Закономерности и механизмы высокочастотного управления колебаниями пространственного заряда и спектрами выходных сигналов в усилителе со скрещенными полями

Электронный пространственный заряд высокой плотности, движущийся в скрещенных электрическом и магнитном полях, выполняет роль своеобразной активной среды разнообразных СВЧ устройств магнетронного типа [1−4]. Пространственный заряд в скрещенных полях неустойчив по отношению даже к слабым воздействиям и, как правило, находится в сложных колебательных состояниях. Колебания пространственного заряда могут в значительной степени определять основные характеристики СВЧ устройств со скрещенными полями, в том числе и в особенности, спектральные их характеристики [1, 3−7]. Все это определяет важность понимания закономерностей и механизмов колебательных и волновых явлений в пространственном заряде, выявления возможностей управления ими и использования сведений о коллективных процессах в пространственном заряде устройств со скрещенными полями для совершенствования этих устройств. Именно этому комплексу вопросов посвящена данная диссертация.

Цели работы состояли:

— в экспериментальном определении закономерностей и механизмов воздействия высокочастотных управляющих сигналов на колебания пространственного заряда в амплитроне и в уточнении на этой основе модели коллективных процессов в мощных устройствах со скрещенными полями;

— в определении воздействия колебаний пространственного заряда на выходные спектры амплитрона и в выяснении закономерностей и механизмов формирования амплитроном сложных многочастотных излучений под действием высокочастотных управляющих сигналов. — в разработке принципов создания на основе амплитронов, управляемых высокочастотными сигналами, мощных широкополосных источников излучения.

Широкое использование мощных СВЧ устройств со скрещенными полями, с одной стороны, и недостаток информации о закономерностях и механизмах происходящих в пространственном заряде таких систем коллективных процессов в присутствии высокочастотных управляющих сигналов, с другой, поиск новых и эффективных способов создания мощных источников широкополосных излучений определяют актуальность настоящей работы.

Новизна:

1. Впервые определены закономерности воздействия высокочастотных полей, вводимых в торцевую область пространства взаимодействия амплитрона, на характеристики развивающихся в нем колебаний пространственного заряда и на этой основе уточнена модель коллективных процессов в системах со скрещенными полями.

2. Выяснен возможный механизм эффективного управления спектром колебаний пространственного заряда и выходным спектром амплитрона, связанный с раскачкой под действием управляющих ВЧ сигналов интенсивных аксиальных колебаний пространственного заряда.

3. Разработаны принципы реализации на основе амплитронов с вторично-эмиссионными катодами широкополосных источника квазишумовых СВЧ сигналов большой мощности.

Практическая значимость.

1. Полученные данные о воздействии управляющих высокочастотных сигналов на колебания пространственного заряда в амплитроне могут быть использованы для уточнения модели коллективных процессов в простанственном заряде широко используемых на практике СВЧ устройств со скрещенными полями.

2. Сведения о закономерностях формирования многочастотных спектров колебаний пространственного заряда и выходных спектров амплитрона под действием управляющих ВЧ сигналов полезны для развития представлений о нелинейной динамике сложных распределенных электронных систем.

3. Разработанные принципы создания на основе амплитрнов с вторично-эмиссионными катодами мощных и широкополосных источников квазишумовых сигналов могут быть использованы при построении перспективных СВЧ источников для систем радиопротиводействия, для построения разнообразных технологических установок и систем передачи информации.

Защищаемые положения:

1. Воздействие вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитрона гармонических сигналов на частотах, приблизительно равных частотам отдельных мод колебаний пространственного заряда, приводит к существенному увеличению или уменьшению амплитуды «резонансных» мод.

2. В спектре выходных сигналов амплитрона, наряду, с известными ранее составляющими на частотах 1о±пГпз, существуют (или возникают под действием управляющих сигналов) составляющие на частотах Гксвк±тГпз, где и — соответственно частоты входного сигнала и одной из мод колебаний пространственного заряда, Гксвк — частота одной из особенностей зависимости КСВ амплитрона от частоты Г входного сигнала за длинноволновой границей полосы пропускания замедляющей системы (^ф), п=Т, 2,3. и т=1,2,3. — целые числа.

3. Под действием вводимых в торцевую область рабочего пространства амплитрона многочастотных сигналов большой амплитуды, сравнимых по порядку величины с анодным напряжением, на выходе этого прибора формируются широкополосные (более октавы) квазишумовые сигналы большой (свыше 100 кВт) мощности, если в спектре управляющих сигналов присутствуют компоненты из диапазона собственных частот автоколебаний электронного облака.

4. Формирование широкополосных квазишумовых сигналов большой мощности на выходе амплитрона под действием многочастотных управляющих сигналов происходит в результате раскачки интенсивных аксиальных колебаний электронного облака.

5. Многочастотные сигналы на выходе амплитрона, сформированные под действием короткого (менее 20 не) управляющего многочастотного сигнала, длительное время (до 100−150 не) существуют после его окончания. Такой «эффект памяти» может быть объяснен с учетом конечной добротности своеобразного трехмерного электронного резонатора, в котором в течение этого времени слабо затухают возбужденные под действием управляющего сигнала сложные колебания пространственного заряда.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. Применением для диагностики дополняющих друг друга методик и с использованием современной радиоизмерительной аппаратуры.

2. Воспроизводимостью экспериментальных результатов.

3. Согласованностью ряда полученных результатов с известными из литературы данными.

4. Использованием для обработки данных ряда надежных современных методов.

Апробация работы:

Результаты, изложенные в диссертационной работе, регулярно обсуждались на научных семинарах сектора сильноточной и СВЧ электроники кафедры физической электроники СПбГТУ, докладывались на семинарах секции «Физическая электроника» при Санкт-Петербургском Доме ученых в 1990, 1995 и 1997 годах, докладывались на IV Международной школе «Стохастические колебания в радиофизике и электронике» Хаос-94 (Саратов, 1994 г.), на Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России» (Санкт-Петербург, 1995 г.), на 10-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1996 г.), на Всероссийской межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 1997 г.), на 12-й международной конференции по сильноточным пучкам ВЕАМ8'98 (Хайфа, 1998 г.), на международнойJ? coнфepeнции по СВЧ электронике иНР-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.) и на 11-й зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1999 г.).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 13 работ, ссылки на которые приведены в конце списка литературы.

Степень участия автора диссертации в работах [95, 96] ограничивалась проведением измерений совместно с С. А. Левчуком, и обсуждением экспериментальных данных совместно с С. А. Левчуком и Г. Г. Соминским. Разработка методики осуществлена С. А. Левчуком и Г. Г. Соминским.

Экспериментальная часть остальных работ выполнена автором диссертации самостоятельно или совместно с соавторами, обсуждение полученных данных проводилось совместно с Г. Г. Соминским.

Последовательное изложение полученных в диссертации результатов содержится во ВВЕДЕНИИ, трех главах, ЗАКЛЮЧЕНИИ и ПРИЛОЖЕНИИ.

Во ВВЕДЕНИИ обоснован выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В главе 1 содержится краткий обзор научно-технической литературы, и анализ литературных данных по исследованию коллективных процессов в устройствах со скрещенными полями. Там же определены задачи диссертационной работы.

В главе 2 описаны конструкции экспериментальных приборов и установки, а также применявшиеся в работе экспериментальные методики и методики экспериментальных данных.

В главе 3 приведены и обсуждаются результаты исследования колебательных характеристик пространственного заряда, их связи с сигналами в выходном тракте экспериментальных приборов и результаты воздействия внешних управляющих сигналов на пространственный заряд, предложена модель наблюдавшихся физических процессов.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ обобщены основные результаты работы.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены тексты программ компьютерной обработки экспериментальных данных.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Основные методы теоретического рассмотрения процессов в электронных потоках со скрещенными полями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследования процессов в мощном амплитроне с вторично-эмиссионным катодом получены следующие основные результаты:

1. Получены новые данные о закономерностях коллективных процессов в пространственном заряде амплитрона с вторично-эмиссионным катодом, позволяющие уточнить влияние на эти процессы высокочастотных полей замедляющей системы, аксиального движения пространственного заряда, а также аксиального распределения коэффициента вторичной эмиссии по поверхности катода.

2. Показано изменение во времени относительной роли высокочастотных полей замедляющей системы и полей, связанных с колебаниями пространственного заряда, во вторично-эмиссионном накоплении и поддержании пространственного заряда.

3. Уточнена связь характеристик паразитных сигналов в выходном тракте мощного амплитрона с колебаниями пространственного заряда.

4. Обнаружена возможность эффективного управления амплитудно-частотными характеристиками пространственного заряда и сигналами в выходном тракте с помощью управляющих высокочастотных полей в торцевой области пространства взаимодействия амплитрона.

5. На основе исследованного амплитрона создан источник мощных (> 100 кВт) и широкополосных (с полосой более октавы) квазишумовых сигналов.

6. Предложена качественная модель, объясняющая механизм формирования сложных многочастотных сигналов под действием управляющих высокочастотных полей.

Таким образом, выполненная работа существенно расширяет наши знания о закономерностях и механизмах коллективных процессов в мощных.

СВЧ устройствах со скрещенными полями и позволяет наметить эффективные пути создания нового типа источников широкополосных квазихаотических СВЧ сигналов большой мощности, имеющих по совокупности своих характеристик преимущества по сравнению с используемыми в настоящее время на практике.

Считаю необходимым отметить, что осуществление данных исследований было бы невозможно без большой научной и организаторской работы моего руководителя профессора Геннадия Гиршевича Соминского. Профессор Соминский Г. Г. постоянно оказывал мощную поддержку и помощь в проведении исследований, в организации работ, в написании диссертации.

Большое спасибо коллегам — Архипову A.B., Лукше О. И. и Дворецкой Н. В. за интерес к работе, обсуждение ее результатов и моральную поддержку.

Хочу выразить благодарность сотрудникам кафедры физической электроники СПбГТУ за оказанное содействие и поддержку.