Исследование разрядных явлений в плазменных коммутаторах СВЧ излучения большой мощности

• Автор: Лобаев, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 136 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОМПРЕССИИ СВЧ ИМПУЛЬСОВ '
1.1. Пассивные методы компрессии СВЧ импульсов
1.2. Активные методы компрессии СВЧ импульсов
1.2.1. Физические основы активной компрессии СВЧ импульсов
1.2.2. Активные СВЧ компрессоры на основе волноводных резонаторов
1.2.3. Активные компрессоры на основе сверхразмерных объемных резонаторов
1.2.4 Активные компрессоры на основе объемных резонаторов с электрически управляемыми плазменными коммутаторами
1.3 Разрядные явления, влияющие на параметры плазменных коммутаторов
ГЛАВА 2. РАЗРЯДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕННЫХ КОММУТАТОРАХ БОЛЬШОЙ СВЧ
МОЩНОСТИ
2.1 СВЧ пробой газа в диэлектрических трубках при высоком и низком давлениях газа. ..
2.1.1 Физика СВЧ пробоя газа
2.1.2 СВЧ пробой газа в плазменном коммутаторе компрессора СВЧ импульсов при высоких и низких давлениях газа
2.2 Высокоскоростная волна ионизации в длинных трубках, создаваемая высоковольтным пробоем газа
2.2.1 Основные особенности высокоскоростных волн ионизации в длинных трубках
2.2.2 Высокоскоростная волна ионизации в условиях близких к существующим в плазменных коммутаторах
2.3 Мультипакторный разряд на поверхности диэлектрика
2.3.1 Механизм возникновения мультипакторного разряда
2.3.2 Экспериментальная установка
2.3.3 Исследование мультипакторного разряда, создаваемого СВЧ импульсами с частотной модуляцией
2.3.4 Стационарное поддержание мультипакторного разряда в резонаторе
2.3.5 Исследование мультипакторного разряда на поверхностях различных диэлектриков
2.3.6 Влияние неоднородности СВЧ поля вблизи поверхности диэлектрика на величины пороговых полей
2.3.7 Влияние стороннего постоянного электрического поля на условия возникновения мультипакторного разряда
2.3.8 Численное моделирование мультипакторного разряда
2.3.9 Основные результаты исследования мультипакторного разряда
2.4 Ограничения параметров компрессоров, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменных переключателях
ГЛАВА 3. ПЛАЗМЕННЫЙ КОММУТАТОР ПРОХОДНОГО ТИПА
3.1. Компрессор БЬЕБИ и идея его активного переключения
3.2. Исследование возможности использования плазменных переключателей для активной системы компрессии БЬЕОП
3.2.1 Схема плазменного переключателя
3.2.2 Численное моделирование плазменного переключателя
3.2.3 Результаты расчетов
3.2.4 Экспериментальная проверка работы переключателя
3.3 Плазменный переключатель для активной системы компрессии БЕЕОП, обладающий высокой электрической прочностью
3.3.1 Расчет параметров переключателя
3.3.2 Экспериментальная установка для исследования работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности
3.3.3 Исследование работы переключателя в активной системе компрессии БЬЕПП на низком уровне СВЧ мощности
3.4 Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе
ГЛАВА 4. ПЛАЗМЕННЫЙ КОММУТАТОР НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ МОДЫ ТЕ02 В МОДУ
ТЕ0) КРУГЛОГО ВОЛНОВОДА
4.1. Расчет параметров плазменного переключателя на преобразовании моды ТЕог в моду ТЕо1 круглого волновода
4.2 Описание численной модели
4.3 Результаты расчетов
4.4 Измерение параметров переключателя на низком уровне мощности
4.5 Исследование работы плазменного переключателя на высоком уровне мощности
4.5.1 Схема экспериментальной установки
4.5.2 Экспериментальные результаты
4.6 Ограничения параметров компрессора, связанные с разрядными явлениями, возникающими в плазменном переключателе
ГЛАВА 5. КОММУТАТОР НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ МОДЫ ТЕ02 В МОДУ ТЕ0,
КРУГЛОГО ВОЛНОВОДА, ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ
5.1 Расчет параметров переключателя
5.2 Исследование работы переключателя на низком уровне СВЧ мощности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
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 (ИХ), 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 ИХ проекта.
Одной из таких разработок в 3 см диапазоне длин волн являются системы компрессии СВЧ импульсов, которые активно применяются для исследования поведения материалов резонаторов ИХ в сильных электромагнитных полях. Системы компрессии СВЧ импульсов разрабатывались для использования совместно со стандартными СВЧ генераторами мегаваттного 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 (ВИС) [3], резонансных и распределенных линиях задержки (БЫХ-И и 01X8) [4,5]. Во всех этих устройствах сжатие импульса достигается при быстром изменении на 1 ВО 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

При низких давлениях пороги СВЧ пробоя определяются главным образом диффузией. С понижением давления величина порогового поля возрастает обратно пропорционально давлению газа. При высоких давлениях диффузия мала и Еь в основном определяется упругими потерями энергии электронов. При этом величина Еь растет пропорционально давлению газа.
На практике приближение заданного поля часто оказывается неприменимым. Становятся существенны эффекты, связанные с неоднородностью СВЧ поля, а так же пространственно-временной нелокальностью как частоты ионизации, так и частоты потерь электронов. 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. Такая ситуация обычно возникает в области низких давлений газа. В этой области средняя длинна свободного пробега электронов становится сравнима или превосходит размеры системы (разрядной трубки, разрядной камеры и т.д.). При этом для оценки поля СВЧ пробоя уже нельзя пользоваться выражением (2.7), так как представление о диффузии и локальности частоты ионизации теряет смысл. Поэтому в области давлений, где диффузионная теория описанная выше не применима кривая Пашена обычно измеряется экспериментально.
2.1.2 СВЧ пробой газа в плазменном коммутаторе компрессора СВЧ импульсов при высоких и низких давлениях газа
Исследование СВЧ пробоя газа при высоких и низких давлениях внутри кольцевых газоразрядных трубок проводились в плазменном переключателе одноканального активного компрессора СВЧ импульсов рассмотренного в п. 1.2.4. первой главы. Схема эксперимента показана на рис. 2.2.
Компрессор состоял из накопительного резонатора (10) и плазменного переключателя (11). Источником СВЧ служил магникон (1), работающий на частоте fm = 11.424 ГГц с мощностью до 5 МВт. Компрессор подсоединялся к магникону (1) с помощью волновода (2), в котором стояло окно (3) для разделения вакуумных объемов магнекона и компрессора. Выходной сигнал компрессора попадал в согласованную нагрузку (4). Сигналы, пропорциональные падающей на компрессор Рех, отраженной от компрессора Ротр и выходной (прошедшей) Рсж мощности, через направленные ответвители (5) с коэффициентом ответвления 55.5 dB, коаксиальные волноводы (6) поступали внутрь экранной комнаты (7) и через аттеньюаторы (8) подавались на детекторы (9), сигналы с которых регистрировались цифровым осциллографом. Компрессор откачивался двумя ионизационными насосами до давления 10'6 - 10'7 Topp.