Μελέτη Και Σχεδίαση Κυματοδηγικού Vircator

Abstract

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 ακτίνων 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.