Способ генерации свч квантов



Способ генерации свч квантов

 


Владельцы патента RU 2551371:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания. Способ генерации СВЧ квантов заключается в формировании электронного пучка при помощи электронной пушки с одновременной модуляцией его анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, последующем сжатии электрическим полем, например, двойного электрического слоя для повышения энергии пучка и плотности заряда и дальнейшей остановки электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов. Затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты. 1 ил.

 

Изобретение основано на использовании энергии электронного взаимодействия потока заряженной плазмы (электронных пучков) и может быть применено в системах электропитания, связи, управления, телеметрии и других системах мобильных аппаратов, а также в различных стационарных установках электроснабжения, связи, информационно-измерительных устройств и др.

Известен способ, реализованный в СВЧ-генераторе и принятый в качестве прототипа (Статья «СВЧ-генераторы хаотических колебаний на основе электронных пучков с виртуальным катодом». - Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2008, с.53-55).

Известный способ генерации квантов СВЧ диапазона из электронных пучков заключается в получении электронного пучка с помощью электронной пушки, отборе энергии из электронного пучка для СВЧ-генерации путем частичного уменьшения скорости (торможения) электронного пучка.

Недостатком прототипа является использование незначительной части (порядка 20%) энергии электронного пучка, так как увеличение степени торможения электронного пучка вызывает прекращение СВЧ-генерации. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором, на это непроизводительно расходуется электроэнергия, существенно снижая КПД системы электропитания.

Задачей изобретения является устранение непроизводительных потерь электроэнергии, повышение мощности СВЧ-генерации и КПД системы электропитания путем более полного использования энергии электронного пучка.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе генерации СВЧ квантов, основанном на отборе энергии из сформированного с помощью электронной пушки электронного пучка, согласно техническому решению, одновременно с формированием электронного пучка осуществляют его модуляцию анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, после чего электронный пучок для повышения энергии пучка и плотности заряда сжимают электрическим полем, например, двойного электрического слоя с дальнейшей остановкой электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов, затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты.

Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройства, схема которого представлена на рисунке.

Устройство содержит плазмотрон 1 с электродуговым катодом Kg и анодом Ag (возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным катодом, катодом на основе СВЧ-разряда, оптического разряда и др. [«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.165…169, с.301…326], электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами АЭП, электроды 4 сжимающего электрического поля. Электроды 4 выполнены из материала, являющегося проводником первого рода, и имеют осевую рабочую полость 5 с двойным электрическим слоем, причем входная часть рабочей полости выполнена со сходящейся конусностью, а выходная часть имеет цилиндрическую форму. Сжимающее электрическое поле, которое уплотняет электронный пучок в поперечном сечении, можно получить с помощью электрических, магнитных «квадрупольных электронных линз» (см. «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.884…885). Кроме того, устройство содержит металлические обкладки 6, которые совместно с электродами 4 и изоляторами 7, расположенными между обкладками 6 и электродами 4, представляют собой конденсаторы C4-6, электроды 8 корректирующего напряжения, барьеры электронов 9, состоящие из диэлектрического 9дс и электропроводящего 9эс слоев, каналы 10 электромагнитных квантов СВЧ диапазона, в качестве которых могут быть применены волноводы, резонаторы, световоды и др., симметричный силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, имеющий среднюю точку 12, соединенную с катодом Kg электродугового плазмотрона 1, систему электропитания 13 с циклической рабочей частотой ωp. Конденсаторы C4-6 соединены последовательно с индуктивностями L1 СТП 11, аноды АЭП электронных пушек 2 соединены с резонансными контурами L2Cp, а электроды 8 корректирующего напряжения соединены с частью обмотки индуктивности L2 СТП 11.

Работает данное устройство следующим образом. Необходимое напряжение подают на анод Ag и катод Kg плазмотрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой. Одновременно на аноды электронных пушек 2 подают переменное напряжение рабочей частоты ωp. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами дуги Ag и Kg в ортогонально направленном полю дуги (скрещенным с полем дуги) электрическом анодном поле АЭП электронных пушек 2, которым выводят из области электрической дуги электроны, при этом ускоряют и модулируют пучки электронов 3, воздействуя переменным напряжением Ua с циклической рабочей частотой ωp, подаваемым в противофазе на выходные аноды АЭП электронных пушек 2.

Затем пучки сжимают в радиальном сечении электрическим полем Er в рабочей полости 5. Так как напряженность электрического поля двойного электрического слоя в 102…103 раз больше напряженности поля электронного пучка (см. Большой энциклопедический словарь, физика, - М.: «Большая российская энциклопедия», 1998, с.144), то плотность заряда, энергия электронного взаимодействия, создаваемая силами Кулона и Лоренца, и мощность электронного пучка повышается в dвх/dвых раз, где dвх и dвых - диаметры, соответственно, входного и выходного отверстий рабочей полости 5, имеющей двойной электрический слой.

После этого на электронные пучки воздействуют электрическим полем, созданным на электроде 8 корректирующим напряжением (Uк), снимаемым с части обмотки L2. Коррекцией напряжения Uк можно управлять параметрами СВЧ квантов, например длиной волны λСВЧ.

Известно (Л.А. Сена «Единицы физических величин и их размерности», М.: «Наука», 1977, с.259…262), что λСВЧ=h·ϑe/e·Uк,

где λСВЧ - длина волны кванта, h - постоянная Планка, ϑe - скорость электронов в пучке, которая определяется по формуле: ϑe=(2·e·Ua/me)1/2, где Ua - напряжение анода АЭП, mе - масса электрона, e - заряд электрона, Uк - корректирующее напряжение.

Останавливают электроны пучка с помощью барьера электронов 9, представляющего собой плотную среду, не пропускающую (задерживающую) электроны, но прозрачную для генерируемых электромагнитных квантов СВЧ. Барьер электронов выполнен в виде диэлектрического слоя 9дс (им могут быть твердые диэлектрики с малой диэлектрической проницаемостью, например стекло кварцевое, полиэтилен и др.) и электропроводящего слоя 9эс, нанесенного на поверхность диэлектрического слоя 9дс. Каждый остановленный электрон отдает полученную в корректирующем поле электрода 8 энергию (e·Uк) в виде электромагнитного кванта с длиной волны λСВЧ, поступающего в соответствующий канал 10 (резонатор, волновод, световод и др.). По электропроводящему слою 9эс, активированному электронами пучка 3, электроны переходят на электрод 8 и далее в электрическую цепь L2, превращая конвекционный ток электронного пучка IеП в ток электропроводимости IЭЦ цепи L2, работающей в режиме резонанса токов совместно с конденсатором Cp. Оставшаяся часть полученной электроном в анодном поле АЭП электронной пушки 2 энергии e(Ua-Uk) отдается полю корректирующего напряжения и возвращается через электрод 8, цепь L2 СТП 11 в систему электропитания 13 в виде мощности SЭЦ=(Ua-Uk)2/ZЭЦ, где ZЭЦ - сопротивление электрической цепи системы электропитания 13, трансформированное СТП 11 в электрическую цепь L2, которая работает в режиме резонанса токов с конденсатором Cp.

Электроды 4 и металлические обкладки 6 с изоляторами 7 являются конденсаторами C4-6, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость двойного электрического слоя, т.к. C4-6 соединены последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя на поверхности рабочей полости 5. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U4-6 на конденсаторах C4-6 будет в CДЭС/C4-6 раз больше потенциала двойного электрического слоя в рабочей полости 5, что составляет 3…4 порядка.

U4-6=qДЭС/C4-6=UДЭС·CДЭС/C4-6.

Это напряжение подают на обмотку L1 СТП 11 и создают резонанс напряжений, чтобы ωpL1=(ωpC4-6)-1.

Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора 11, равна:

При смене полярности полуволны напряжения Ua на выходном аноде АЭП электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок, и получают электрическую мощность в другом плече симметричной электрической цепи СТП 11. Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность рабочей частоты системы электропитания 13.

Совершив работу в электрической цепи, электроны приходят на катод электрической дуги Kg, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла генерации СВЧ квантов по предлагаемому способу и получения электрической мощности рабочей частоты ωp в системе электропитания 13.

Таким образом, предлагаемый способ генерации электромагнитных квантов СВЧ дает возможность создавать кванты в диапазоне длин волн λСВЧ изменением Uk от Uk→0 до Uk=Ua. Неиспользованную на генерацию квантов энергию электронного пучка путем двухполупериодного преобразования в режиме резонанса токов в цепи L2 и резонанса напряжений в электрической цепи L1 превращают в электрическую мощность системы электропитания 13, повышая КПД системы электропитания.

Кроме того, сжатие электронного пучка двойным электрическим слоем в рабочей полости 5, за счет сил Кулона и сил Лоренца, увеличивает энергию взаимодействия электронов в пучке, которую также преобразуют в соответствующую мощность с помощью цепи L1 СТП 11, увеличивая мощность СВЧ-генерации и КПД системы электропитания 13. Эту дополнительно получаемую мощность можно использовать для электропитания других устройств мобильного аппарата.

Способ генерации СВЧ квантов, основанный на отборе энергии из сформированного с помощью электронной пушки электронного пучка, отличающийся тем, что одновременно с формированием электронного пучка осуществляют его модуляцию анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, после чего электронный пучок для повышения энергии пучка и плотности заряда сжимают электрическим полем, например, двойного электрического слоя с дальнейшей остановкой электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов, затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области генерирования СВЧ колебаний и может использоваться в системе электропитания, связи, телеметрии. Достигаемый технический результат - повышение качества информации, передаваемой по СВЧ трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, увеличение КПД.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный двухрежимный твердотельный лазер содержит поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), выполненный с ВКР-преобразованием, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора и лампу накачки.

Изобретение относится к области лазерных технологий. Способ получения оптического разряда в газе состоит в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче лазера в течение длительности его воздействия.

Изобретение относится к области лазерной физики и технике формирования мощных импульсов СО2 лазера. Оно обеспечивает генерацию коротких импульсов большой энергии, имеющих минимальную угловую расходимость, что позволяет получать высокоинтенсивные пучки СО2 лазера, предназначенные, в частности, для создания лазерно-плазменного источника ионов. Устройство состоит из одномодового задающего генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы СО2, оптической системы согласования и трехпроходового СО2-усилителя, образованного широкоапертурной активной средой СО2 лазера и резонансно-поглощающей ячейкой SF6+N2 (воздух) атмосферного давления, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое и малое выпуклое зеркала.

Использование: для создания лазеров пикосекундного диапазона (от УФ до ИК области спектра) в устройствах оптоэлектроники, оптической связи, при исследовании быстропротекающих процессов в биологических тканях и в регистрирующих приборах.

Изобретение относится к области генерирования СВЧ колебаний и может использоваться в системе электропитания, связи, телеметрии. Достигаемый технический результат - повышение качества информации, передаваемой по СВЧ трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, увеличение КПД.
Изобретение относится к лазерной технике и технике формирования пучков заряженных частиц и генерации потоков электромагнитного излучения. Изобретение может использоваться, в частности, для разработки и получения источников импульсного (когерентного) электромагнитного ионизирующего излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах спектра.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство для формирования объемного самостоятельного разряда содержит герметичный корпус, в котором вдоль оси установлены два протяженных профилированных электрода, гальванически связанных с импульсным источником питания.

Группа изобретений относится к медицинской лазерной технике , а именно к лазерной хирургии биотканей. Используют две длины волн в инфракрасном диапазоне, подводимые к месту рассечения по одному и тому же оптоволокну.

Изобретение относится к области плазмохимии, в частности к способу и реактору для плазмохимического синтеза, и может быть использовано при создании плазмохимических реакторов на основе лазеров.

Изобретение относится к квантовой электронике. Лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый и второй идентичные лазерные модули.

Предлагаемое изобретение относится к вертикально-излучающим лазерам с брэгговскими отражателями на основе наногетероструктур, работающим в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание вертикально излучающих лазеров с однородными слоистыми металлическими контактами, находящимися внутри резонатора, с повышенным коэффициентом полезного действия и улучшенными параметрами лазерного излучения. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является снижение электрического сопротивления структуры, обеспечение однородности электрического тока накачки, а также подавление поглощения света металлическими слоями. Результат достигается за счет того, что внутрь резонатора вертикально излучающего лазера с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами, между брэгговским отражателем и активной областью вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля, причем толщина слоев брэгговского отражателя, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев брэгговского отражателя, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области. 2 ил.
Наверх