Влияние примесей инертного газа на режимы генерации магнетрона



Влияние примесей инертного газа на режимы генерации магнетрона

Парпула Ольга Андреевна, магистр, аспирант;

Костров Георгий Андреевич, магистр;

Ермолаев Александр Владимирович, кандидат физико-математических наук;

Поляков Игорь Вячеславович, кандидат физико-математических наук, доцент

Волгоградский государственный технический университет

В работе приведены исследования влияния частиц инертного газа на выходные характеристики магнетрона. Эксперименты показали, что соответствующим подбором концентрации примеси инертного газа можно добиться смещения частоты генерации на величину большую, чем величина электронного смещения частоты данного прибора.

Ключевые слова: магнетрон, спектр генерации, инертный газ, математическая модель, колебания π‑вида

В пространстве взаимодействия магнетронного генератора не всегда возможно добиться абсолютного вакуума, и наличие разного рода примесей является одним из источников шумов. Однако вопрос о влиянии примесей инертных газов на спектр выходного сигнала магнетронов исследован недостаточно, хотя такой способ увеличения уровня шума не требует сложно перестройки конструкции магнетрона, а, следовательно, не потребует серьёзных затрат.

Добавим в пространство взаимодействия примесь ионизированного инертного газа. Получать необходимые свойства спектра в этом случае можно изменением концентрации примеси.

Для исследования процессов, протекающих в генерирующем магнетроне при наличии в пространстве взаимодействия примесей инертных газов, используется самосогласованная многочастотная трехмерная модель магнетронного генератора [1, 2] реализованная методом «крупных частиц».

Наличие примеси ионов в потоке частиц приводит к смещению частоты генерации. Величина смещения зависит от значения средней объемной плотности пространственного заряда и линейно возрастает с ростом количества ионов примеси.

Увеличение частоты генерации связано с тем, что скорость вращения электронного потока увеличивается, он как бы обгоняет электромагнитную волну, возбуждаемую резонансной системой магнетрона. Это может приводить к появлению в спектре выходного сигнала гармоник, уровень которых значительно превышает -40 дБ. На рисунках 1–3 приведены спектры выходных сигналов для трех различных значений модуля средней плотности объемного заряда.

Спектр на рисунке 1 соответствует режиму генерации, при котором объемная плотность положительного заряда равна 3 мКл/м³, т. е. меньше объемной плотности отрицательного заряда. В области, близкой к частоте генерации 2,44589ГГц уровень, больший чем ‑40 дБ имеют гармоники с частотами 2,3698 ГГц (-26,9 дБ); 2,2896ГГц (- 28,5 дБ) и 2,2362 ГГц (-31,0 дБ).

Рис. 1. Спектр выходного сигнала при наличии ионов гелия в пространстве взаимодействия магнетрона. Средняя плотность пространственного заряда ионного потока 3 мКл/м³

Характерной особенностью спектров сигнала в режимах с примесями является нарастание шума в низкочастотной области спектра. Для рассматриваемого спектра в этой области выделяются гармоники с частотами 0,2272 ГГц (-24,7 дБ), 0,11582 ГГц (-25,4 дБ) и 0,093545 ГГц (-25,4 дБ).

На следующем рисунке 2 представлен спектр сигнала, объемная плотность положительного заряда которого равна 16 мКл/м³. В данном случае объемная плотность отрицательного заряда меньше положительного в три раза. Частота генерации становится равной 2,4634 ГГц. Генерируемая мощность частично перераспределяется по боковым гармоникам, лежащим в области, близкой к частоте генерации, что приводит к значительному росту уровней гармоники, соответственно их абсолютных величин. Причем гармоника с частотой 2,3342 ГГц и уровнем ‑12,5 дБ по абсолютной величине равна приблизительно 200 Вт, а гармоника с частотой 2,597 ГГц и уровнем ‑18,6 дБ по абсолютной величине равна 100 Вт. Кроме того в этой области уровень выше ‑40 дБ имеют гармоники с частотами 2,303 ГГц (-27,03 дБ); 2.2095 ГГц (‑29,7 дБ).

Но особо заметной становится генерация в низкочастотной области. Здесь у гармоники с частотой 0,12473 ГГц абсолютной значение равно 320 Вт (‑8,8 дБ), у гармоники с частотой 0,062 ГГц абсолютное значение составляет приблизительно 70 Вт (‑21,0 дБ).

Следует отметить, превышении средней объемной плотности положительного заряда над отрицательным начинается рост уровня гармоники, частота которой приблизительно равна половине частоты генерации. При рассматриваемой концентрации положительного заряда уровень этой гармоника с частотой 1,2339 ГГц составляет около 40 дБ.

На рисунке 3 представлен спектр, соответствующий режиму генерации, при котором объемная плотность положительного заряда приблизительно в семь раз больше объемной плотности отрицательного заряда и равна 31 мКл/м³. Частота генерации увеличивается до 2,4723 ГГц, вблизи нее гармоника с частотой2,3654 ГГц и уровнем ‑16,7 дБ имеет абсолютной значение приблизительно 150 Вт. Симметричная ей гармоника с частотой 2,5792 ГГц по абсолютному значению примерно 50 Вт (‑26,7 дБ).

Уменьшение мощности боковых гармоник частоты генерации связано с нарастанием уровня шума в низкочастотной области спектра. Здесь максимальная гармоника с частотой 0,10691 ГГц (‑14,2 дБ) имеет мощность 180 Вт. Несмотря на то, что, т. е. она меньшее абсолютное значение чем максимальная гармоника в этой области спектра в предыдущем случае, теряемая в среднечастотной области спектра мощность распределяется по низкочастотной области увеличивая уровень шума.

Также возрастает уровень гармоники с частотой приблизительно равной половине частоты генерации (частота 1,225 ГГц, уровень ‑37,4 дБ) и ее сателлитов.

Таким образом, рост концентрации примеси инертного газа приводит росту уровня боковых гармоник возле гармоники, соответствующей частоте генерации. При этом заметно увеличивается уровень шума в низкочастотной области спектра в интервале от 0,1 до 0,3 ГГц, что приводит к уменьшению мощности выходного сигнала.

Рис. 2. Спектр выходного сигнала при наличии ионов гелия в пространстве взаимодействия магнетрона. Средняя плотность пространственного заряда ионного потока 16 мКл/м³

Рис. 3. Спектр выходного сигнала при наличии ионов гелия в пространстве взаимодействия магнетрона. Средняя плотность пространственного заряда ионного потока 31 мКл/м³

Исследование влияния примеси ионизированного инертного газа в пространстве взаимодействия магнетрона на спектральный состав выходного сигнала, проведенные с использованием самосогласованной математической модели магнетронного генератора, показали, что соответствующим подбором концентрации примеси инертного газа можно добиться смещения частоты генерации на величину большую, чем величина электронного смещения частоты данного прибора.

При наличии примеси ионов инертного газа возбуждаются боковые гармоники вблизи частоты генерации, уровни которых значительно выше уровня шума.

Литература:

1. Ермолаев А. В. Численная модель многочастотного взаимодействия в магнетронном генераторе [Текст] / А. В. Ермолаев // Вопросы физической метрологии: Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. — 1999. — Вып. 1. — С. 94–102.
2. Парпула О. А. Управление спектральным составом выходного сигнала при модуляции электронного потока анодным напряжением / А. В. Ермолаев, И. В. Поляков, О. А. Парпула // Молодой ученый. — 2016. — № 11. — С. 115–119.