РЕДИТРОН Российский патент 1995 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к релятивистской СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения.

Известны мощные генераторы СВЧ-излучения на основе систем с виртуальным катодом (ВК), называемые виркаторами и содержащие анодный электрод, состоящий из анода, диафрагмы и трубы дрейфа, катодный электрод, систему возбуждения аксиального магнитного поля, а также устройство вывода излучения (Григорьев В. П. Жерлицын А.Г. Коваль Т.В. Физика плазмы. 1990, т.16, N 11, с. 1353).

Генерация СВЧ-излучения в приборах такого типа возможна лишь при условии формирования ВК, то есть когда ток в диоде превышает некоторый предельный ток эквипотенциальной области (трубы дрейфа), и от энергии ускорения электронов в диоде ВК, сформированный в трубе дрейфа, испускает поочередно порции заряда то вперед, то назад.

Электроны, пролетающие вперед, называются пролетными электронами. Их наличие уменьшает КПД генератора, так как они, ускоряясь, уносят энергию поля.

Электроны, возвращающиеся назад, называются осциллирующими: захватываясь в колебательное движение между реальным катодом диода ускорителя и ВК, они генерируют СВЧ-излучение.

Осциллирующих электронов в промежутке постепенно становится больше, чем пролетных, так как первые накапливаются в области взаимодействия, а последние сразу выводятся из нее. В этом заключается механизм фазовой сепарации, обуславливающий высокий КПД генерации: если ток в диоде изменяется со временем по закону i i(t) (фиг.1а), то генерируемая мощность находится с помощью интегрирования
P(t) [i(t)-i_o]dt (1) где α некоторый коэффициент, зависящий от темпа накопления частиц в потенциальной яме "катод-ВК" и от доли энергии, затрачиваемой электроном на излучение в единицу времени;
t_o момент времени, когда ток в диоде достигнет значения предельного для трубы дрейфа тока i_o.

Эта зависимость показана на фиг.1б кривой 1. В принципе нет ограничений на величину генерируемой мощности, в том числе возможен режим, когда мощность генерации в некоторый момент времени превысит мгновенную мощность пучка (КПД по мощности более 100%).

Однако в эксперименте этого не происходит, так как в некоторый момент возникает срыв генерации, резкое падение мощности, обогащение спектра и хаотизация электронного потока, что показано на фиг.1б кривой 2. Эта неустойчивость является главным недостатком в виркаторах и проявляется практически во всех экспериментах (Platt R. et al. Appl. Phys. Lett. 1989, v. 54, N 13, р. 1215), [3] (Hwang C.S. et al. J. Appl. Phys. 1991, v. 69, N 3, р. 1247) и др. Причиной этого срыва генерации является накопление в области ВК пространственного заряда такой величины, что возникает пробой между ВК и боковой стенкой трубы дрейфа, который шунтирует ВК.

Эта неустойчивость не развивается в редитроне разновидности виркатора (reflected electron discrimination tube reditron) (Davis H.A. et al. IEEE Trans. on Pl. Sc. 1988, v. PS-16, N 2, р. 192). Редитрон содержит анодный электрод, который состоит из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцовой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля в виде одного соленоида, расположенного по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения. Этот генератор наиболее близок по сущности к заявляемому и выбран за прототип для обоих вариантов предлагаемого устройства.

Отсутствие неустойчивости срыва колебаний в редитроне обусловлено особым устройством диафрагмы. Известно, что электроны, отраженные от ВК, летят назад несколько по другим траекториям, чем при движении к ВК. Таким образом, если использовать диафрагму с толщиной, соответствующей полному поглощению электронов, и с круговой прорезью напротив цилиндрического полого катода, то электроны, инжектированные в трубу дрейфа сквозь прорезь, отразятся от ВК и поглотятся толстой частью диафрагмы.

Этот механизм препятствует накоплению осциллирующих электронов в потенциальной яме "катод-ВК" или, что то же самое, росту пространственного заряда в области ВК.

Однако по этой же причине мощность генерации в редитроне не может расти так, как в обычном виркаторе, что связано с искусственным подавлением режима фазовой сепарации, то есть в известном редитроне (см. фиг.1в).

P(t)= β[i(t)-i_o] (2) где β имеет тот же смысл, что и коэффициент α в виркаторе.

Малый КПД генерации недостаток известного редитрона.

Для редитрона величина КПД генерации по мощности является важным критерием возможности его практического применения. Техническая задача состоит в том, чтобы повысить КПД генерации по крайней мере в два раза по сравнению с известными редитронами.

Целью изобретения является повышение КПД генерации СВЧ-излучения в редитроне.

Цель достигается тем, что редитрон по первому варианту содержит анодный электрод, состоящий из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцовой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля, расположенную по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения, система возбуждения магнитного поля выполнена в виде одного соленоида с кольцом из ферромагнитного материала, расположенного в плоскости диафрагмы между соленоидом и трубой дрейфа с зазором относительно последних.

Согласно второму варианту изобретения, редитрон содержит анодный электрод, состоящий из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцовой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля, расположенную по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения, система возбуждения магнитного поля выполнена в виде двух соленоидов, причем оба соленоида размещены на равном расстоянии по разные стороны от плоскости диафрагмы.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных варианта решают одну и ту же задачу повышение КПД генерации СВЧ-излучения в редитроне принципиально одним и тем путем созданием в области взаимодействия (между катодом и ВК) такой конфигурации магнитного поля, чтобы его силовые линии, идущие вдоль оси системы параллельно катодному электроду в диодной области, пересекали бы анод в области диафрагмы, а силовые линии в трубе дрейфа, идущие параллельно оси системы в области ВК, пересекали бы трубу дрейфа также в области диафрагмы. Это конструктивно реализовано в предложенных вариантах путем определенного выполнения системы возбуждения магнитного поля.

Если подобрать величину магнитного поля в однородных областях магнитной системы так, что радиус Лармора ускоренных в диоде электронов был много больше, а радиус Лармора осциллирующих электронов, потративших уже свою энергию на СВЧ-излучение и вышедших из синхронизма с СВЧ-полем, много меньше анод-катодного промежутка, то электроны, синхронные с СВЧ-полем и обладающие достаточной энергией, продолжат осциллирующее движение в потенциальной яме, а медленные (мягкие) электроны будут двигаться по силовым линиям магнитного поля, оседая на стенках трубы дрейфа и анода.

Таким образом, существует оптимальное магнитное поле для того, чтобы указанный выше срыв не происходил, так как мягкие электроны, уже непосредственно не участвующие в генерации СВЧ-излучения, выводились бы из области взаимодействия, уменьшая тем самым пространственный заряд ВК. Таким образом, удаление (дискриминация) только мягких электронов в отличие от дискриминации всех электронов в известном редитроне является особенностью режима генерации в предлагаемом редитроне.

КПД генерации в режиме дискриминации мягких электронов будет выше, чем в известном виркаторе, за счет ликвидации срыва генерации, а также за счет обеспечения фазовой сепарации.

Записать какое-либо аналитическое выражение для величины необходимого магнитного поля достаточно трудно, однако эту величину легко можно подобрать экспериментально.

На фиг. 1 представлены вышеуказанные качественные временные зависимости тока и мощности СВЧ-излучения; на фиг.2 представлен пример технического выполнения редитрона с дискриминацией мягких электронов по первому варианту; на фиг.3 представлены примеры технического решения редитрона по второму варианту.

Редитрон по обоим вариантам состоит из анодного электрода, состоящего из гальванически связанных и аксиально расположенных анода 1, диафрагмы 2, выполненной в виде металлической сетки или тонкой фольги, трубы 3 дрейфа, заканчивающейся рупором 4 и окном 5 вывода излучения, аксиально расположенного внутри анода и отделенного от него промежутком катодного электрода 6, параллельно торцовой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, и системы возбуждения магнитного поля, расположенной по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее. По первому варианту система возбуждения магнитного поля выполнена в виде одного соленоида 7 с кольцом 9 из ферромагнитного материала, расположенного в плоскости диафрагмы между соленоидом и трубой дрейфа с зазором относительно последних.

В этом случае создается магнитное поле такой конфигурации, что силовые линии, идущие вдоль оси системы параллельно катодному электроду в диодной области, пересекают анод в области диафрагмы, а силовые линии в трубе дрейфа, идущие параллельно оси системы в области ВК, пересекают трубу дрейфа также в области диафрагмы. Указанная конфигурация силовых линий магнитного поля показана на фиг.2 стрелками. Там же указаны пунктиром траектории электронов: А траектория синхронного с СВЧ-полем электрона; Б траектория мягкого электрона, вышедшего из синхронизма с СВЧ-полем и удаляемого из области взаимодействия; В траектория пролетного электрона, находящегося в противофазе с СВЧ-полем.

По второму варианту система возбуждения магнитного поля состоит из двух соленоидов 7, 8, причем оба соленоида размещены на равном расстоянии по разные стороны от плоскости диафрагмы, включенных последовательно (фиг.3а) или встречно друг другу (фиг.3б). В этом случае создается магнитное поле такой же конфигурации в области взаимодействия, что и в первом варианте. На фиг.3 также стрелками показаны силовые линии магнитного поля, а пунктиром соответствующие траектории электронов.

Указанные траектории реализуются при весьма умеренных для обоих вариантов магнитных полях, когда синхронные электроны "не чувствуют" магнитного поля, а электроны, вышедшие из синхронизма вследствие потери энергии на излучение после многократного пересечения потенциальной ямы, удаляются из области взаимодействия, двигаясь по силовым линиям магнитного поля.

Рассмотрим работу редитрона с дискриминацией мягких электронов. При подаче высоковольтного импульса на анод-катодный промежуток в последнем в результате взрывной эмиссии сильноточный пучок электронов, ускоряясь, устремляется к диафрагме 2, проходя сквозь нее в трубу 3 дрейфа. При превышении электронного тока над предельным током для данной геометрии трубы дрейфа и данной величины напряжения в диоде в трубе дрейфа образуется ВК 10, испускающий поочередно порции электронов вперед и назад.

Электроны, пролетающие вперед, выводятся из пространства взаимодействия, оседая на трубу дрейфа в районе рупора 4.

Электроны, возвращающиеся назад к диафрагме, захватываются в колебательное движение в потенциальной яме "катод-ВК". Эти осциллирующие электроны, накапливаясь в области взаимодействия, генерируют мощное СВЧ-излучение. Излучая, осциллирующие электроны постепенно теряют свою энергию и выходят из синхронизма с СВЧ-полем. Как только энергия электронов уменьшится до того значения, когда ларморовский радиус электрона в данном поле станет меньше катод-анодного промежутка, они выводятся из пространства взаимодействия, оседая на анод 1 и трубу дрейфа в районе диафрагмы.

Таким образом, в редитроне осуществляется режим дискриминации мягких, вышедших из синхpонизма с СВЧ-полем, электронов.

Приведем технические характеристики одного из вариантов предлагаемого редитрона:
Ускоряющее напряжение в диоде, кВ 500 Ток пучка, кА 50
Величина зазора анод- -катод, см 3
Примерный диапазон поля в соленоидах, кГс 0,5-5
Ожидаемое увеличение КПД генерации СВЧ-излучения по мощности в 3-4 раза по сравнению с прототипом и для первого и для второго вариантов.

Помимо устранения срыва и увеличения КПД генерации, дискриминация мягких электронов обостряет спектр генерируемого СВЧ-излучения, а также увеличивает длительность импульса СВЧ-излучения.

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать предлагаемые варианты для практических целей, например для нагрева плазмы в импульсных термоядерных установках, а также в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.

Использование: релятивистская СВЧ-электроника, может быть применено для генерации мощных СВЧ-импульсов. Сущность изобретения: редитрон содержит анодный электрод, состоящий из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцовой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля, расположенную по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения. Конструкция системы возбуждения магнитного поля по первому варианту выполнена в виде одного соленоида с кольцом из ферромагнитного материала, расположенного в плоскости диафрагмы между соленоидом и трубой дрейфа с зазором относительно последних, а по второму варианту из двух соленоидов, причем оба соленоида размещены на равном расстоянии по разные стороны от плоскости диафрагмы. Такая конструкция устройства повышает КПД генерации путем вывода из области взаимодействия несинфазных электронов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. РЕДИТРОН, содержащий анодный электрод, который состоит из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцевой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля в виде одного соленоида, расположенного по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения, отличающийся тем, что в плоскости диафрагмы между соленоидом и трубой дрейфа с зазором относительно последних расположено кольцо из ферромагнитного материала. 2. Редитрон, содержащий анодный электрод, который состоит из гальванически связанных и аксиально расположенных анода, диафрагмы и трубы дрейфа, аксиально расположенный внутри анода и отделенный от него промежутком катодный электрод, параллельно торцевой поверхности которого с зазором расположена диафрагма, систему возбуждения магнитного поля с одним соленоидом, расположенную по периметру диафрагмы с внешней стороны трубы с зазором относительно нее, а также соединенную с трубой дрейфа систему для вывода излучения, отличающийся тем, что в систему возбуждения магнитного поля введен второй соленоид, причем оба соленоида размещены по разные стороны от плоскости диафрагмы.