создать прибор, работающий без внешнего магнитного поля.

IV. Методы получения плазмы

В предыдущем разделе мы говорили об одном из видов плазмы — ионизованном газе. Однако существуют не только различные способы ионизации газа, но и другие виды плазмы. Прежде чем остановиться на возможных способах получения плазмы, рассмотрим кратко те свой­ ства, которыми должна обладать нужная нам плазма. Во-первых, концентрация ионов должна быть такой, чтобы плазменная частота была равна или больше задан­ ной рабочей частоты. Соотношение между концентрацией зарядов и плазменной частотой определяется уравне­ нием (1). Во-вторых, для усилителей, работающих на больших уровнях мощности, плазма должна быть сильно ионизированной, т. е. число нейтральных молекул долж­ но быть мало. Это требование обусловлено тем обстоя­ тельством, что под влиянием сильных ВЧ-полей электро­ ны плазмы приобретают большие ВЧ-составляющие ско­ рости. Если в плазме имеется большое число нейтральных молекул, то электроны будут ионизировать их при столк­ новениях. Если этот процесс будет повторяться достаточ­ но часто, то концентрация плазмы изменяется под дейст­ вием ВЧ-полей, и не удается поддерживать оптимальный режим усиления, а усилитель насыщается при низких уровнях мощности.

.Наконец, должен существовать простой способ полу­ чения плазмы. Если для получения плазмы нужны слож­ ные структуры ‘то преимущества, связанные с возмож­ ностью усиления без замедляющей системы или резона­ торов, становятся неощутимыми. А если для получения плазмы приходится тратить большую энергию, то сни­ жается полный к. п. д. усилителя.

К моменту написания этой книги ни один из способов получения плазмы не мог удовлетворить этим требова­ ниям во всех диапазонах частот. Наиболее известным способом получения плазмы является электрический раз­ ряд в газе низкого давления. Простейшая форма — плаз­

те с вольфрамом цезий отдает свой валентный электрон и испаряется с поверхности вольфрама уже в виде иона. Так как при такой высокой температуре вольфрам яв­ ляется хорошим эмиттером электронов, то вместе с по­ ложительным ионом с поверхности вольфрама уходит и электрон. В результате получаем нейтральную плазму, дрейфующую от горячей пластины. Недостаток этого метода — необходимость значительной мощности для под­ держания требуемой температуры на вольфрамовой пла­ стине. Кроме того, чтобы предотвратить повреждение соседних элементов, приходится предусматривать спе­ циальные средства для их охлаждения.

Способом получения плазмы, который, по-видимому, дает наилучшие компромиссные результаты на частотах 3 Ггц и ниже, является генерация плазмы электронным лучом. В этом случае газ ионизуется вследствие соударе­ ний между электронами луча и молекулами газа. Образую­ щаяся таким образом плазма может быть удержана с помощью магнитных зеркал или электростатического поля. Этим способом была получена ксеноновая плазма па частоте 3 Ггц со степенью ионизации 30%. С экономи­ ческой стороны этот способ требует наименьшего услож­ нения конструкции лампы, поскольку для генерации плаз­ мы может использоваться тот же электронный луч, ко­ торый служит источником энергии в процессе взаимодей­ ствия.

V.Способы связи с усилителями

Вразд. 2.7.2 мы дали общее описание плазменно­ лучевого усилителя и упомянули, что для возбуждения волн в таком усилителе и отбора из него мощности долж­ ны быть предусмотрены некоторые средства связи. Труд­ ности создания этих средств связи являются основной

причиной того, что плазменно-лучевые усилители пока не начали применять на практике. В построенных до сих пор экспериментальных усилителях, на которых были получены хорошие результаты, для связи с волнами про­ странственного заряда пучка использовались резонаторы или спиральные устройства связи.

На резонаторные устройства связи распространяются те же соображения, которыми пользуются при конструи-

ровании клистронов. Другими словами, для эффективной связи нужно, чтобы диаметр трубы дрейфа был мал по сравнению с длиной волны. Точно так же при использо­ вании спиральных устройств связи следует учитывать методы конструирования ЛБВ. Поскольку размеры этих структур ограничены рабочей длиной волны, то ограни­ чение накладывается и на диаметр пучка. Но если диаметр пучка взять таким же, как в обычных усилителях, а устройства связи рассчитать на обычные для этих уси­ лителей уровни мощности и придать им обычную довольно сложную форму, то извлечь все преимущества из исполь­ зования плазменно-лучевых усилителей не удастся. Та­ ким образом, надо отыскать эффективный способ связи с электронным пучком большого диаметра либо способ возбуждения волн непосредственно в плазме. В этом направлении сейчас активно ведутся исследования и пока нельзя предсказать, какое решение будет найдено. За­ дача усложняется тем, что плазма, заключенная в кон­ тейнер с размерами усилителя СВЧ, неоднородна. По­ этому, прежде чем построить устройства связи с плазмой, нужно исследовать существо этих неоднородностей и их влияние на распространение СВЧ-колебаний в плазме.

VI. Современное состояние в области плазменно-лучевых усилителей

Экспериментальными исследованиями механизма плаз­ менно-лучевого взаимодействия доказана возможность получения усиления в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до 30 Ггц. При использовании разряда Пеннинга была получена плазма, концентрация которой отвечает требованиям усилителей для частоты 100 Ггц. Экспериментальный прибор, предназначенный для иссле­

и удерживается электростатическим полем. В качестве входного и выходного устройств используются резона­ торы клистронного типа. Пиковая выходная мощность этого прибора оказалась равной 22 кет при к. п. д. выше 35%. Усиление малого сигнала, равное 58 дб и получен­ ное при длине плазменного столба 4 см, подтверждает