Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

460

Глава 23. Длинные линии

нелинейными параметрами

Выбрав диапазон изменения т

из соотношений (27) и (28), можно найти диаметр

кольца и количество витков. Они же вместе с сечением сердечника и витка задают

величину Ц (26). Величину Ц можно регулировать изменением числа сердечни-

ков или параллельным включением катушек.

Количество ячеек линии, необходимое для формирования стационарного удар-

ного фронта при заданной длительности входного фронта определится выра-

жением:

Расчеты показывают, что для укорочения фронта импульса с 50 до 3 не для им-

пульса с амплитудой 4 кВ при К

= 40 Ом необходима 64-звенная искусственная

линия с постоянной звена 1,7 не, собранная на ферритах 4ВТ при = 5.

Механизм образования ударных электромагнитных волн возможен не только в

линиях с ферритовым заполнением, но и в случае линий с сегнетоэлектриками и

полупроводниками. В случае формирующих линий с ферритом можно получать

перепады напряжения с крутым фронтом и значительной амплитудой на низкоом-

ной нагрузке. Получение крутых перепадов напряжения на высокоомной нагрузке

оказывается возможным с помощью ударных электромагнитных волн, образую-

щихся в линиях с сегнетоэлектриками.

Здесь в качестве формирующей линии используется искусственная линия за-

держки, состоящая из звеньев, содержащих катушку постоянной индуктивности Ь и

нелинейную емкость С(Ц)

в виде конденсаторов с сегнетоэлектриками (рис. 9). За-

висимость величины емкости этих конденсаторов от напряжения связана с тем, что

диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика является функцией напряженно-

сти электрического поля е = /(Е) (такие конденсаторы называют варикондами).

При передаче волны вдоль такой линии скорость ее распространения возраста-

ет с увеличением амплитуды волны, так как величина диэлектрической проницае-

мости падает с ростом напряженности поля Е. Поэтому так же, как и в линии с

ферритом, при распространении импульса вдоль линии с сегнетоэлектриком кру-

тизна фронта импульса возрастает и при определенных условиях может возник-

нуть ударная волна. Крутизна фронта формируемого импульса ограничивается как

за счет конечного времени релаксационных процессов в сегнетоэлектрике (конеч-

ное время переключения), так и за счет дисперсионных свойств многозвенной ли-

нии передачи, т.е. за счет конечного значения постоянной времени т

Время релаксации для некоторых сегнетоэлектриков оказывается порядка нано-

секунды при напряженности поля Е около сотни киловольт на сантиметр. Это об-

стоятельство затрудняет применение линий с сегнетоэлектриками для формирования

п -

/М>

Т ш]

ср

(1-т

)г\

(23.29)

I I

Рис.

23.9.

Искусственная

линия

задержки на конденсаторах с сегнетоэлектриком

23.5 Генерирование мощных наносекундных импульсов

использованием УЭВ

461

Рис. 23.10.

Искусственная

линия

задержки

на

полупроводниках

наносекундных импульсов. При работе с весьма высоким напряжением обычно

пробой в линии наступает раньше, чем удается сформировать фронт импульса дли-

тельностью порядка наносекунды. Помещение же линии в контейнер с трансфор-

маторным маслом усложняет конструкцию системы. В обычных условиях удается

получать перепады напряжения с фронтом длительностью в несколько наносекунд.

Допустимая частота следования импульсов в такой линии достигает десятков ки-

логерц [6].

Более перспективным является применение формирующих линий с полупро-

водниками. Такая линия выполняется в виде искусственной линии задержки, со-

стоящей из звеньев с постоянной индуктивностью Ь и нелинейной емкостью С(Ц)

в виде полупроводниковых диодов (рис. 10) [13].

Известно, что в переходных слоях полупроводников статическая дифференци-

альная емкость изменяется с изменением величины приложенного внешнего на-

пряжения [14]. Поэтому в каждом звене линии включен полупроводниковый диод с

выраженной нелинейной емкостью (такие диоды иногда называют варикапами).

Например, согласно [14] емкость переходного слоя в полупроводнике С ~ 11~

1/2

Существующие в настоящее время полупроводниковые диоды с заметной нели-

нейной емкостью позволяют получать в линии ударные электромагнитные волны с

длительностью фронта около наносекунды. В случае применения полупроводни-

ковых материалов с соответствующими примесями возможно получение диодов,

позволяющих формировать в линии ударные волны с фронтом длительностью

Ю~

с. Линии с полупроводниками позволяют передавать импульсы с частотой

следования до 10 МГц (а в линиях с ферритом примерно до 100 кГц).

Если сопоставить метод формирования крутых перепадов тока и напряжения с

помощью ударных электромагнитных волн с другими известными методами (в

схемах с вакуумными лампами, тиратронами и в простейших цепях с нелинейны-

ми параметрами), то можно отметить, что с помощью ударных волн получаются

перепады с крутизной большей, чем при других методах. Исключение составляют

газовые искровые разрядники в сжатом газе и при высоких перенапряжениях на

промежутках (см. главу 6).

§ 23.5 Генерирование мощных наносекундных импульсов

с использованием УЭВ

Как следует из сказанного выше, свойства линий образовывать ударные элек-

тромагнитные волны могут быть использованы для обострения фронта импульса

тока и напряжения. Кроме того, линия с УЭВ может быть использована как эле-

мент более сложной конструкции импульсного генератора. В частности, ряд таких

генераторов был разработан Мешковым [15].

462

Глава 23. Длинные линии

нелинейными параметрами

При формировании импульсов длительностью в единицы наносекунд нашли

применение три схемы (рис. 11), в каждой из которых между накопительным кон-

денсатором и нагрузкой установлены дроссель насыщения, та или иная комбина-

ция отрезка линейной линии передачи Л и отрезка Лф линии передачи с ферри-

том. В схеме рис. 11, а [15] после насыщения дросселя происходит заряд линии Л

до максимального напряжения, линия Лф в это время практически не проводит

ток, по ней течет в сторону нагрузки небольшой ток ударной волны намагничива-

ния. По мере движения ударной волны фронт ее обостряется до ~

не и к моменту,

когда он достигнет правого конца Лф, обе линии Л и Лф оказываются заряженны-

ми. На втором этапе происходит разряд практически однородного отрезка линии,

состоящего из Л и Лф, на нагрузку К. Намагниченность феррита Лф при этом не

меняется, он остается в насыщенном состоянии, т.е. разряд происходит как в

обычной линейной линии, и на нагрузке формируется прямоугольный импульс.

Во второй схеме (рис. 11, б) [15] процессы протекают аналогично, но Л

вклю-

чена между дросселем и линейным отрезком, что повышает кпд. Ранее предполага-

лось, что время заряда формирующей линии, соединенной коммутатором с нагруз-

кой (здесь коммутатор - Л

), должно быть на порядок больше времени разряда, инаг

че возникнут волновые процессы при заряде и будет искажаться форма импульса.

В [15] установлено принципиальное положение, что времена заряда и разряда могут

быть соизмеримы без ущерба для формы выходного импульса. Именно такой режим

и характерен для магнитных генераторов наносекундных импульсов. Для его реали-

зации достаточно обеспечить особую, например квадратно-синусоидальную форму

тока разряда конденсатора, что достигается правильным выбором амплитуды напря-

женности магнитного поля Н

в сердечнике дросселя.

Третья схема (рис. 11, в) предложена в [16]. Здесь линия с ферритом входит в

состав двойной формирующей линии с ферритом (Л

Лф на рис. 11, в\ причем Лф

короткозамкнута на одном конце, а нагрузка

включена в разрыв оболочек линий.

В отличие от предыдущей схемы ток заряда линий частично протекает через на-

грузку, на нагрузке образуется небольшой предымпульс. После насыщения ферри-

та линии Лф вся двойная формирующая линия с ферритом разряжается на нагруз-

ку и формируется прямоугольный импульс. По сравнению с предыдущей схемой

здесь происходит полнее передача напряжения от конденсатора в нагрузку (-0,85),

больше коэффициент сжатия {к « 8), меньше длительность фронта за счет роста

тока на короткозамкнутом конце [11], но относительно низок кпд (« 0,55).

Рис. 23.11.

Схемы с линией ударной

волны для

формирования прямоугольного импульса

Литература

главе

22 463

Рис.

23.12.

Схема наносекундного импульсного генератора на основе УЭВ. 1 - генератор ис-

ходных импульсов: тиратрон - ТГИ1-2500/50; 2 - звенья сжатия: С

9 нФ;

Др1-ДрЗ - три

ферритовых

дросселя; 3

- формирующее

устройство:

Л- полосковая

линия

с 2

4,5 Ом; Лф

девять

коаксиальных

линий

с ферритом параллельно

Рис.

23.13.

Схема одного из двух параллельно включенных модулей генератора со сжатием

прямоугольных импульсов: 1 - генератор исходных импульсов: тиратрон - ТГИ1-1000/25,

Л\, Лч - двойная формирующая линия; 2 - устройство сжатия прямоугольных импульсов:

Лз,"Лф1

- первое звено сжатия,

Лз

- четыре линии с = 24

Ом

параллельно; время задержки

т =50

не; Л

, Лф

- второе звено, Л

- четыре линии с 2

= 12 Ом,

т =25

не; С

Др1

и С

Др2 - обострители фронта;

(А,

Б-

точки

подключения гальванической связи модулей)

На рис. 12 и 13 показаны две схемы генераторов мощных наносекундных им-

пульсов с использованием нелинейных линий с ферритовыми элементами [17, 15].

В том и другом генераторах исходный импульс формируется тиратронным генера-

тором. Обзоры работ по генерированию мощных наносекундных импульсов с ис-

пользованием нелинейных Линий с УЭВ даны в [9, 15].

Литература к главе 23

Катаев

КГ. Ударные электромагнитные волны.

М.:

Сов. радио, 1963.

Катаев И.Г.

А. с. 118859

СССР.

1958.

3. Гапонов А.В., Фрейдман Г.К Об ударных электромагнитных волнах в ферритах //

ЖЭТФ. 1959.

Т.

36, вып. 3. С. 957.

СгеепЪег% О. Ж, Тгече У.М.

ЗЬоск >№ауе апё 8оИ1агу >№ауе 81шсШге т а Р1а8та // РЬуз.

Р1шёз. 1960.

Уо1.

3, N 5.

Р.

769-785.

Гапонов

А.В.,

Фрейдман

Г.К К теории ударных электромагнитных волн в нелинейных

средах //

Изв.

вузов. Радиофизика. 1960.

Т.

№

1. С. 79.

Моругин Л.А., Глебович Г.В.

Наносекундная импульсная техника.

М.:

Сов. радио, 1964.

Островский

Л.А. Образование и развитие ударных электромагнитных волн в линиях

передачи с ненасыщенным ферритом //

ЖТФ.

1963.

Т.

33, вып. 9. С. 1080.

464

Глава 23. Длинные линии

нелинейными параметрами

Белянцев

А.М.,

Гапонов

А.В.,

Фрейдман Г.И.

О структуре фронта ударных электромаг-

нитных волн в линиях передачи с нелинейными параметрами // ЖТФ. 1965. Т. 35,

вып.

С.

667.

Месяц Г.А.

Генерирование мощных наносекундных импульсов.

М.:

Сов. радио, 1974.

10.

Катаев И.Г., Мешков А.Н., Рожков П.И. О

передаче импульсов через

тракт,

содержащий

линию с ферритом //

Изв.

вузов. Радиоэлектроника. 1968.

Т.

И,

№

6. С. 570-577.

И.

Мешков А.Н.

Генератор высоковольтных наносекундных импульсов // ПТЭ. 1965. № 5.

С.136-139.

12.

Белянцев А.М., Богатырев

Ю.К Расчет нелинейных формирующих линий // Изв. вузов.

Радиотехника. 1965.

Т.

8. С. 15-21.

13.

Белянцев А.М., Островский Л.А.

Распространение импульсов

линиях передачи с полу-

проводниковыми диодами //

Изв.

вузов. Радиофизика. 1962.

Т.

№

1. С. 183.

14. БерманЛ.С. Нелинейная полупроводниковая емкость.

М.:

Физматгиз, 1963.

15.

Мешков А.Н.

Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов // ПТЭ. 1990.

№ 1.С. 24-36.

16.

Долбилов Г.В., Красных

А.К,

Разувакин В.Н.

Использование звеньев сжатия и нелиней-

ных схем формирования в модуляторе линейного индукционного ускорителя // ПТЭ.

1984. №4. С. 26-31.

17. Долбилов

Г.В., Казана В.И., Саранцев В.П., Сидоров А.И.

Модулятор линейного индук-

ционного ускорителя электронно-ионных

колец

ЛУЭК-20 //

ПТЭ.

1987. № 5. С. 38-41.

Часть VIII ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ДИОДЫ

И УСКОРИТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ

Глава 24

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУЧКИ БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ

§ 24.1 Введение

В этой главе будут рассмотрены принципы получения пучков большого се-

чения (ПБС) при помощи диодов со взрывной эмиссией электронов (ВЭЭ).

Случайный характер появления первичных эктонов на катоде приводит в ко-

нечном счете к неоднородности электронного пучка. После приложения к дио-

ду достаточно высокого электрического поля первичные эктоны могут появ-

ляться в течение нескольких наносекунд за счет усиления электрического поля

на остриях и их взрыва током автоэлектронной эмиссии. Можно было бы ожи-

дать, что за это время катодная плазма от первичных эктонов, расширяясь,

сомкнётся, образуя однородную плазменную поверхность. Это могло бы обес-

печить формирование достаточно однородного пучка электронов. Однако экс-

перимент показывает, что появление электронного пучка в результате ВЭЭ рез-

ко снижает напряженность электрического поля вокруг зоны, где эта эмиссия

возникла. Это объясняется экранирующим действием объемного заряда микро-

пучка электронов, вытекающего из зоны эктона. Поэтому вблизи зоны первич-

ных эктонов появления новых не происходит, покрытие поверхности катода

плазмой затруднено (центры эмиссии расположены далеко друг от друга) и

проблема получения однородного пучка требует специальных исследований.

Оказалось также, что пучки из отдельных близко расположенных катодных фа-

келов (КФ) взаимодействуют, что приводит к дополнительной неоднородности

пучка электронов на аноде.

Рассмотрим крупномасштабную структуру электронных пучков в сильноточ-

ных диодах для получения ПБС. При этом под диодами будем понимать такие, у

которых расстояние между электродами намного меньше геометрических размеров

самих электродов (катода и анода). Кроме того, исследуем свойства таких диодов,

обратив особое внимание на роль катодов. Основные результаты, изложенные в

этой главе, были получены группой Месяца в ИСЭ [1-7]. Напомним, что в главе 5

мы

уже подробно рассмотрели явление взрывной эмиссии электронов.

30. Месяц Г.А.

466

Глава 24. Электронные пучки большого сечения

§ 24.2 Структура пучков большого сечения

24.2.1 Эффект экранировки

Пусть имеется плоский диод с центром взрывной эмиссии, из плазменного факе-

ла которого по закону «3/2» эмитируется электронный ток. Пренебрегая магнитным

полем, можно показать, что разность сил на аноде и катоде, создаваемых электриче-

ским полем, равна импульсу пучка электронов на аноде за единицу времени [7]:

М\Е1<Е- \Е

А8) = ^1{у

-1)

1/2

, (24.1)

* ' е

где

й9

- напряженности электрического поля на аноде и катоде соответственно;

интегрирование проводится по поверхности электродов 8; I - ток пучка электро-

нов; у =

- у$/с

1/2

; у

- скорость электронов; т

е- масса и заряд электрона; с -

скорость света. Предполагается, что электроны пучка падают на анод по нормали.

Пусть ширина пучка намного меньше зазора диода А. Тогда с достаточной степе-

нью точности Е

11Ш

где I] - напряжение, приложенное к диоду. Для оценки ра-

диуса экранировки пучком поверхности катода г

считается, что пучок полностью

снимает напряженность электрического поля с площадки радиусом г

. При этом левая

часть равенства (1) равна 1]

!Ы

и значит:

(24.2,

Отсюда следует, что при отсутствии релятивизма

«5.10

*У-З/4/1/2^ (24.3)

при ультрарелятивизме

^15

5Л0

Ц-

1/2

С1

(24.4)

где величины

с1

измерены соответственно в вольтах, амперах и сантиметрах.

Для оценки экранировки в многоострийном катоде рассчитывалось влияние

объемного заряда на электрическое поле соседних острий. Пусть на вершине ост-

рия высотой / имеется плазменный шар радиусом г

= VI,

из которого по закону

«3/2» испускается электронный ток. Самосогласованное численное решение задачи

с учетом объемного заряда показало, что при радиусах плазменного шара г = 0,01/

и 0,28/ на расстоянии //2 от вершины электрическое поле снижается соответствен-

но на 21 и 65 %.

Проявление эффекта экранировки наблюдалось в [1] в плоском диоде с мнош-

острийным катодом и в цилиндрическом диоде с магнитной изоляцией. В первом

случае использовались два диода с медными остриями высотой 0,5 см. В первом

было две тысячи острий, и на каждое приходилась поверхность плоского катода

площадью 0,16 см

; во втором - сорок острий, и на каждое приходилась площадь

1,25 см

. Длительность импульса напряжения 250 кВ составляла 4 мкс. В первом

случае уменьшение расстояния между катодом и анодом от 10 до 4 см приводило к

росту числа взорвавшихся острий от

до 4%, во втором - от 25 до 60%. Ток с одного

острия составлял для первого диода 30 А,

для второго 90 А.

Рассмотрим влияние внешнего продольного магнитного поля на область экра-

нировки. Такие магнитные поля используются на диодах для транспортировки

24.2 Структура пучков большого сечения

467

электронных пучков вдоль силовых линий магнитного поля. Очевидно, что при

достаточно сильном магнитном поле электроны движутся вдоль его силовых ли-

ний по спирали. Ларморовский радиус г

вращения электронов вокруг силовой

линии определяется величиной их поперечного импульса р± и напряженностью

магнитного поля Н:

„ _ Р±

еН

(24.5)

Если ларморовский радиус намного меньше радиуса катодного факела (г

), то

дальнейшее увеличение Н не приводит к существенному изменению формы и тока

пучка из факела и, следовательно, не изменит радиуса экранировки. Приближенно

можно считать, что при изменении Я от нуля до такого значения, при котором

=г

, происходит основное изменение числа эмиссионных центров на катоде. Тог-

да простые расчеты позволяют вычислить максимальную напряженность магнитно-

го поля, выше которой изменение числа эктонов незначительно для плоского диода:

г \

2т

^ (24.6)

•^макс ^

и для коаксиального:

II _

•"макс

—

2тс

ч1/2

+ Е

еп

(24.7)

В работе [1] #

макс

=10 кЭ; по формуле (7) при условиях, указанных в [1],

макс

=15 кЭ. Можно считать, что эксперимент подтверждает влияние магнитного

поля на эффект экранировки.

На рис. 1 показана зависимость числа эмиссионных центров ВЭЭ, возникающих

на графитовом катоде диаметром 1,2 см [2]. Увеличение магнитного поля при неиз-

менном электрическом поле приводит к росту числа эктонов в диоде и более равно-

мерному их распределению по поверхности катода. Необходимо также отметить, что

2,5 5

[кЭ]

Рис. 24.1. Зависимость числа катодных факелов, возникающих на графитовом катоде диа-

метром 1,2 см (/

= 7 не), от величины продольного магнитного поля #

при электрических

полях, В/см:

- 3,410

, 2 -

4-Ю

3 - 5-10

30*

468 Глава

24.

Электронные пучки

большого

сечения

при наложении продольного магнитного поля уменьшается относительный разброс

числа одновременно функционирующих эктонов. Это, в свою очередь, вызывает

снижение разброса электронного тока в диоде и рост амплитуды этого тока [2].

24.2.2 Эффект подхвата

Наряду с эффектом экранировки, который уменьшает вероятность появления

новых эктонов, существует противоположный эффект. Он приводит к образованию

новых центров ВЭЭ в местах, близких к первичному. Такие центры возникают в

результате взаимодействия плазмы первичного эктона с поверхностью катода [3].

Этот эффект также влияет на структуру пучка электронов. Известно [3], что веро-

ятность появления новых эктонов на поверхности катода, покрытой плазмой, зави-

сит от расстояния х до первичного эктона. Существуют три характерные области

расстояний х, отличающихся условиями возникновения новых эктонов. Назовем

их соответственно зонами А, В

С. В зоне А, для которой х<100 мкм, вероятность

появления новых центров высока и достигает значений 0,5-0,8. Она возрастает по

мере увеличения производной Ж!Ж в первичном эктоне и уменьшения значения х.

Концентрация плазмы в КФ при этом составляет около 510

см

-3

. В зоне В при

0,1 мм < х < 2 мм вероятность образования новых эктонов сильно снижается. В зо-

не С при х > 2 мм вероятность их возникновения вновь возрастает. Однако это

происходит только в том случае, если потенциал плазмы КФ увеличивается до

нескольких сотен вольт. При этом концентрация плазмы в зоне С составляет

<10

см~

. Эффект инициирования новых эктонов под плазмой первичного КФ

получил название эффекта подхвата.

В зонах А и В эффект подхвата обусловлен зарядкой диэлектрических пленок

и включений ионным током плазмы. Плотность тока ионов на катод:

(24.8)

где - заряд иона; п - плотность плазмы КФ; ^ - скорость ионов в плазме. По

мере протекания этого тока диэлектрическая пленка на катоде заряжается и напря-

женность электрического поля в ней достигает:

(24.9)

где 8 - диэлектрическая проницаемость пленки.

Там, где есть микровыступ на катоде, это приводит к пробою пленки. После

пробоя пленки начнется разряд по ее поверхности за счет тангенциальной состав-

ляющей электрического поля. Этот ток обусловливает взрыв микровыступа и по-

явление нового эктона.

Известно, что концентрация плазмы катодного факела п ~ Ух

. Поэтому в зо-

не А вероятность образования эктона больше, чем в зоне В из-за большой концен-

трации плазмы. В зоне С новый эктон возникает, по-видимому, из-за появления

потенциала в периферийной области КФ. Повышение потенциала на плазме уве-

личивает скорость движения ионов, что приводит к росту плотности тока ионов и

электрического поля на диэлектрической пленке. О роли диэлектрика на катоде в

инициировании новых эктонов при помощи плазмы мы уже говорили в главе 5.

24.2 Структура пучков большого сечения

469

24.2.3 Эффект «мазков»

В работе [4] исследовалась структура электронных потоков, эмитируемых из

КФ в начальной стадии вакуумного разряда. Авторы отмечают, что наблюдаются

два типа эрозионных оледов на поверхности анода: один представляет собой кру-

ги, другой имеет вид четко очерченных полос, которые мы назвали «мазками». Ря-

дом с областями повышенной эрозии наблюдается менее интенсивная эрозия с

размытыми границами. Наибольшая эрозия отмечается в области пересечения маз-

ков. В [4] отмечается также, что области эрозии не зависят от кристаллической

структуры поверхности анода. Аналогичная картина эрозии наблюдается на элек-

тродах из разных материалов.

Авторы [4] предположили, что мазки являются следствием близкого расположе-

ния факелов на катоде и проверили экспериментально это предположение. Катод был

сделан из двух острых игл, расстояние а между которыми варьировалось. Время за-

паздывания взрыва вершин этих острий имело разброс 10~

с, что достигалось иден-

тичностью КФ на вершинах острий. Для зазора д, между последними и поверхно-

стью анода, равного 0,35 мм, при а - 0,5-0,8 мм на аноде наблюдались два отдель-

ных пятна эрозии напротив вершин острий (рис. 2). При а < 0,8 мм появляется

мазок, расположенный в середине между проекциями острий на анод и вытянутый

перпендикулярно линии, соединяющей вершины острий. Авторами [4] было рас-

смотрено развитие эрозии на аноде во времени. Установлено, что вначале эрозия

появляется в центральной части мазка, причем наиболее сильная - на границе мазка.

Рис.

24.2.

Эрозия на аноде

случае катода, состоящего из двух

игл на

расстоянии а друг от

друга.

- два независимых пятна а = 0,8

мм;

2-4 - взаимодействие пучков при а = 0,5

мм

росте длительности

импульса тока от 8

не (2) до 16 не (4)