Электровакуумные процессы в лампе бегущей волны с

УДК 621.311.26(06) Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики
М.А. ЗАВЬЯЛОВ
ГУП "Всероссийский электротехнический институт", Москва
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛАМПЕ БЕГУЩЕЙ
ВОЛНЫ С ГАЗОПЛАЗМЕННЫМ НАПОЛНЕНИЕМ
В работе представлены результаты исследования газодинамических и плазменных процессов в плазменной лампе бегущей волны (ЛБВ) при транспортировке интенсивного электронного пучка (20 кэВ, 4 А) в частотно-импульсном режиме. С помощью газодинамической системы, включающей водородные генераторы
и встроенные в отпаянный прибор откачные средства, давление рабочего газа может изменяться в пределах от 1·10-6 до 1·10-2 мм рт. ст. Специальные экспериментальные методы используются для исследования электровакуумных явлений в
данном мощном пучково-плазменном усилителе СВЧ.
Работа содержит результаты исследований, относящихся к области нерелятивистской плазменной сверхвысокочастотной электроники. Во Всероссийском электротехническом институте (ВЭИ) разрабатываются черенковские пучково-плазменные СВЧ-усилители (плазменные ЛБВ), основанные на гибридных замедляющих электродинамических структурах,
представляющих собой цепочку связанных резонаторов с плазменным
заполнением пролётного канала [1ч3]. Электронный пучок (20 кэВ, 4 А),
транспортируемый в пролётном канале ЦСР в магнитном поле (0,25 Т),
создаёт пучковую плазму с концентрацией до 1012 см-3 и электронной
температурой ~ 20 эВ при давлении водорода 7·10-4 ч1·10-3 мм рт. ст.
Оригинальная газодинамическая система отпаянного прибора позволяет
регулировать давление газа в пределах от 10-6 до 10-2 мм рт. ст., обеспечивая при этом вакуумный перепад между электродинамической структурой и электронной пушкой. При проведении исследований могут быть
реализованы как квазивакуумный, так и плазменный режимы работы.
Сочетание высоких параметров плазменных ЛБВ сантиметрового диапазона (электронная эффективность ~ 25 %, ширина полосы ~ 20 %, выходная мощность ~ 15 кВт) предполагает возможность их применения в
системах телекоммуникации и связи, включая новое направление с использованием эффектов динамического хаоса в качестве носителей информации, а также в установках СВЧ-нагрева и СВЧ-разрядных плазменных технологиях с перестройкой частоты.
В работе обсуждаются следующие вопросы.
1. Основные состояния интенсивного нерелятивистского электрон-
УДК 621.311.26(06) Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики
ного пучка в газо-плазменной среде пролётного канала ЦСР.
2. Электронно-оптические системы пушек плазменных ЛБВ, включая перспективные системы с биполярными потоками.
3. Параметры пучковой плазмы, генерируемой электронным пучком,
и их влияние на выходные СВЧ характеристики ЛБВ.
4. Особенности газодинамической системы плазменной ЛБВ в импульсном режиме работы.
Дана оценка концентрации плазмы, создаваемой за счёт ионизации рабочего газа электронным пучком, до стадии проявления коллективных
пучково-плазменных процессов для цилиндрического замагниченного
плазменного столба диаметром 1 см и длиной ~ 40 см. Приведён расчёт
порогового давления газа для перехода системы в режиме пучковоплазменного разряда и генерации плазмы с параметрами, оптимальными
для образования гибридной замедляющей структуры и получения высоких СВЧ-характеристик прибора. Результаты приведённых оценок согласуются с выходными параметрами ЛБВ при переходе в плазменный режим работы, полученными на приборах в различных частотных диапазонах.
Экспериментальные исследования пучковой плазмы в пролётном канале ЦСР были проведены в условиях СВЧ-генерации на отпаянном макете плазменной ЛБВ с помощью специального электрического ленгмюровского зонда. Данная методика используется при исследовании пучковоплазменного разряда, несмотря на то, что в условиях интенсивных электронных колебаний требуется специальное обоснование для её применения. Показано, что в условиях эксперимента реализуется бесстолкновительный режим работы зонда и режим умеренного магнитного поля. Магнитное поле не нарушает термодинамическое равновесие частиц вблизи
зонда; зависимость зондового тока от потенциала зонда на переходном
участке остаётся экспоненциальной; точность определения электронной
температуры плазмы составляет ~50 %. Концентрация плазмы оценивалась по измерениям ионного тока насыщения с учётом методических поправок в области низких концентраций плазмы. При повышении давления
водород (~ 1·10-3 мм рт. ст.) и переходе системы в развитую стадию пучково-плазменного разряда электронная температура растёт от 4 эВ до 1520 эВ, а концентрация плазмы достигает значения ~ 1·1012 см-3, что соответствует приведённым в [4] расчётам по нелинейной математической
модели, а также общепринятым оценкам и специально поставленным экспериментам [5].
УДК 621.311.26(06) Физико-технические проблемы нетрадиционной энергетики
Работа прибора в частотно-импульсном режиме при прохождении через замедляющую структуру интенсивного электронного пучка, принимаемого коллектором, и образовании плазмы оказывает влияние на газодинамические процессы в приборе и может приводить к изменению давления в течение рабочего импульса. К таким процессам следует отнести
десорбцию газа с металлической поверхности коллектора под действием
электронной бомбардировки, фотодесорбцию газа с элементов тракта под
воздействием излучения при развитии ППР, эффект "жестчения" при
транспортировке пучка в газе, и т. д. Зондовые измерения параметров образуемой пучковой плазмы, проведённые на экспериментальном макете в
условиях, приближенных к рабочим режимам, позволили также проанализировать импульсные газодинамические процессы в приборе. Регистрируемые зондом ионные токи насыщения, пропорциональные концентрации
образуемой плазмы, в определённом диапазоне параметров, также прямо
пропорциональны давлению нейтрального газа и, следовательно, осциллограммы зондовых токов характеризуют изменения давления в течение
импульса тока. Как показали эксперименты при стационарном поддержании давления водорода в приборе в диапазоне 10-6 – 10-5 мм рт. ст., импульсы зондового тока имеют начальный выброс длительностью 5 мс, а
затем с постоянной времени  0 ~ 15-20 мс зондовый ток уменьшается до
стационарного значения. При давлении водорода p ~5.10-4 мм рт. ст.
импульсы зондовых токов имеют форму, близкую к прямоугольной, повторяющей импульсы электронного тока, проходящего через прибор.
Список литературы
1. Zavjalov M.A., Mitin L.A., Perevodchikov V.I. et al.//IEEE Transactions on Plasma Science.1994.Vol.22.No.5.P.600.
2. Nusinovich G., Carmel Y., Antonsen M., et al.// IEEE Transactions on Plasma Science.1998.Vol.26.No.3.P.628.
3. Митин Л.А., Переводчиков В.И., Завьялов М.А. и др. // Физика плазмы.1994.
Т.20.№ 7.С.733.
4. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. М.: Энергоатомиздат. 1989.
5. Завьялов М.А., Неганова Л.А., Цхай В.Н. Пучково-плазменные процессы в электронно-лучевой аппаратуре промышленного применения. Сб. научных трудов под ред. В.И.
Переводчикова. М.: 1994.С. 38.