Разработка твердотельного частотного генератора с пиковой мощностью более 10 ГВт (Промежуточный за 2017 г.)

Изучено совместное влияние температуры и скорости нарастания напряжения на структуре кремниевого тиристора на процесс его переключения в проводящее состояние волной ударной ионизации. В экспериментах исследованы тиристоры с диаметром полупроводникового элемента 32 мм; скорость нарастания напряжения на структуре dU/dt изменялась от 0,5 до 10 кВ/нс, температура структуры - от 25 до 200°С. Показано, что основным фактором, определяющим характер и параметры процесса переключения тиристора, выступает величина dU/dt. При dU/dt > 8 кВ/нс запуск волны ударной ионизации при переключении тиристора реализуется при температуре структуры вплоть до 200°С. При dU/dt ≤ 1 кВ/нс эффект переключения исчезает при T ~120°С. Численное моделирование показало, что при низких значениях dU/dt ≤ 1 кВ/нс и низком электрическом поле с ростом температуры структуры интенсивность процессов ударной ионизации снижается и становится недостаточной для образования плазмы с концентрацией, позволяющей экранировать внешнее электрическое поле. В этом случае волна ударной ионизации не возбуждается, а структура переходит в режим работы классического лавинного ограничителя, плавно снижая напряжение до исходного уровня смещения. При увеличении dU/dt происходит рост электрического поля в структуре, что компенсирует снижение интенсивности процессов ударной ионизации с ростом температуры. Гиромагнитные нелинейные передающие линии (NLTL) с насыщенным ферритом используются для преобразования входного видеоимпульса в выходной радиоимпульс. При этом длительность входного импульса существенно превышает период генерируемых колебаний. Предложен и исследован подход, при котором длительность входного импульса близка по величине к периоду генерируемых линией колебаний. В этом случае NLTL выступает не как генератор цуга радиочастотных колебаний, а как волновой магнитный компрессор с усилением мощности, поскольку основная часть энергии входного импульса передается только в первый пик колебаний. В экспериментах входной импульс напряжения формировался твердотельным генератором S-500 с полупроводниковым прерывателем тока. На нагрузке 40 Ом импульс имел амплитуду около 500 кВ и длительность на полувысоте 7 нс. Импульс подавался на нелинейную линию с насыщенным ферритом с собственной частотой колебаний ~300 МГц. После NLTL в 40-омном коаксиальном тракте амплитуда импульса возрастала до 740 кВ, а длительность импульса сокращалась до ~2 нс, что соответствует усилению мощности импульса с ~6 до ~13 ГВт. Применение в качестве источника входных импульсов твердотельного SOS-генератора позволило провести эксперименты с частотой следования импульсов до 1 кГц в режиме пачки импульсов.