Отражательный триод

 

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники и может быть использовано при создании генераторов СВЧ-излучения. Технический результат: повышение стабильности частоты генерации, а также длительности и энергии генерируемого излучения. Сущность изобретения: в отражательном триоде, включающем источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент с отверстием и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода, новым является то, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, установлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны. 1 ил.

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники и может быть использовано при создании генераторов СВЧ-излучения.

Известен генератор СВЧ-излучения на основе системы с виртуальным катодом, называемый отражательным триодом и содержащий корпус, катод, анод и генератор высокого напряжения [1] (Kapetanakos С.A., Sprangle P.A., Mahuffey R. A. , Golden G., "High-power microwaves from a non-isochronous reflecting system (NIRES)", патент США 4150340, кл. Н 01 J 25/74, 17.04.79).

Недостатком известных конструкций отражательных триодов является небольшая длительность генерируемого электромагнитного излучения и, как следствие, ограниченная энергия излучения.

За прототип выбран отражательный триод [2] (Булычев С.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С., Львов И.Л., Садовой С.А., Селемир В.Д., Халдеев В.Н. "Генерация широкополосных радиоимпульсов в отражательном триоде с виртуальным катодом нового типа", "Физика плазмы", 2000 г., т.26, 7, с.639-642), в котором содержатся источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения и вакуумная камера, внутри которой последовательно расположены коллектор, прозрачный для электронов анод, диэлектрик, а также образующие зазор у поверхности диэлектрика со стороны анода заземленный электрод, охватывающий диэлектрик, и управляющий электрод, одним концом установленный в отверстие диэлектрика, при этом другой конец управляющего электрода подключен к источнику управляющего напряжения, а анод подключен к источнику ускоряющего напряжения. Анод выполнен сетчатым.

Недостатком предложенного решения является нестабильность частоты генерации и небольшая энергия и длительность импульса генерируемого излучения. Длительность импульса генерируемого излучения не превышает 100 нс.

Техническая задача состоит в обеспечении возможности применения отражательного триода в качестве источника СВЧ- излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение стабильности частоты генерации, а также длительности и энергии генерируемого излучения.

Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом отражательном триоде, содержащем источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрик и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим установленный в отверстие диэлектрика, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрика со стороны расположения анода, новым является то, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.

В отражательном триоде, взятом за прототип, на управляющий электрод подается импульс управляющего напряжения, который инициирует скользящий разряд в зазоре между управляющим электродом и заземленным электродом вдоль поверхности диэлектрика. На анод подается статическое напряжение положительной полярности, вытягивающее из плазмы приповерхностного разряда пучок электронов. Электроны, пролетая сквозь анод, под воздействием кулоновского расталкивания впереди летящих электронов и под воздействием тормозящего электрического анодного поля образуют виртуальный катод, совершающий осцилляции по величине электрического потенциала и своему местоположению. Колебания электронов происходят также в потенциальной яме между плазмой разряда и виртуальным катодом, причем частота этих колебаний и частота колебаний виртуального катода совпадают. Колебания виртуального катода модулируют ток пучка электронов, пролетающих сквозь виртуальный катод к коллектору, по частоте, равной частоте колебаний виртуального катода. С коллектора пролетный ток выводится на петлевые антенны. В результате промодулированности тока антенны будут излучать в пространство электромагнитные волны на частоте колебаний виртуального катода, то есть частоте СВЧ-диапазона.

При перемыкании разрядной плазмой зазора между управляющим электродом и заземленным электродом образуется контур с током, текущим через управляющий электрод, межэлектродный зазор и заземленный электрод. В контуре возникает магнитная сила Ампера, стремящаяся его расширить. В данной конструкции для удобства изготовления связь между электродом управляющего напряжения и источником управляющего напряжения осуществлена таким образом, что токовый контур имеет форму, при которой сила Ампера выталкивает плазму из межэлектродного зазора, что приводит к уменьшению промежутка между анодом и плазменным образованием. По этой причине геометрические параметры потенциальной ямы между плазменным образованием и виртуальным катодом изменяются, что приводит к изменению частоты колебаний электронов в потенциальной яме и, как следствие, к изменению частоты генерируемого излучения, иными словами, к ее нестабильности.

Результатом уменьшения расстояния между плазмой и анодом является также то, что разность потенциалов на данном промежутке понижается, ускоряющая сила, действующая на электроны, уменьшается, и формирование пучка электронов прекращается. Это существенно понижает длительность генерируемого пучка электронов, а следовательно, длительность и энергию генерируемого излучения.

В предложенной конструкции токовый контур имеет такую форму, что возникающая в нем сила Ампера не отталкивает, а, наоборот, прижимает плазму разряда к поверхности диэлектрика. Это достигается за счет того, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны межэлектродного зазора, другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.

Таким образом, межэлектродный зазор расположен как бы с внутренней стороны токового контура, и магнитная сила Ампера действует на частицы плазмы в направлении к поверхности диэлектрика, препятствуя движению плазмы по направлению к аноду. Так как плазменное образование остается на месте, то расстояние между ним и анодом, а также виртуальным катодом остается неизменным, значит, геометрические параметры потенциальной ямы, в которой колеблются отраженные электроны, не изменяются, и частота колебаний также остается неизменной. Это способствует стабильности частоты генерации отражательного триода, которая равняется частоте колебаний электронов в потенциальной яме.

Также вследствие того, что расстояние между плазменным образованием и анодом не уменьшается, перемыкания промежутка между ними не происходит и потенциал анода не изменяется. Поэтому сообщаемая вытягивающимся из плазмы электронам энергия не уменьшается, и прекращения формирования пучка не происходит. Следовательно, по сравнению с прототипом существенно увеличивается длительность пучка, а значит, увеличиваются и длительность генерируемого излучения, и его энергия.

На чертеже изображен пример конструкции заявляемого отражательного триода.

Заявляемый отражательный триод содержит источник управляющего напряжения (1), источник ускоряющего напряжения (2), устройство вывода электромагнитного излучения - петлевые антенны (3) и вакуумную камеру (4), внутри которой последовательно размещены коллектор (5), прозрачный для электронов анод (6), подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент, имеющий отверстие (7) и охватывающий его заземленный электрод (8), а также управляющий электрод (9), одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода. Конец управляющего электрода, свободный от подключения, установлен в отверстие диэлектрика со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны. В данной конструкции анод представляет собой металлическую сетку, а диэлектрический элемент имеет форму диска с отверстием посередине. Положение анода и коллектора относительно диэлектрика можно регулировать.

Принцип работы заявляемого отражательного триода заключается в следующем. Импульс высокого напряжения положительной полярности подается на управляющий электрод и инициирует поверхностный разряд в зазоре между ним и кромками заземленного электрода у поверхности диэлектрика. На анод подается статическое высокое напряжение положительной полярности через подключение источника ускоряющего напряжения к анодному фланцу (10) и путем электрического контакта анодного фланца и анода. С помощью анодного напряжения из плазмы приповерхностного разряда вытягиваются электроны, которые, пролетая сквозь анод, образуют виртуальный катод. Путем электрического контакта коллектора и вакуумной камеры ток частиц, пролетевших сквозь виртуальный катод к коллектору, выводится на петлевые антенны, включенные между вакуумной камерой и заземленным электродом, в результате чего антенны будут излучать в пространство электромагнитные волны на частоте СВЧ-диапазона.

Изолятор (11) предотвращает электрический контакт управляющего электрода с коллектором и сетчатым анодом, изолирующие фланцы (12) и (13) - контакт анодного фланца с вакуумной камерой и заземленным фланцем. Изолирующая шайба (14) служит для предотвращения пробоя между управляющим электродом и заземленным фланцем с обратной стороны диэлектрического диска. Варьируя величину анодного напряжения и расстояние от диэлектрика до анода, частоту излучения можно изменять. Жирными стрелками показано направление протекающих токов. Тонкими волнистыми стрелками показано направление движения электронов в разрядной плазме, а тонкими прямыми стрелками - направление движения электронов вытягиваемого пучка.

Примерные параметры отражательного триода: подаваемое ускоряющее напряжение 1-4 кВ, амплитуда подаваемого импульса управляющего напряжения 2,5-4 кВ, межэлектродный зазор у диэлектрика 1-3 мм, расстояние эмиттер-анод 2-10 мм, расстояние анод-коллектор 15-30 мм, частота генерации 200-1500 МГц, длительность излучения до 10 мкс.

Формула изобретения

Отражательный триод, включающий источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент с отверстием и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода, отличающийся тем, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны расположения поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.

РИСУНКИ

Рисунок 1