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

приблизительно линейно с увеличением входной, не ис­ пытывая тенденции к насыщению. При работе на крип­ тоне при давлении около 0,1 тор оказалось возможным получить выходную мощность около 7 вт, значительно

Рис. 25. Схема уыножнтелыюй секции. 1 —плазма ВЧ-разряда, 2 — стенки раз­

рядной камеры (молибденовое стекло), 3 — центральный проводник; di-=10, dj=8, da—2, dt—l,4, da—1 мм.

превосходившую выходную мощность, полученную в ра­ боте [29], где использовалась разрядная камера сосре­ доточенного типа. При дальнейшем увеличении входной мощности (свыше 40—50 вт) происходил интенсивным разогрев разрядной камеры, связанный с возрастанием диэлектрических потерь в стекле при повышении темпера­ туры. Эффективность преобразования на вторую гармо­ нику достигала 20% (—7 дб), т. е. оказалась меньшей, чем в работе [29], что связано с использованием срав­ нительно толстого центрального проводника (1 мм) и более толстостенной стеклянной трубки. Дальнейшие эксперименты с умножителем показали, что при увели­ чении длины разрядной камеры эффективность преобра­ зования и мощность второй гармоники растут. Так, на­ пример, при увеличении длины от 78 до 98 мм выходная мощность возрастала в 2,6 раза, а эффективность преоб­ разования увеличивалась на 4 дб (при работе с крипто­ ном при давлении 0,1 тор).

Недостатком описанного умножителя с разрядной камерой из стекла является невозможность подачи на его вход больших мощностей (из-за разрушения стеклян­ ного баллона). В работе [37] описывается плазменный умножитель, свободный от этого недостатка. В этом умножителе разрядная камера представляет собой про­ сто вакуумированный участок коаксиального тракта. От­ сутствие стекла в разрядной камере повышает эффектив­ ность преобразования и дает возможность исследовать характеристики умножителя при входной мощности до 100 вт и более в непрерывном режиме при длительной работе.

На рис. 26 изображена зависимость выходной мощ­ ности второй гармоники от входной мощности при

Ры,бт

Рнс. 26. Зависимость выходной мощности от входной при различных диамет­ рах центрального проводника. 1— 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 3 мм.

различных диаметрах центрального проводника, изготов­ ленного из вольфрама. В качестве рабочей среды исполь­ зовался ксенон при оптимальном давлении порядка 10-1— 10-2 тор. Из рисунка видно, что мощность второй гармо­ ники на выходе умножителя появляется при подаче на вход некоторой начальной мощности, идущей на перво­ начальную ионизацию газа в разрядной камере и со­ ставляющей 2—7 вт в зависимости от диаметра централь­ ного проводника.

42 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

Для уменьшения начальной мощности, идущей на первоначальную ионизацию, необходимую для работы плазменного умножителя, может быть использован по­ сторонний источник, генерирующий плазму, например источник постоянного тока. При работе такого умножи­ теля уменьшаются потери высокочастотной мощности, идущие на поддержание разряда, что приводит к повы­ шению эффективности преобразования и дает возмож­ ность производить умножение при малой входной мощ­ ности. С этой целью в работе [38] разрядная камера была выполнена в виде вакуумированной секции, в ко­ торой центральный проводник окружен стеклянной труб­ кой (рис. 27). Центральный проводник играет здесь роль

Рис. 27. Разрядная камера коаксиального типа с посторонним источником плаз­ мы. 1— катод, 2 — стеклянная трубка. 3 — наружный проводник, •/ — централь­ ный проводник.

анода разрядного промежутка на постоянном токе, в то время как катод 1 размещен вне высокочастотного поля коаксиала.

Аналогичным образом в работе [39] плазменный конденсатор (умножительный элемент), представляющий собой отрезок коаксиала длиной 60 мм, помещался в плазму, создаваемую в разряде постоянного тока. Основ­ ной разряд (рис. 28), происходящий между катодом 1 и главным анодом 2, служит катодом для разряда в до­ полнительном плече трубки с вспомогательным анодом 3. Как видно из рис. 28, наружный электрод 5 плазмен­ ного конденсатора не заземляется, а находится под пла­ вающим потенциалом, что обеспечивает оптимальные

На рис. 30 представлена эффективность преобразова­ ния для второй гармоники в функции входной мощности. По данным авторов работы [39] эффективность дости­

гала 31,7% при входной мощности 0,42 вт, а при даль­ нейшем увеличении

входной мощности па­ дала до 15%.

Анализируя распре­ деление зарядов и по­ лей между электрода­ ми цилиндрического конденсатора, авторы работы приходят к за­ ключению о том, чтс нелинейный механизм,

зан с нелинейной ем­ костью приэлектродного слоя, образующегося на гра­ нице металла с плазмой. Двигаясь от исходной точки, лежащей на поверхности центрального электрода, можно обнаружить три различные области. Во-первых, имеется приэлектродный слой, характеризуемый пренебрежимо малой концентрацией электронов, плавно возрастающей концентрацией ионов и большим градиентом потенциала. Далее имеется промежуточный слой, для которого харак­ терен большой градиент электронной концентрации и потенциал, приближающийся к нулю. Наконец, имеется область квазинейтральной плазмы с пренебрежимым градиентом потенциала. При некоторых условиях обра­ зуется резкая граница электронной концентрации, дви­ гающаяся в поле высокой частоты подобно обкладке конденсатора. Когда толщина приэлектродного слоя (зависящая от концентрации) много меньше радиуса центрального электрода, зависимость емкости слоя от напряжения идентична зависимости емкости полупро­ водникового диода с резким переходом.

Рассматривая процессы, происходящие в приэлектродном слое, связанные с наложением высокочастотного поля, будем считать, что постоянное смещение на слое превышает амплитуду переменного, в результате чего суммарное напряжение на слое всегда имеет отрицатель-

46 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. II

можно проинтегрировать уравнение (26), дающее рас­ пределение потенциала и электрического поля в ради­ альном направлении рассматриваемой системы.

В частности, на поверхности центрального электрода ОТ

(26а)

(266)

т

А а = т '■i3 - г?) + 4 - ('?■ Г2с) +

Заряд, индуцированный на поверхности центрального электрода, равен

Q— sqE iS,

где5 = 2я/"1/ — площадь его участка длиной /. Динамиче­ ская емкость рассматриваемого слоя может быть опре­ делена отношением

Полученное выражение для Cj совпадает с выраже­ нием для емкости коаксиального конденсатора с ради­ усами г,- и Г\ внешнего и внутреннего электродов соответ­ ственно. Поскольку г< зависит от мгновенного значения потенциала на внутреннем электроде, то емкость приэлектронного слоя оказывается зависящей от приложен­ ного напряжения. Комбинируя (266) и (28), можно по­ лучить непосредственную связь между емкостью Cj и

мическому схлопыванию слоя (т. е. напряжение, при ко­ тором /*,-=/*!), можно, исключив Л2, свести уравнение (29) к виду

Разлагая в ряд слагаемое в квадратных скобках, получим

где

х = 4яе0/

Если минимальное значение С\ удовлетворяет неравен­ ству

min (Ci) 3>4лео/,

равносильному условию малости динамической толщины слоя по сравнению с радиусом центрального электрода, то вместо коаксиального конденсатора можно рассмат­ ривать плоский, а ряд (31) с достаточной степенью точ­ ности оборвать на втором члене. В этом случае выраже­ ние (30) приводится к виду

Определяя минимальное значение Си исходя из условия возникновения пробоя, (32) можно записать иначе:

(33)

где Смпп — минимальная емкость варактора, соответст­ вующая напряжению пробоя Uh. Зависимость (33) идентична характеристике полупроводникового диода

эта емкость приэлектродного слоя и обусловливает гене­ рацию гармоник.

Хотя предположение о колебании электронов как единого ансамбля, граница которого образует приэлектродный слой, и использовано здесь правомерно при ус­ ловии малости частоты поля по сравнению с плазмен­ ной частотой, вопрос о сохранении формы распределения электронной концентрации остается открытым, особенно в те моменты, когда напряжение на слое минимально. Проверка точности предложенной модели может быть произведена путем расчета емкости приэлектродного слоя при использовании фактического распределения ионной концентрации в стационарном случае в предпо­

ложении максвелловского распределения электронов по скоростям.

После определения емкости приэлектродного слоя путем умножения значения поля на площадь с последую­ щим численным дифференцированием заряда по потен­

стоянного 'Напряжения (смещения) на слое, так что сум­ марное напряжение всегда имеет отрицательный знак. Если это условие выполняется не строго, то может ока­ заться существенным поток электронов на поверхность центрального электрода. Предполагая максвелловское