Введение к работе
Актуальность темы. Изучение физических процессов, протекающих в приборах сверхвысоких частот, направленное на создание новых устройств с заранее предсказанными характеристиками или на совершенствование параметров современных приборов, является одним из приоритетных направлений развития физической электроники. Среди всех типов СВЧ приборов важное место принадлежит электровакуумным приборам М - типа, благодаря их хорошим техническим характеристикам (высокий электронный коэффициент полезного действия, достаточно малый вес при генерации или усилении больших уровней мощности). Это позволяет эффективно использовать их в системах: радиолокации, радионавигации, радиопротиводействия, в устройствах промышленного нагрева, в быту.
Наряду с этими качествами все приборы со скрещенными полями обладают рядом параметров, которые можно рассматривать как недостатки или использовать как полезные свойства. Это, прежде всего, высокий уровень шума, присущий всем типам приборов М-типа.
С одной стороны, он ограничивает минимальный уровень входного сигнала и не позволяет получать высокий коэффициент усиления в лучевых усилителях, что не дает возможности получить «чистый» одночастотный сигнал при генерации высоких уровней мощности, приводя, тем самым, к появлению целого спектра колебаний с различными частотами в выходном тракте. Эго может привести к нарушению работы других радиоэлектронных средств (РЭС). Проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) систем, использующих такие приборы, являются весьма сложно решаемой задачей и требуют порой такого усложнения выходных трактов мощных СВЧ устройств, что приводит к существенным экономическим затратам.
С другой стороны, наличие сложного спектра шумов, например, в генераторах, в принципе допускает создания приборов, способных генерировать (в пределах полосы пропускания замедляющей системы) стохастический сигнал, что позволяет создавать генераторы шума с высоким уровнем мощности.
Хотя многие исследователи констатируют высокий уровень шума, до сих пор, нет единого мнения о его причинах. В первую очередь, обращает на себя внимание, оседание электронов на электроды, которого не должно быть при наличии только статистических полей. В связи с чем, высокий уровень широкополосного шума как на высокочастотном выходе, так и на коллекторе усилителей и генераторов со скрещенными полями значительно превышает уровень дробового и фликкер- шумов. Экспериментальным исследованиям о токе отрицательного электрода или о шуме коллекторного тока посвящено достаточно много работ. Но спектр этих шумов лежит в достаточно низко частотном диапазоне, в то время как шумы в приборах М-типа не имеют равномерного распределения по частотам, образуя сложный спектр. Измерениям же коэффициента шума в высокочастотной области спектра уделялось недостаточно внимания и обычно они проводились лишь как побочные измерения при разработке приборов.
Из гипотез, которые в той или иной мере мй^ДООДШйПйй!РЯ*гь появление шумов, можно, прежде всего, отметить вд шшсвдшпДОШко потока па на-
: yawl
4 растание шума. Электронный поток в скрещенных электрическом и магнитных полях нестабилен даже при отсутствии влияния на него внешних факторов, поскольку при эмиссии с катода и при дальнейшем его движении в пространстве взаимодействия взаимное влияние отдельных электронов друг на друга приводит к случайному изменению их траекторий и скоростей. Кроме того, поток склонен к самопроизвольному возбуждению плазменных колебаний, за счет перераспределения в пространстве взаимодействия зарядов, а так же циклотронных и ларморовых колебаний в связи с движением частиц в магнитном поле. Все это приводит к мысли, что изучение спектрального состава электронного потока, транспортируемого в скрещенных статических электрическом и магнитном полях, может помочь в какой-то степени разобраться с причинами появления достаточно высоких уровней мощности шума.
Целью работы является разработка и развитие методов анализа структуры и спектрального состава плоского ( ленточного ) электронного потока в скрещенных статических электрическом и магнитных полях, исследование влияния на спектр шума различных физических факторов.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи.
Изучены и обобщены основные методы расчета структуры электронных потоков и полей пространственного заряда.
Проведены исследования о применимости различных методов расчета полей пространственного заряда для моделирования электронных потоков с целью изучения их спектрального состава и доказана необходимость учета «предыстории» при моделировании электронных потоков конечной длины.
Создана математическая модель, позволяющая изучать динамику трехмерного электронного потока, движущегося в пространстве взаимодействия со сложной геометрией, в соответствии с реально представляемым стохастическим распределением частиц по координатам и скоростям.
Разработана методика получения и обработки временных и пространственных сигналов для изучения спектральных характеристик электронных потоков.
Проведен цикл исследований по изучению спектральных характеристик при различных параметрах потоков как с одинаковой скоростью электронов, так и промодулированных по скорости. Научная новизна работы заключается в следующем:
Реализован метод расчета влияния сил пространственного заряда, основанный на вычислении сил взаимодействия непосредственно между частицами, составляющими поток, по закону Кулона.
Установлено, что для получения достоверной информации о структуре потока необходимо использовать трехмерную модель потока при случайном законе распределения по координатам инжектируемых частиц и при реализации случайного закона распределения частиц по скоростям (в пределах заданного интервала разброса скоростей частиц), и определении сил пространственного заряда методом «частица-частица».
Впервые предложен метод анализа временных и пространственных распределений спектральной плотности в потоке и доказано, что эти распределения несут различную информацию о потоке.
Впервые доказано, что в плоских трехмерных потоках наличие разброса по скоростям в пределах 10 процентов от средней величины мало сказывается на распределении спектральной плотности в достаточно широком диапазоне частот анализа.
Показано существование комбинационных частот при скоростной модуляции потока, как для временных, так и для пространственных гармоник потока.
Установлено, что временные и пространственные распределения по току и по плотности пространственного заряда позволяют расшифровывать наличие модуляции электронов по скорости с определенной частотой.
Впервые установлено, что в СВЧ приборах, при решении вопросов электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, необходим учет условий возбуждения высокочастотного сигнала как минимум до 12 гармоники, поскольку их уровень превышает уровень общего шума более чем на 5Д6.
Практическая ценность работы.
Разработана численная модель электронного потока, позволяющая изучать структуру потока при случайном распределении заряженных частиц по координатам и скоростям
Создана методика анализа временных и пространственных спектров потока;
Доказана определенная консервативность электронного потока по спектральной плотности шума в зависимости от вариации скорости и координаты влета частиц.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались в НИР «Математическое моделирование многочастотных взаимодействий в скрещенных полях» (№ государственной регистрации 01990010964), (1999-2004) выполненной по планам фундаментальных и поисковых работ Министерства образования РФ на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета, а также в НИР «Исследование возможности создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М-типа» (№ 54-53/429-04) выполняемой на кафедре физики ВолгГГУ в настоящее время. Отдельные материалы работы включены в курсы лекций по дисциплинам «Вакуумная и газоразрядная электроника» и «Электроника СВЧ» для студентов специальности 0107001 -Физика.
Часть работ проводилась в соответствии с НИР но гранту №54/418-03 для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России (2003-2004 г.г.).
Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с результатами других авторов.
Основные положения и результаты выносимые на защиту. 1. Математическая модель трехмерной системы со скрещенными полями с ленточным электронным потоком, предназначенная для исследования спектрального состава потока как при многочастотном электронно-волновом взаи-
модействии в скрещенных полях, так и без него.
Способ определения временных и пространственных распределений спектрального состава электронного потока по току и по пространственному заряду.
Комплекс исследований спектрального состава электронною потока, существенно расширяющий фундаментальные представления о физике шумовых процессов в приборах М-типа.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на V, VI и VII региональных конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2000-2002 г.), на VlII-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва 2002г.), на II Международной Сибирской студенческой школе-семинаре по электронным приборам и материалам ЕРМ'2001(Новосибирск 2001г.), на Х-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Москва 2004 г.), на смотре конкурсе научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ (2001г.), на научных конференциях и семинарах ВолгГТУ
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем. Диссер!ация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 79 наименований. Общий объем составляет 127 страниц, включая 57 рисунка.
Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: разработал численную модель электронного потока, получил и проанализировал множество результатов, связанных с влиянием на спектральное распределение шумов начальных параметров потока.
