способ измерения электромагнитной дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры в процессе изготовления пучково-плазменного свч-прибора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения электромагнитной дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры в процессе изготовления пучково-плазменного СВЧ-прибора, включающий формирование плазмы в пролетном канале отрезка исследуемой замедляющей структуры, введение в замедляющую структуру СВЧ-колебания с частотой, меняющейся по линейному закону, определение резонансным способом значений частот резонансных откликов, соответствующих фазовым набегам в отрезке замедляющей структуры, в пределах рабочего диапазона, построение дисперсионной характеристики на основе полученных данных, отличающийся тем, что формируют столб плазмы в пролетных каналах отрезка исследуемой замедляющей структуры и калибровочного резонатора путем зажигания электрического разряда в изолированной области, изменяют значение тока разряда и фиксируют положение дополнительного резонансного отклика, сформированного калибровочным резонатором, на частоте, значение которой определяют из соотношения



где n - концентрация плазмы в калибровочном резонаторе, усредненная по объему плазмы;

n_c - критическая концентрация для частоты f_q



m, e - соответственно масса и заряд электрона;

f_q, f_n - соответственно резонансные частоты калибровочного резонатора без плазмы и с плазмой;

- отношение занятого плазмой объема калибровочного резонатора V_p к общему объему калибровочного резонатора V_q,

в диапазоне, находящемся за пределами рабочего диапазона, при этом регистрируют соответствующие этому соотношению значения частот резонансных откликов в рабочем диапазоне.

2. Устройство для измерения электромагнитной дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры в процессе изготовления пучково-плазменного СВЧ-прибора, содержащее отрезок исследуемой замедляющей структуры в виде периодической цепочки резонаторов с единым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-колебаний, СВЧ-генератор качающейся частоты, индикаторный блок измерителя КСВН и ослабления, детектор падающей волны СВЧ-колебаний и детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в замедляющей структуре, при этом выход СВЧ-генератора качающейся частоты соединен с устройством ввода СВЧ-колебаний замедляющей структуры и через детектор падающей волны СВЧ-колебаний - с входом "падающая" индикаторного блока, а устройство вывода СВЧ-колебаний замедляющей структуры через детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в замедляющей структуре с входом "отраженная" индикаторного блока, отличающееся тем, что устройство снабжено газоразрядной трубкой с катодом и анодом, регулируемым источником тока разряда, калибровочным резонатором с пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-колебаний, детекторами прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в калибровочном резонаторе, при этом газоразрядная трубка, анод и катод которой удалены друг от друга на расстояние, превышающее суммарную длину пролетных каналов отрезка замедляющей структуры и калибровочного резонатора, и соединены с соответствующими выводами регулируемого источника тока разряда, размещена коаксиально в пролетных каналах отрезка замедляющей структуры и калибровочного резонатора, которые расположены вдоль газоразрядной трубки между анодом и катодом, причем устройство ввода СВЧ-колебаний калибровочного резонатора соединено с выходом СВЧ-генератора качающейся частоты, а устройство вывода СВЧ-колебаний калибровочного резонатора через детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в калибровочном резонаторе соединено с входом "отраженная" индикаторного блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к СВЧ-измерительной технике и может быть использовано в электронной технике при создании пучково- плазменных СВЧ-приборов и исследовании гибридных замедляющих структур.

Основой конструкции любого электронно-лучевого СВЧ- прибора является замедляющая структура (ЗС). Именно ее конструкция, геометрия и параметры во многом определяют рабочие характеристики готового прибора. Поэтому так важны оптимальный расчет, настройка и изготовление элементов ЗС.

Введение в пролетный канал ЗС электронно-лучевых СВЧ-приборов плазмы определенной концентрации приводит к значительному улучшению параметров приборов: расширению рабочей полосы частот, выравниванию амплитудно-частотной характеристики, увеличению коэффициента усиления и электронного КПД. В настоящее время электронно-лучевые СВЧ-приборы с плазменным наполнением, известные как пучково- плазменные СВЧ-приборы (ППП СВЧ), получили широкое распространение.

Известно [1] , что с помощью электромагнитной дисперсионной характеристики ЗС, измеренной в процессе изготовления электронно-лучевого СВЧ-прибора, можно судить о таких важных параметрах будущего прибора, как:

частотный диапазон работы;

фазовая скорость СВЧ-колебаний, а следовательно, и рабочее напряжение электронной пушки;

однородность амплитудно-частотной характеристики.

Присутствие плазмы в пролетном канале ЗС, которое реализуется только в процессе работы ППП СВЧ, влияет на свойства ЗС. Поэтому очень важно оценить и учесть возможные изменения в поведении пучка электронов при прохождении им пролетного канала ЗС, которая в этом случае называется гибридной. Для достоверной оценки параметров ППП СВЧ именно в процессе изготовления их, когда еще не произведена сборка и герметизация прибора, нужно заранее провести настройку резонаторов ЗС, например, механическим путем за счет изменения геометрии элементов ЗС с учетом присутствия плазмы.

Известен способ измерения дисперсионной характеристики замедляющей структуры, который реализуется устройством, описанным в [2], и основан на: введении СВЧ-колебания с частотой, меняющейся по линейному закону, в исследуемую ЗС с торцевыми короткозамыкающими пластинами, выполненную в виде периодической системы резонаторов; определении резонансным методом в требуемом диапазоне значений частот резонансных откликов, со ответствующих фазовым набегам в ЗС, которые могут быть зарегистрированы с помощью измерительного блока, состоящего из индикатора резонанса, волномера и индикатора распределения поля, а также с этой целью может быть использован осциллографический метод наблюдения резонансной кривой; построении дисперсионной характеристики на основе полученных данных известными методами.

Описанный метод не позволяет провести измерение дисперсионных характеристик гибридных ЗС, так как он не учитывает влияние плазмы на эти характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ измерения дисперсионной характеристики ЗС, выполненной в виде гофрированного волновода (ГВ), с плазменным заполнением [3], состоящий из двух этапов.

На первом этапе производится калибровка параметров плазмы в гладком волноводе, размещенном в вакуумной камере и заполненном плазмой от импульсного искрового источника. Результатом калибровки является зависимость изменения концентрации плазмы от времени.

На втором этапе получают последовательные во времени резонансные отклики, положение которых на временной оси зависит от параметров плазмы в ГВ. Для этого в гофрированном волноводе, размещенном в вакуумной камере, создается с помощью указанного выше специального искрового импульсного разряда плазма. Одновременно в ЗС (ГВ) подается СВЧ-колебание, частота которого фиксирована. С помощью стандартной измерительной аппаратуры, подключенной ко входу ГВ, наблюдают резонансные отклики, развернутые во времени. Положение откликов во времени определяется параметрами плазмы и, соответственно, параметрами ГВ. Далее изменяется частота СВЧ-колебания, подаваемого на вход ГВ, и процесс измерения повторяется для каждой вновь установленной частоты СВЧ-колебания. Таким образом получают серию резонансных кривых для каждой частоты СВЧ-колебания, по оси абсцисс которых отложено время, а по оси ординат - интенсивность СВЧ-колебаний. По расчетным и экспериментальным данным строятся зависимости сдвига по частоте каждой собственной моды от значения концентрации плазмы, а затем для этого значения концентрации плазмы строят дисперсионную характеристику.

Недостатками данного способа являются его трудоемкость и большая погрешность. Это объясняется тем, что измерение дисперсионных характеристик описанным способом требует мощного импульсного источника, больших напряжений его питания и наличия сложного вакуумного оборудования. Кроме того, измерение дисперсии основывается на экспериментальных зависимостях концентрации плазмы от времени. Параметры плазмы воспроизводятся с большим разбросом параметров в процессе измерения, так как используется импульсный искровой источник плазмы, что приводит к большой погрешности измерений. Описанный процесс измерения требует большого числа экспериментов и трудоемкой обработки их результатов. Наибольшие погрешности в измерение дисперсии вносят разброс параметров плазмы от измерения к измерению и зависимость ее концентрации от продольной координаты. Большая погрешность в определении дисперсионной характеристики гибридной ЗС дает необъективную оценку параметров создаваемого ППП, что приводит в итоге к ухудшению выходных параметров пучково-плазменных СВЧ-приборов.

Известен измерительный комплекс [3] для определения дисперсионной характеристики замедляющей структуры с плазменным заполнением, содержащий устройство для калибровки параметров плазмы и непосредственно измерительное устройство.

В устройстве для калибровки в вакуумной камере с системой откачки и регулирования давления размещен гладкий волновод, предназначенный для калибровки параметров плазмы, и импульсный искровой источник плазмы на входе волновода. На выходе указанного волновода установлен измерительный зонд, соединенный с индикаторным блоком (например, осциллографом).

В случае измерительного устройства в указанной выше вакуумной камере размещена исследуемая замедляющая структура, выполненная в виде гофрированного волновода (ГВ), с указанным выше импульсным искровым источником плазмы. Кроме того, ГВ на входе имеет устройство ввода-вывода СВЧ-колебаний, которое через основной канал направленного ответвителя соединено с генератором СВЧ-колебаний, а через дополнительный канал того же ответвителя, предназначенный для вывода отраженной от ГВ волны, и расположенный в канале детектор СВЧ-колебаний подключен к измеритель ному блоку (например, осциллографу).

Недостатками описанного измерительного комплекса являются:

необходимость использования вакуумной камеры с вакуумным оборудованием, что осложняет процесс измерения и увеличивает габариты устройства;

высокий разброс параметров плазмы, создаваемой искровым источником плазмы, от импульса к импульсу;

нерегулярная зависимость параметров плазмы от импульса к импульсу;

пространственная неоднородность параметров плазмы, генерируемой искровым источником.

Перечисленные недостатки в конечном счете приводят к снижению точности измерения и усложняют обработку его результатов.

Наиболее близким по большинству общих признаков к предлагаемому устройству является устройство для измерения дисперсионной характеристики ЗС [2], содержащее: фрагмент исследуемой замедляющей структуры, выполненный в виде системы резонаторов с единым пролетным каналом, с торцевыми короткозамыкающими пластинами и устройствами ввода и вывода СВЧ- колебаний; СВЧ-генератор качающейся частоты; индикаторный блок, состоящий, например, из волномера и индикатора резонанса или осциллографа. При этом выход СВЧ-генератора через основной волноводный канал направленного ответвителя падающей волны соединен с устройством ввода СВЧ-колебаний в ЗС и через дополнительный канал указанного выше ответвителя - со входом падающей волны индикаторного блока (например, волномера или соответствующим входом осциллографа), а устройство вывода СВЧ- колебания через волноводный канал и расположенный в нем детектор СВЧ-колебаний соединено с входом индикаторного блока (например, индикатора резонанса или соответствующим входом осциллографа).

Данное устройство не позволяет производить измерения и настройку электродинамических ЗС с плазменным заполнением пролетного канала.

В основу предлагаемого изобретения положена задача обеспечения средств для простого и высокоточного, не требующего большого числа экспериментов, трудоемкой обработки их результатов и сложного оборудования, измерения электромагнитных дисперсионных характеристик ЗС с плазменным заполнением (гибридных ЗС) в процессе изготовления пучково-плазменных СВЧ-приборов всех типов.

Настоящее изобретение касается способа и устройства измерения дисперсионной характеристики гибридной ЗС в процессе изготовления ППП СВЧ.

Техническим эффектом от использования предлагаемых решений является возможность получения высоких выходных параметров создаваемых пучково-плазменных СВЧ-приборов.

Поставленная задача решена тем, что в способе измерения электромагнитной дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры в процессе изготовления пучково-плазменного СВЧ-прибора, включающем формирование плазмы в пролетном канале отрезка исследуемой замедляющей структуры, введение в замедляющую структуру СВЧ-колебания с частотой, меняющейся по линейному закону, определение резонансным способом значений частот резонансных откликов, соответствующих фазовым набегам в отрезке замедляющей структуры, в пределах рабочего диапазона, построение дисперсионной характеристики на основе полученных данных, формируют столб плазмы в пролетных каналах отрезка исследуемой замедляющей структуры и калибровочного резонатора путем зажигания электрического разряда в изолированной области, изменяют значение тока разряда и фиксируют положение дополнительного резонансного отклика, сформированного калибровочным резонатором, на частоте, значение которой определяют из соотношения



где n - концентрация плазмы в калибровочном резонаторе, усредненная по объему плазмы;

n_с - критическая концентрация для частоты f_q,



m, e - соответственно масса и заряд электрона;

f_q, f_n - соответственно резонансные частоты калибровочного резонатора без плазмы и с плазмой;

- отношение занятого плазмой объема калибровочного резонатора V_p к общему объему калибровочного резонатора V_q,

в диапазоне, находящемся за пределами рабочего диапазона, при этом регистрируют соответствующие этому положению значения частот резонансных откликов в рабочем диапазоне.

Способ реализуется с помощью устройства, содержащего отрезок исследуемой замедляющей структуры в виде периодической цепочки резонаторов с единым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-колебаний, СВЧ-генератор качающейся частоты, индикаторный блок измерителя КСВН и ослабления, детектор падающей волны СВЧ-колебаний и детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в замедляющей структуре, при этом выход СВЧ-генератора качающейся частоты соединен с устройством ввода СВЧ-колебаний замедляющей структуры и через детектор падающей волны СВЧ-колебаний - с входом "падающая" индикаторного блока, а устройство вывода СВЧ-колебаний замедляющей структуры через детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в замедляющей структуре - с входом "отраженная" индикаторного блока, которое снабжено газоразрядной трубкой с катодом и анодом, регулируемым источником тока разряда, калибровочным резонатором с пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-колебаний, детектором прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в калибровочном резонаторе, при этом газоразрядная трубка, анод и катод которой удалены друг от друга на расстояние, превышающее суммарную длину пролетных каналов отрезка замедляющей структуры и калибровочного резонатора, и соединены с соответствующими выводами регулируемого источника тока разряда, размещена коаксиально в пролетных каналах отрезка замедляющей структуры и калибровочного резонатора, которые расположены вдоль газоразрядной трубки между анодом и катодом, причем устройство ввода СВЧ-колебаний калибровочного резонатора соединено с выходом СВЧ-генератора качающейся частоты, а устройство вывода СВЧ- колебаний калибровочного резонатора через детектор прошедшей или отраженной волны СВЧ-колебаний в калибровочном резонаторе соединено с входом "отраженная" индикаторного блока.

Формирование столба плазмы одновременно в пролетных каналах отрезка исследуемой замедляющей структуры (ЗС) и калибровочного резонатора (КР) путем зажигания управляемого электрического разряда в изолированной области обеспечивает:

создание стационарного электрического газового разряда с однородным распределением параметров плазмы по осям соответствующих пролетных каналов;

возможность простой регулировки параметров плазмы в указанных выше каналах;

возможность контроля концентрации плазмы при измерении дисперсионных свойств исследуемой ЗС, что упрощает способ измерения, повышает достоверность и точность измерения.

В предлагаемом устройстве это реализуется размещением отпаянной газоразрядной трубки, анод и катод которой удалены друг от друга на расстояние, превышающее суммарную длину пролетных каналов отрезка ЗС и КР, и соединены с регулируемым источником тока разряда коаксиально в пролетных каналах ЗС и КР, расположенных вдоль газоразрядной трубки между ее анодом и катодом. Совместное расположение ЗС и КР вдоль трубки обеспечивает простоту измерительного устройства. При этом выбор частоты дополнительного отклика, сформированного КР, за пределами рабочего диапазона обеспечивает одновременное и достоверное измерение рабочей концентрации плазмы и дисперсионной характеристики исследуемой ЗС с высокой точностью. Это реализуется в устройстве выбором геометрических параметров КР. Подробнее об этом будет сказано в описании конкретного примера реализации устройства. Близость по частоте положения отклика от КР к рабочему диапазону ЗС уменьшает погрешность определения резонансной частоты отклика при одновременном наблюдении на экране индикаторного блока откликов от КР и ЗС.

Сопоставительный анализ предлагаемых способа измерения и устройства для его реализации с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии их критерию "новизна". Заявленные способ измерения и устройство для его осуществления характеризуются совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Настоящее изобретение может быть лучше понято, если обратиться к нижеследующему подробному описанию примера осуществления предложения при рассмотрении совместно с чертежами, где показано: на фиг. 1 - схема из мерительного устройства для реализации предлагаемого способа измерения электромагнитной дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры в процессе изготовления ППП СВЧ путем исследования ослабления СВЧ-колебаний; на фиг. 2 - схема измерительного устройства, основанная на измерении отраженной волны СВЧ-колебаний; на фиг. 3 - вид резонансных откликов от калибровочного резонатора при различных значениях концентрации плазмы; на фиг. 4 - резонансные характеристики макета исследуемой замедляющей структуры с плазмой и без нее; на фиг. 5 - дисперсионные характеристики исследуемой замедляющей структуры с плазмой и без нее.

Измерительное устройство, изображенное на фиг. 1, состоит из: отрезка исследуемой замедляющей структуры (ЗС) 1 в виде периодической цепочки резонаторов (4-12 резонаторов), число которых определяет достоверность по строения дисперсионной характеристики ЗС 1, с единым пролетным каналом и устройствами ввода 2 и вывода 3 СВЧ- колебаний; размещенного соосно с ЗС 1 калибровочного резонатора (КР) 4 с осевым пролетным каналом и устройствами ввода 5 и вывода 6 СВЧ-колебаний; газоразрядного источника плазмы в виде газоразрядной трубки (ГТ) 7 с диаметром, соответствующим диаметру пролетного канала ЗС 1, и заполненной инертным газом с давлением 0.1-10^-3 мм рт.ст., анод 8 и катод 9 которой удалены друг от друга на расстояние, превышающее суммарную длину пролетных каналов ЗС 1 и КР 4, и соединены соответственно с регулируемым источником питания (в данном случае регулируемым источником тока разряда) РИП 10, при этом ГТ 7 размещена коаксиально в пролетных каналах ЗС 1 и КР 4 так, чтобы они располагались вдоль ГТ 7 и охватывали ее между анодом 8 и катодом 9; СВЧ-генератора качающейся частоты (ГКЧ) 11 и индикаторного блока (ИБ) 12 измерителя КСВН и ослабления, при этом выход ГКЧ 11 соединен с устройствами ввода СВЧ-колебаний 2 и 5 соответственно ЗС 1 и КР 4, а через детектор падающей волны 13 - с входом "падающая" ИБ 12; устройства вывода СВЧ-колебаний 3 и 6 соответственно ЗС 1 и КР 4 соединены через соответствующие детекторы прошедшей волны СВЧ-колебаний 14 и 15 с входом "отраженная" ИБ 12. Кроме того, в схеме измерительного устройства на фиг. 1 изображены ответвители направленные 16, 17, 18 и нагрузки согласованные 19, 20, которые не являются отличительными признаками предлагаемого устройства, но приведены для иллюстрации конкретного примера связи узлов в конструкции: так через основной канал ответвителя 16 выход ГКЧ 11 соединен с устройствами ввода СВЧ-колебаний 2 и 5 соответственно ЗС 1 и КР 4, а через дополнительный канал ответвителя 16 и расположенный в нем детектор 13 - с входом "падающая" ИБ 12; дополнительные каналы ответвителей 17 и 18 через расположенные в них детекторы 14 и 15 соединяют соответственно устройства вывода 3 и 6 ЗС 1 и КР 4 с входом "отраженная" ИБ 12, а их основные каналы подключены к согласованным нагрузкам 19 и 20 соответственно.

Схема измерительного устройства на фиг. 1 реализует предлагаемый способ измерения путем исследования ослабления СВЧ-колебаний в ЗС 1 и КР 4. Возможно измерение электродинамической дисперсионной характеристики с помощью измерительного устройства, показанного на фиг. 2, путем исследования КСВН ЗС 1 и КР 4.

В этом случае для вывода отраженных волн СВЧ-колебаний из резонаторных структур ЗС 1 и КР 4 измерительного устройства (см. фиг. 2) упомянутые структуры выполнены с устройствами ввода-вывода 21 и 22 соответственно, каждое из которых через соответствующий ему детектор отраженной волны 23 или 24 связано с входом "отраженная" ИБ 12. Для конкретизации взаимосвязей элементов конструкции на фиг. 2 показаны направленные ответвители 25 и 26. В таком исполнении измерительной установки устройство ввода-вывода 21 ЗС 1 связано с выходом ГКЧ 11 через основные каналы ответвителей 25 и 16, а через дополнительный канал ответвителя 25 и расположенный в нем детектор отраженной волны 23 - с входом "отраженная" ИБ 12. При этом устройство ввода- вывода 22 КР 4 через основные каналы ответвителей 26 и 16 связано с выходом ГКЧ 11, а через дополнительный канал ответвителя 26 и расположенный в нем детектор отраженной волны 24 - с входом "отраженная" ИБ 12.

Предлагаемый способ измерения дисперсионной характеристики гибридной замедляющей структуры может быть проиллюстрирован на конкретном примере реализации изображенного выше на фиг. 1 устройства.

Предварительно подробно рассмотрим процесс измерения концентрации плазмы и выбора параметров калибровочного резонатора. Так как исследуемую плазму помещают внутрь резонатора, поперечные размеры плазмы ограничены соответствующими размерами резонатора. Введение плазмы в резонатор, настроенный в резонанс на одну из собственных частот, приводит к изменению резонансной частоты. Измеряя сдвиг резонансной частоты и изменение добротности резонатора, можно определить активную и реактивную составляющие проводимости плазмы и, следовательно, концентрацию и частоту столкновений электронов. Необходимым условием справедливости теории возмущений является малость относительного сдвига круговой резонансной частоты

_{q q} (1)

В большинстве экспериментов резонаторный метод использовался при условиях, когда связь характеристик резонатора с проводимостью плазмы можно было считать линейной, т. е. справедливо соотношение (1), полученное в первом приближении теории возмущений. Для случая, когда постоянное магнитное поле отсутствует или не влияет на измерения, выражение приводится к виду



где n - концентрация плазмы в резонаторе, величина которой усреднена по объему плазмы;

V_q - общий объем резонатора;

V_p - объем резонатора, занимаемый плазмой;

C_V - коэффициент формы, определяется распределением поля и параметров плазмы по объему резонатора;

n_c - критическая концентрация для частоты _q,



Максимальное значение концентрации электронов, при которой можно использовать резонаторный метод, определяется границами применимости линейных соотношений теории возмущений (1). Этот предел зависит от распределения поля в резонаторе и от распределения концентрации. Максимальные значения концентрации, при которых погрешность ~5%, составляют от 0.1 до 10n_c. Приведенные выше формулы применимы, если частота столкновений значительно меньше частоты поля. Если эти частоты сравнимы, следует воспользоваться формулой



где - частота столкновений.

В этом случае для определения концентрации электронов по сдвигу резонансной частоты необходимо знать частоту столкновений электронов.

Для исследования плазмы в предлагаемом техническом решении используются цилиндрические резонаторы, поскольку в эксперименте плазма имеет цилиндрическую симметрию. В качестве рабочего типа колебаний принят E₀₁₀. Радиус калибровочного резонатора много больше высоты R_q>>h_q, а радиус R_q этого калибровочного резонатора определяется из условия

_max+ < 3,405R_q или 3,405R_q< _min, (4)

где



c - скорость света;

- частота колебания;

_max, _min - соответственно верхняя и нижняя длины волн рабочего диапазона гибридной ЗС.

Невыполнение этого условия ведет к появлению ложного импульса, что приводит к возникновению ошибок в идентификации частот резонансных откликов.

Для данного типа резонатора, при условии, что плазма занимает малую часть резонатора R_q>>r_p, где r_p - радиус плазмы в пролетных каналах ЗС и КР, коэффициент формы C_V= 4.0 поэтому после преобразований и учитывая, что = 2f:



а



где f_q, f_n - соответственно, резонансные частоты калибровочного резонатора без плазмы и с плазмой;

отношение объема калибровочного резонатора, занятого плазмой, к общему объему резонатора.

Включив газоразрядный источник плазмы 7 и изменяя с помощью стабилизированного источника тока РИП 10 концентрацию плазмы в газоразрядной трубке 7 можно наблюдать сдвиг резонансной частоты в калибровочной резонаторной системе 4 в связи с введением в нее плазмы с изменяющейся концентрацией (см. фиг. 3).

Основная характеристика периодической ЗС - дисперсионная зависимость, которая связывает фазовую скорость гармоник с частотой колебаний. При исследовании дисперсионных характеристик ЗС типа ЦСР (цепочки связанных резонаторов) с плазменным заполнением предполагается, что геометрические размеры системы заданы и неизменны. Дисперсионную зависимость удобно представить в виде f= F V_фаз или f=F(k_zD), где V_фаз - фазовая скорость волны в гибридной ЗС, D - период ЗС, k_z - продольное волновое число в ЗС.

Макет ЗС типа ЦСР представляет собой несколько последовательных резонаторов, соединенных окнами связи и закороченных на концах макета. Мы находим частоты отдельных видов колебаний в круглом диафрагмированном волноводе с щелями связи. Измерения проводятся резонансным методом. Расстояние между коротко замыкающими торцами отрезка исследуемой гибридной ЗС следует выбрать из граничных условий для стоячей волны так, чтобы на длине отрезка ЗС укладывалось целое число полуволн

L= n/2, (7)

где n = 1,2..., L = mD - длина отрезка ЗС, D - период структуры;

- длина волны СВЧ-колебания в ЗС;

m - число резонаторов в макете ЗС.

Так, при m = 4 в резонаторе могут возбуждаться только виды колебаний, соответствующие n = 0,1,2,3,4, т.е. 0, /4, /2, 3/4, -вида. Если число резонаторов увеличить, например, до восьми, то можно различить девять видов колебаний: 0, /8, /4, 3/8, /2, 5/8, 3/4, 7/8, . Структура электромагнитного поля в резонаторе на частотах, соответствующих разным видам колебаний, будет различной. При снятии дисперсионной зависимости важно правильно подобрать размеры возбуждающей и приемных петель устройств ввода и вывода СВЧ-колебаний, связанных соответственно с СВЧ-генератором и индикаторным блоком. Так, в нашем случае, число отмечаемых резонансов точно равно N - числу используемых периодов макета гибридной ЗС, причем наименьшее значение резонансной частоты соответствует колебанию вида /N, а наибольшее - колебанию вида . Макет стягивается с достаточным усилием - (6-10 кг/см²), чтобы обеспечить контакт между резонаторами.

Глубину погружения и ориентацию возбуждающих и приемных петель устройств ввода и вывода СВЧ-колебаний можно плавно регулировать с по мощью микрометрических винтов.

Опишем конкретный процесс измерения с помощью установки на фиг. 1. Предварительно для частотного диапазона исследуемого отрезка ЗС, из условия (4), выбирается значение R_q для КР 4. Затем, на основе анализа и математического моделирования, задается требуемое значение концентрации плазмы и на основе соотношения (5) определяется значение частоты, на которой сформируется резонансный отклик КР 4.

Для измерения дисперсионных характеристик плазменно- наполненных (гибридных) ЗС предлагаемым резонансным методом используется макет исследуемой гибридной ЗС 1 типа цепочки связанных резонаторов, который представляет собой несколько (обычно от четырех до двенадцати) последовательных резонаторов, соединенных окнами связи. В обеспечение единого и простого измерительного цикла определения резонаторным методом концентрации плазмы в макете гибридной ЗС и измерения дисперсионной характеристики гибридной ЗС в объеме конструктивно неизменной измерительной установки размещают отпаянную газоразрядную трубку ГТ 7 коаксиально в пролетных каналах ЗС 1 и КР 4, расположенных вдоль трубки и между ее анодом 8 и катодом 9, с помощью РИП 10 зажигают разряд, формируя единый столб плазмы в пролетных каналах ЗС 1 и КР 4. Так как уход полосы частот, вызванный влиянием открытых торцов пролетного канала, составляет менее 0.5%, то торцы можно считать закороченными. При подаче с помощью устройства ввода 2 в макет ЗС 1 СВЧ-колебаний от стандартного генератора качающейся частоты (ГКЧ) 11 в ЗС 1 последовательно возбуждаются колебания, соответствующие установлению режима стоячей волны. Характерный набор резонансов определяется полосой пропускания ЗС 1 и количеством резонаторов, установленных в макете. Идентифицируя частоту каждого резонанса, определяют точку дисперсионной характеристики гибридной ЗС 1, соответствующую установившемуся виду колебаний в системе. Одновременно СВЧ-колебания от указанного выше ГКЧ 11 через устройство ввода 5 подаются в КР 4. С помощью источника тока РИП 10 устанавливается значение резонансной частоты КР 4, которая соответствует требуемой концентрации плазмы и выбрана из соотношения (5). Резонансная частота f_q, невозмущенного КР (f_q = 0.383 c/R_q, где c - скорость света, a R_q - радиус КР 4) выбрана за пределами рабочего диапазона ЗС 1. При включении ГКЧ 11 сигнал СВЧ-колебания подается на возбуждающие петли устройств ввода 2 и 5 ЗС 1 и КР 4 соответственно, причем через дополнительный канал направленного ответвителя 16 и детектор падающей волны 13 часть сигнала подается на вход "падающая" ИБ 12. Сигнал от приемных петель связи устройств вывода 3 и 6 ЗС 1 и КР 4 соответственно через дополнительные каналы ответвителей 17 и 18 с детекторами 14 и 15 в них подается на вход "отраженная" ИБ 12, при этом на экране индикаторного блока ИБ 12 наблюдается характерная картина резонансных откликов ЗС 1 и дополнительного резонансного отклика КР 4 (см. фиг. 4). Характерный набор резонансов определяется полосой пропускания ЗС 1 и количеством резонаторов, установленных в макете. В ходе экспериментов устанавливалось 4, 6, 9 резонаторов. Идентифицируя частоту каждого резонанса с соответствующим установившимся видом колебаний в системе, в данном случае, для четырех резонаторов соответственно /4, /2, 3/4, -вида, можно определить соответствующие им точки дисперсионной характеристики.

Заполнение пролетного канала плазмой вызывает сдвиг полосы пропускания ЗС 1 в область более высоких частот, что соответствует теоретическим представлениям при анализе данной гибридной ЗС 1. Одновременно с помощью дополнительного резонансного отклика от КР 4 измеряется и контролируется значение рабочей концентрации плазмы. На основе измерений построены дисперсии гибридной ЗС типа ЦСР при концентрации плазмы 0.510¹¹ см^-3 (фиг. 5).

Таким образом, впервые реализована методика исследования дисперсионных свойств гибридных замедляющих систем типа ЦСР с применением автономного газоразрядного источника плазмы, работающего в непрерывном режиме. Данная методика позволяет проводить исследования СВЧ характеристик разрабатываемых мощных пучково-плазменных усилителей (ППУ) и генераторов СВЧ с учетом влияния плазменного заполнения пролетного канала, при этом процесс изготовления гибридных ППУ предлагается организовать следующим образом: на первом этапе на основе технического задания с помощью математического моделирования предварительно определяются геометрические размеры ЗС и концентрация плазмы; затем изготовляется макет ЗС и с помощью вышеописанного метода при рабочем значении концентрации плазмы измеряется его дисперсионная характеристика, которая сравнивается с техническим заданием; в случае необходимости измерения повторяются при нескольких значениях плазменной концентрации из рабочего диапазона и вносятся коррективы в расчетно-конструкторскую документацию. Тем самым происходит выбор оптимальной концентрации плазмы в рабочем режиме ППУ, что оптимизирует процесс настройки ЗС для ППУ и, в конечном итоге, улучшает рабочие характеристики изготавливаемых образцов ППУ.

Используемая литература

1. "Электромагнитные замедляющие системы", "Исследование замедляющей системы с бесконтактными пластинами", Оборонгиз, М., 1960, стр. 43-57.

2. Лебедев И. В. "Техника и приборы СВЧ", изд. "Высшая школа", Москва, 1970, стр. 410-414.

3. A. Shkvarunets et al. "Plasma influence on the dispersion properties of finitelength, corrugated waveguides", Physical Review, V. 53, N 3, 1996, pp. 2045-2048.