РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ Российский патент 1995 года по МПК H01J25/00 H01J25/68 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов сильноточными электронными пучками.

Известны релятивистские СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом, содержащие катод, анод, который отделяет диодный промежуток от пространства дрейфа, а также окно для вывода излучения, причем электродная система (система катод сетка-анод) в таких генераторах плоскопараллельная (Диденко А.Н. Григорьев В.П. Жерлицын Р.Г. Генерация электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом. Плазменная электроника: Сб. науч. тр. Киев: Наукова думка, 1989, с. 112-131). Общепринятое название генераторов такого типа виркатор. Гигаваттный уровень излучаемой мощности при 25-30%-ном электронном КПД в виркаторах уже достаточно освоен.

Наиболее близким по технической сущности и с улучшенными массогабаритными характеристиками по сравнению с известными релятивистскими СВЧ-генераторами на основе систем с виртуальным катодом является релятивистский СВЧ-генератор на основе системы с виртуальным катодом коаксиального типа (авт. св. СССР N 1522317, кл. Н 01 J 25/68, 1989). Этот генератор содержит цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анод, прозрачный для электронов, который выполнен в виде полого цилиндра и расположен соосно с вакуумной камерой внутри нее, а также окно вывода излучения, расположенное в торце вакуумной камеры.

Параметры этого генератора следующие:
Ускоряющее напряже- ние, кВ 600
Ток в катод-анодном проме- жутке, кА 62
Длительность импульса напряжения, нс 80 Длина волны излучения, см 10,7
Амплитуда мощности СВЧ-излучения, МВт 100-120
Таким образом, основным недостатком известного генератора коаксиального типа является малое значение электронного КПД (около 0,3%) по сравнению с плоскопараллельными системами.

Вместе с тем задача создания релятивистских СВЧ-генераторов на основе систем с виртуальным катодом именно коаксиального типа, как наиболее легких и компактных, с электронным КПД, сравнимых с КПД плоскопараллельных генераторов, имеет важное значение, например, для создания компактных СВЧ-генераторов для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.

Данный технический результат достигается тем, что релятивистский СВЧ-генератор коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом, содержащий цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анод, прозрачный для электронов, который выполнен в виде полого цилиндра и расположен соосно с вакуумной камерой внутри нее, а также окно вывода излучения в торце вакуумной камеры, снабжен дополнительным электродом-коллектором, представляющим собой цилиндр, расположенный внутри анодной полости вдоль оси анода и электрически соединенный с анодом.

Чтобы проследить, что результат достигается с помощью введения электрода-коллектора, подробно рассмотрим, во-первых, чем обусловлен высокий КПД (около 25% ) плоскопараллельного генератора, а во-вторых, какова причина низкого КПД (около 0,3% ) в генераторе коаксиального типа на примере его экспериментального опробирования.

В плоскопараллельном генераторе высокий КПД обусловлен фазовой селекцией электронного потока, когда правильнофазные электроны, отдающие свою энергию СВЧ-полю, захватываются в колебательное движение в потенциальной яме катод-виртуальный катод и накапливаются там, а неправильнофазные электроны, ускоряясь, то есть отбирая энергию у СВЧ-поля, сразу же покидают пространство взаимодействия, оседая на стенках, ограничивающих пространство дрейфа. Эмиссия же новых порций заряда с катода происходит под действием ускоряющего напряжения с учетом СВЧ-поля. Таким образом, в пространстве взаимодействия устанавливается преобладание излучающих правильнофазных электронов, кроме того, происходит их фазовая фокусировка, что также повышает КПД. Подобный механизм излучения в генераторах на основе виртуальных катодов является общепринятым (см. например, Диденко А.Н. Жерлицын А.Г, Кузнецов С.И. Мельников Г.В. Филипенко Н.М. Фоменко Г.П. Исследование механизма группировки в СВЧ-триоде с виртуальным катодом. "Радиотехн. и электроника", 1987, т. 32, вып. 4, с. 837-840).

Иначе обстоит дело в генераторе коаксиального типа при эмиссии электронов внутрь анодной полости: правильнофазные электроны тормозятся полем пространственного заряда пучка и отражаются от виртуального катода, в то время как неправильнофазные электроны летят дальше к оси системы до тех пор, пока кулоновское расталкивание не завернет их назад к аноду.

Таким образом, неправильнофазные электроны также захватываются в пространстве взаимодействия, накапливаются там и излучают свое СВЧ-поле, то есть в анодной полости образуются два виртуальных катода, причем неправильнофазный виртуальный катод располагается ближе к оси анодной полости (внутри правильнофазного виртуального катода и соосно с ним). Электроны, захваченные в колебательное движение между катодом и внутренним виртуальным катодом, находятся всегда в противофазе с электронами, колеблющимися между катодом и внешним виртуальным катодом, поэтому происходит практически полная компенсация СВЧ-поля в зазоре между катодом и анодом, а в анодной полости мощность скомпенсирована не полностью и пропорциональна величине зазора между обоими виртуальными катодами. В этом случае нет особых различий между правильнофазными и неправильнофазными электронами, поэтому зазор между обоими виртуальными катодами, а следовательно, и генерируемая мощность малы.

Известно, что за время одного периода колебания СВЧ-поля величина концентраций электронов в районе виртуального катода совершает одно колебание. В известном коаксиальном генераторе оба виртуальных катода колеблются в противофазе, то есть когда в одном виртуальном катоде концентрация электронов растет, то в другом падает, и наоборот. В этом случае у наблюдателя создается впечатление, что генерация СВЧ происходит не за счет колебаний электронов в потенциальной яме, а за счет колебаний единственного виртуального катода.

Кроме того, при внесении в анодную полость электрода, находящего под потенциалом катода, происходит уменьшение выводимой мощности, что объясняется тем, что этот электрод отталкивает от себя электроны и поэтому зазор между обоими виртуальными катодами уменьшается.

Все перечисленные обстоятельства: отсутствие СВЧ-поля в зазоре катод-анод; кажущиеся колебания единственного виртуального катода; уменьшение выводимой мощности при внесении в анодную полость электрода, отталкивающего электроны, наблюдались в эксперименте и подтверждают, что представление об электронных процессах в коаксиальном генераторе у нас правильно.

Отсутствие фазовой сепарации электронного потока в известном релятивистском СВЧ-генераторе коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом причина низкого КПД генерации, а повысить КПД генератора можно введением в анодную полость цилиндрического электрода-коллектора, находящегося под потенциалом анода. Этот электрод сможет отводить поток неправильнофазных электронов и тем самым осуществлять режим фазовой сепарации.

На чертеже схематически изображен предлагаемый генератор.

Релятивистский СВЧ-генератор коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом содержит цилиндрическую вакуумную камеру 1 с катодом 2, расположенным на ее внутренней поверхности. Катод многоострийный, взрывоэмиссионный. Внутри камеры соосно с ней расположен анод 3, имеющий вид полого цилиндра и выполненный из металлической сетки с геометрической прозрачностью 60-80%
К аноду подключен высоковольтный импульсный генератор 4 через изолятор 5, находящийся на одном из торцов вакуумной камеры. На противоположном торце камеры расположено окно 6 вывода СВЧ-излучения. Цилиндрический электрод-коллектор 7 расположен внутри анодной полости соосно с ней и электрически связан с анодом с помощью торцовой проводящей перемычки 8. Диаметр D_э электрода-коллектора выбирают из условия
D_э < 3D_a 2D_к, где D_a диаметр анодной полости; D_к диаметр эмиттирующей поверхности катода. Это условие является достаточным для возникновения виртуального катода 9.

Работа генератора происходит следующим образом. При подаче на анод 3 высоковольтного импульса положительной полярности в результате взрывной эмиссии на катоде 2 электронный поток устремляется к оси системы сквозь анод 3. В пространстве между поверхностью анодного цилиндра и электродом-коллектором 7 формируется виртуальный катод 9. В образуемой таким образом потенциальной яме происходят осцилляции правильнофазных электронов и развивается неустойчивость, являющаяся источником мощного СВЧ-излучения, а неправильнофазные электроны собираются электродом-коллектором 7 и выводятся из пространства взаимодействия.

Мощность СВЧ-излучения амплитудой в 100-120 МВт, равная выходной мощности, может быть получена в предложенном генераторе при значительно меньших величинах напряжения (100 кВ) и тока ( ≈3,5 кА) в катод-анодном промежутке, что соответствует КПД ≈30%
С такими выходными характеристиками генератор может быть применен в качестве компактного источника для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния. Такой генератор может служить также для нагрева плазмы в импульсных установках термоядерного синтеза.

Использование: в ускорительной технике для генерации мощных импульсов СВЧ-излучения. Сущность изобретения: генератор снабжен дополнительным электродом коллектором, электрически соединенным с анодом, для отбора из области взаимодействия неправильнофазных электронов для обеспечения режима фазовой сепарации, что обеспечивает увеличение КПД генерации. 1 ил.

РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ, содержащий цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анод, прозрачный для электронов, выполненный в виде полого цилиндра и расположенный соосно с вакуумной камерой внутри нее, а также окно вывода излучения в торце вакуумной камеры, отличающийся тем, что генератор снабжен дополнительным электродом-коллектором, представляющим собой цилиндр, расположенный внутри анодной полости вдоль оси катода и электрически соединенный с анодом.