Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор и методы его исследования 13
1. Принцип действия плазменного релятивистского СВЧ-генератора 13
2. Конструкция и экспериментальные исследования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов 19
3. Численное моделирование плазменных релятивистских СВЧ-генераторов . 22
4. Изменение частоты излучения в течение импульса: эксперимент и расчет 26
Выводы главы 1 32
Глава 2. Укорочение СВЧ-импульса 34
1. Причины и методы преодоления эффекта укорочения СВЧ-импульса в вакуумной релятивистской сильноточной электронике 34
2. Плазменная электроника: преимущества и недостатки решения проблемы укорочения СВЧ-импульса 36
3. Предшествующие работы и возможные причины эффекта укорочения СВЧ-импульса 37
4. Причины срыва процесса генерации СВЧ-излучения 40
5. Способы подавления причин укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе 50
6. Влияние коллекторной плазмы на укорочение СВЧ-импульса в плазменном СВЧ-генераторе 55
7. Выводы главы 2 58
Глава 3. Плазменный СВЧ-усилитель шума 60
1. Цель и метод. 60
2. Сравнение плазменного СВЧ-усилителя шума с плазменным СВЧ-генератором 62
3. О возможности создания плазменного СВЧ-усилителя шума на базе существующего ускорителя с частотой повторения импульсов до 3.5 кГц 72
4. Плазменный СВЧ-усилитель шума с инверсной геометрией 75
5. Выводы главы 3 81
Заключение 82
Выводы 85
Литература 87
- Численное моделирование плазменных релятивистских СВЧ-генераторов
- Изменение частоты излучения в течение импульса: эксперимент и расчет
- Предшествующие работы и возможные причины эффекта укорочения СВЧ-импульса
- О возможности создания плазменного СВЧ-усилителя шума на базе существующего ускорителя с частотой повторения импульсов до 3.5 кГц
Численное моделирование плазменных релятивистских СВЧ-генераторов
Эффект укорочения СВЧ-импульса – одна из основных проблем СВЧ-электроники больших мощностей, как вакуумной, так и плазменной. В результате этого эффекта длительность импульса излучения плазменного СВЧ-генератора значительно меньше длительности импульса тока релятивистского электронного пучка, что приводит к гораздо меньшему значению эффективности его работы, чем можно было бы ожидать. В диссертационной работе не только найден механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе, но и впервые предложен способ возможного устранения причин этого эффекта на практике.
Частоту излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора можно перестраивать в широких пределах [15], но его спектр состоит из отдельных частот [16], т.е. существуют диапазоны частот, в которых невозможно получить генерацию. В диссертационной работе впервые предложен способ генерации мощного СВЧ-излучения со спектром, включающим все частоты от 4 до 16 ГГц на приблизительно одинаковом уровне мощности 108 Вт. Показано, что данный метод генерации СВЧ-импульсов с использованием существующих импульсно-периодических источников электронных пучков позволит в течение секунды получить СВЧ-излучение с однородным распределением спектральной плотности энергии на уровне 0.1 Дж/ГГц в диапазоне частот до 2 октав.
Эксперименты [17, 18] показали возможность изменения частоты излучения в течение импульса плазменного релятивистского СВЧ-8 генератора. Частота излучения плазменного СВЧ-генератора определяется концентрацией плазмы, но существующие методы диагностики не позволяют определять параметры плазмы в системе с релятивистским электронным пучком и сильными СВЧ-полями. В диссертационной работе удалось в численном эксперименте смоделировать изменение концентрации плазмы и частоты излучения в течение импульса, подтвердив тем самым выводы эксперимента и определив пути управления частотой излучения, а также пределы применимости метода.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 94 страницы, включая 50 рисунков и список литературы из 72 наименований.
Диссертационная работа включает в себя решение трех исследовательских задач, которые рассмотрены последовательно в разных главах.
Глава 1 посвящена общему описанию предмета исследования -плазменному релятивистскому СВЧ-генератору. В 1 описывается принцип действия плазменного релятивистского СВЧ-генератора. В 2 представлена схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора, и приведен обзор экспериментальных работ по его исследованиям. В 3 приведен обзор работ по изучению плазменного релятивистского СВЧ-генератора с помощью численного эксперимента, и описана численная модель, использованная в данном исследовании. В 4 приведены результаты решения первой подзадачи диссертационной работы - исследований изменения частоты излучения в течение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора.
Глава 2 посвящена проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменной электронике. Поскольку плазменные СВЧ-приборы имеют много общего с вакуумными, 1 посвящен обзору причин и методов устранения эффекта укорочения СВЧ-импульса в вакуумных релятивистских сильноточных приборах. В 2 проводится сравнение плазменных СВЧ-приборов с вакуумными с точки зрения эффекта укорочения СВЧ-импульса, рассматриваются общие причины эффекта и различия. В 3 приводится обзор существующих работ по проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Так, в работе [58] одной из возможных причин называется температура плазмы, а в работе [47] показано, что образование области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора может приводить к срыву СВЧ-генерации. В 4 изложены основные результаты по исследованию причин эффекта укорочения в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Исследован механизм образования области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора. Найдена неизвестная ранее причина эффекта укорочения СВЧ-импульса — обратный ток электронов по плазме. Показано, что температура электронов плазмы в диапазоне, наблюдаемом в численном эксперименте, сама по себе не влияет на длительность СВЧ-импульса, как предполагалось ранее. В 5 описаны способы, позволяющие подавить эффект укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Первый способ предполагает компенсацию падения коэффициентов отражения и усиления за счет увеличения длины плазменно-пучкового взаимодействия, что достаточно очевидно, но весьма неэффективно в эксперименте и имеет другие недостатки. Более перспективным представляется второй способ, предусматривающий устранение сквозного обратного потока электронов по плазме. Данный метод реализуется за счет добавления на границе плазмы дополнительного электрода, имеющего отрицательный потенциал. В 6 рассматривается влияние коллекторной плазмы на процесс генерации СВЧ-излучения.
Изменение частоты излучения в течение импульса: эксперимент и расчет
ПРГ представляет собой плазменную лампу бегущей волны с обратной связью, которая осуществляется при частичном отражении волн от коллектора и левой границы волноводного резонатора. Пусть k – погонный коэффициент усиления поля волны, L – длина плазменно-пучкового взаимодействия, k1,2 – коэффициенты отражения (по амплитуде электрического поля) от левой и правой (коллектора) границ волноводного резонатора. Тогда первое условие нарастания амплитуды автоколебаний:
Вторым условием генерации является сохранение фазы - после прохождения области взаимодействия в обоих направлениях и отражений от обеих границ резонатора, волна с длиной должна сохранить фазу: к2-2Ь + ф0 =2тМ, где о - изменение фазы, связанное с отражением от границ, N=1,2,3,.. -номер продольной моды.
В общем случае о зависит от концентрации плазмы, здесь этой зависимостью пренебрегается. Также подразумевается равенство длин двух плазменных волн: волны с нарастающей амплитудой, распространяющейся слева направо, и отраженной от коллектора волны, распространяющейся справа налево без взаимодействия с РЭП, а также групповых скоростей этих волн. В этом случае разность волновых чисел kz для волн, индекс N которых отличается на единицу, равен излучения ПРГ, когда концентрация плазмы не меняется, т.е. при неизменной дисперсионной характеристике плазменной волны, может генерироваться набор частот с интервалом:
Для наиболее часто используемых параметров интервал f между частотами излучения ПРГ находится в пределах (0.1-0.5) ГГц.
Коэффициент усиления плазменной волны может быть найден теоретически [34] в линейном приближении для случая неограниченной по длине (L ) области взаимодействия РЭП с плазмой. На Рис. 5, для примера, изображены коэффициенты усиления для системы со следующими параметрами: радиус волновода R = 1.8 см, радиус плазменного волновода Грі = 1.1 см, радиус РЭП гь = 0.6 см, толщина РЭП и плазменного волновода ь = р = 0.1 см, ток РЭП 1ь = 2 кА, релятивистский фактор РЭП = 2 (u=2.61010 см/с), в зависимости от частоты
Как видно из рисунка, усиление плазменной волны приблизительно с одинаковым коэффициентом возможно в широком диапазоне частот, границы которого отличаются, по крайней мере, на порядок. Таким образом, основное отличие плазменных СВЧ-приборов от черенковских вакуумных состоит в следующем. В вакуумных релятивистских черенковских СВЧ-приборах частота излучения определяется пространственно-периодической замедляющей структурой — гофрированным или диафрагмированным металлическим волноводом. Изменение дисперсионных свойств такого волновода возможно только путем его механических изменений. Это делает невозможным существенное изменение частоты от импульса к импульсу при их периодической генерации, поскольку диапазон перестройки частоты излучения путем изменения энергии электронов РЭП не превышает 15% [35]. В плазменных СВЧ-приборах частота излучения определяется концентрацией плазмы, которую можно регулировать в широких пределах. Поэтому частоту излучения плазменных СВЧ-приборов можно произвольно изменять от импульса к импульсу даже при периодическом режиме их следования. Кроме того, частоту излучения можно изменять и в течение импульса. Обратной стороной этого преимущества плазменных приборов над вакуумными является сложность их конструкции за счет наличия источника плазмы и обслуживающих его систем. Кроме того, КПД плазменных СВЧ-источников не превышает 5-10%, в то время как КПД вакуумных приборов достигает 30% и более.
Конструкция и экспериментальные исследования плазменных релятивистских СВЧ-генераторов. Схема экспериментального плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ) [14] представлена на Рис. 6. Рис. 6. Схема плазменного релятивистского СВЧ-генератора [14]: 1 – соленоид, 2 – катод источника плазмы, 3 – трубчатая плазма, 4 – диафрагма, ограничивающая диаметр РЭП, 5 коллектор РЭП, 6 – взрывоэмиссионный катод, 7 – РЭП, 8 - рупор. СВЧ-генератор включает в себя цилиндрический волновод, внутри которого с помощью соленоида 1 создается сильное ( 1 Тл) продольное магнитное поле. Плазма создается в течение нескольких десятков микросекунд путем ионизации газа [36], для этого используется кольцевой термокатод 2, генерирующий трубчатый поток электронов с током до 50 А. Электроны с энергией 600 эВ, эмитированные с термокатода, распространяются вдоль магнитного поля и ионизируют газ, в результате чего образуется трубчатая плазма 3. Распространение электронов с катода источника плазмы ограничено слева диафрагмой 4, а справа — торцом центрального электрода коаксиального волновода 5. Концентрация плазмы в момент инжекции РЭП определяется плотностью газа и временем задержки между подачей напряжений на катод 2 плазменного источника и катод 6 сильноточного электронного ускорителя.
В заранее подготовленную трубчатую плазму инжектируется трубчатый релятивистский пучок электронов 7 с энергией 500 кэВ и током 2 кА. Электронный пучок формируется за счет эмиссии электронов с взрывоэмиссионного катода при подаче на него импульса напряжения, длительность импульса тока РЭП в большинстве экспериментов не превышала 100 нс. В результате взаимодействия электронов РЭП с плазмой генерируется СВЧ-излучение, которое через коаксиальный волновод выводится из области плазменно-пучкового взаимодействия. Электроны РЭП после взаимодействия с плазмой оседают на коллекторе. Дальнейший вывод СВЧ-излучения из генератора осуществляется с помощью преобразователя TEM-волны в моду TE11 круглого волновода и выходного рупора.
В импульсно-периодическом режиме работы после каждого импульса плазма полностью распадается, а перед следующим импульсом РЭП создается снова. Первый успешный эксперимент по исследованию ПРГ был осуществлен в 1982 году [6]. Результаты первых экспериментов [37] подтвердили наличие порогового значения концентрации плазмы и стартового тока РЭП, однако в этих работах практически отсутствовало измерение спектра излучения, а измерения мощности и энергии излучения были неточными.
Первые результаты по измерению спектра ПРГ были получены в [38]. В этой работе использовался анализатор спектра, состоящий из нескольких резонаторов. Каждый резонатор был настроен на разные частоты, возбуждение происходило из одного волноводного тракта. Диапазон этого анализатора спектра (8 — 17 ГГц), оказался меньше ширины спектра ПРГ, а кроме того, излучение измерялось в нескольких точках этого диапазона в относительных единицах. Количественно сравнить результаты эксперимента и расчета поэтому не представлялось возможным.
После создания новых средств диагностики СВЧ-излучения — широкополосного калориметра [39] и калориметрического спектрометра [40] — появилась реальная возможность сравнить данные расчета с результатами эксперимента. Кроме того, источник плазмы [36] позволял менять не только концентрацию плазмы, но и радиус плазменной трубки от импульса к импульсу. С его помощью было исследовано влияние расстояния между плазмой и РЭП на мощность и спектр излучения [41].
Проведенные исследования формы коллекторного узла на отражение плазменной волны [42] позволили уменьшить отражение на выходной границе области плазменно-пучкового взаимодействия и построить СВЧ генератор [15] с 7-кратной перестройкой частоты излучения от 4 до 28 ГГц и хорошим совпадением результатов теории и эксперимента. Интересно отметить, что в работе [15] приведен рисунок экспериментальной установки с коллектором конусной формы, который по причине больших отражений не мог быть использован для генерации излучения с 7-кратной перестройкой частоты. Это следует из результатов [42], известных уже тогда авторам эксперимента [15]. Коллектор цилиндрической формы, который действительно мог использоваться для этой цели, появился на рисунках лишь в более поздних статьях этих авторов. Эволюция спектра излучения в течение импульса микросекундной длительности впервые исследовалась в работе [43] в эксперименте и численных расчетах. Было зафиксировано изменение частоты и ширины спектра излучения. Спектр излучения ПРГ мог быть как широкополосным ( 1 ГГц), так и узкополосным ( 40 МГц).
Первый импульсно-периодический ПРГ с уровнем мощности 108 Вт и электронной перестройкой частоты излучения от импульса к импульсу был создан в работе [14]. Была экспериментально показана возможность произвольной перестройки частоты излучения от импульса к импульсу в диапазоне от 5 до 20 ГГц при частоте следования импульсов до 50 Гц.
Предшествующие работы и возможные причины эффекта укорочения СВЧ-импульса
Эволюция спектра в течение импульса наносекундной длительности исследовалась экспериментально в работе [17]. Измерения проводились с помощью СВЧ-детекторов излучения и фильтров верхних частот – запредельных волноводов. Точность измерений определялась разностью частот фильтров и в разных сериях менялась от 1.5 до 3 ГГц, поэтому выводы носили характер оценок с указанной точностью. В работе была показана принципиальная возможность менять частоту излучения в течение СВЧ-импульса с длительностью 60 нс.
Исследования [17] были продолжены в нашей работе [18] экспериментально и с помощью численного моделирования. Частота генерации излучения в ПРГ определяется концентрацией плазмы, поэтому изменение концентрации плазмы приводит к изменению частоты излучения. Как было замечено ранее, плазма образуется за счет ионизации рабочего газа электронами с термокатода в течение нескольких десятков микросекунд. Поскольку длительность импульса тока РЭП 100 нс, увеличением концентрации плазмы за счет ионизации электронами с термокатода в течение импульса РЭП можно пренебречь.
В ПРГ возможны как уменьшение, так и увеличение концентрации плазмы в течение импульса наносекундной длительности.
Как было показано в расчете [47, 48], при инжекции отрицательно заряженного РЭП вовнутрь квазинейтральной трубчатой плазмы, электростатическое поле РЭП выталкивает электроны из плазмы. Радиус плазменной трубки и ее толщина близки к значениям аналогичных параметров РЭП. Через 20-30 нс после начала инжекции релятивистских электронов концентрация электронов плазмы уменьшается приблизительно на величину концентрации РЭП ( 5-10% от концентрации плазмы), т.е. снижение концентрации электронов за счет этого механизма не очень существенно. Другой механизм временного уменьшения общего числа электронов в плазме связан с прохождением фронта РЭП и возникновением обратного тока в плазме. Кроме того, в следующей главе будет показано, что нагрев части электронов плазмы до 10…100 кэВ приводит к некоторому оттоку электронов из нее.
Уменьшение частоты излучения, соответствующее такому процессу и показанное на Рис. 8, получено в эксперименте [18, 49]. Рис. 8. Экспериментальная зависимость [18] спектра СВЧ-излучения от времени. Уменьшение частоты излучения на 50 МГц (цветом проградуирована интенсивность в отн.ед.).
Более заметное — по сравнению с Рис. 8 — падение частоты излучения, показанное на Рис. 9, может происходить при таком же уменьшении концентрации плазмы. В упоминавшейся выше работе [44] было показано, что при сравнительно небольшом изменении концентрации плазмы может происходить изменение продольной моды колебаний и дискретное изменение (скачок) частоты. Именно такой случай и иллюстрирует Рис. 9.
Если в момент инжекции РЭП плазма не была полностью ионизирована, то возможна ее дальнейшая ионизация в СВЧ-поле. Ионизация газа низкого давления СВЧ-волной активно исследовалась в 1970—80-х годах. Например, в работе [50] было экспериментально показано, что рост концентрации плазмы воздуха при давлении 10-3 Торр в СВЧ-поле с частотой 10 ГГц имеет максимальную скорость при напряженности поля 70 кВ/см. В этих условиях характерное время экспоненциального роста концентрации плазмы воздуха в е « 2.7 раз минимально и равно 200 нс. Приблизительно такие же значения давления газа и частоты поля характерны для ПРГ, а напряженность поля может быть как меньше, так и больше указанной величины. По этой причине при наличии достаточного количества нейтральных атомов в плазме можно ожидать заметного увеличения ее концентрации в СВЧ-поле ПРГ. Отметим, что одна и та же концентрация плазмы может быть получена при разных значениях давления газа и соответствующей степени ионизации.
При моделировании этой задачи в расчете учитывались процессы ударной ионизации нейтральных молекул. Рекомбинация в модели не учитывалась в силу сравнительно малой скорости процесса при указанных давлениях 10-3 Торр и малой длительности импульса. Уменьшение количества электронов и ионов определялось их исчезновением на границах.
На Рис. 10 представлены результаты расчета динамики погонной концентрации частиц плазмы в ПРГ с начальной концентрацией газа 1.31014 см-3 (т.е. с давлением 3.6 10-3 Торр) и плазмы — 1.251013 см-3. В течение 50 нс число ионов удваивается, тогда как число электронов плазмы увеличивается только в 1.5 раза по причинам, описанным выше. Соответствующая динамика спектра излучения, полученная в численной модели, показана на Рис. 11. В результате частота СВЧ-излучения растет от 10.5 ГГц до 12 ГГц. Рис. 10. Результаты расчета [18] с помощью кода Карат: рост погонной концентрации N ионов (1) и электронов (2) плазмы.
Экспериментальная зависимость частоты излучения от времени, соответствующая такому процессу, показана на Рис. 12 [49]. Из рисунка можно сделать вывод, что частоту излучения ПРГ можно менять до 15% в течение импульса с длительностью 60 нс, изменяя концентрацию плазмы.
На Рис. 13. представлены спектры излучения ПРГ в течение импульса с длительностью 45 нс, полученные с помощью численного моделирования для меньшей концентрации плазмы: 51012см-3. График «а» соответствует случаю почти полной ионизации начальной плазмы, «б» – плазма ионизирована слабо (концентрация газа 1014см-3). В первом случае спектр излучения представляет собой дискретную частоту. Во втором случае частота излучения растет со временем, и спектр состоит из частот, больших, чем в случае полной ионизации.
О возможности создания плазменного СВЧ-усилителя шума на базе существующего ускорителя с частотой повторения импульсов до 3.5 кГц
В плазменных СВЧ-приборах, в отличие от вакуумных, РЭП экранирован снаружи плазмой, благодаря чему может быть отодвинут от стенки металлического волновода. В результате стенка не подвергается бомбардировке электронами релятивистского пучка. Кроме того, амплитуда СВЧ-поля быстро спадает при удалении от плазмы, поэтому поле на стенке металлического волновода значительно меньше, чем в плазме, с которой осуществляется черенковское взаимодействие РЭП. Таким образом, в плазменной сильноточной СВЧ-электронике практически полностью отсутствует причина СВЧ-пробоя на поверхности замедляющей структуры — металлического волновода с гладкими, направленными вдоль силовых линий магнитного поля стенками и плазмой внутри. Несмотря на это, эффект укорочения СВЧ-импульса в плазменной электронике существует, он наблюдался в экспериментах [55], [14] и др.
Структура плазменной волны в плазменном волноводе такова, что эффективный вывод ее из устройства возможен только при наличии центрального коаксиального электрода в волноводе, где поле СВЧ-волны велико. Этот электрод во всех созданных на сегодняшний день экспериментальных устройствах служит одновременно коллектором релятивистских электронов, поэтому проблема образования коллекторной плазмы актуальна в плазменных СВЧ-приборах так же, как и в вакуумных. Именно с целью устранения коллекторной плазмы в экспериментальном ПРГ [56] с микросекундной длительностью импульса тока применялся коллектор РЭП в виде длинного полого цилиндра (трубки). Приблизительно такой же коллектор использовался в ПРГ [57], и это единственное его отличие от аналогичного прибора [14] с торцевым графитовым коллектором позволило увеличить длительность СВЧ-импульса с 30 до 70 нс.
Общей проблемой вакуумной и плазменной СВЧ-электроники больших мощностей является также образование и динамика плазмы на взрывоэмиссионном катоде и входной диафрагме. Решение для плазменной СВЧ-электроники точно такое же, как и в вакуумной электронике.
Предшествующие работы и возможные причины эффекта укорочения СВЧ-импульса Попытка объяснить эффект укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе (ПРГ) была предпринята в [58]. В работе проводилось численное моделирование ПРГ с помощью кода КАРАТ. Электроны и ионы плазмы моделировались крупными частицами (PIC-метод), но ионы плазмы считались неподвижными. В работе рассматривалось влияние температуры электронов плазмы на срыв процесса СВЧ-генерации. Результаты расчетов показали, что срыв излучения наступает с увеличением энергии значительной части электронов до 100-170 кэВ в течение 100 нс. К достоинствам работы относится то, что в ней было впервые получено ограничение длительности СВЧ-импульса излучения плазменного мазера на численной модели. К недостаткам следует отнести значительные отличия полученного в расчетах спектра излучения с согласованными результатами эксперимента и расчета с моделью плазмы по Друде [45], показанными в [43]. Кроме того, при увеличении концентрации плазмы срыв процесса излучения не наблюдался вообще, что противоречит экспериментальным результатам [14].
Дальнейшее исследование эффекта укорочения СВЧ-импульса в ПРГ проводилось в работе [47]. Методом численного моделирования была найдена одна из возможных причин укорочения СВЧ-импульса, а именно, образование и постепенное расширение области между заранее приготовленной плазмой и коаксиальным коллектором СВЧ-генератора, в которой концентрация плазмы уменьшалась на порядок и более. Плазма со столь низкой концентрацией оказывает такое же влияние на работу ПРГ, как и ее полное отсутствие, поэтому показанное в [47] падение концентрации эквивалентно образованию и росту вакуумного промежутка между плазмой и коллектором. На Рис. 16, приведенном в работе [47], показана погонная плотность электронов плазмы для различных моментов времени. Рисунок демонстрирует образование и увеличение длины области с пониженной концентрацией электронов плазмы, а, следовательно, и ионов, у коллектора (Z=15 см). С помощью численной модели авторами [47] была получена зависимость коэффициента отражения плазменной волны от коллектора в зависимости от величины зазора между краем плазменного цилиндра и коллектором (Рис. 17). Коэффициент отражения волны рассчитывался путем сравнения амплитуд волновых пакетов, падающего на коллектор и отраженного от него. Поскольку в процессе отражения форма волнового пакета меняется, определение коэффициента отражения было до некоторой степени произвольным.
Итак, в расчете [47] было показано, что увеличение зазора между плазмой и коллектором приводит к падению в несколько раз коэффициента отражения плазменной волны от коллекторного узла, что приводит к нарушению условия генерации, и процесс СВЧ-излучения прекращается. Тем не менее, вопрос о том, как и почему образуется зазор между плазмой и коллектором, в работе [47] описан не был.
На основе ранее проведенных исследований, можно сделать вывод о следующих причинах эффекта укорочения СВЧ-импульса в ПРГ. Первой причиной является образование области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора [47], наличие этой области нарушало обратную связь и приводило к срыву автоколебаний. Второй причиной в работе [58] названо повышение температуры плазмы, но в этой работе срыв излучения наступал значительно позже, чем в эксперименте [55].
Исследования [47, 58] по поиску причин эффекта укорочения в ПРГ были продолжены автором диссертационной работы в расчетах [19, 20], результаты которых изложены далее. 4. Причины срыва процесса генерации СВЧ-излучения
Поиск причин образования промежутка между плазмой и коллектором показал, что такое движение границы плазмы может происходить без включения СВЧ-генератора, т.е. без СВЧ-полей в области коллектора. В серии расчетов [19] длина плазменно-пучкового взаимодействия L была уменьшена до 5 см — до значения меньше порогового, что исключало автогенерацию СВЧ-излучения электронами РЭП. В описанной численной модели коаксиальный коллектор с бесконечно (так заданы граничные условия) большой длиной имеет волновое сопротивление 24 Ом, поэтому при прохождении тока РЭП, равного 2 кА, потенциал коллектора приближается к -50 кВ. В реальном эксперименте проводники, соединяющие коллектор с корпусом, имеют индуктивность 10-8…10-7 Гн, при прохождении фронта тока РЭП эта индуктивность обеспечивает коллектору отрицательный потенциал того же порядка величины. Дебаевский радиус плазмы с концентрацией 1.51013 см-3 равен в начале процесса 610-4 см и растет с увеличением температуры плазмы. Электростатическое поле коллектора ( 106 В/см) проникает в плазму на глубину 10-2 см, притягивая ионы к коллектору. Рис. 18 демонстрирует это движение — ионы из приграничной к коллектору области после инжекции РЭП и приобретения коллектором отрицательного потенциала слой за слоем начинают движение в сторону коллектора, ускоряются и исчезают на его поверхности.
