Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

660

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

области (рис. 20): мощность приборов падает с ростом частоты приблизительно

как Р ~/~

. В диапазоне длин волн 1-й 00 мм мощность этих приборов составляет

по порядку величины 10

-ьЮ

Вт.

§ 30.6 Радар на базе релятивистского наносекундного

кареинотрона

Информационные возможности радиолокационных станций (РЛС) при обна-

ружении объектов зависят как от величины средней мощности передатчика, так и

от характера распределения мощности СВЧ-излучения во времени. Мощные ко-

роткие импульсы излучения, следующие с достаточно большой частотой, позво-

ляют с высокой точностью определять расстояние до объекта, получать высокую

контрастность радиолокационного изображения на фоне отражений от местных

предметов, а обработка информации от серии импульсов позволяет определять

скорость движения объекта без использования эффекта Доплера [62, 63]. Укороче-

ние импульсов осуществлялось до последнего времени в основном в приемных

трактах РЛС при пропускании частотно модулированных сигналов через опти-

мально сжимающие фильтры [63]. Ограниченность этого метода связана с техни-

ческими трудностями сжатия импульса более чем в 30-100 раз, а также с наличием

принципиально неустранимых боковых лепестков в корреляционной функции сиг-

налов, которые способны давать ложную информацию о местоположении объекта.

В связи с развитием релятивистской высокочастотной электроники появилась

принципиальная возможность получения мощных коротких электромагнитных

импульсов непосредственно в передающей части РЛС, что, во-первых, позволяет

упростить всю радиотехническую схему станции (отпадает необходимость введе-

ния частотной модуляции, излишними становятся сжимающие фильтры), во-вторых,

исключает появление ложных сигналов и, наконец, уменьшает мертвую зону перед

РЛС и существенно увеличивает ее помехозащищенность. Для СВЧ-приборов, ис-

пользующих в качестве основы сильноточные ускорители со взрывоэмиссионными

катодами, режим генерации коротких мощных импульсов является наиболее есте-

ственным. В результате развития теории и техники таких устройств был создан ряд

релятивистских одномодовых СВЧ-генераторов, о которых мы говорили выше.

В экспериментальном макете РЛС «Пик», разработанном в ИСЭ, ИПФ и ИОФ [64], в

качестве генератора СВЧ-излучения использовалась релятивистская ЛОВ со сле-

дующими параметрами: мощность СВЧ-излучения 0,5 ГВт, длительность импульса

5 не, частота повторения импульсов 100 Гц, длина волны излучения 3 см.

Теоретические и экспериментальные исследования различных типов приборов

с релятивистскими электронными пучками показали, что генераторы типа лампы

обратной волны имеют в этой области энергий целый ряд преимуществ. Такие их

достоинства, как простота конструкции, адаптивность, довольно высокая эффек-

тивность при использовании замедляющей системы с неоднородным сопротивле-

нием связи и т.д., способствовали их подробному изучению и использованию в

качестве источников СВЧ-излучения в установках, работающих как в разовом, так

и в импульсно-периодическом режимах. Сконструированная в соответствии с об-

щими требованиями к релятивистским генераторам (см. § 30.2) релятивистская

ЛОВ, использовавшаяся в РЛС, обладала также рядом особенностей. В частности,

30.6 Радар

на базе

релятивистского наносекундного карсинотрона

661

генератор допускал перестройку генерируемой частоты, выход генератора согласо-

вывался с квазиоптическим преобразователем типа волны, передающим электро-

динамическим трактом и облучателем антенны. Для обеспечения надежной дли-

тельной работы коллектор генератора был снабжен системой охлаждения, а сама

релятивистская ЛОВ была помещена в поле сверхпроводящего криомагнитного

соленоида с напряженностью до 30 кГс.

Импульсно-периодический режим работы всей системы (и ускорителя в пер-

вую очередь) потребовал разработки наиболее эффективной, простой и одновре-

менно надежной конструкции ускорителя. Для обеспечения этих свойств был вы-

бран ускоритель «Синус-5», в который входили емкостной накопитель, трансфор-

матор Тесла, одиночная формирующая линия, управляемый высоковольтный

коммутатор - газовый разрядник высокого давления (азот, 15 атм), неоднородная

передающая линия - волновой трансформатор, электронная пушка - коаксиальный

вакуумный диод с магнитной изоляцией (см. § 5). Первичный накопитель и транс-

форматор Тесла позволяли осуществить питание ускорителя непосредственно от

стандартной сети, исключив из схемы промежуточные высоковольтные устройст-

ва. Компактности и надежности системы во многом способствовало характерное

для установок «Синус» размещение трансформатора Тесла непосредственно внут-

ри формирующей линии. Наличие неоднородной линии (волновой трансформатор)

давало возможность согласовывать формирующую линию с малым волновым со-

противлением 2

и вакуумный диод с существенно большим сопротивлением,

чем 2

. Тригатронный поджиг газового разрядника с целью управления напря-

жением его пробоя и улучшения стабильности срабатывания осуществлялся от

отдельного малогабаритного импульсного источника.

Особенности приемной части РЛС и обработки сигналов были связаны с типом

принимаемого сигнала - коротким и соответственно сравнительно широкополос-

ным импульсом. Кроме того, все входные цепи должны были быть защищены от

перегрузок на время генерации импульса, а также на случай нахождения близко к

станции отражающего объекта с большой эффективной площадью поверхности.

Основная развязка между передающей и приемной частью достигалась за счет

использования раздельных антенн, работающих на передачу и прием сигнала.

Входной усилитель при перегрузках мог вносить дополнительное затухание в при-

емный тракт. Для эффективного обнаружения объектов с малой эффективной по-

верхностью рассеяния была предусмотрена система селекции движущихся целей

(СДЦ), осуществляющаяся путем черезпериодного вычитания отраженных сигна-

лов. Блок-схема РЛС «Пик» представлена на рис. 21, а ее внешний вид во время

испытаний - на рис. 22.

Испытание РЛС типа «Пик» происходило на фоне рек Оби и Волги. В испыта-

ниях участвовали небольшие низколетящие самолеты и вертолеты. Локация этих

объектов показала надежность и эффективность работы станции. Такие объекты,

как речные суда (в том числе малые) на фоне воды и берега были ясно различимы

на расстоянии в несколько десятков километров. Локация самолетов на тех же рас-

стояниях на фоне облаков и на фоне подстилающей поверхности при их движении

вблизи линии горизонта давала ясные изображения движущихся объектов. Отра-

жения от местных предметов (деревьев, кустов, облаков) на расстоянии свыше

662

Глава 30. Генерирование мощных импульсов СВЧ-излучения

Рис. 30.21. Блок-схема радиолокационной станции «Пик»: 1 - ускоритель «Синус-5», 2 -

неоднородная передающая линия, 3 - сверхпроводящий магнит с замедляющей системой,

4 - преобразователь мод, 5 - передающая антенна, 6 - приемная антенна, 7 - приемник

СВЧ-сигнала, 8 - усилитель СВЧ сигнала,

детектор, 10-компьютерная

система

нескольких километров были настолько малы, что позволяли в ряде случаев рабо-

тать и без применения СДЦ. Тем не менее, черезпериодное вычитание локацион-

ных объектов позволяло избавиться и от изображений близко расположенных объ-

ектов (отдельно стоящих деревьев, специальных контрольных отражателей и т.д.).

Существенное увеличение потенциала локатора обеспечивалось простейшей про-

цедурой обработки - усреднением сигналов, при котором происходило подавление

Рис.

30.22.

Внешний вид макета РЛС

на

основе релятивистского наносекундного СВЧ-гене-

ратора в

процессе испытаний

на

берегу Волги

Литература

главе

29 663

Сигнал от вертолета

08-09-95, йте: 12:07

[В]

1,2

0,8

0,4

350,000 мкс

-80

-40 0 40

не]

Рис. 30.23. Единичный сигнал от вертолета Ми-2Т при движении в направлении к станции

на

экране осциллографа ТО8540А

шумов на величину более 10 дБ. Среди методов обработки использовались и такие,

как вычитание сигналов, а также корреляционные методы, которые успешно при-

менялись для выделения движущихся объектов (так называемые процедуры МТ1 -

то\гщ

1аг%е1 тсИсаЮг).

Однако, как показали опыты, в целом ряде случаев для

наблюдения за объектами, находящимися на расстоянии нескольких десятков ки-

лометров, в использовании этих процедур не было необходимости. В одном из по-

летов малоразмерного спортивного вертолета (с эффективной поверхностью менее

1 м

) удалось сохранять его сопровождение приблизительно до 20 км без специ-

альной обработки с помощью цифрового осциллографа.

В случае полета транспортного вертолета Ми-2Т аналогичная дистанция со-

ставляла около 70 км. Параллельно велось наблюдение с помощью компьютерной

системы. Сопровождение объекта с обработкой сигналов могло осуществляться до

расстояний свыше 100 км. Об этом, в частности, свидетельствует высокая ампли-

туда сигналов от вертолета, находящегося на расстоянии 52 км (рис. 23). Форма

сигналов, отраженных от вертолета, изменялась от импульса к импульсу в зависи-

мости от его ориентации. Отдельные фрагменты импульса повторялись в некото-

ром приближении периодически, т.е. напоминая эффект амплитудной модуляции.

По этим особенностям, которые были обусловлены вращением лопастей, картина в

целом была специфической для объекта данного типа, что подтверждает возмож-

ность идентификации.

Более подробное описание радаров с использованием мощных наносекундных

СВЧ-импульсов можно найти в обзоре [65].

Литература к главе 30

МаПоп

З.А. Оп

хЪе

СоирНп§

оГ ап

НщЬ-Сштеп* Ке^мзйс Е1ес*гоп Веат *о а 81О\У \^ауе

ЗйпсШге

//Арр1.

РЬуз. Ье«. 1970. Уо1. 17, N 11. Р. 491-494.

2. Ковалев К

Ф.,

Петелин М.И., Райзер

М.Д.

и др. Генерация мощных импульсов электро-

магнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ. 1973.

Т. 18, вып. 4. С. 232-235.

Е1сНаптоу А.8., 2а%и1оу ЕУа., Коготп 8.И., МезуаК С.А.

Е1ес*гоп Веат Ассе1ега1ог

ИщЪ Ри1$е

Яесштепсе Ргециепсу

Ргос. о? *Ье III 1п1егп. СопГ.

оп

НщЬ Ро\уег

Е1ес*гоп

апё

1оп

Веатз. ИоуозхЫгзк, 1979. Уо1. 1. Р. 191-197.

664 Глава

30.

Генерирование мощных

импульсов СВЧ-излучения

Гапонов-Грехов

А.В.,

Петелин М.И.

Релятивистская высокочастотная

электроника //

Вестн.

АН СССР. 1979.

№

4. С. 11-23.

5. СагтеI У,

Ьег&

КпЬе1 К.Е.,

ИаИоп 3.

1п1епзе СоЬегеШ: СЬегепкоу КасНайоп ёие

1о

1Ье

1п1егас1юп оГ а Ке1а1мз*ю Е1ес*гоп Веаш \укЬ а 81о\у->Уауе 81гисШге // РЬуз. Кеу. Ье«.

1974. Уо1. 33, N 21. Р. 1278-1282.

6. ЬекизЬ В., АпЮпзеп Т., Зк,

ВготЪо\$ку

А. е* а1. Ке1а11У1з11с Васк\уагё-Шуе ОзсШаЮгз:

ТЬеогу апё Ехрептеп*.

РЬуз. Р1шёз В. 1992. Уо1. 4, N 7,

р*

2. Р. 2293-2299.

Моге1апд

Ь.И.,

8скатИо%1и

Е., Ьетке КЖ е! а1. ЕШс1епсу ЕпЬапсетеп! оГ Ш§Ь Ро\уег

Уасиит В\УО'з Шп§ ЫопитГогт 81О\У \Уауе З&исШгез // ШЕЕ Тгапз. Р1азта 8сь 1994.

УЫ. 22, N 5. Р. 554-565.

8. Релятивистские многоволновые СВЧ генераторы / С.П. Бугаев, В.И. Канавец, В.И. Ко-

шелев, В.А. Черепенин. Новосибирск: Наука, 1991.

9. Елъчанинов А.С., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д., Ростов В.В. Клистрон с релятивистским

электронным пучком

Изв. вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25,

№

8. С. 966-968.

10. Епедтап М, КгаИ 3, Ьаи

У.У.,

8ег\\п V. ЕШс1еп1 Оепегайоп оГ МиШ-0>У Мюго\уауе

Ро\уег Ьу Юузйюп-Ике АтрНйег.

Кеу. 8сь1пз1гит. 1990. УЫ. 61. Р. 171.

11.

МШег

КВ., МсСиПоиф ЖЕ,

ЬапсазХег

К.Т.,

МиеЫегме% С.А.

8ирег-КеЬгоп: ТЬеогу апё

Ехрептетз

ШЕЕ Тгапз. Р1азта 8сь 1992. УЫ. 20. Р. 332.

12. Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. Релятивистский плазменный

СВЧ генератор

ЖЭТФ. 1982. Т. 83, вып. 4 (10). С. 1358-1367.

13.

СоеЪе1

Вап М,

8сИитасНег Я. Ж, ЕиепНаП К.Ь.

РегГогшапсе апё Ри1зе 8Ьог*ешп§ Ейес*з

т 200-кУ

Разойюп

НРМ 8оигсе

ШЕЕ Тгапз. Р1азша 8сЁ. 1998. Уо1. 26, N 3. Р. 354-365.

14. Гинзбург Н.С., Кременцов В.И., Петелин М.И. и др. Экспериментальное исследование

мазера на циклотронном резонансе с релятивистским сильноточным электронным

пучком

ЖТФ. 1979. Т. 49, вып. 2. С. 378-385.

15. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.:

Энергоатомиздат, 1984.

16. С1агкМ.С., МаЫег В.М., Васоп Ь.В. Ма§пеИса11у 1пзи1а1её Тгапзпиззюп 1лпе ОзсШаЬг

Арр1. РЬуз. Ье«. 1988. Уо1. 52, N 1. Р. 78-80.

17. Лащ Ж, ЖоокеЯоп К., Вгскет 3.

КшИапзеп М. Н1§Ь Ро\уег Мгспжауе ОепегаНоп Ьу а

Соах1а1 УШиа1

СаШоёе

ОзсШаЮг //

ШЕЕ

Тгапз. Р1азша

8сь1999. Уо1.27, N 5. Р. 1538-1542.

18. КШапоу 8.А.,

КИтоу А.1.,

Когочт 8.И. е!

а1.

А У1гса1ог \укЬ Е1ес*гоп Веаш Ргетоёи1а1юп

Вазеё оп Н1§Ь-Сштеп1 Кере*Шуе1у Ри1зеё Ассе1ега*ог // 1Ыё. 2002. УЫ. 30, N 1, р* 2.

Р. 274-285.

19. Релятивистская высокочастотная электроника. Сб. ст. / Под ред. А.В. Гапонова-Грехова.

Вып. 1-7. Горький (Н. Новгород), 1979-1992.

20. Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии / Отв. ред. Г.А. Месяц.

Новосибирск: Наука, 1983.

21. Веп/оЫЗ,

Змге&е 3.

НщЬ Ро\уег Мюго\уауез. Воз1оп: АЛесЬ Ноизе, 1992.

22. НщЬ-Ро\уег Мюго\уауе 8оигсез / Её. Ьу УЬ. ОгапаШет апё I. А1ехей1 Воз1оп; Ь.: Аг1есЬ

Ноизе, 1987. (ТЬе

Аг1есЬ

Ноизе Мюго\уауе ЫЬг.).

23. №§Ь-Ро\уег Мюго\уауе 8оигсез апё ТесЬпо1о§1ез / Её. Ьу К.1. Вагкег апё Е. 8сЬапи1о§1и.

И.У.: ШЕЕ ргезз: Шеу, 2001.

24. Быков Н.М., Губанов В.И, Гунин А.В. и др. Релятивистские импульсно-периодические

СВЧ-генераторы сантиметрового диапазона длин волн // Релятивистская высокочастот-

ная электроника. Горький, 1988. Вып. 5. С. 101-124.

25. Ситп А.

V.,

КПто\

А.1.,

Когочт 8.И.,

Ре%е\ I. V.

е!

а1.

Ке1а*1У15*ю Х-Вапё В Ж)

\УИЬ

3-0\У

Ои*ри* Ро\уег

ШЕЕ Тгапз. Р1азша 8сь 1998. Уо1. 26, N 3. Р. 326-331.

26. Иванов В.С., Ковалев Н.Ф., Кременцов С.Н, Райзер МД. Релятивистский карсинотрон

миллиметрового диапазона

Письма

ЖТФ. 1978. Т. 4, вып. 14. С. 817-820.

27. Елъчанинов А. С., Коровин С Д., Месяц Г.А. и др. Генерация мощного СВЧ-излучения с

использованием сильноточных мини-ускорителей // Докл. АН СССР. 1984. Т. 279,

№

С. 624-626.

Литература к главе 29 665

28. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В. и др. Релятивистский СВЧ-усилитель милли-

метрового диапазона на сильноточном электронном мини-ускорителе // Письма в ЖТФ.

1985. Т. 11, вып. 17. С. 1072-1076.

29.

МезуаХз

О.А. ТЬе РгоЫет

оп

Ри1зе 8Ьог1епт§ т Ке1а1мзИс Мюго\уауе Сепега1огз // Ргос.

Соигзе апс! \УогкзЬор оп Рошег Оепегайоп апс! АррНсайопз, УШа Мопаз1ега - Уагеппа,

1991. Уагеппа, 1991. Р. 345-362.

30.

Веп/огсЫ.,

Веп/огд

С.

8игуеу оГРи1зе 8ЬоПетп§ т Н1§Ь-Ро\уег Мюптауе 8оигсез

ШЕЕ

Тгапз. Р1азта 8сь 1997. Уо1. 25, N 2. Р. 311-317.

31. Когоугп 8.В., МезуаХз О.А., Ре^е! IV. е* а1. Ри1зе МскЬ Ыткайоп т 1Ье Яе1а11У1з11с

Васкшагс! №\е ОзсШаЮг

// 1Ыс1.

2000. Уо1. 28, N 3. Р. 485-495.

32. Батраков А.В., Карлик КВ., Кицанов С.А. и др. Увеличение длительности микровол-

новых импульсов гигаваттной релятивистской ЛОВ путем обработки поверхности

замедляющей системы низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком //

Письма

ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 4. С. 39-46.

33. Ситп А.

К,

Кого\т 8.И., Кигкап 1.К. е! а1. Ке1а11У181ю ВЖ) \укЬ Е1ес*гоп Веат Рге-

Мос1и1а*юп //

Ргос. XII 1п1егп. Соп1

оп

НщЬ-Ро\уег

РаПю1е

Веатз. НИа, 1998. Р. 849-852.

34. Куркан И.К., Ростов В.В.,

Тотьменинов В.И.

О возможности снижения магнитного поля

в релятивистской ЛОВ

Письма

ЖТФ. 1998. Т. 24, вып. 10.С. 43-47.

35. Канавец В.И. Тезисы доклада

IV Всесоюз. симпоз. по сильноточной электронике: Тез.

докл. (АН СССР, СО АН СССР, Ин-т сильноточной электроники, Ин-т

ядерной

физики).

Томск, 1982. Т. 2. С. 140-143.

36. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И. и др. Генерация мощных импульсов электро-

магнитного излучения релятивистскими сильноточными пучками электронов микро-

секундной длительности

Докл. АН СССР. 1984. Т. 276,

№

5. С. 1102-1104.

37. Бугаев СЛ., Канавец В.И., Климов А.Н, Когиелев В.И. Атмосферный СВЧ-разряд и

исследование когерентности излучения релятивистского многоволнового черенковского

генератора

Докл. АН СССР. 1988. Т. 298,

№

1. С. 92-94.

38. Кузелев М.В., Мухамедзянов Ф.Х., Рабинович М.С. и др. Релятивистский плазменный

СВЧ-генератор

ЖЭТФ. 1982. Т. 83, вып. 4. С. 1358.

39. Ьога 0.7],

8Хге1коу Р.8.

Н1§Ь-Ро\уег Мюго\уауе ОзсШаЮг оГМюгозесопё Ри1зе Оигайоп

Бпуеп Ьу Ке1аИу1з11с Е1ес*гоп Веат // Ргос. X 1п*егп. СопГ.

оп

Н1§Ь-Ро\уег

Раг1ю1е

Веатз.

8ап

1994. Уо1.

Р.

958.

40. Стрелков П.С.,

Ульянов

Д.К. Спектры излучения плазменного релятивистского черен-

ковского СВЧ-генератора

Физика плазмы. 2000. Т. 26,

№

4. С. 329.

41. Мака#еу К.А., 8ргащ\е Р.,

КареХапакоз

С.А., СоЫеп 8. Н1§Ь Ро\уег Мюго\уауез {гот а

ЫотзосЬготс Кейес1т§

Е1ес*гоп

8уз*ет

РЬуз. Яеу. ЬеИ. 1977. Уо1. 39. Р. 843.

42. Коровин С.Д., Пегель ИВ., Полевин С.Д., Ростов В.В. Виркаторы // Вакуумная СВЧ

электроника

Под ред. М.И. Петелина. Н. Новгород: ИПФ, 2002.

43. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Жерлицын А.Г. Генерация электромагнитных колебаний в

системах с виртуальным катодом

Плазменная электроника: Сб. ст. / Отв. ред. В.И. Ку-

рилко. Киев: Наук, думка, 1989. С. 112-131.

44. Селемир В Д., Алехин Б.В., Ватрунин В.Е. и др. Теоретические и экспериментальные

исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом // Физика плазмы. 1994. Т. 20,

№ 7/8. С. 689-708.

45. Гадецкий Н.П., Магда ИИ, Найстетер

С.И.

и др. Генератор на сверхкритическом токе

РЭП с управляемой обратной связью - виртод // Физика плазмы. 1993. Т. 19, № 4.

С. 530-537.

46. Рухадзе А.А., Столбецов СД,

Тараканов В.П.

Виркаторы

РЭ. 1992.

№

3. С. 385-396.

47. НиШт О.А.,

ВизНеП

М.8., Сопгад й.В. е! а1. ТЪе Кейех-ОЫе НРМ 8оигсе

оп

Аигога //

ШЕЕ Тгапз. Р1азта 8с1. 1990. Уо1.

18,

N 3. Р. 618-625.

48. Взрывомагнитные генераторы мощных импульсов электрического

тока / Под ред.

В.Е. Фор-

това. М.: Наука, 2002.

49. Селемир В.Д., Дубинов А.Е., Дубинов Е.Е. и др. Гибридный СВЧ-генератор на основе

системы виркатор

ЛБВ - виртод

Письма

ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 14. С. 25-29.

666 Глава

30. Генерирование

мощных

импульсов СВЧ-излучения

50. Месяц ГА. Импульсные ускорители для релятивистской СВЧ электроники

Релятивист-

ская высокочастотная электроника. Горький, 1984. Вып. 4. С. 192-216.

51.

Уа1апс1т

МЛ., 8тггпоу С.Т., 8крак КС.,

ЗИипаНоу

8.А. Ш^Ь-Ро^ег Яере1Шуе МПНте*ег

Яап§е Васк-^ауе ОзсШа1огз

шХЪ

Ыапозесопс! Ке1айУ13*ю Е1ес1гоп Веаш // Ргос. IX ШЕЕ

1п1егп.

Ри1зес1

Ро\уег СопГ. А1Ьияиегяие, 1993. Р. 388-391.

52. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И. и др. Релятивистский многоволновой черен-

ковский генератор

Письма

ЖТФ. 1983. Т. 9, вып. 22. С. 1385-1389.

53. Бастриков А.Н., Бугаев С.П.,

Воробъюшко

М.И. и др. Сильноточный электронный уско-

ритель «Гамма»

ПТЭ. 1989.

№

2. С. 36-41.

54. Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного накопителя энергии пре-

рывателем тока на электрически взрываемых проволочках // Физика и техника мощных

импульсных систем. М.: Энергоатомиздат, 1987.С. 189-211.

55. Гришин Д.М., Губанов В.П., Коровин С Д. и др. Генерирование мощных субнано-

секундных СВЧ импульсов диапазона 38 ГГц с частотой повторения до 3,5 кГц //

Письма

ЖТФ. 2002. Т. 28, вып. 19. С. 24-31.

56.

СНгШа/Иоз

КС.,

Нез1ег

К.Е.,

ЬатЪ

Ж А. 8.

е1

а1. Сиггеп! Ыпеаг

1пёис*юп

Ассе1ега1ог

Е1ес*гопз

Кеу. 8с1.1пз*гиш. 1964. Уо1. 35, N 7. Р. 886-890.

57.

Бахрушин

Ю.П., АнацкийА.И. Линейные индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978.

58. Соог Е.С.,

Вггх

Э.Ь.,

Ке§та1о Ь.Ь.

ТЬе Аёуапсеё

Тез* Ассе1егаШг

- Н^Ь-Сштеп* 1пс1исйоп

ЫЫАС

ШЕЕ Тгапс. Ыис1. 8с1. 1983. Уо1. 30, N 2. Р. 1381-1386.

59. Павловский А.И., Герасимов А.И., ЗенковД.И. и др. Безжелезный индукционный линей-

ный ускоритель

Атом, энергия. 1970. Т. 28,

№

5.С. 432-434.

60. Павловский А. И., Босамыкин В.С., Кулешов Г Д. и др. Многоэлементные ускорители на

радиальных линиях

Докл. АН СССР. 1975. Т. 222,

№

4. С. 817-820.

61. Павловский А. И., Босамыкин В.С., Селемир В Д. и др. Линейные индукционные уско-

рители для СВЧ генераторов // Релятивистская высокочастотная электроника. Н. Нов-

город, 1992. Вып. 7. С. 81-103.

62. Теоретические основы радиолокации / В.Е. Дулевич, А.А. Коростелев, Ю.А. Мельник и

др.; Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1964.

63. Каёаг НапсНюок

Её.-ш-сЫеШ. I. 8ко1шк. N. У.: МсОга\у-НШ, 1970.

64. Бункин Б.В., Гапонов-Грехов А.В., Ельчанинов А. С. и др. Радиолокационная станция на

основе СВЧ генератора с релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ. 1992.

Т. 18, вып. 9. С. 61-64.

65. МапНетег

Ж.М., МезуаХз

С.А.,

Ре1еИп М.1.

АррИсайопз оШ1§Ь-Ро\уег Мюгошауе 8оигсез

1о

ЕпЬапсеё Яас1аг 8уз*етз

АррНсайопз

оГ

Ш§Ь-Ро\уег Мюгохуауез ' Её. Ьу А.У. Оаро-

поу-СгекЬоу апё УЬ. Сгапа*з*ет. ВозЮп: АйесЬ Ноизе, 1994. Р. 169-207. (ТЬе АПесЬ

Ноизе Мюго\уауе ЫЬг.).

Глава 30

ГЕНЕРИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ПИКОСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСОВ

§31.1 О физике пикосекундных процессов

Исследование быстропротекающих процессов с разрешением < 1 не, генери-

рование коротких мощных рентгеновских импульсов и электронных пучков, широ-

кополосные радары и т.д. потребовали создания генераторов мощных импульсов

длительностью « 1 не. Малые габариты и потребляемая мощность делают такие

устройства перспективными для достижения высоких плотностей мощности при

относительно небольших затратах, однако этот диапазон длительностей имеет ряд

специфических особенностей. Значительные трудности, встретившиеся при ос-

воении пикосекундного диапазона, не позволяют пока с уверенностью говорить о

пикосекундной импульсной технике

как

таковой.

Техника мощных пикосекундных импульсов включает в себя генерирование,

передачу и измерение импульсов длительностью <

не при амплитуде напряжения

от

кВ до

МВ. Развитие этой техники требует одновременного создания высоко-

вольтных быстродействующих коммутаторов, широкополосных линий передачи и

соответствующих соединительных устройств, широкополосной аппаратуры для

регистрации одиночных и редко повторяющихся импульсов. Именно несовершен-

ство регистрирующей аппаратуры на протяжении длительного времени не позво-

ляло исследовать процессы в генераторах, чем и объясняется сравнительно мед-

ленное освоение пикосекундного диапазона. В настоящее время большой опыт

конструирования наносекундных генераторов различной мощности позволяет не

только сформулировать требования, обусловленные спецификой пикосекундного

диапазона, но и определить основные пути расчета и конструирования таких уст-

ройств. В этом разделе мы акцентируем внимание на физических процессах в га-

зовых разрядах, приводящих к пикосекундным временам, а также затронем пико-

секундные магнитные явления. О пикосекундных процессах в полупроводниках

мы

уже говорили в § 20.3.

Основное требование, предъявляемое к разрядным коммутирующим устройст-

вам пикосекундного диапазона, - это необходимость обеспечить переход коммута-

тора из непроводящего состояния в состояние высокой проводимости за время

668

Глава 31. Генерирование мощных пикосекундных импульсов

коммутации 1

не. В общем случае коммутатор представляет два металличе-

ских электрода, разделенных средой, имеющей резкую зависимость тока от при-

ложенного напряжения. В качестве такой среды может служить газ, жидкость,

твердый диэлектрик либо полупроводниковая структура. Несмотря на значитель-

ный прогресс в разработке быстродействующих коммутирующих устройств раз-

личных типов, газовые разрядники остаются в настоящее время практически един-

ственным типом коммутатора, пригодным для широкого использования в мощной

пикосекундной импульсной технике. Достоинство газовых коммутаторов - про-

стота в изготовлении и эксплуатации. Кроме того, газовый разряд хорошо изучен в

области 1

не (см. главу 6).

Короткие времена коммутации достигаются применением разрядников с высо-

ким давлением газа либо с большим перенапряжением на газовом промежутке [1,

2]. В случае, когда пробой газа происходит в условиях, близких к статическим, со-

гласно модели Ромпе-Вайцеля время коммутации может быть определено из выра-

жения [2]:

где р - давление газа; Е - напряженность электрического поля, при которой проис-

ходит пробой; ЛТф - коэффициент, зависящий от длительности фронта импульса

напряжения, подаваемого на разрядник (обычно « 10^-20 [2]); а - константа,

характеризующая газ (для азота и воздуха а = 0,8-И атмсм

/с-В

). Если пробой

происходит при неизменном напряжении, то согласно закону Пашена

Е/р

= сопз!,

поэтому /

- р~

. Из выражения (1) следует, что для достижения /

< 1 не необхо-

димо давление р > 10 атм, а при (

= 100 пс нужно иметь давление азота или воз-

духа

= 100 атм. Однако в этих условиях не удается получить ток больше 1-И0 кА

из-за индуктивности образующегося искрового канала, значительно ограничиваю-

щей нарастание тока. Следует отметить, что требование большой скорости роста

тока на выходе коммутатора является одним из основных в пикосекундном диапа-

зоне, так как наличие в тракте даже небольшой паразитной емкости (~1 пФ) замет-

но удлиняет фронт, что может явиться причиной уменьшения амплитуды импульса

на выходе генератора. По этой же причине формирующие элементы пикосекунд-

ных генераторов должны иметь малое волновое сопротивление.

Уменьшения времени коммутации при больших токах через разрядник можно

достигнуть, создав большое перенапряжение на газовом промежутке при большом

числе инициирующих электронов, что приводит к объемному режиму пробоя газа

[2]. Если пренебречь влиянием межэлектродной емкости и сопротивлением конту-

ра, то:

где а - коэффициент ударной ионизации, ь

- скорость дрейфа электронов в газе,

- ток, от уровня которого отсчитывается время /

(обычно /

составляет 10%

от амплитуды тока), (I - длина газового промежутка, е - заряд электрона, -

число инициирующих электронов. Зависимость

р(

/(Е/р)

для различных газов

представлена на рис. 6.6, откуда видно, что при р = сопз* из-за быстрого роста а и

(р/Е)

(31.1)

(31.2)

§31.1

физике пикосекундных процессов

669

при увеличении Е время коммутации уменьшается и достигается /

не уже

при атмосферном давлении азота, если Е > 10

В/см. Характерной особенностью

импульсного разряда при высоком значении Е является отсутствие контрагирован-

ного канала при высоком давлении при больших токах, что делает такие разрядни-

ки наиболее перспективными для пикосекундного диапазона.

Генерирование пикосекундных импульсов больших токов при относительно

невысоких напряжениях, как правило, осуществляется при помощи разряда мало-

индукгивной емкости через газовый лавинный коммутатор [2]. Максимальный ток

будет достигнут в случае, если сопротивление К и индуктивность Ь в контуре

незначительны, т.е. ЫК В этом случае

где а и у

- коэффициент ударной ионизации и скорость дрейфа электронов при

напряжении пробоя коммутатора 11

, С - емкость накопительного конденсатора,

Р(Е/р)

- функция отношения Е!р. Учет сопротивления К приводит

некоторому

изменению функции

Р(Е!р)

(рис. 1). Из формул (3) и (4) следует, что при разряде

в воздухе при атмосферном давлении для Е = 10

В/см и С = 100 пФ величины /

и /

должны составлять 1 кА и 0,1 не соответственно. Экспериментально показа-

но, что эти условия выполняются при двукратном и более перенапряжении на га-

зовом зазоре [2].

Аналогичные условия можно получить и в разрядниках при давлении газа ни-

же атмосферного. В работе [3] испытан разрядник, работающий на левой ветви

кривой Пашена, причем полученные параметры импульсов были близки к тем, что

достигнуты при использовании разрядников высокого давления.

= ау

Ср\ —

\Р)

(31.3)

при этом длительность импульса

( %

« а

\Р)

(31.4)

0,4

ь к

400

Е/р [В/(см -Тор)]

800

Рис.

31.1.

Функция Р(Е!р)

при

различных А

аи

КС и 1

= 0