способ измерения потока мощности в наносекундных импульсах свч-излучения

Формула изобретения

Способ измерения потока мощности в наносекундных импульсах СВЧ-излучения, заключающийся в том, что после окончания действия импульса исследуемого СВЧ-излучения регистрируют временную зависимость интенсивности свечения газоразрядной плазмы, получающейся в результате ионизации газа низкого давления импульсом исследуемого СВЧ-излучения, причем частота столкновений электронов с частицами газа меньше частоты СВЧ-излучения, отличающийся тем, что предварительно фиксируют время прихода импульса исследуемого СВЧ-излучения, а поток мощности СВЧ-излучения определяют по времени задержки момента максимума интенсивности свечения газоразрядной плазмы относительно момента прихода СВЧ-импульса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике плазменных и газоразрядных приборов и может быть использовано для измерения потока мощности в наносекундных импульсах СВЧ-излучения.

Измерение потока мощности электромагнитного излучения эквивалентно измерению амплитуды напряженности электрического поля в волне и, например, в свободном пространстве связь между потоком мощности и амплитудой напряженности электрического поля выражается с помощью соотношения:

(1)

где с скорость света в свободном пространстве.

Известен способ пороговой индикации потока мощности импульсного СВЧ-излучения, заключающийся в том, что регистрируют наличие пробоя известного газа определенного давления, например, по свечению газового объема (Гинзтон Э. Л. Измерения на сантиметровых волнах. М. Изд-во иностр. лит. 1960, стр. 148) [1] Этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что можно лишь определить, превышает или нет поток мощности регистрируемого СВЧ-излучения пробойное значение потока мощности для данного газового объема, тогда как измерить поток мощности указанным способом нельзя.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения потока мощности импульсного СВЧ-излучения, основанный на регистрации характеристик высвечивания газоразрядной плазмы (Тэйлор, Гершковиц. Труды института радиоинженеров, 1961, т. 49, N 12, стр. 2183) [2] Этот способ основан на особенностях высвечивания газоразрядной плазмы, заключающийся в том, что временная развертка светового выхода имеет два характерных максимума. Первый высокий пик соответствует первому максимуму светового выхода, появляющегося в результате воздействия ионизирующего импульса напряжения. По окончании воздействия импульса напряжения происходит быстрый спад светового выхода до минимума, затем следует повторное возрастание светового выхода до второго максимального значения, после чего происходит постепенное уменьшение свечения. Период времени, соответствующий повторному возрастанию и последующему спаду, называется периодом послесвечения. Известный способ реализуется следующим образом: разреженный газ, помещенный в стеклянную разрядную трубку, ионизуют импульсом напряжения (обычно около 1 В), окончание которого опережает приход измеряемого СВЧ-импульса на столько, чтобы СВЧ-импульс приходился на период послесвечения, и регистрируют световой выход. В этом случае СВЧ-импульс оказывает гасящее воздействие на послесвечение, причем степень гашения однозначно зависит от потока мощности СВЧ-излучения.

Этот способ имеет следующие недостатки: для реализации способа необходимо заранее знать момент прихода СВЧ-импульса, что не всегда возможно; способ имеет ограничение по потоку мощности сверху (в экспериментах, описанных в [2] 0,5 Вт в сечении волновода 72х34 мм).

Техническая задача состоит в том, чтобы разработать способ измерения потока мощности в СВЧ-импульсах наносекундной длительности, время прихода которых заранее неизвестно, а поток мощности может достигать величины 10⁶ 10⁸ Вт/см² и выше.

Техническим результатом изобретения является возможность измерения потока мощности в СВЧ-импульсах наносекундных длительности, время прихода которых заранее неизвестно, а поток мощности может достигать величины 10⁶ - 10⁸ Вт/см² и выше, что может быть необходимо при работе с фазированными антенными решетками, реализованными на основе релятивистских СВЧ-генераторов.

Технический результат достигается тем, что способ измерения потока мощности в наносекундных импульсах СВЧ-излучения, основан на том, что после окончания действия импульса исследуемого СВЧ-излучения регистрируют временную зависимость интенсивности свечения газоразрядной плазмы, получающейся в результате ионизации газа низкого давления, для которого частота столкновения электронов с частицами газа меньше частоты СВЧ-излучения, импульсом исследуемого СВЧ-излучения, причем предварительно фиксируют время прихода импульса исследуемого СВЧ-излучения, а по времени задержки момента максимума интенсивности свечения газоразрядной плазмы относительно момента прихода СВЧ-импульса определяют поток мощности.

В газоразрядной физике применительно к пробою газа электромагнитным излучением газом низкого давления называется газ, в котором частота столкновений частиц n много меньше частоты электромагнитной волны (^{2 2}),, под действием которой происходит пробой, в противном случае (^{2 2}) это газ высокого давления (Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М: Наука, 1980, стр. 96) [3] (Райзер Ю.П. Физика газоразрядных процессов. М. Наука, 1987, стр. 331) [4] Разграничивает случаи низкого и высокого давления условие n ~ [4] Для СВЧ-диапазона в зависимости от сорта газа давление, при котором выполняется условие n ~ ,, колеблется в пределах р1 10 Тор (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М. Мир, 1969, стр. 78) [5] а, например, для оптического p 10 100 атм [4] (стр. 332).

Явление задержки максимума светового выхода свечения плазмы, образованной ионизацией газа низкого давления при воздействии на него мощного СВЧ-импульса наносекундной длительности относительно момента прихода СВЧ-импульса обнаружено в работе [6] (Armstrong W.T. Roussel-Dupre R.A. Karl R. et al. //Proc. 18 Intern. conf. on fenomena in ionized gases. Swansea, 1987, Pt.4, p.850), см. также [7] (Вихарев А.Л. Иванов О.А. Степанов А.Н) (Высокочастотный разряд в волновых полях. Горький, ИПФ АН СССР, 1988, стр. 212). Это явление можно объяснить следующим образом. В газе низкого давления, когда выполняется условие ^{2 2} и при достаточно большой амплитуде СВЧ-волны колебательная энергия электронов, которая выражается с помощью соотношения:

(2)

где е заряд электрона; m масса электрона; частота СВЧ-волны; n частота столкновений электронов с тяжелыми частицами, может существенно превышать пороги возбуждения и ионизации атомов газа. Обычно максимумы сечений этих процессов соответствуют энергиям электрона равным 2 5 пороговым значениям. В любом газе всегда присутствует некоторое количество свободных электронов, которые приобретают колебательную энергию E_k за время tt ~ ^-1-1 от начала СВЧ-импульса, однако при указанных выше условиях (газ низкого давления, интенсивное СВЧ-поле) процессы ионизации электронным ударом и возбуждения идут слабо, так как при E_k> E_пор, где E_пор пороговое значение энергии, начиная с которого идет ионизация молекул газа, сечения этих процессов малы. После окончания СВЧ-импульса свободные электроны, обладающей большой энергией, постепенно теряют свою энергию в результате неупругих столкновений с тяжелыми частицами. Частота процесса возбуждения, а следовательно, и светимость плазмы возрастают примерно в E_k/E_max раз, где E_max энергия, соответствующая максимальному значению полного (по всем уровням) сечения возбуждения, за время

(3)

где _н (E) эффективная частота неупругих процессов.

Это время является функцией, зависящей от колебательной энергии свободных электронов в СВЧ-поле, от частоты СВЧ-поля, а также от давления и сорта газа, причем в зависимости от колебательной энергии электрона эта функция монотонно возрастает. Таким образом, измеряя промежуток времени между моментом прихода СВЧ -импульса и моментом, когда достигается максимум интенсивности свечения плазмы, из соотношения (3) можно определить колебательную энергию электрона в СВЧ-поле, а следовательно, и амплитуду этого поля (см.[ 2] ). Пользуясь точным соотношением (1) можно определить поток мощности СВЧ-излучения.

Рассмотрим пример конкретной реализации предлагаемого способа. Последовательность действий, позволяющая определить поток мощности СВЧ-излучения, такова: с помощью фотоэлемента регистрируется временная развертка светового выхода из той области газа, где необходимо измерить поток мощности. По временной развертке определяется время задержки момента максимума интенсивности свечения плазмы относительного момента прихода СВЧ-импульса. По измеренному времени задержки и известной зависимости между временем задержки и потоком мощности СВЧ-излучения определяется величина потока мощности.

Наиболее подходящим газом для этих целей является гелий. Частота столкновений электронов с тяжелыми частицами зависит от давления гелиевой плазмы следующим образом:

=2,410⁹p, (4)

где измеряется в c^-1, p в Тор, для широкого диапазона энергий электронов [5] (стр. 85). Поэтому для измерения предлагаемым способом потока мощности СВЧ-излучения, например, с длиной волны l 3 см необходимо использовать гелий с давлением р2Тор.

Оценим в этом случае время задержки момента максимума интенсивности свечения плазмы относительно момента прихода СВЧ -импульса следующим образом.

Известно, что в борновском приближении потеря энергии электроном на единице пути за счет неупругих столкновений с атомами газа выражается с помощью соотношения:

(5)

где N концентрация атомов газа, Z число электронов в атоме, E 15Z^4/3 эВ средняя энергия электронов атома [8]) (Лозанский Э.Д. Фирсов О.Б. Теория искры. М. Атомиздат, 1975, стр. 41). Воспользуемся равенством . В результате получаем следующее дифференциальное уравнение:

(6)

решив которое, можно найти искомое время задержки :

(7)

где =N4Ze²/m², =2m/<E>.

Подставим в (7) числовые значения. Концентрация атомов газа, например, для р 1 Тор при комнатной температуре составляет 310¹⁶ см^-3, энергия, соответствующая максимальному значению полного (по всем уровням) сечения возбуждения, составляет для гелия величину 30 эВ [9] (Смирнов Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М. Атомиздат. 1968, стр. 157). Выражение (7) вместе с выражением (2) определяет амплитуду электрического поля в СВЧ-волне, а с учетом (1) поток мощности. Результаты этих расчетов представлены на фиг.1.

Тот факт, что ионизация газа является следствием воздействия на газ самого СВЧ-импульса, обуславливает возможность применения предлагаемого способа для измерения потока мощности в СВЧ-импульсе, время прихода которого неизвестно. Кроме того, предлагаемый способ ограничен сверху значениями потока мощности, на несколько порядков превышающими 10⁸ Вт/см², когда ионизация газа вызывается уже не электронным ударом, а туннельными квантовыми переходами электрона из связанного состояния в свободное под действием СВЧ -поля.

На фиг. 1 показана расчетная зависимость потока мощности СВЧ -излучения от времени задержки, на фиг.2 устройство датчика для реализации предлагаемого способа, на фиг.3 характерная осциллограмма сигнала, регистрируемого датчиком.

График показанный на фиг.1, получен из оценочных соотношений (1), (2) и (7) для двух значений давления газа (р 1 Тор и р 0,1 Тор), однако для более точного измерения необходима предварительная калибровка датчика.

Датчик для реализации предлагаемого способа содержит стеклянную колбу 1 с газом низкого давления, фотоэлемент 2, светонепроницаемый диэлектрический кожух 3. На фиг.2 волнистыми стрелками показано падающее СВЧ-излучение, а прямыми стрелками оптическое свечение плазмы.

Датчик работает следующим образом: импульсное СВЧ-излучение, воздействуя на газ, находящийся в стеклянной колбе, отдает часть своей энергии свободным электронам, всегда имеющимся в небольшом количестве в газе, за время порядка периода СВЧ-колебаний. При этом колебательная энергия свободных электронов становится достаточно большой для того, чтобы дальнейшие ионизация и возбуждение атомов газа были малоэффективны. После прекращения воздействия СВЧ-излучения на газ свободные электроны постепенно теряют свою энергию за счет столкновений с частицами газа. Наиболее эффективные ионизация и возбуждения происходят, когда энергия первичных электронов достигнет значения, при котором сечения этих процессов максимальны. В этот момент времени регистрируемый световой выход также максимален.

Характерная осциллограмма сигнала с датчика (фиг.3) имеет два максимума. Первый пик, соответствующий первому максимуму, повторяет профиль огибающей СВЧ-импульса и связан с оптическим свечением воздушных прослоек атмосферного давления ²² и свечением диэлектрических поверхностей, а второй максимум соответствует прохождению средней энергии электронов через значение Е_max. Поэтому временной интервал между этими двумя максимумами дает нам искомое время (3).

Отметим, что предлагаемый способ измерения потока мощности СВЧ-излучения можно реализовать, регистрируя свечение плазмы, соответствующее одному выделенному излучательному переходу. При этом необходимо в цепи регистрации использовать монохроматор.

Нижний предел измерения потока мощности можно определить из условия превышения величины задержки максимума светового выхода над длительностью СВЧ-импульса, что же касается верхнего предела, то предлагаемый способ ограничен значениями потока мощности, на несколько порядков превышающими 10₈ Вт/см², когда ионизация газа вызывается уже не электронным ударом, а туннельными квантовыми переходами электрона из связанного состояния в свободное под действием СВЧ-поля.

Указанный способ может применяться для измерения потока мощности остросфокусированного СВЧ-излучения, генерируемого, например, импульсными фазированными антенными решетками на основе релятивистских СВЧ-генераторов.

Кроме того, указанный способ может применяться в СВЧ -энергетике для измерения потока мощности в СВЧ-импульсе, передаваемом на поверхность Земли с энергетической станции космического базирования, аккумулирующей энергию солнечного излучения. При этом в качестве рабочего газа могут служить верхние слои атмосферы. Возможная схема измерения здесь следующая: на двухлучевой осциллограф, находящийся в ждущем режиме, заведены выходы с двух датчиков (СВЧ-детектора и оптического датчика). Запуск осциллографа осуществляется самим СВЧ-импульсом (сигналом с СВЧ-детектора). Тогда искомое время задержки между максимумами двух сигналов можно измерить непосредственно, так как эти сигналы на двухлучевом осциллографе синхронизированы.