Сверхвысокочастотный прибор на основе виртуального катода

 

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике, может быть использовано при разработке генератора СВЧ-излучения. СВЧ-прибор на основе виртуального катода содержит источник напряжения, катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, а также канал вывода излучения с окном. СВЧ-прибор имеет в отличие от известного диафрагму, выполненную с положительной кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения. Техническим результатом является повышение КПД генерируемого излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к мощной СВЧ электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ излучения.

Известны мощные генераторы СВЧ излучения на основе систем с виртуальным катодом (ВК), так называемые виркаторы и отражательные триоды, содержащие катодный электрод, анодный электрод, в свою очередь состоящий из анода, диафрагмы и трубы дрейфа, а также устройство вывода излучения [1] (Григорьев В. П. , Жерлицин А.Г., Коваль Г.В. // Физика плазмы, 1990, т. 16, N 11, с. 1353), [2] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д. // Зарубежная радиоэлектроника, 1975, N 4, с.54).

Основным требованием к обеспечению работоспособности СВЧ прибора, например виркатора, является необходимость создания условий формирования ВК, что осуществляется при превышении током пучка критического значения. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, что является источником мощных колебаний электромагнитного поля. Источником электромагнитных колебаний являются также осцилляции электронов в потенциальной яме с центром, приходящимся на область инжекции (диафрагма) и с краями: катод и ВК. Оба типа колебаний нераздельно взаимосвязаны между собой и происходят на одной частоте.

Таким образом, при инжекции в эквипотенциальную полость СВЧ прибора электронного потока с плотностью тока выше некоторого значения за анодной диафрагмой в полости начинает накапливаться пространственный заряд, разворачивающий поступающие электроны назад к катоду. Этот пространственный заряд и называется виртуальным катодом (ВК).

Недостатком известных конструкций СВЧ приборов является низкий КПД генерируемого излучения, связанный с рядом причин, одна из которых состоит в том, что существует резкая зависимость мощности излучения от условий колебания электронов в потенциальной яме "катод - ВК". Эти условия различны в центре аксиальной системы и на периферии (радиусе), в результате чего спектр излучения электронного потока уширяется и выходная мощность снижается.

За прототип выбран СВЧ-прибор на основе ВК, описанный в [3] (Селемир В. Д. , Алехин Б.В., Ватрунин В.Е. и др. // Физика плазмы, 1994, т. 20, N 7-8, с. 689), в котором размещены аксиально в цилиндрической трубе катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, канала вывода излучения с окном, причем диафрагма выполнена плоской и изготовлена либо из металлической сетки, либо из тонкой металлической фольги.

Если ток электронного пучка, инжектируемого в дрейфовую камеру сквозь диафрагму, превышает предельный, в системе за анодной диафрагмой образуется ВК, от которого электроны отражаются в сторону инжектора.

Осциллирующие между реальным катодом и ВК электроны отдают свою энергию СВЧ полю и накапливаются в потенциальной яме. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, внося свой вклад в выходное СВЧ излучение. Эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию СВЧ излучения определяет КПД прибора.

Недостатком такого прибора является низкий КПД генерируемого излучения, связанный с тем, что положение минимума потенциала инжектируемого электронного пучка в диодной области имеет сильную зависимость от поперечной координаты (радиуса) цилиндрической части анода. При более детальном рассмотрении суммарных типов колебаний, очевидно, что колебания происходят несинхронно.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ прибора.

Техническая задача состоит в разработке мощного СВЧ прибора, для обеспечения возможности его использования в качестве источника мощного СВЧ излучения. Приборы, которые способны генерировать мощные импульсы, рассматриваются в перспективе как устройства для нагрева плазмы в термоядерных исследованиях, для накачки газовых сред мощных эксимерных лазеров, создания областей искусственной ионизации в атмосфере, для космической СВЧ энергетики и т.д.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения посредством увеличения степени монохроматичности выходного сигнала, получаемой путем повышения эффективности взаимодействия электронов пучка с СВЧ полем.

Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного СВЧ прибора на основе виртуального катода (ВК), содержащего источник напряжения, катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, а также канал вывода излучения с окном, в предлагаемом устройстве диафрагма выполнена с положительной кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения.

В СВЧ приборах, например виркаторах, диодного типа электроны ускоряются в электрическом поле промежутка катод-анодная диафрагма (диодной области), образуя за ней ВК. Далее часть электронов пучка движутся в трубе дрейфа, образованной цилиндрической частью анодного электрода за диафрагмой в сторону окна вывода излучения, а часть электронов отражается от ВК назад к диафрагме, захватываясь в колебания в потенциальной яме "катод - ВК".

Конкретное СВЧ излучение генерируется с помощью инжекции релятивистского электронного пучка, параметры которого в комбинации с геометрией и размерами волновода, образованного цилиндрической частью анодного электрода за диафрагмой в сторону окна вывода излучения (трубы дрейфа), влияют на условия колебаний виртуального катода (ВК).

После прохождения диафрагмы электроны попадают в резонатор, ограниченный цилиндрической частью анода, прозрачной для электронов диафрагмой и окном вывода излучения, находящийся под потенциалом анода. Осциллирующие между катодом и ВК электроны играют существенную роль. Торможение электронов в области "анодная диафрагма-ВК" и отражение части из них от ВК обратно в сторону катода происходит под действием поля заряда пучка в резонаторе.

Вследствие колебаний электронного пучка в пространстве "катод-ВК", электроны проходят многократно через диафрагму. Кроме того, осцилляции совершает ВК. Область формирования СВЧ излучения состоит из анода, волновода (трубы дрейфа) и замыкается на катод. Суммарный спектр излучения формируется из взаимодействия электромагнитной энергии этих областей, диодной области и резонатора.

В традиционных конструкциях СВЧ прибора кроме осцилляции самого ВК, инжектируемые катодом электроны возвращаются назад к диафрагме, захватываются в колебательное движение в потенциальной яме "катод-ВК". Эти осциллирующие электроны накапливаются в области взаимодействия и генерируют мощное СВЧ излучение. Но приосевые и периферийные электроны попадают в разные условия в диодной области, так как взаимодействуют с ВК на разных расстояниях от анодной диафрагмы по оси симметрии, поскольку ВК представляет из себя объемное образование, которое максимально приближено к катоду в центре, спадает на периферии (зависимость от поперечной координаты-радиуса цилиндрической части системы) и имеет вид линзы с отрицательной кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения по направлению оси системы.

Следовательно, ширина потенциальной ямы по оси системы и на периферии (радиусе) пучка различна. Это приводит к тому, что частоты осцилляций в потенциальной яме различны, что ухудшает генерационные характеристики прибора, а спектр излучения уширяется.

Предложенная диафрагма выполнена с положительной (выпуклой) кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения в соответствии с радиусом цилиндрической части анодного электрода и максимумом выходного излучения.

Оптимальная кривизна с учетом этих параметров может быть определена путем компьютерного или натурного эксперимента.

Такая диафрагма выравнивает ширину потенциальной ямы на периферии и оси и создает для осциллирующих электронов равные условия взаимодействия с полем, частоты осцилляции различных групп электронов выравниваются, увеличивается монохроматичность излучения за счет увеличения синхронизации разных типов колебаний, составляющих выходное СВЧ излучение.

Диафрагма может представлять собой, например, металлическую ленту или ячеистую структуру.

Своей выпуклой по оси стороной лента или сетчатая структура отдаляют потенциал электронного облака для электронов выбранного уровня. Точное значение радиуса выпуклости аналитически выразить сложно, но в пределах погрешности измерений легко подобрать экспериментально радиус выпуклости.

Симметрия выпуклости диафрагмы желательна, но для получения положительного эффекта необязательна.

На фиг. 1 изображен виркатор в разрезе, где 1 - источник питания, 2 - катод, 3 - цилиндрическая часть анодного электрода, 4 - диафрагма, 5 - труба дрейфа, 6 - канал вывода излучения с окном, 7 - ВК (показан пунктиром).

На фиг 2. изображены варианты исполнения диафрагмы: а) - зигзагообразная лента (вид сверху, вид сбоку), в) - ячеистая структура (вид сверху, вид сбоку).

СВЧ прибор, например виркатор, содержит генератор импульсов высокого напряжения (1), катодный электрод (2), анодный электрод, состоящий из цилиндрической части (3), диафрагмы (4), выполненной, например, в виде зигзагообразной плоской ленты или ячеистой структуры с выпуклыми профилями в плоскостях и трубы дрейфа (5), труба дрейфа плавно переходит в рупорное окно вывода излучения (6), виртуальный катод обозначен пунктиром (7).

Анодная диафрагма, может быть выполнена, например, в виде зигзагообразной плоской ленты или ячеистой структуры с выпуклым профилем, так что направление выпуклости совпадает с осью системы в сторону окна вывода излучения.

Зигзагообразной плоской лентой может быть металлическая фольговая лента, уложенная в виде гармошки в плоскости, параллельной диафрагме, с профилем гармошки, выпуклым по оси системы. Стрелками указано движение эмиссионных электронов.

Принцип работы СВЧ прибора, например виркатора, заключается в следующем: импульс высокого напряжения отрицательной полярности от генератора высокого напряжения (1) подается на катод виркатора (2), после этого начинается взрывная эмиссия электронов с цилиндрической части катода в диодный промежуток, образованный катодом (2) и анодным электродом, состоящим из цилиндрической части (3), ячеистой анодной диафрагмы (4) и трубы дрейфа (5). Излучение выводится через канал вывода излучения с окном (6) при превышении тока над предельным, когда образуется виртуальный катод (7), который, колеблясь, возбуждает собственные волны резонатора.

Примерные параметры виркатора:
подаваемое напряжение - 100-120 кВ,
импеданс диода - 10 Ом,
диодный зазор - 1...5 мм,
диаметр катода - 30 мм,
длительность импульса - 50 нс,
длина волны излучения - 3 см,
Характеристики зигзагообразной ленты:
ширина ленты на оси - 3-4 мм, на периферии радиуса цилиндрической части анода - 2 мм,
толщина ленты - 20-100 микрон,
радиус кривизны выпуклого профиля - 80-120 мм,
лента может быть изготовлена из титана, вольфрама, тантала.

Ожидаемое КПД по мощности, предложенной конструктивной схемы примерно 15-18%.

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать СВЧ прибор, например виркатор, в качестве источника мощного СВЧ излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, в физических исследованиях и др.

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный прибор на основе виртуального катода, содержащий источник напряжения, катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, а также канал вывода излучения с окном, отличающийся тем, что диафрагма, имеющая положительную кривизну поверхности в сторону окна вывода излучения, выполнена из фольговой ленты, уложенной в виде гармошки.

2. Сверхвысокочастотный прибор по п.1, отличающийся тем, что ширина фольговой ленты на оси выбрана 3 - 4 мм, а на периферии радиуса цилиндрической части анодного электрода 2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2