Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы компрессии СВЧ импульсов 12
1.1. Пассивные методы компрессии СВЧ импульсов 12
1.2. Активные методы компрессии СВЧ импульсов 15
1.2.1. Физические основы активной компрессии СВЧ импульсов 15
1.2.2. Активные СВЧ компрессоры на основе волноводных резонаторов 17
1.2.3. Активные компрессоры на основе сверхразмерных объемных резонаторов 19
1.2.4 Активные компрессоры на основе объемных резонаторов с электрически управляемыми плазменными коммутаторами 23
1.3 Разрядные явления, влияющие на параметры плазменных коммутаторов 30
ГЛАВА 2. Разрядные явления в плазменных коммутаторах большой СВЧ мощности 31
2.1 СВЧ пробой газа в диэлектрических трубках при высоком и низком давлениях газа .31
2.1.1 Физика СВЧ пробоя газа 31
2.1.2 СВЧ пробой газа в плазменном коммутаторе компрессора СВЧ импульсов при высоких и низких давлениях газа 35
2.2 Высокоскоростная волна ионизации в длинных трубках, создаваемая высоковольтным пробоем газа 39
2.2.1 Основные особенности высокоскоростных волн ионизации в длинных трубках...39
2.2.2 Высокоскоростная волна ионизации в условиях близких к существующим в плазменных коммутаторах 41
2.3 Мультипакторный разряд на поверхности диэлектрика 47
2.3.1 Механизм возникновения мультипакторного разряда 47
2.3.2 Экспериментальная установка 49
2.3.3 Исследование мультипакторного разряда, создаваемого СВЧ импульсами с частотной модуляцией 50
2.3.4 Стационарное поддержание мультипакторного разряда в резонаторе 54
2.3.5 Исследование мультипакторного разряда на поверхностях различных диэлектриков 56
2.3.6 Влияние неоднородности СВЧ поля вблизи поверхности диэлектрика на величины пороговых полей 60
2.3.7 Влияние стороннего постоянного электрического поля на условия возникновения мультипакторного разряда 63
2.3.8 Численное моделирование мультипакторного разряда 68
2.3.9 Основные результаты исследования мультипакторного разряда 72
2.4 Ограничения параметров компрессоров, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменных переключателях 73
ГЛАВА 3. Плазменный коммутатор проходного типа 75
3.1. Компрессор и идея его активного переключения 75
3.2. Исследование возможности использования плазменных переключателей для активной системы компрессии 79
3.2.1 Схема плазменного переключателя 79
3.2.2 Численное моделирование плазменного переключателя 81
3.2.3 Результаты расчетов 83
3.2.4 Экспериментальная проверка работы переключателя 84
3.3 Плазменный переключатель для активной системы компрессии БЬЕОП, обладающий высокой электрической прочностью 90
3.3.1 Расчет параметров переключателя 90
3.3.2 Экспериментальная установка для исследования работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности 93
3.3.3 Исследование работы переключателя в активной системе компрессии БЬЕОП на низком уровне СВЧ мощности 95
3.4 Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе 98
ГЛАВА 4. Плазменный коммутатор на преобразовании моды ТЕ02 в моду ТЕ01 круглого волновода 100
4.1. Расчет параметров плазменного переключателя на преобразовании моды ТЕ02 в моду ТЕ01 круглого волновода 100
4.2 Описание численной модели 103
4.3 Результаты расчетов 105
4.4 Измерение параметров переключателя на низком уровне мощности 107
4.5 Исследование работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности 109
4.5.1 Схема экспериментальной установки 109
4.5.2 Экспериментальные результаты 111
4.6 Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе 115
ГЛАВА 5. Коммутатор на преобразовании моды ТЕ02 в моду ТЕ01 круглого волновода, переключаемый пучком электронов 117
5.1 Расчет параметров переключателя 117
5.2 Исследование работы переключателя на низком уровне СВЧ мощности 123
Заключение 127
Литература 129
- Активные компрессоры на основе объемных резонаторов с электрически управляемыми плазменными коммутаторами
- Высокоскоростная волна ионизации в условиях близких к существующим в плазменных коммутаторах
- Экспериментальная установка для исследования работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности
- Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе
Введение к работе
На протяжении последнего десятилетия активно обсуждается создание электрон- позитронных линейных коллайдеров нового поколения для получения новых знаний в физике элементарных частиц (например, для исследования природы темной материи и темной энергии). Предполагается ускорить электроны и позитроны до энергий в триллионы электрон-вольт (ТэВ) в системе центра масс сталкивающихся частиц. До 2005 года было несколько конкурирующих проектов, предполагающих ускорять электроны и позитроны в линейных ускорителях длинной порядка 10 км с помощью высокочастотных полей различных частотных диапазонов, возбуждаемых в ускоряющих структурах (резонаторах). В настоящее время для создания выбран проект Международного линейного коллайдера (ILC), в котором легкие заряженные частицы будут ускоряться с помощью СВЧ поля на частоте 1,3 ГГц в сверхпроводящих резонаторах длинной 1 м каждый. Несмотря на то, что конструкция коллайдера выбрана и ведется работа по ее детализации, исследования в других частотных диапазонах не прекратились. Многие разработки, выполненные в рамках «теплого» (не сверхпроводящего) коллайдера с ускоряющим СВЧ полем на частоте 11,4 ГГц [ 1,2] востребованы для решения сложнейших технологических задач, которые возникнут при реализации ILC проекта.
Одной из таких разработок в 3 см диапазоне длин волн являются системы компрессии СВЧ импульсов, которые активно применяются для исследования поведения материалов резонаторов ILC в сильных электромагнитных полях. Системы компрессии СВЧ импульсов разрабатывались для использования совместно со стандартными СВЧ генераторами мегаваттпого уровня мощности (клистронами). Они могут быть двух типов - пассивные и активные.
Пассивные компрессоры не содержат элементов с изменяемыми во времени электродинамическими параметрами, но используют различные виды модуляции фазы первоначального СВЧ импульса. Такой метод сжатия реализован в системах сдвоенных компрессоров (BNC) [3], резонансных и распределенных линиях задержки (SLED-II и DLDS) [4,5]. Во всех этих устройствах сжатие импульса достигается при быстром изменении на 180 градусов фазы СВЧ излучения, возбуждающего резонатор или длинную линию задержки. К недостаткам пассивных систем относится низкий коэффициент усиления по мощности ~ 4 и их недостаточная компактность.
Активные компрессоры [6-10] позволяют достичь более высоких коэффициентов усиления по мощности при сохранении высокой эффективности. Метод активной компрессии основан на накоплении электромагнитной энергии в резонаторе с последующим быстрым ее выводом. Одним из основных элементов компрессора является коммутатор (переключатель), обеспечивающий вывод энергии из накопительного резонатора за счет увеличения связи с нагрузкой. Высокая пиковая мощность, возможность работать с большой частотой повторения и сравнительно чистый модовый состав излучения делают активные СВЧ компрессоры весьма привлекательными для их использования в ускорителях заряженных частиц.
В настоящее время наилучшие результаты в 3 см диапазоне длин волн получены для компрессоров с плазменными переключателями [10]. Ограничения КПД и выходной мощности компрессоров связаны с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе компрессора, как на стадии накопления, так и на стадии вывода энергии из накопительного резонатора. Подробное исследование этих процессов позволит повысить выходную мощность, а так же определить предельные значения параметров активных компрессоров с плазменными переключателями.
Компрессоры, которые разрабатываются для ускорителей заряженных частиц, имеют вакуумную изоляцию накопительного резонатора. В этом случае электрическая прочность компрессора в режиме накопления энергии в резонаторе определяется электрической прочностью плазменного переключателя. Для плазменных переключателей рассмотренных в [ 10] она связана с СВЧ пробоем газа внутри кольцевых газоразрядных трубок. Теоретические и экспериментальные исследования высокочастотного пробоя газа проводятся уже в течение длительного времени в связи с использованием этого способа создания плазмы в технологических установках, возникновением его в телекоммуникационных устройствах и радарных системах. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных статьях и обзорах [11-13]. Большинство исследований высокочастотного пробоя газа проводились при не очень низких давлениях, когда средняя длина свободного пробега электрона меньше характерных размеров системы. Это приближение нарушается при возникновении СВЧ пробоя в тонких газоразрядных трубках, которые обычно используются в плазменных коммутаторах. В этом случае для нахождения порогового поля необходимо решать киническое уравнение для функции распределения электронов совместно с уравнениями для электрического поля. В большинстве случаев провести такой расчет достаточно сложно. Поэтому в области давлений, где средняя длинна свободного пробега электронов становится сравнима или превосходит размеры системы, (разрядной трубки, разрядной камеры и т.д.) требуется проведение экспериментальных исследований СВЧ пробой газа.
Как правило, вывод энергии из активного компрессора осуществляется путем быстрого образования плазмы в расположенной в переключателе газоразрядной трубке. Для обеспечения эффективного вывода энергии из резонатора коммутатор должен иметь малое (~ 10 не) время образования плазмы с электронной концентрацией превышающей критическую Л^. В 3-см диапазоне электронная концентрация в трубках должна превышать величину Л^, > 2-10 " см" . Наиболее подходящим для этой цели является разряд, реализуемый
в виде высокоскоростной волны ионизации. Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в длинных трубках проводятся уже в течение длительного времени в связи с использованием такого разряда в лазерной технике, при создания источников оптического излучения, для изучения элементарных процессов в газовом разряде и т.д. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных статьях и обзорах [14-19]. Несмотря на известный качественный характер зависимости параметров ВВИ от давления и сорта газа разброс абсолютных значений этих величин достаточно велик. Поэтому при использовании ВВИ в плазменных переключателях необходимы дополнительные исследования, целью которых был бы выбор параметров разряда, размеров трубок и рода газа.
На стадии вывода энергии из компрессора электрическое поле внутри плазменного переключателя возрастает. При этом в вакууме внутри плазменного переключателя на поверхности трубки может возникнуть мультипакторный разряд. Для активных компрессоров с плазменными переключателями, рассмотренных в работе [10], мультипакторный разряд являлся одним из основных разрядных явлений ограничивающих их выходную мощность. Известно, что в вакууме на поверхности диэлектрика может развиваться специфическая форма разряда - мультипактор. Механизм его возникновения связан с вторично эмиссионным размножением электронов при их бомбардировки поверхности диэлектрика. Этот разряд вызывает интенсивную десорбцию газа с поверхности и образование вблизи нее газового облака. В результате при высоких амплитудах электрического поля в коммутаторе на стадии вывода возникает пробой этого газа и образование вблизи поверхности плазмы, которая нарушает работу коммутатора и может привести к разрушению поверхности трубки. В настоящее время мультипактор рассматривается как крайне нежелательное явление, препятствующее генерации и транспортировке мощного СВЧ излучения. Например, мультипакторный разряд, возникающий на поверхности диэлектрических окон мощных вакуумных СВЧ приборов, является одной из причин их разрушения [20]. Поэтому изучение мультипактора представляется важным не только для создания активных компрессоров мощных СВЧ импульсов, но и для разработки ускоряющих диэлектрических структур электрон-позитронных ускорителей и выходных окон мощных СВЧ генераторов [21,22].
Целью диссертационной работы является исследование разрядных явлений в плазменных коммутаторах СВЧ излучения большой мощности и применение полученных результатов для разработки коммутаторов, обладающих высокой электрической прочностью. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 136 страниц, включая 89 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований.
Краткое содержание диссертации
Активные компрессоры на основе объемных резонаторов с электрически управляемыми плазменными коммутаторами
Наиболее распространенный коммутатор СВЧ энергии представляет из себя Н-тройник выполненный из одномодового волновода с разрядным промежутком в короткозамкнутом плече. В режиме накопления энергии в Н-тройнике возникает стоячая электромагнитная волна. Узел этой волны расположен в области поперечного сечения выходного плеча тройника, что обеспечивает слабую связь с нагрузкой. Для переключения резонатора в режим вывода СВЧ энергии создается электрический разряд с высокой концентрацией электронов на расстоянии Л./4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника. Появление плазмы приводит к резкому изменению картины стоячих волн в выходном плече коммутатора, что обеспечивает быстрый вывод СВЧ энергии к нагрузке. Разряд может создаваться как в кварцевой трубке, так и непосредственно в объеме резонатора. При этом плазма образуется или под воздействием электромагнитных полей в резонаторе (самопробой) или инициируется с помощью внешнего источника высоковольтного напряжения. В последнем случае удается получать намного более стабильную работу компрессора, чем при работе в условиях самопробоя. Отметим, что электрическое поле в резонаторе может достигать высоких величии (десятки и сотни кВ/см), поэтому для повышения электропрочности компрессоры вакуумируются или наполняются газом (ЭИб, Аг, N2, воздух) под давлением до нескольких атмосфер. Давление и состав газа в коммутирующей трубке подбираются так, чтобы пробой происходил в трубке, а не в другом месте системы и обеспечивал быстрое переключение резонатора в режим вывода. Характерное время переключения обычно не превышает 10 не. Наряду с газовым разрядом, для коммутации используются электронные пучки и лазерные импульсы [33,34]. Наилучшие результаты полученные с помощью компрессоров на одномодовых волноводах приведены в Таблице 1.2.
Существенным недостатком компрессоров на одномодовых волноводах является значительное ухудшение их работы в коротковолновом диапазоне длин волн (Л 3 см). С одной стороны это связано с уменьшением собственной добротности объемных одномо- довых резонаторов при укорочении длины волны (Qo л/Х ), а с другой - со снижением электрической прочности Н-тройника при уменьшении его поперечного сечения. Так при атмосферном давлении мощность сжатого СВЧ импульса в 3-см диапазоне длин волн обычно не превышает нескольких мегаватт.
Повысить добротность накопительного резонатора и таким образом поднять мощность и энергию в сжатом импульсе позволяет увеличение объема резонатора при переходе к многомодовым системам. Так, увеличение объема резонатора до lO -lO"1 м3 может обеспечить усиление СВЧ мощности до 10-30 раз при длительности импульсов 20-200 не с пиковой мощностью в диапазоне 1-100 МВт [32]. Для накопления энергии в этом случае обычно используются цилиндрические резонаторы возбуждаемые на моде ТЕц„ или моде TEoin , обладающей низкими омическими потерями. Вывод СВЧ энергии в большинстве этих конструкций также осуществляется с помощью интерференционного ключа, выполненного на базе Н-тройника прямоугольного волновода. При этом одно плечо подсоединяется к накопительному резонатору, другое к нагрузке, а третье закорачивается. Типичная схема такого СВЧ компрессора приведена на рис. 1.5. Переключение осуществлялось с помощью газового разряда или пучка электронов пролетающем на расстоянии пА./4 (п=1,3,5...) от закорачивающей стенки. В работе [32] плазма создавалась в тефлоновой или сапфировой трубке, заполненной гелием и проходящей через центр широкой стенки поперек волновода, при подаче высоковольтного импульса с амплитудой 20 кВ. Отметим, что для эффективного переключения плотность плазмы должна превышать критическую для рабочей частоты (сор = 47te2Ne/m соо где сор - плазменная частота, Ne - концентрация электронов) в области скин-слоя толщиной 5 с/сор, а диаметр плазменного сю лба dpi должен удовлетворять условию 5 « dpi.
При низком давлении газа в трубке (соблюдении условия V со) отражение от плазмы происходит почти как от металлического стержня. При возбуждении такого компрессора в 10-см диапазоне длин волн импульсами длительностью 3 мкс и мощностью 1 МВт были получены выходные импульсы с длительностью 100-150 не и мощностью 5-10 МВт при эффективности 40-45 % [32]. Аналогичный компрессор [32] работающий в 3-см диапазоне и возбуждаемый на моде Н019 имел следующие параметры: коэффициент усиления по мощности 20, длительность импульса 20 не, мощность 1.3 МВт и эффективность 48 %.
Следует отметить, что используемый в описанных выше конструкциях Н-тройник не позволяет получать минимальную добротность в режиме вывода, так как связь резонатора с выходным плечом определяется площадью поперечного сечения прямоугольного волновода, которая много меньше площади торцевых стенок цилиндрического резонатора. В работе [37] понизить добротность резонатора во время вывода энергии было предложено с помощью «пакета» интерференционных переключателей с суммированием их выходных сигналов. В этой работе при выводе через два переключателя было достигнуто почти двукратное повышение мощности сигналов и была показана принципиальная возможность вывода с использованием четырех переключателей.
Другой возможностью вывода энергии из многомодовых резонаторов является трансформация моды накопительного резонатора в другую, сильно связанную с внешней нагрузкой. Этот метод позволяет использовать выходные волноводы с большей площадью поперечного сечения по сравнению с сечением волновода интерференционного ключа. Так, в работе [38] в качестве рабочей использовалась мода ТЕо1П , а вывод осуществлялся через волновод, подключенный к торцевой стенке цилиндрического резонатора и запредельный для этой моды. Переключение в режим вывода СВЧ энергии осуществлялось с помощью установленного внутри резонатора вдоль силовой линии электрического поля разрядника, зажигание которого приводило к изменению структуры поля в резонаторе. В результате колебания вида ТЕо!П преобразовывалось в колебания ТЕцп , для которого выходной волновод не является закритическим, и накопленная СВЧ энергия излучалась на волне ТЕц Подбирая размеры закритического волновода и место расположения разрядника, можно обеспечить высокую эффективность накопления и вывода. Схема такого компрессора приведена на рис. 1.6.
Данная конструкция была испытана в 3 и 10 сантиметровом диапазоне длин волн [32]. В экспериментах использовался медный цилиндрический резонатор длиной 1,5 м и диаметром 0,3 м с собственной добротностью С о = 105. При подключении запредельного волновода диаметром 8 или 12 см нагруженная добротность падала до значений СЬ - (3-4)104.
Высокоскоростная волна ионизации в условиях близких к существующим в плазменных коммутаторах
На рис. 2.4 пунктирная прямая соответствует границе применимости диффузионной теории. Действительно, при давлениях р « 3 - Ю-2 Тор средняя длина свободного пробега электрона / = Vjvem , где Ve - средняя скорость электрона, vem - частота электрон молекулярных столкновений, становится сравнима с внутренним диаметром трубки. В окрестности этой области в эксперименте наблюдается изменение зависимости пороговой мощности от давления. До этой границы пробойная мощность возрастает приблизительно обратно пропорционально давлению. После найденной границы рост пороговой мощности практически прекращается. По-видимому, в области давлений р 3 10 2 Тор уже начинает влиять другой эффект, например мультипакторный пробой, который может возникать на внутренней стенке трубки. Известно, что для кварца осцилляторная энергия электрона, начиная с которой может возникать мультипактореный разряд, составляет величину Е -30 эВ. Как показывают оценки для условий проведенного эксперимента, осцилляторная энергия электронов в области давлений 10 5 р 10 2 Topp как раз и достигает такой величины. Подробнее мультипакторный разряд на поверхности диэлектрика будет рассмотрен в разделе 2.3.
Для получения более высоких пробойных полей СВЧ пробоя газа были проведены эксперименты с трубками наполненными элегазом (ЭРб), обладающим высокой электрической прочностью, а так же смесью элегаза с азотом (ЗРб г). Эксперименты показали, что пробой в чистом SFe при умеренных давлениях р 30 Тор происходит при невысоких значениях СВЧ мощности, рис.2.4. С ростом давления происходит резкое увеличение пороговой мощности и при р 150 Тор пробоя не наблюдалось при максимальной мощности магникона достигающей 6-7 МВт.
В этом эксперименте было обнаружено, что небольшая добавка ( 5-10 %) SF6 к азоту приводит к существенному возрастанию пробойных полей. В этом случае пробоя газа в трубках не наблюдалось при давлении азота 150 Тор (5% SF6) и мощности магникона до 6-7 МВт. Таким образом, использование смеси SF6:N2 может служить одним из методов повышения электрической прочности газоразрядных переключателей при сохранении относительно низкой частоты электрон-молекулярных соударений.
Проведенные эксперименты показали, что для азота в области высоких давлений газа (р 200 Тор) пороговые поля СВЧ пробоя внутри газоразрядных трубок достаточно высоки. Пороговое поле можно значительно повысить, использовав либо элегаз (SF6), либо его смесь с азотом. Следует отметить, что в этой области давлений частота столкновений электрон-молекула превосходит частоту электромагнитного поля vem »со. Использование трубок с таким высоким давлением может привести к существенному поглощению энергии в плазменном переключателе на стадии вывода накопленной энергии из резонатора.
В области низких давлений газа пороговые поля СВЧ пробоя возрастают вплоть до области давлений, при которых средняя длина свободного пробега электронов совпадает с внутренним диаметром трубки. При дальнейшем уменьшении давления рост порогового поля практически прекращается. Таким образом, в переключателе является привлекательным использование трубок с низким давлением вблизи границы применимости диффузионной теории, так как в области более низких давлений становится затруднительным создание плазмы с помощью высоковольтного пробоя газа.
Вывод энергии из компрессора осуществляется пугем быстрого образования плазмы в расположенных в переключателе газоразрядных трубках. Для обеспечения эффективного вывода энергии из резонатора коммутатор должен иметь малое 10 не) время образования плазмы с электронной концентрацией превышающей критическую Nс. Например, для СВЧ излучения 3-см диапазона электронная концентрация в трубках должна превышать величину Ые 2-1012 см"3. Поэтому при создании коммутатора необходимо знать динамику пробоя газа и параметры плазмы в длинных трубках, которые существенно зависят от плотности газа и приложенного высоковольтного напряжения. Наиболее подходящим для этой цели является разряд, реализуемый в виде высокоскоростной волны ионизации. Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в длинных трубках проводятся уже в течение длительного времени в связи с использованием такого разряда в лазерной технике, при создания источников оптического излучения, для изучения элементарных процессов в газовом разряде и т.д. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных статьях и обзорах [14-19].
При определенных условиях высоковольтный импульсный пробой газа в трубках реализуется в виде ВВИ, представляющей собой светящийся фронт, распространяющийся с высокой скоростью У1 =108 -т-1010 см/с от высоковольтного электрода к заземленному.
Обычно высоковольтный наносекундный импульс (со временем нарастания напряжения несколько наносекунд) передается к электроду трубки по коаксиальной передающей линии, рис. 2.6. Разрядная трубка при этом является продолжением центрального проводника передающей коаксиальной линии и окружена цилиндрическим металлическим экраном. Волна ионизации стартует от высоковольтного электрода и движется вдоль трубки.
За фронтом волны образуется канал с высокой проводимостью, который можно рассматривать как продолжение центрального проводника линии, по которому потенциал с незначительным затуханием передается к фронту. По плазме протекают токи проводимости, которые во фронте замыкаются на экран через токи смещения. По экрану протекает ток, называемый «обратным током», величина которого равна току в центральном проводнике, а направление является противоположным. Напряженность электрического поля в плазме за фронтом в идеальном случае равна нулю, поэтому все ионизационные процессы происходят в области падения потенциала во фронте волны. Поскольку эффективность ионизации экспоненциально зависит от приведенной напряженности электрического поля Е/Ы, где N - плотность газа в трубке, то такое распределение электрического поля значительно более эффективно для ионизации и пробоя газа, чем реализуемое в других известных типах электрических разрядов.
Экспериментальная установка для исследования работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности
В большинстве теоретических работ, посвященных исследованию одноповерхностного мультипакторного разряда [67 - 69] используется упрощенная модель, в которой предполагается, что поверхность диэлектрика плоская, электрическое поле СВЧ волны однородно и направлено параллельно поверхности, и существует электростатическое поле Eje возвращающее электроны к поверхности, рис. 2.13. При этом энергия, с которой электроны бомбардируют поверхность, определяется интенсивностью СВЧ поля и временем их возвращения на поверхность под воздействием статического поля. Расчеты показывают, что порог пробоя сильно зависит от величины начального возвращающего поля, природа происхождения которого может быть различной. Так, в работах [70,5А] теоретически и экспериментально было показано, что возникновение ВЭР на поверхности диэлектрика в неоднородных СВЧ полях возможно и в отсутствии внешних полей, так как высокочастотное электромагнитное поле само может обеспечить возвращение эмитированных электронов к поверхности. Отметим также, что существующие теории обычно ограничиваются лишь первой стадией пробоя - мультипакторным разрядом и практически не рассматривают вторую стадию - пробой испарившегося газа. тор возбуждался частотно модулированным импульсом, что позволяло поддерживать высокие значения интенсивности электрического поля на поверхности диэлектрика в течение длительного времени. Во втором режиме использовался СВЧ импульс с фиксированной частотой, и наблюдалась стабилизация ВЭР на некотором стационарном уровне за счет растройки резонатора. В эксперименте определялись пороговые СВЧ мощности возникновения и поддержания ВЭР в зависимости от рода материала и шероховатости поверхности. Так же исследовалось влияние неоднородности СВЧ поля вблизи поверхности диэлектрика и стороннего постоянного электрического поля на условия возникновения разряда. - форвакуумный насос, 18 — азотная ловушка, 19 - ионный насос, 20 - осциллограф, 21 - компьютер.
Основу установки составлял резонатор, возбуждаемый на моде ТЕ013 и образованный цилиндрическим волноводом диаметром 45 мм, ограниченным двумя сменными диафрагмами. Диаметр входной диафрагмы был равен О=29 мм, а выходной й2=21 мм. В одну из пучностей электрического поля, образованную в резонаторе стоячей волной, помещались исследуемые диэлектрические диски с заданной толщиной. Мультипакторный разряд исследовался на поверхностях различных материалов: кварц, фтористый литий, фторопласт, а также поликристаллический алмаз, полученный СУБ методом. Толщина каждого диска составляла половину длины волны для возбуждаемых в резонаторе на частоте /о=9,4 ГГц колебаний, поэтому амплитуды электрического поля на обеих его поверхностях были одинаковы. Основные исследования проводилось для дисков из кварца. Измеренная нагруженная добротность резонатора, в зависимости от материала исследуемого диска и диаметра входной диафрагмы (7) составляла величину /.=(5+20)Т0\ Такая добротность обеспечивала высокие напряженности электрического поля на поверхности диэлектрика даже при низком уровне мощности СВЧ генератора. Резонатор помещался в вакуумную камеру, откачиваемую ионным насосом до давления р 10"6 Topp. Расстояние между диафрагмами (7) и (9) (длина резонатора) и положение диска в резонаторе могли изменяться извне с помощью специальных устройств (11,12). Высокочастотные импульсы подавались на вход резонатора через преобразователь Марье, формирующий моду TEQI круглого волновода и СВЧ окно (6). Источником СВЧ излучения служил магнетрон (1) с мощностью до 250 кВт, длительностью импульсов т= 0,5-5 мкс и частотой повторения импульсов до 20 Гц. Настройка резонатора на частоту магнетрона осуществлялась изменением длины резонатора. Наблюдение за разрядом осуществлялось через окно (10) в торце вакуумной камеры. Динамика и спектр светимости разряда измерялись с помощью спектрографа (13) и ФЭУ (14). В эксперименте регистрировались падающая, отраженная от резонатора СВЧ мощность, а также мощность, прошедшая через резонатор. Характерная структура электрического поля в резонаторе и соответствующее ей продольное распределение амплитуды СВЧ поля в максимуме радиального распределения моды ТЕоп для кварцевого диска приведены на рис. 2.15. Расчеты проводились с использованием метода FDTD [57]. диафрагмы, 2 - диэлектрический диск. Стрелкой показано направление потока СВЧ энергии.
На начальном этапе исследовался ВЭР, создаваемый в резонаторе СВЧ импульсами с плавной (линейной) частотной модуляцией. Для осуществления такого режима частота СВЧ генератора линейно увеличивалась в течение импульса на величину - 4 МГц, превышающую ширину резонансной кривой резонатора. В этом случае возникновение ВЭР на поверхности диэлектрика, приводящее к увеличению собственной частоты резонатора, не приводило к быстрому выходу резонатора из резонанса. В результате амплитуда электрического поля на поверхности диэлектрика поддерживалась на достаточно высоком уровне, и после возникновения разряда. Такой режим близок к режиму ВЭР, наблюдаемому в поле бегущей волны при пробое вакуумных окон в волноводных трактах.
Эксперименты проводились при значениях напряженности электрического поля 30 кВ/см, соответствующих плотности потока мощности 2-3 МВт/см2. В качестве образца использовалось кварцевое окно толщиной 9,15 мм. Типичные осциллограммы сигналов в отсутствии разряда и при возникновении ВЭР представлены на рис. 2.16. Настройка резонатора в резонанс приводила к уменьшению отраженного от резонатора сигнала (2) и возрастанию прошедшего сигнала (3), рис. 2.16 (а). При этом минимум отраженного сигнала соответствовал точному совпадению частоты генератора с собственной частотой резонатора.
Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе
В экспериментах исследовалось также влияние на возникновение мультипактора знакопеременной в пространстве пондеромоторной силы. Такая ситуация часто возникает при наличии отражения от установленного в вакуумном тракте СВЧ приборов диэлектрического окна и существовании в его окрестности стоячей волны. В эксперименте для этого к продольной структуре поля (рис. 2.22 (в)), путем удлинения резонатора была добавлена еще одна вариация поля (рис. 2.22 (г)). При этом непосредственно на поверхности кварца пондеромоторная сила, как и раньше, была направлена от поверхности, а в соседней пучности ее направление менялось на противоположное. Эксперименты показали, что такая структура поля приводит к снижению порога возникновения мультипактора (точка 4, рис. 2.23). Действительно, как показывают расчеты, в этом случае вблизи узла СВЧ поля формируется сложная потенциальная яма для электронов. Образование этой ямы обусловлено продольной и радиальной неоднородностью электрического поля ТЕоп волны. В результате электроны, эмитированные с поверхности, не уходят на стенку резонатора, а попадают в потенциальную яму и после многократных отражений под воздействием высокочастотного потенциала могут возвратиться на поверхность диэлектрика, участвуя в ее бомбардировке. Поэтому при образовании перед диэлектриком стоячей волны снижение амплитуды СВЧ поля на его поверхности при наличии отрицательного градиента высокочастотного потенциала не приводит к увеличению его электрической прочности. В этом слу чае поверхность диэлектрика нужно располагать в возрастающем от поверхности поле (положительный градиент высокочастотного потенциала).
Как уже отмечалось, необходимыми условиями возникновения мультипактора являются наличие внешнего поля, возвращающего электроны к поверхности и превышение электронами энергии, при которой коэффициент вторичной электронной эмиссии диэлектрика равен единице. Поэтому все существующие методы подавления мультипактора можно разделить на две категории. К первой относятся методы позволяющие уменьшить энергию и вторичную эмиссию электронов. Эти методы включают изменение геометрии волновод- ной системы с целью снижения высокочастотных полей на поверхности диэлектрика [82], а также нанесение на поверхность диэлектрика специальной гофрировки [83] или напыление пленок с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии [84-86]. В некоторых случаях, однако, изменить геометрию системы не представляется возможным, а модификация поверхности сложна и не всегда дает ожидаемые результаты.
К другой группе относятся методы, которые предполагают создание у поверхности диэлектрика статических электрических [78,88] или магнитных [86,89] полей, препятствующих возвращению электронов на поверхность. Действительно, создавая вблизи поверхности внешнюю силу, отталкивающую электроны, можно предотвратить возникновение электронной лавины независимо от величины коэффициента вторичной электронной эмиссии материала поверхности. Возможность использования электростатического поля для подавления мультипактора на поверхности окна в коаксиальном устройстве ввода СВЧ излучения в ускоряющую структуру рассматривалась в работах [88,90]. Внешнее электрическое поле создавалось при приложении разности потенциалов между центральным и внешним электродами коаксиальной линии. Анализировался случай, когда оба поля, как высокочастотное, так и электростатическое, были направлены по нормали к поверхности диэлектрика. Подавление мультипактора наблюдалось только в узком диапазоне параметров, определяемом соотношением СВЧ мощности и разности потенциалов.
В данном разделе представлены результаты исследования влияния внешнего постоянного электрического поля на порог мультипактора на диэлектрике. Эксперименты проводились в постановке близкой к показанной на рис. 2.14 , когда электрическое поле СВЧ волны параллельно поверхности диэлектрика, а внешнее электростатическое поле направлено по нормали к ней. При этом экспериментальная установка была модифицирована. Схема модифицированной установки для исследования влияния постоянного электрического поля на условия возникновения мультипакторного разряда показана на рис. 2.24.
Основу установки, так же как и в предыдущих исследованиях составлял резонатор, возбуждаемый на частоте 9,4 ГГц (мода ТЕ012) и образованный цилиндрическим волноводом диаметром 45 мм, диафрагмой (7) и плоским Т-образным медным электродом (11). Электрод не имел омического контакта со стенками резонатора, но его диаметр был рассчитан таким образом, чтобы обеспечить близкий к единице коэффициент отражения для моды TEoi. Расстояние между диафрагмой и электродом (длина резонатора) могло изменяться извне с помощью специального устройства (14). На электрод подавался потенциал от слаботочного источника высокого напряжения (18), обеспечивающего регулировку напряжения в диапазоне от 0 до ±20 кВ. В одну из пучностей электрического поля, образованную в резонаторе стоячей волной, помещались кварцевые диски с различной толщиной. Измеренная нагруженная добротность резонатора, в зависимости от толщины исследуемого диска составляла величину 0/.=(0,9-Ч,3)-104. Такая добротность обеспечивала высокие напряженности электрического поля на поверхности диэлектрика даже при низком уровне входной мощности. Резонатор помещался в вакуумную камеру, откачиваемую до давления р Ю"6 Topp. Высокочастотные импульсы подавались на вход резонатора через преобразователь Марье, формирующий моду TEoi круглого волновода и СВЧ окно (6). Источником СВЧ излучения служил магнетрон (1) с мощностью до 250 кВт, длительностью импульсов г=2-6 мкс и частотой повторения до 20 Гц. Настройка резонатора на частоту магнетрона осуществлялась изменением длины резонатора.
В разделе 2.3.6 было показано, что возникновение мультипактора на поверхности диэлектрика в сильных электромагнитных полях возможно и в отсутствии внешних статических полей, так как неоднородное СВЧ поле само может обеспечить возвращение эмитированных электронов к поверхности. Действительно, в этом случае на электрон действует усредненная пондеромоторная сила пропорциональная градиенту высокочастотного электрического поля. Поэтому в условиях эксперимента нормальное к поверхности диэлектрика электрическое поле F,n, определялось суперпозицией внешнего DC поля Ez и эффективного поля, формируемого градиентом высокочастотного потенциала: Еп= Еф±Е2.
В эксперименте использовались полированные кварцевые диски с шероховатостью Лп=0,1 мм и толщиной: d=2,3 мм, df 4,2 мм, d=6 мм. Толщина дисков была рассчитана таким образом, чтобы при установке одной поверхности диска в узел стоячей волны па другой {обращенной к электроду) поверхности диска, в зависимости от его толщины реа- лизовывались случаи: 1- возвращающей электроны пондеромоторной силы {d)\ 2 - отсутствия силы {dj)\ 3 - отталкивающей силы {d}). Таким образом, условия для возникновения мультипактора создавались только с одной стороны диска с заданным направлением и величиной пондеромоторной силы. Характерная структура электрического поля в резонаторе и соответствующее ей продольное распределение амплитуды СВЧ поля, в максимуме радиального распределения моды ТН012 для диска di приведены на рис. 2.25. Расчеты проводились с использованием метода FDTD [57].
