книги из ГПНТБ / Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты

120 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

гармоник и конической секции, состоящей из волновода, сужающегося до размера, являющегося запредельным для входной частоты. За конической секцией размеща­ лись секции, являющиеся запредельными для различ­ ных гармоник, а также аттенюатор миллиметрового диа­ пазона и детектор, служащий индикатором выходной мощности.

Авторы отмечают, что, по-впдимому, причиной низ­ кой эффективности преобразования на высоких часто­ тах являются потерн в держателях разрядных камер. Были исследованы три типа разрядных камер, изоб­ раженных на рис. 4. Камера типа б представляет собой смоделированный вариант разрядной камеры, использу­ емой па более низких частотах, камера типа oic была исследована с целью создания простых по конструкции малогабаритных камер с незначительным количеством стекла в области разряда и, наконец, камера типа з была изготовлена из кварца для работы с внешним элек­ тродом, вставляемым внутрь конуса. Разрядные камеры типов б п э/с были изготовлены ил боросплнклтпого стек­ ла с впаянными острозаточепнымн вольфрамовыми электродами.

В процессе исследований выяснилось, что разрядная камера типа з генерирует гармоники с несколько мень­ шей эффективностью, чем разрядные камеры типов б п ж, в силу чего все основные измерения были продела­ ны с одноэлектродной разрядной камерой типа ж, за­ полненной неоном при давлении около 10 тор. В табли­ це 17 приведены значения эффективности преобразова-

при длительности импульсов 1—2 мксек эффективность преобразования плазменных умножителей оказывается

122 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

откуда для оптимального давления имеем

Из выражения (83) видно, что оптимальное давле­ ние, зависящее от рода газа (коэффициент а), повыша­ ется с возрастанием входной частоты и номера гармо­ ники в соответствии с кривой 3 на рис. 58, построенной по экспериментальным данным.

Медленное уменьшение мощности гармоник с номе­ ром дает основание предположить, что нелинейный ме­ ханизм преобразования гармоник носит в основном ре­ активный характер. Анализ [71] показывает, что усло­ вием генерации является зависимость от расстояния электрического поля либо средней плотности плазмы. Изменения этих величин для эффективной генерации гармоник должны происходить на очень маленьком рас­ стоянии, сравнимом с амплитудой колебаний зарядов.

Эксперименты показывают, что для сохранения вы­ сокой эффективности преобразования плазменных умно­ жителей в импульсном режиме продолжительность им­ пульсов должна быть больше некоторого определенно­ го значения (для того, чтобы в плазме успевало устанавливаться равновесное распределение). В §7 гла­ вы III подробно рассмотрены причины резкого сниже­ ния эффективности преобразования плазменных умно­ жителей, работающих в импульсном режиме при дли­ тельности импульсов порядка 1—2 мксек.

§ 7. Спектральный состав выходного сигнала умножителя

Напряжение на выходе плазменного умножителя ча­ стоты может быть записано в виде

где со — частота входного генератора, a{t) и ф(£)— мед­ ленные (по сравнению с cos от at) случайные функции времени, подчиняющиеся системе флюктуационных урав­

§7] СПЕКТРАЛЬНЫЙ состав в ы х о д н о го с и гн а л а 123

нений, a U0, та и сро — средние значения амплитуды, частоты и фазы. Поскольку в рассматриваемых умно­ жителях в качестве активной нелинейной среды исполь­ зуется плазма с ее хаотическими движениями и неустой­ чивостями, естественно предполагать, что флюктуационные процессы, описываемые функциями a(t) и ф(0 . вносят существенный вклад в форму спектральной ли­ нии на выходе плазменного умножителя.

Однако первые предварительные исследования, вы­ полненные с монохроматическим входным генератором, показали, что форма спектральных линий выходного сигнала умножителя оказывается не хуже спектра вход­ ного генератора. Так, например, в работе [70] для контроля выходного спектра умножителя был исполь­

бегущей волны, а выходной сигнал плазменного умно­ жителя контролировался анализатором спектра. В этом эксперименте при самой высокой чувствительности анализатора спектра не были обнаружены какие-либо посторонние боковые сигналы, связанные с хаотически­ ми процессами в плазме высокочастотного газового раз­ ряда. Таким образом, влияние флюктуационных процес­ сов в плазме [100], которые могли бы нарушить коге­ рентность выходного сигнала, пренебрежимо мало.

В другом [25, 56] аналогичном эксперименте авторы проводили измерения на входной частоте 2,982 Ггц, ге­ нерируемой клистроном (кратковременная стабильность 10~8) с усилителем на лампе бегущей волны. В выход­ ном сигнале третьей гармоники, ответвляемом при по­ мощи направленного ответвителя, было обнаружено спектрально чистое колебание на частоте 8,946 Ггц, ли­

выходной мощности и соответственно малой плотности

этой модуляции авторами не производилось, но, по-ви­ димому, она может быть связана с нестабильностями, наблюдающимися в положительном столбе плазмы.

124 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ И

Более детальные исследования когерентности н шу­ мов плазменного умножителя производились в работах [22, 26] с магнетронным генератором мощностью 2 кет на волне 3,2 см при длительности импульса 2—3 мсек. Схема экспериментальной установки показана на рис. 71, где генератор 1 через направленные ответвители 2 и

Рис. 71. Установка для измерения когерентности. / — генератор, 2 —направлен­

ферритовые развязки 3 возбуждает два одинаковых плаз­ менных умножителя 4 с разрядными камерами типа «острие — плоскость». Выделяющиеся в каждом умно­ жителе сигналы четвертой гармоники (^4= 8 мм) про­ ходят через широкополосные резонаторы 5 небольшой добротности, отфильтровывающие все остальные гармо­ ники, но сохраняющие шумовую мощность, расположен­ ную вблизи исследуемой линии. Далее сигналы от ум­ ножителей проходят через аттенюаторы 6 (а один из них еще и через фазовращатель 7) в волноводный трой­ ник 8 типа «магическое Т» и поступают на кристалли­ ческий детектор Д и на измерительный прибор или ос­ циллограф 9. Регулировкой аттенюаторов 6 и фазовра­ щателя 7 можно получить минимальное напряжение на детекторе, соответствующее приходу сигналов в проти­ вофазе. Если же оба сигнала умножителей приходят в фазе, что достигается соответствующей установкой фа­ зовращателя, то напряжение на детекторе оказывается максимальным. Эти напряжения оказались равными 0,25 мв п 50 мв соответственно, что дает для отношения сигнал/шум, являющегося критерием когерентности. Значение (сигнал/шум = 100), составляющее 20 дб,

$ 7] с п е к т ра л ь н ы й состав в ы х о д н о го си гн а л а 125

Описанный эксперимент дает несколько заниженное значение отношения снгиал/шум в силу того, что невоз­ можно одновременно скомпенсировать начало и конец импульса и основную его часть из-за некоторого изме­ нения частоты следования импульсов, а также из-за дисперсии в выходном восьмимиллиметровом волново­ де. Главная же часть сигнала достаточно когерентна и имеет узкую полосу.

Когерентность излучения умножителя подтверждает также и другой эксперимент, проведенный авторами работы [22, 26]. В этом эксперименте выход одного из умножителей подключался на вход восьмимиллиметро­ вого супергетеродиниого приемника (или спектроанали­ затора). При свипировании частоты местного гетеро­ дина на экране осциллографа наблюдался спектр вы­ ходного сигнала, ширина линии которого оказалась меньше 1 Мгц, что дает для относительной ширины ли­ нии выходного сигнала значение Д///<2,7-10-5.

Для оценки амплитудных нестабильностей плазмен­ ного умножителя частоты в работе [27] на выходе трех­

с повышением частоты. Оценка верхнего предела мощ­ ности шума умножителя дает величину порядка 10~8в:г, а отношение сигнал/шум около 70 дб.

Столь высокое отношение сигнал/шум в работе [27] по сравнению с цитированными выше [22, 26] связано, по-видимому, с значительно более высокой выходной мощностью умножителя и работой в непрерывном ре­ жиме. Приведенная оценка амплитудных нестабильно­ стей или отношения сигнал/шум совпадает по порядку величины с значением, полученным в работах [15, 94], где обнаруживаемые в шумах гармоники высоких по­ рядков генерировались с эффективностью — 704-90 дб.

Для нахождения автокорреляционной функции и ши­ рины спектральной линии плазменного умножителя

§ п с п е к т ра л ь н ы й состав вы х о д н о го с и гн а л а 127

моста, о3 — скорость распространения волны в волново­

нейного детектора связана с амплитудой приложенного к нему высокочастотного напряжения U0 соотношением i= a U 0, то из (87) следует

где /„„„ — минимальный ток, обнаруживаемый гальвано­ метром. Для набега фазы за время т имеем из (88)

где г0 — максимальное значение тока в цепи детектора, когда СВЧ-сигнал поступает к нему только из одного плеча (в другое плечо введено большое затухание). Из (89) получаем

ные значения г„ип = 10_8 а, г'о=10-3 а, будем иметь для ширины спектральной линии ДсоСЮ3 сек~1, а для ее относительной ширины при со = 2хсс/Л,з= 1,8*1010 се/с-1 получим Дсо/со<5-10-8.

Рассмотренные выше немногочисленные работы, свя­ занные с исследованием спектральных характеристик и шумов плазменных умножителей, дают лишь предвари­ тельные оценки этих величии. Однако даже эти предва­ рительные оценки показывают, что хаотические движе­ ния в плазме незначительно сказываются на виде спект­ ральных характеристик выходного сигнала плазменно­ го умножителя, особенно при высоком уровне выходной мощности.

Глава III

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ

§ 1. Введение

Из материала, изложенного в предыдущей главе, видно, что до сих пор отсутствует единая точка зрения на характер нелинейного механизма, наиболее эффек­ тивно работающего в плазменном умножителе. Авторы отдельных работ придерживаются различных взглядов на причину, порождающую нелинейное поведение плаз­ мы, а большинство из них считает самоё плазму источ­ ником нелинейности.

Эксперименты с плазменными умножителями зача­

магнитной волны поле в плазму не проникает, а волна полностью отражается от границы плазмы, где образу­ ется область с закритической концентрацией, превышаю­ щей резонансную для данной частоты излучения.

Если при таких условиях вектор электрического по­ ля направлен параллельно границе плазмы, то глубина проникновения поля определяется толщиной скин-слоя [46]. Если концентрация плазмы значительно превы­ шает критическую, то толщина скин-слоя близка к дли­ не волны излучения с частотой, равной электронной ленгмюровской частоте для данной концентрации плаз­ мы. Эта величина, например, для концентрации 1012слг~3 составляет 3 см, а для концентрации 1010 сиг-3— 30 см (см. приложение 2).

Если вектор напряженности электрического поля перпендикулярен границе плазмы, то глубина проник­ новения поля волны определяется тем расстоянием, на которое должны сместиться электронная и ионная ком­ поненты плазмы, чтобы возникшее на границе поле поляризации плазмы полностью компенсировало элек­ трическое поле падающей на плазму волны.