Международные отношения
Зависимость выходной мощности
- Подробности
- Категория: Международные отношения
Для малообъемного ГДИ8 эффективность применения рекуперации для повышения технического КПД была исследована в работе 36. При измерении тормозных характеристик коллекторарекуператора (см. рис. 9а) было установлено, что максимум технического КПД ГДИ8 достигается при UkIUa = 0,230,26. При дальнейшем понижении потенциала коллектора часть электронов пучка возвращается в пространство взаимодействия и вызывает снижение выходной СВЧмощности ГДИ. Эффективность применения рекуперации энергии "отработавших" электронов во всем диапазоне изменения рабочего тока и выходной СВЧмощности составляла nTIn0 = 2,02,2, что позволило повысить общий КПД генератора с ц0 =11,5% до Пт = 24,5% (см. рис. 9б). Таким образом, использование режима рекуперации в ГДИ повышенной мощности позволяет повысить технический КПД и существенно снизить нагрев коллектора при использовании интенсивных электронных пучков. пучка в многопролетном режиме. Поэтому использование уже двухпролетного режима в отражательном ГДИ позволяет снизить пусковой ток в 48 раз и осуществить «безмощностное» управление частотой при изменении потенциала отражателя 14.
Так как часть электронов пучка при взаимодействии с полем ОРС получает дополнительную прибавку в скорости, то в отражательном ГДИ существует проблема бомбардировки катода ускоренными электронами отраженного пучка.
Кроме того, из за многократного пролета в электронном пучке резко возрастает пространственный заряд, поэтому отражательный ГДИ это в первую очередь, маломощный гетеродинный источник когерентных колебаний с низким энергопотреблением.
Для отражательных ГДИ при рабочих токах электронного пучка I0 = 1020 мА наиболее приемлемым является двухпролетный режим, когда при втором пролете электроны пучка полностью оседают на периодической структуре, и не происходит бомбардировки катода электронной пушки. Режим двухкратного пролета электронов осуществляется специальным выбором формы отражателя и юстировкой ГДИ в магнитном поле 14. Наиболее эффективным оказалось применение многопролетного режима в ГДИ с двойной периодической структурой 37. Хорошее токопрохождение электронного пучка в пролетном канале двойной периодической структуры (8090%) позволяет увеличить число эффективных пролетов до n=710. При этом пусковой ток многопролетного ГДИ снижается в сотни раз и составляет 1st 0,05 мА (Ist1=16 мА).
Зависимость выходной мощности от тока пучка для многопролетного ГДИ носит нелинейный характер (см. pra. 10а, кривая 1), причем плавная регулировка СВЧмощности при изменении тока пучка характеризует гетеродинные свойства этого генератора. В то же время быстрое нарастание амплитуды колебаний в однопролетном режиме затрудняет использование ГДИ как гетеродинного источника колебаний (см. рис. 10а, Для отражательного и многопролетного режимов работы ГДИ возбуждение генерации наблюдается в отдельных зонах по напряжению отражателя (см. рис. 10б). Для максимума мощности в первой зоне напряжение отражателя составляет Uотр /Uc=0,1, а для второй зоны Urn /UC=0,30,45. Для тока пучка I = 3мА и 7 мА зоны генерации ГДИ в многопролетном режиме приведены 0б. Диапазон «безмощностной» перестройки частоты в обеих зонах генерации примерно одинаковый, но крутизна перестройки частоты в первой зоне постоянна и выше, чем во второй зоне. Следует отметить, что для многопролетного ГДИ значительно снижаются уровни фокусирующего магнитного поля. Так, минимальный пусковой ток Ist = 0,05 мА достигается уже при магнитном поле B = 0,18 Тл.
2.3 ГДИавтодин, режимы внешнего и внутреннего детектирования
Автодинный эффект в ГДИ, как и в других типах генераторов, заключается в их реакции на собственный сигнал, отраженный от объекта, и проявляется в изменении внутренних характеристик ГДИ амплитуды поля в ОР, частоты генерации и значения коллекторного тока. В зависимости от того, какие из этих характеристик подлежат регистрации, для ГДИавтодинов используют режимы работы с внешним и внутренним детектированием сигналов. При регистрации изменений амплитуды и частоты генерации применяются методы внешнего детектирования полупроводниковыми детекторами, а в случае внутреннего детектирования (см. рис. 6г) измерение приращений токов пучка, вызванных принимаемым сигналом, производят при помощи внутреннего электронного детектора.
Для оценки эффективности режима внешнего детектирования вводят коэффициент автодинного усиления Kc, характеризующий отношение прироста выходной мощности автодина к величине поступившего сигнала от исследуемого объекта. Проведенные исследования ГДИавтодинов 13,14 показали, что для осуществления эффективных режимов с внешним детектированием при Kc = 30200 рабочий ток ГДИ должен превышать пусковой не более чем на 2030%. Максимальные значения Kc = 200 наблюдаются на краях зоны электронной перестройки, а в центре зоны генерации (вблизи максимума выходной мощности) коэффициент автодинного усиления снижается до Kc = 30. Таким образом, для автодинного режима работы ГДИ оптимальным является режим с относительно низким уровнем выходной мощности, а сами автодинные системы с использованием ГДИ предназначены для работы в непосредственной близости к исследуемым объектам.
Автодинные приборы с внешним детектированием, характеризующиеся простотой конструкции и высокой чувствительностью, обладают рядом ограничений, связанных с наличием в схеме полупроводникового детектора. Особенно они проявляются в тех случаях, когда для измерений требуются приемные устройства с широким динамическим диапазоном, возможностью регулировки параметров, высокой надежностью и помехозащищенностью. Перечисленными свойствами обладают ГДИавтодины в режиме внутреннего детектирования (см. рис. 6г). Принимаемый сигнал, воздействуя на ГДИавтодин, вызывает изменение в распределении скоростей электронов пучка на выходе пространства взаимодействия. При этом регистрируемый сигнал выделяется из тока пучка в цепи коллектора. Выбор потенциала коллектора лишь слегка превышающего потенциал катода (Uk/Uc = 0,050,1) приводит к возникновению вблизи коллектора потенциального барьера пространственного заряда, обладающего хорошими детектирующими свойствами. Режим внутреннего детектирования в ГДИавтодине выгодно отличается высокой чувствительностью, превышающей в ряде случаев чувствительность полупроводниковых диодов 38. Таким образом, внутреннее детектирование или автодетектирование следует считать более естественным и универсальным режимом для ГДИавтодина.
2.4 Пакетированные ГДИ непрерывного и импульсного действия
Создание пакетированных ГДИ средней мощности, перекрывающих весь миллиметровый диапазон длин волн, связано с решением ряда проблем. Чем короче длина волны, тем меньшим (при заданном ускоряющем напряжении электронного пучка) должен быть период дифракционной решетки. Уменьшение периода дифракционной решетки неразрывно связано с усложнением технологии изготовления, снижением коэффициента использования толщины электронного пучка, а, следовательно, с необходимостью применения тонких электронных пучков с высокой плотностью тока. Происходит возрастание уровня фокусирующего магнитного поля, повышаются требования к точности сборки узлов ГДИ. Определенные трудности возникают и при создании пакетированных ГДИ в длинноволновой части миллиметрового диапазона, где длина волны становится больше ширины дифракционной решетки и приближается к эффективной длине пространства взаимодействия. Уровень дифракционных потерь в ОРС ГДИ с такими периодическими структурами сильно возрастает, а добротность колебаний ОР в длинноволновой части миллиметрового диапазона обычно не превышает 1000. Поэтому одной из главных задач, которую необходимо решить при разработке пакетированных ГДИ, является выбор эффективной колебательной системы и оптимизация ее параметров (см. п. 1.3 и п. 1.4).
Рассмотрим некоторые примеры успешной реализации в научных исследованиях преимуществ источников дифракционного излучения. Для ГДИ это, прежде всего, высокая стабильность частоты при широком диапазоне перестройки и достаточно высоком уровне выходной мощности во всем ММдиапазоне длин волн. Начало выпуска в 19731978 гг. первых ГДИ малыми сериями в ИРЭ АН УССР позволило ликвидировать имеющийся на то время пробел в когерентных источниках излучения. Одним из первых применений ГДИ были эксперименты по диагностике термоядерной плазмы на стеллараторе в ХФТИ АН УССР, а затем использование ГДИ в других экспериментах по резонансному рассеянию волн при диагностике плазмы 42, 43. В этих исследованиях преимущество ГДИ по сравнению с выпускавшимися серийно ЛОВ заключалось в высокой стабильности частоты генерации и повышении динамического диапазона измерений параметров плазмы, что позволяло отказаться от дополнительных устройств стабилизации частоты источника колебаний.