Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию коммутации мощных СВЧ-колебаний путем инжекции носителей в полупроводниковую пластину, перегораживающую прямоугольный волновод.
Актуальность. Проблема коммутации мощности - одна из важнейших в СВЧ-технике. Для проведения фундаментальных исследований в области физики высоких энергий, для генерации мощных СВЧ-импульсов в экспериментах по физике плазмы, накачке лазеров на свободных электронах, для развития средств связи и широкополосной радиолокации [1], нужны устройства коммутации СВЧ-колебаний большой мощности.
Необходимые сегодня для этого приборы должны переключать высокие уровни мощности (до гигаватт), иметь малое время срабатывания (наносекунды), способность работать с большой частотой повторения (килогерцы), а также иметь долгий срок службы [2]. В качестве коммутаторов большой СВЧ-мощности (десятки мегаватт) нашли широкое применение газовые разрядники. Однако газоразрядные коммутаторы большой СВЧ-мощности не могут работать с большой частотой повторения [3]. В них невозможно увеличивать напряженность поля выше уровня самопробоя. Существующие газовые разрядники не могут работать при температурах жидкого гелия.
Область применения быстрых коммутаторов, таких как тиристоры и pin-диоды, рассчитанных на средние и низкие уровни мощности (мегаватты и киловатты импульсной мощности, соответственно), ограничена при больших напряженностях поля [4]. Другие быстрые приборы, имеющие большой срок службы, такие как транзисторы, рассчитаны на низкие уровни мощности.
Для коммутации и управления большими уровнями СВЧ-мощности традиционно используют ферритовые вентили. В ферритовых вентилях и циркуляторах потери обычно составляют 0.1-0.5 дБ, при этом реально достижимая развязка широкополосных вентилей не превышает 20-25 дБ. Существуют устройства, рассчитанные на работу с уровнями средней мощности до 25 кВт и импульсной десятки мегаватт. Скорость коммутации ферритовых переключателей не превышает 0.1 мкс. По этой причине в быстродействующих переключающих устройствах на ферритах используются дополнительные разрядники.
В настоящее время все большее внимание уделяется переключателям, основанным на полупроводниковых приборах, инициируемых лазером. Благодаря применению широкозонных полупроводников появляется возможность их использования в полях с напряженностью поля от 10 МВ/м и выше. Вместе с тем, использование для их управления нано- и пикосекундных лазеров не позволяет работать в режиме с большой частотой повторения импульсов [5].
Быстрая коммутация непрерывных и импульсных СВЧ-сигналов с высоким уровнем мощности с большой частотой повторения является одной из основных задач, решаемых в СВЧ-технике. Поиск и разработка новых принципов коммутации, изучение происходящих при этом физических процессов делает работу весьма актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства быстрой коммутации сверхвысокочастотного сигнала большой мощности (свыше 10 Мвт) и с большой частотой повторения (свыше 1 кГц).
Основные задачи работы:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов при
наносекундном электронном способе переключения в прямоугольном волноводе.
2. Разработка математической модели переключателя для обоснования
возможности использования электронного пучка для коммутации больших
уровней мощности.
3. Определение параметров экспериментального переключающего устройства и
выработка рекомендаций для построения эффективного электронного
переключателя.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
1. Экспериментально доказана возможность быстрой коммутации СВЧ-мощности
при помощи внешней инжекции электронного пучка, который скачком меняет
проводящее состояние облучаемой полупроводниковой пластины. Проведены
исследования образцов, изготовленных из высокоомных полупроводников и
использованных в качестве активных элементов коммутирующего устройства.
Исследованы характеристики коммутируемого СВЧ-сигнала.
2. Разработана теоретическая модель взаимодействия релятивистского пучка
заряженных частиц с высокочастотным полем стоячей волны большой
интенсивности в прямоугольном волноводе, рассмотрены одномерный и
трехмерный случаи. Произведен расчет по данным моделям. Обнаружено новое явление, характерное только для релятивистского электронного пучка, заключающееся в том, что при определенных соотношениях на больших пролетных промежутках возможна передача энергии от электронов полю при одновременном ускорении части пучка за счет энергии самого пучка.
-
В результате расчетов траекторий в трехмерном релятивистском случае была показана возможность использования электронного пучка при больших напряженностях поля. Были исследованы различные точки старта пучка и допустимый угловой разброс. Обнаружены места старта электронного пучка наиболее энергетически выгодные для целей переключения. На основании расчетов сделан вывод о возможности проводки пучка электронов по волноводу от места старта до мишени при больших напряженностях поля до 100 МВ/м и выше.
-
Экспериментально определены параметры электронной ускоряющей системы необходимые для осуществления эффективного управления СВЧ-мощностью. Даны рекомендации по оптимальным режимам инжекции пучка, параметрам пучка и полупроводниковой пластины.
5. Экспериментально исследованы полевые многоострийные твердые и
жидкометаллические катоды в качестве альтернативного термокатоду источника
электронов при работе с большой частотой повторения. Получена коммутация
СВЧ-мощности с использованием жидкометаллических взрывоэмиссионных
катодов.
Практическая ценность работы состоит в непосредственной применимости ее результатов для создания надежных и долговечных наносекундных переключателей на средние и высокие уровни СВЧ-мощности, способных работать с большой частотой повторения.
Результаты теоретического анализа и расчетов применимы для проведения исследований взаимодействия заряженных частиц с полем прямоугольного волновода, в том числе для расчета вторично-электронного разряда в резонаторе.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Для создания быстродействующих наносекундных переключателей средней и
большой СВЧ-мощности с большой частотой повторения можно использовать
пучок электронов, управляющий проводимостью высокоомной
полупроводниковой пластины, расположенной посередине широкой стенки прямоугольного волновода. Данный подход к переключению позволяет увеличить КПД переключателя более чем на порядок, и частоту посылок более чем на два порядка по сравнению с лазерным переключением. Экпериментально доказана работа электронного переключателя с частотой посылок более 4 кГц.
-
Разработанная трехмерная модель взаимодействия заряженной частицы с полем стоячей волны прямоугольного волновода в релятивистском случае, дает обоснование возможности использования пучка заряженных частиц в целях переключения в полях с большой напряженности до 100МВ/м и выше.
-
Выявлена новая особенность взаимодействия релятивистского электронного пучка с высокочастотным электрическим полем большой интенсивности на больших пролетных промежутках, которая позволяет при определенных соотношениях скорости пучка, напряженности поля и длины промежутка ускорять часть электронов пучка без отбора энергии от поля.
Апробация работы. Результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих национальных и международных конференциях:
Particle Accelerator Conference, РАС97, Vancouver, May 25-27,1997;
5th European Conference on Accelerators in Appied Research and Technology, ECAART5, August 26-30, 1997, Eindhoven, Netherlands;
-1081 International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg, Tennessee, September 21-26,1997;
- Tools for mathematical modelling Workshop, St.PSTU, St.Petersburg, December 3-6,
1997.
По материалам диссертационной работы опубликовано 9 работ и 3 отчета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 107 страниц и библиографию из 107 наименований.
