Μελέτη και σχεδίαση κυματοδηγικού vircator

Abstract

This thesis presents the research that has been conducted on a special type of microwave tube, the Virtual Cathode Oscillator, or Vircator, as it is widely known. High power microwave systems are presented and the difficulties of these systems are examined. Physics principles, required for understanding the microwave tubes operation, are presented. Fundamental problems, such as the Child-Langmuir law for the vacuum diode, the formation of virtual cathode in the vacuum triode, in the short-circuited vacuum diode and in electron beams, are examined. Vacuum tube-specific terms, such as electron emission, plasma oscillations, vacuum breakdown and interelectrode plasma properties are demonstrated. In the text, an extensive research regarding Vircators is included. The physical processes that lead to microwave generation are investigated. The inherent instability of Vircators as microwave generators is explained, together with all the facts that make them a special class of tubes. The method of designing a Vircator is analytically presented. The theoretical research and development of the Vircator tube is demonstrated. The design of the tube, its construction, the vacuum system, the high voltage system, and the experimental work is fully explained. Extensive results are presented, together with all the difficulties that had to be solved. Experimental results are compared to theoretical predictions from analytical models of the Vircator operation. Observations of X-ray emission and the influence of vacuum conditions on the Vircator operation are also included. Further development of a multistage high voltage generator is presented. This Marx generator was fully custom and was used for driving the Vircator tube with higher voltages and currents. More experimental results of this work are included. In the final chapter, suggestions for further work are discussed. Ideas for enhancing the Vircator system are presented. The uses of a high-power, frequency stable, frequency tunable, light-weight Vircator system are discussed.

Η παρούσα έκθεση παρουσιάζει την μελέτη που έχει διεξαχθεί επάνω σε έναν ιδιαίτερο τύπο μικροκυματικής λυχνίας, τον Ταλαντωτή Εικονικής Καθόδου - Virtual Cathode Oscillator ή, όπως ευρύτερα ονομάζεται, λυχνία Vircator. Στην εργασία συνοψίζεται η έρευνα που έχει γίνει για αυτού του είδους τις λυχνίες. Περιγράφονται τα συστήματα μικροκυμάτων υψηλής ισχύος και συνοψίζονται οι δυσκολίες που αντιμετωπίζονται. Αναπτύσσονται αρχές της φυσικής, οι οποίες είναι απαραίτητες για την περαιτέρω κατανόηση πολλών φαινομένων που διέπουν τη λειτουργία των λυχνιών. Περιγράφονται κλασσικά προβλήματα της φυσικής, όπως η κίνηση φορτισμένων σωματιδίων στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ο θεμελιώδης νόμος Child-Langmuir για την ιδανική δίοδο κενού, η εμφάνιση εικονικής καθόδου στην τρίοδο απείρων πλακών, στη βραχυκυκλωμένη δίοδο και σε ηλεκτρονικές δέσμες. Περιγράφονται φαινόμενα που αφορούν τις λυχνίες, όπως οι διεργασίες ηλεκτρονικής εκπομπής, οι ταλαντώσεις πλάσματος, η ηλεκτρική διάσπαση στο κενό και η συμπεριφορά των ηλεκτροδίων σε περιπτώσεις διάσπασης εν κενώ. Στην εργασία περιέχεται εκτεταμένη μελέτη, σχετικά με τους Vircator. Αναπτύσσονται εκτενώς οι φυσικές διεργασίες, που οδηγούν στην παραγωγή μικροκυματικής ακτινοβολίας από τους Vircator. Εξηγείται γιατί είναι εξαιρετικά ασταθής η λειτουργία τους αλλά και γιατί οι λυχνίες αυτές αποτελούν μία ελκυστική και ιδιάζουσα κλάση. Αναπτύσσεται, με αναλυτικό τρόπο, η μέθοδος σχεδίασης μίας λυχνίας Vircator και ο υπολογισμός των μεγεθών οδήγησης. Εν συνεχεία αναπτύσσεται η θεωρητική μελέτη και η προετοιμασία του πειράματος με τη λυχνία κυματοδηγικού Vircator. Περιγράφεται η σχεδίαση της λυχνίας, η κατασκευή της, το σύστημα κενού, το σύστημα υψηλής τάσης καθώς και η προετοιμασία των πειραμάτων. Παρατίθενται εκτενή πειραματικά αποτελέσματα από τις δοκιμές. Αναπτύσσονται οι δυσκολίες, που αντιμετωπίστηκαν στις μετρήσεις, εξαιτίας του θορυβώδους περιβάλλοντος της υψηλής τάσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταγράφονται και συγκρίνονται με τις θεωρητικές προβλέψεις από τα αναλυτικά μοντέλα οδήγησης της λυχνίας. Παρατίθενται, ακόμα, παρατηρήσεις, που αφορούν την παραγωγή ακτινών X και την επίδραση της πίεσης της λυχνίας στην παραγωγή μικροκυμάτων. Στη διατριβή παρουσιάζεται ακόμα η επέκταση του συστήματος Vircator, η οποία επιδιώχθηκε με την κατασκευή μίας πολυβάθμιας κρουστικής γεννήτριας. Η πολυβάθμια διάταξη σχεδιάστηκε, προκειμένου να οδηγηθεί ο Vircator με μεγαλύτερες τάσεις και ρεύματα, ώστε να κλιμακωθεί η ισχύς των μικροκυματικών εξόδων. Παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών της λυχνίας, με τη νέα διάταξη υψηλής τάσης. Στο τελευταίο κεφάλαιο αναπτύσσονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Παρατίθενται ιδέες για βελτιστοποίηση του πρωτοτύπου συστήματος, καθώς και προτάσεις για χρήση του συστήματος ως εργαλείου σε τομείς έρευνας όπως η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα, τα radar, η μελέτη ιονισμού αερίων, η φυσική πλάσματος και η φυσική υψηλών ενεργειών.