Исследование в СВЧ диапазоне

ИССЛЕДОВАНИЯ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Когда к содержащей газ трубке прикладывается электрическое поле с напряженностью, достаточной для того, чтобы вызвать пробой, скорость электронов и ионов возрастает до очень больших значений. До тех пор пока частота приложенного поля не слишком велика, т. е. направление силы, действующей на заряженную частицу, не успевает измениться на обратное, прежде чем частица пересечет трубку, имеется большая вероятность того, что столкновение со стенкой вызовет рождение новых частиц; в результате концентрация ионов и электронов будет повышаться. Когда скорость рождения электронов за счет указанного механизма превышает скорость их исчезновения, происходит быстрое увеличение концентрации, вызывающее искрение, или пробой.

Электроны обычно играют доминирующую роль, ибо в заданном электрическом поле они ускоряются гораздо более эффективно, чем ионы. Рождение вторичных электронов и ионов при ударе о6 электроды или стенки является характерной особенностью разряда на постоянном токе. При некоторых переменных полях разряд может по существу происходить так же, как на постоянном токе. Другими словами, в этом случае в течение каждого полупериода приложенного поля просто происходят разряды на постоянном токе. При некоторых условиях такой процесс может протекать при частотах, достигающих сотен килогерц. Пробой в постоянном поле может в гораздо большей степени зависеть от материала электродов и условий на их поверхности, чем от свойств газа. По этой причине развитие представлений об основных явлениях в газах шло довольно медленно. В результате к концу второй мировой войны, несмотря на многолетние и обширные исследования, не было создано сколько-нибудь удовлетворительной теории, позволяющей предсказывать напряжение пробоя в газах.

Введение

13

Развитие радаров во время второй мировой войны привело к усовершенствованию СВЧ техники и широкому использованию СВЧ ■оборудования. Это открыло новые возможности во многих областях науки, и в частности в изучении газов. При использовании очень высокочастотных полей в газовом разряде электроны успевают пройти весьма небольшой путь до того, как поле изменит направление. Поэтому электроны не устраняются полем из области разряда, а остаются в ней, двигаясь с относительно низкими скоростями. ■Следовательно, они практически не вызывают вторичных эффектов на стенках газоразрядной камеры. В силу указанных причин техника СВЧ сделала возможным изучение взаимодействий между электронами, атомами и ионами в условиях, когда влиянием явлений у электродов можно было пренебречь, что ранее было практически невозможно.

Из большого объема экспериментальных и теоретических данных мы сейчас остановимся только на некоторых, чтобы показать, какого рода эксперименты были проделаны. Детали экспериментов мы рассмотрим в следующих главах, ограничившись сейчас лишь самым необходимым для понимания экспериментальных методов.

Эксперимент. На фиг. 1.1 схематически показан упрощенный вариант типичного экспериментального устройства. Мощность, генерируемая очень стабильным магнетроном непрерывного режима,

О

Волномер

О

Магнетрон

непрерывного

действия

Согласованная

нагрузка

        ЛИН

Термистор и мост

Направленный

ответвитель

L

.        . Измерительное

1, ) устройство

Детектор

Аттенюатор

Резонатор

-о—

Фиг. 1.1. Упрощенная схема типичной установки для измерения высоко-
частотных пробойных полей.

подается в резонансную полость. В волномер ответвляется небольшая часть мощности для измерения частоты. Термисторный мост, связанный с направленным ответвителем, контролирует поток

Введение

15

мощности, регулируемый делителем мощности. Небольшая часть мощности отводится через аттенюатор на детектирующее и измерительное устройство. Для данной частоты и данного резонатора комбинация аттенюатора и измерительного устройства калибруется с помощью термисторного моста и используется при пробойных измерениях для регистрации мощности в резонаторе, ибо измерения с мостом отнимают очень много времени.