Пучково-плазменный свч-прибор

 

В

-».

41 Р1

/ У ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Комитет Российской Федерации пе иатентам.н товарным знакам (24) 4933T38/2$ (22) 150291 (46) 15.И,И Ьоп. hh 43-42 (74) Московский радиотехнический институт (7ф Лисицын AN

P3) йаищьв Ыатоттий Иванович (54» ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-йРИБОР (Щ Изобретение относится к радиоэлектронике и может быль. использовано для создания мощных

СВЧ-генераторов и усилителей. Использование изобретения позволяет повысить срок службы и на(ю) RRU U(и) 2003194 С1 (Я) 5 801325 34 дежности СВЧ-прибора Сущность изобретения: прибор содержит последовательно соединенные электронную пушку вакуумный насос, замедляющую структуру и коллектор. С катодом электронной пушки соединен источник ускоряющего напряжения, с,коллектором соединен отрицательным полюсом источник напряжения, датчик тока подключен к замедляющей структуре. блок уставок и датчик тока соединены со схемой сравнения, выходом подключенной к входу блока напуска газа 3 ип.

2003194

Изобретение относится к радиоэлектронике и может применяться для создания

СВЧ-генераторов и усилителей.

Известен СВЧ-прибор 0-типа (ЛБВ), содержащий последовательно соединенные электронную пушку, замедляющую СВЧструктуру и коллектор. Недостатком его являе ся сравнительно малая выходная

С ВЧ-мощность.

Наиболее близким по технической сущности является пучково-плазменный СВЧприбор, содержащий последовательно соединенные электронную пушку, вакуумный насос, замедляющую СВЧ-структуру и коллектор. а также источник ускоряющего напряжения, соединенный с пушкой и блок напуска газа в структуру. В отпаянных пучково-плазменных приборах блок напуска газа представляет собой встроенный в прибор генератор водорода с нагревателем. Генератор водорода выполняется в аиде пористых титановых пластин, поры которого предварительно насыщены молекулами водорода, При нагревании пластин водород выделяется и заполняет замедляющую структуру прибора, Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения работоспособности пучково-плазменных

СЯЧ-приборов на частотах в несколько гигагерц в них нужно создавать высокое давление газа, при котором может нарушаться рабств электронной пушки из-за высоковольтных пробоев и старения катода, что снижает надежность прибора. Кроме того, вследствие малого запаса накопленного водорода в пластинах при создании высокого давления в приборе газ быстро расходуется. вследствие чего срок службы генераторов водорода, а значит всего прибора в целом становится малым.

Целью изобретения является повышение срока службы и надежности пучковоплазменного СВЧ-прибора.

Поставленная цель достигается тем, что пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий последовательно соединенные электронную пушку, вакуумный насос, замедляющую структуру и изолированный от нее коллектор, блок напуска газа, соединенный вакуумно с замедляющей структурой, и источник высокого напряжения, подключенный отрицательным полюсом к катоду электронной пушки, в него введены дополнительно источник напряжения,.датчик тока, блока сравнения и блок уставок, причем источник напряжения подключен отрицательным полюсом к коллектору, вход датчика тока соединен с замедляющей структурой, выходы датчика тока и блока уста вок соединены с входами блока сравнения, выход которого подключен к входу блока напуска газа.

В предложенном устройстве за счет создания на коллекторе отрицательного потенциала от источника напряжения плазменные электроны запираются и не выходят на коллектор, что приводит к уменьшению потерь плазмы. При этом на

10 коллектор проходят только ионы, а избыток плазменных электронов в канале под действием кулоновских сил выходит на структуру и их ток характеризует концентрацию плазмы в канале, Вследствие уменьшения по15 терь плазмы ее концентрация возрастает и необходимое значение концентрации плазмы достигается при более низком давлении газа в приборе, которое устанавливается путем сравнения сигнала от датчика тока со

20 структуры с заданной уставкой. В результате обеспечивается работа СВЧ-прибора при минимальном давлении газа в приборе, что увеличивает срок службы и надежность пучково-плазменных СВЧ-приборов.

Пучково-плазменный СВЧ-прибор представлен на чертеже и содержит последовательно соединенные электронную пушку 1, вакуумный насос 2, замедляющую

СВЧ-структуру 3 и коллектор 4. Источник 5

30 ускоряющего напряжения отрицательным полюсом подключен к катоду электронной пушки 1, датчик б тока соединен со структурой 3. источник 7 напряжения подключен отрицательным полюсом к коллектору, дру35 гие выводы источников 5. 7 и датчика 6 соединены с земляной шиной. Блок 8 непуска газа содержит нагреватель и- генератор водорода, соединенный вакуумно со структурой 3, выходы датчика 6 тока и блока 9

40 уставок подключены к входам блока 10 сравнения, выходом подключенного к блоку 8.

Прибор помещен в продольное магнитное поле Н, создаваемое, например, соленоидом (не показан).

Пучково-плазменный СВЧ-прибор работает следующим образом. Электронный пучок из пушки 1, ускоренный напряжением от источника 5, проходит по пролетному каналу насоса 2 и структуры 3 и попадает на

50 коллектор 4. При нагревании генератора водорода в блоке 8 выделяющийся газ поступает в структуру 3. Вакуумный насос обеспечивает откачку газа перед пушкой 1, поддерживая в пушке более низкое давле55 ние, необходимое для ее устойчивой работы, Электронный пучок, проходя через структуру 3, ионизует газ, создавая плазму.

В результате взаимодействия с СВЧ-полем замедляющей структуры 3 электронный пу2003194

10 чок группируется в сгустки. Электронные сгустки возбуждают в плазме плазменные волны, скорость распространения которых зависит от частоты СВЧ-сигнала и концентрации плазмы. При некоторой концентрации плазмы скорость распространения плазменной волны оказывае ся равной скорости движения пучка и скорости распространения СВЧ-волн в структуре 3, в результате чего вознйкает резонансное пучково-плазменное СВЧ-взаимодействие, при котором происходит активная передача энергии пучка плазменным волнам и затем перекачка ее в энергию СВЧ-волн, что приводит к усилению СВЧ-сигнала и повышению выходной мощности.

При ускоряющем напряжении Ub = 25 кВ, радиус электронного пучка и» = 0 5 см и частотах СВЧ-сигнала в несколько гигагерц необходимая концентрация плазмы должна

10 10Уг -з

При ионизации газа электронным пучком плазменные электроны имеют сплошной энергетический спектр от 0 до n» = tUb электронвольт, но основное количество электронов находится в пределах энергий от 0 до 100 эВ со средней энергией 6 = 20 э8. Поэтому средняя скорость движения плазменных электронов составляет vt

=3 10 см!с, а с учетом их углового распрев деления средняя скорость продольного движения электронов составляет vtz=10 см!с. Так как плазма находится а продольном магнитном поле, электроны движутся по спиральным траекториям вдоль магнитных силовых линий в сторону пушки и в сторону коллектора. В области пушки электроны отражаются высоким ускоряющим отрицательным потенциалом катода и движутся в сторону коллектора.

Ионы плазмы имеют первоначальную энергию е t = 0,025 эВ, соответствующую комнатной температуре молекул газа и скорость их движения составляет чц = 10 см/с, то есть много меньше скорости плазменных электронов.

Если на коллекторе отсутствует потенциал, то плазменные электроны попадают на коллектор и выбывают из канала структуры 3. При скорости продольного движения плазменных электронов vtz = 10 см/с время их вылета из структуры длиной 1 = 0,5-1 м составляет t =- t/viz = 10 с. За такое

-б короткое время плазма не успевает термализоааться и остается неравновесной. то есть с существенно разными энергиями электронов и ионов и разными скоростями их вылета, Поэтому нэ коллектор уходят в

55 основном плазменные электроны, а избыток ионов в канале кулоновскими силами выталкивается поперек магнитного поля нэ структуру так, чтобы в целом плазма оставалась электронейтральной. Вследствие больших потерь плазмы из-за вылета электронов с высокой скоростью на коллектор концентрации плазмы в канале оказывается низкой. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при использовании в качестве рабочего газа водорода требуемые концентрации плазмы

nt = 10 — 10 см достигаются только при высоком давлении водорода. равном Р =

=(1,5-3) 10 мм рт.ст.

В то же время в области электронной пушки рэвление газа должно быть порядка

Р = 10 мм рт.ст. Поэтому вакуумный насос

2 должен обеспечивать высокую скорость откачки газа, для чего он должен иметь достаточно большие размеры. Вследствие высокого давления газа и высокой скорости откачки газа от генераторов водорода требуется большой расход газа. в результате чего при ограниченном запасе водорода в пластинах срок службы генераторов водорода становится малым. Например, генераторы водорода с площадью титановых пластин S = tO — 15 см в этих условиях име2 ют срок службы только 40 ч.

Кроме того, при высоком давлении газа в приборе в электронной пушке происходит быстрое окисление поверхности катода и возникают пробои, что приводит к выходу прибора из строя, в результате чего надежность пучково-плазменных СВЧ-приборов существенно снижается.

Если же на коллектор подан отрицательный потенциал порядка Ок = 100 — 200 В, то электроны пучка будут проходить на коллектор, а основной поток плазменных электронов будет отражаться от коллектора и возвращаться назад в канал структуры, в результате чего плазменные электроны будут многократно двигаться между катодом пушки и коллектором, дополнительно ионизуя газ. то есть увеличивая степень ионизации газа. Потери плазмы существенно уменьшаются и ее концентрация в канале структуры увеличивается. В этом случае на коллектор будут проходить только плазменные ионы. с более медленной скоростью, а избыток плазменных электронов в канале кулоновскими силами будет выталкиваться поперек магнитного поля на структуру, так чтобы плазма оставалась приблизительно электронейтральной. При этом ток ионов на коллектор равняется току электронов на структуру.

2003194

Чем выше концентрация плазмы, тем больше будут токи на коллектор и на структуру, то есть ток на структуру, регистрируемый датчиком 6 тока, характеризует концентрацию плазмы.

Так как степень ионизэции газа существенно возрастает, то требуемые значения п создаются при существенно меньших давлениях газа. Экспериментальные исследования показали, что при Ох - -100 8 значения концентрации плазмы п

-10 -10 см достигafoTcR при давлениях порядка Р - (1,5-3) 104 мм рт.ст., то есть на порядок меньше. чем при U» = 0.

Соответственно на порядок уменьшается расход газа от генераторов водорода и срок их службы, а соответственно и срок службы пучково-плазменного прибора возрастает ва порядок, то есть до нескольких сотен часов. Так как давление газа становится малым, то надежность электронной пушки при той же производительности насоса существенно увеличивается.

При включении прибора на блоке установок 9 устанавливается величина сигнала, соответствующая концентрации плазмы пь которая необходима для работы пучковоплазменного СВЧ-прибора. Блок 8 начинает нагревать спираль источника rasa и в замедляющую структуру прибора поступает газ.

По мере повышения давления повышается

Формула изобретения

ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИ5ОР, содержащий последовательно соединенныв электронную пушку, вакуумный насос. замедляющую структуру и изолированный от нее коллектор, блок напуска газа. соединенный вакуумно с. замедляющей структурой, и источник высокое напряжения, подключенный отрйцательным полюсом к катоду злектронмй нудаки, отличающийся тем, что, с концентрация плазмы и ток со структуры увеличивается. Сигнал с датчика 6 поступает нэ второй вход блока 10 сравнения, который сравнивает этот сигнал с сигналом от

5 блока 9 уставок и вырабатывает разностный сигнал, который поступает на вход блока 8 и управляет нагревом генераторов водорода, то есть напуском газа в структуру. Когда концентрация плазмы и соответственно ток

10 на структуру достигнут требуемой величины, сигнал с блока 10 останавливает дальнейший рост давления газа и поддерживает его на заданном уровне. обеспечивая резонансное пучково-плазменное СВЧ-взаимо15 действие.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает работу прибора с минимальным давлением газа, что увеличивает срок службы прибора и повышает надеж20 ность его работы. (56) Березин В.M. и др. Электронные приборы-СВЧ. М.: Высшая школа, 1985. с.124, Трубецков Д.И., Пищик Л.A. Нереляти25 вистские плазменные сверхвысокочастотные приборы, основанные на черепковском излучении. Физика плазмы, 1989, т.15, 83, с,346, Авторское свидетельство. СССР

30 M 139021, кл. Н 01 3 25/34, 1961. целью повышения срока службы и надежности СВЧ-прибора, в него введены дополнительно источник напряжения, датчик тока, блок сравнения и блок уставок, причем источник напряжения подключен отри40 цательным полюсом к коллектору, вход датчика тока соединен с замедляющей структурой, а выходы датчика тока и блока уставок соединены с входами блока сравнения, выход которого подключен к аноду

45 блока напуска газа.

2003194

Составитель А.Лисицын

Техред M.Моргентал Корректор M.Максимишинец

Редактор H.Ñåìåíoâà

Заказ 3236

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101