ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ТРИОД НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА Российский патент 1995 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов сильноточным релятивистским пучком.

Известны триоды на основе виртуального катода (ВК), содержащие катод, анод и отражающий электрод [1] и [2] В работе [1] анод выполнен в виде сетки. Для данного триода было замечено, что при изменении геометрической прозрачности сетки изменяется КПД генерации. В условиях данного эксперимента оптимальной была сетка с геометрической прозрачностью 70% В работе Григорьева В.П. и др. Физика плазмы, 1988, N 2, с. 210. делалось предположение, что при большей прозрачности анода уменьшение КПД связано с провисанием потенциала в ячейках сетки. Не оспаривая в целом данного предположения, заметим, что в работе [2] в качестве анода использовалась прозрачная для электронов тонкая фольга. В этом случае нет провисания потенциала, но КПД генератора по-прежнему весьма мал (<1%).

За прототип выбран отражательный триод на основе ВК, содержащий катод, анод и отражающий электрод, с анодом, выполненным в виде фольги толщиной много меньше длины пробега электронов в материале фольги [2]
Недостатком такого решения является низкий выход генерируемого излучения. КПД генератора составил величину меньше 1%
Величина КПД генератора по мощности является одним из важных критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора. Техническая задача состоит в том, чтобы КПД генератора составила величину более 20% что позволяет использовать его, например, в качестве источника СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.

Целью изобретения является повышение КПД генерируемого излучения.

Сущностью предлагаемого решения является отражательный триод на основе ВК, содержащий катод, анод и отражающий электрод, причем триод дополнительно снабжен поглотителем электронов, расположенным на аноде.

Поглотитель электронов уменьшает поток электронов сквозь анод. Коэффициент прозрачности поглотителя Q I/I₀, где I₀ полный поток электронов, падающих с катода на анод; I поток электронов, прошедших в область между анодом и отражающим электродом.

Очевидно, что коэффициент прозрачности может иметь два крайних значения: Q0 и Q 1. При Q 0 электроны не попадают в область между анодом и отражающим электродом, следовательно, не образуется ВК и нет генерации излучения. При Q 1 отсутствует вывод электронов из пространства взаимодействия, вышедших из синхронизма (Кузнецов С. И. Оптимизация параметров катод-анодной системы триода с виртуальным катодом. Томск, 1988, Деп. ВИНИТИ. N 113-В88). Кроме того, электроны пролетают через анод без поглощения, и электрическая цепь катод анод не замкнута. Мощность электронного пучка в диоде определяется произведением напряжения в диоде и тока. При незамкнутой цепи ток отсутствует, соответственно нет расхода мощности на генерацию СВЧ-излучения. Очевидно, что оптимальный по КПД генерации коэффициент прозрачности находится внутри интервала от 0 до 1.

Обеспечение требуемого соотношения между током в катод-анодном промежутке и током в промежутке между анодом и отражающим электродом необходимо для реализации максимального КПД генерации СВЧ-излучения в триоде. В известных отражательных триодах на основе ВК напряжение, прикладываемое к ускоряющему промежутку, сравнительно невелико (150-450 кВ) для того, чтобы обеспечить необходимую прозрачность сетчатого анода, так как при таких напряжениях обычно геометрическая прозрачность сетки практически равна прозрачности, определяемой отношением прошедшего тока к падающему. В известном релятивистском отражательном триоде (1,2-4,5 МВ) [2] истинная прозрачность анода близка к единице даже при использовании абсолютно геометрически непрозрачного фольгового анода. Поэтому обеспечение оптимального коэффициента прозрачности для электронов на входе их в тормозящее поле триода при помощи поглотителя, установленного на аноде, является важным условием для обеспечения высокого КПД генерации.

На чертеже изображен пример реализации отражательного триода на основе ВК с поглотителем электронов с фиксированным коэффициентом прозрачности.

Триод содержит катод 1, прозрачный для электронов анод 2 и отражающий электрод 3. Поглотитель 4 электронов размещен на аноде. Катод, анод и отражающий электрод гальванически развязаны между собой диэлектрическими изоляторами 5.

При релятивистских скоростях электронов анод может быть сделан из тонкой фольги, прозрачной для электронов, а поглотитель из проводящего материала толщиной больше длины пробега электронов. В случае равномерного распределения электронов по сечению пучка коэффициент прозрачности определяется через отношение площадей Q 1 S_погл/S_полн, где S_погл площадь, вырезаемая поглотителем в сечении пучка; S_полн площадь сечения пучка.

Принцип работы отражательного триода на основе ВК с поглотителем электронов заключается в следующем. При подаче высоковольтного напряжения на диод вследствие взрывной эмиссии образуется пучок электронов, двигающийся в направлении с катода 1 на анод 2. Часть электронов пучка поглощается в материале поглотителя 4, оставшиеся электроны попадают в область между анодом и отражающим электродом 3. В этой области формируется виртуальный катод 6. Излучение возникает в результате колебаний электронов между ВК и катодом, а также колебаний самого ВК.

Примерные параметры отражательного триода на основе ВК: импеданс диода 40 Ом; диодный зазор 2 см; диаметр катода 4 см; длительность импульса 20 нс; длина волны излучения 10 см; толщина поглотителя: Al 4 мм; Fe 1,5 мм; Pb 1 мм.

Общую формулу для расчета оптимального коэффициента прозрачности поглотителя получить трудно, однако численные оценки для приведенного случая дают значение для оптимального коэффициента прозрачности 0,6-0,8. Более тонкое значение подбирается в эксперименте. Ожидаемая мощность СВЧ-излучения до сотен мегаватт, при этом КПД генерации составит около 30%
Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать отражательный триод на основе ВК для практических целей, например в качестве источника СВЧ-излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.

Использование: в ускорительной технике для генерации мощных импульсов СВЧ-излучения. Сущность изобретения: отражательный триод снабжен поглотителем электронов, расположенным на аноде. Технический результат: увеличение КПД генерации. 1 ил.

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ТРИОД НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА, содержащий последовательно расположенные катод, анод и отражающий электрод, разделенные промежутками и гальванически изолированные между собой, отличающийся тем, что отражательный триод снабжен поглотителем электронов, расположенным на аноде.