ВИРКАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке мощных СВЧ-генераторов.

Известен мощный СВЧ-генератор на основе виртуального катода, называемый виркатором и содержащий катодный и анодный электроды, а также окно вывода излучения (D.J.Sullivan "High power mocrowave generator using relatistic electron beam in weveguide drifr tube". US Patent N 4345220, кл. H 03 B 9/01, опубл. 17.08.82, т.1021, N 3). В указанном виркаторе анодный электрод состоит из цилиндрического анода, диафрагмы и трубы дрейфа, причем диафрагма может быть изготовлена либо из металлической сетки, как это сделано, например, в M.Haworth, B.Anderson, J.Cristofferson, D.Cremer. K.Doss. R.Platt, J.Sidler, L.Thode. "Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser", IEEE Trans. Pl.Sc. 1991, v. PS-19, N 4. p.655-659, либо из тонкой металлической фольги, как это сделано, например, в H.Sze, J. Benford, T. Young, D.Bromley, B.Harteneck "A radially and axially extracted virtual catgode oscillator (vircator)", IEEE Trans.Pl.Sc. 1991, v.PS-13, N 6, p.492-497. Наличие рассеивающей диафрагмы, поглощающей часть электронного потока, является недостатком виркатора.

Полностью уменьшить поглощение электронов диафрагмой (то есть увеличить ее прозрачность до единицы) принципиально невозможно. Действительно, для увеличения прозрачности сетчатой диафрагмы требуется либо увеличивать расстояние между проволочками сетки, либо уменьшать диаметр самих проволочек, однако увеличение расстояния между проволочками до величины катод-анодного зазора, а также чрезмерное уменьшение их диаметра приводят к искажению однородности электрического поля в катод-анодном промежутке. Для увеличения прозрачности фольговой диафрагмы необходимо уменьшать толщину фольги, однако при малой ее толщине появляется опасность ее разрушения под влиянием диодной плазмы, образуемой в результате взрывной эмиссии электронов. Такому разрушению может подвергнуться и сетчатая диафрагма. Вместе с тем, например, при пятикратном пролете осциллирующих электронов сквозь диафрагму с прозрачностью 0,9 теряется уже примерно половина электронов потока.

Свободен от указанных недостатков виркатор (А.Г.Жерлицын, С.И.Кузнецов, Г. В.Мельников, Г.П.Фоменко. Генерация СВЧ-колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке. ЖТФ, 1986, т.56, N 7, с. 1384-1387), содержащий катодный и анодный электроды, а также окно вывода излучения, причем анодный электрод содержит цилиндрический анод, трубу дрейфа и не содержит диафрагмы. Образование виртуального катода в известном виркаторе возможно благодаря тому, что радиус трубы дрейфа несколько больше радиуса анода, и, следовательно, с трубой дрейфа связан предельный ток, меньший, чем ток, снимаемый с катода. Виркатор выбран нами за прототип.

Недостатком прототипа является следующий факт: как показано (М.Ю.Антошкин, В. П. Григорьев, Т.В.Коваль, Н.И.Саблин. Численное исследование динамики релятивистского электронного потока с виртуальными катодами. Радиотехника и электроника, 1992, т.37, N 6, с.1115-1119), отсутствие диафрагмы между анодом и трубой дрейфа уменьшает глубину потенциальной ямы, образованной между реальным и виртуальным катодами, что уменьшает число захваченных в потенциальную яму электронов и, следовательно, снижает КПД генерации.

Целью изобретения является создание виркатора, в котором исключены недостатки аналога (поглощение электронов диафрагмой) и прототипа (малая глубина потенциальной ямы). Это позволит получить достаточно высокий КПД СВЧ-генерации и исключит возможность разрушения диафрагмы, что особенно важно при импульсно-периодическом режиме работы виркатора. Решение указанной задачи расширит область применения виркаторов, и прежде всего в СВЧ-энергетике.

Цель достигается тем, что виркатор, включающий в себя катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и трубы дрейфа, а также окно для вывода излучения, дополнительно снабжен по крайней мере одним плазменным инжектором, размещенным на границе между цилиндрической частью и трубой дрейфа снаружи анодного электрода напротив выполненного в его стенке окна или внутри анодного электрода.

Тонкий плазменный слой, сформированный с помощью плазменного инжектора (или системы плазменных инжекторов) между цилиндрической частью анодного электрода и трубой дрейфа, является проводящим образованием, находящимся под потенциалом анодного электрода, и поэтому он будет обеспечивать необходимую глубину потенциальной ямы. Вместе с тем, концентрацию тяжелых частиц плазмы можно сделать на 8-10 порядков меньше концентрации атомов металла, из которого сделана диафрагма, что дает возможность электронному потоку проходить сквозь плазменный слой практически без потерь.

В предлагаемом решении нет необходимости обеспечения радиальной равномерности концентрации плазмы, поэтому достаточно использования по крайней мере одного плазменного инжектора. Кроме того, возможна установка плазменного инжектора (или системы плазменных инжекторов) как внутри анодного электрода, так и снаружи, причем в последнем случае в анодном электроде необходимо наличие окон для инжекции плазмы.

На чертеже показан пример технического выполнения заявляемого виркатора с плазменными инжекторами, установленными снаружи анодного электрода.

Виркатор содержит катодный электрод 1 и анодный электрод, состоящий из цилиндрической части 2 и трубы 3 дрейфа, которая плавно переходит в рупорное окно вывода 4 СВЧ-излучения. На границе между цилиндрической частью 2 и трубой 4 дрейфа размещены несколько плазменных инжекторов 5 для радиальной инжекции плазмы. Для обеспечения хорошего контакта плазмы с анодным электродом в области ее инжекции устанавливается металлическая сетка 6, апертура которой вырезает из плазменной струи тонкий слой плазмы требуемой толщины. Фактически металлические сетки 6 выполняют функцию окон для инжекции плазмы.

В предлагаемом виркаторе проще всего использовать плазменные инжекторы эрозионного типа, подобные тем, которые описаны W.H.Bostick. Experimental study of ionized matter projected across a magnetic field. Phys. Rev. 1956, v.104, N 2, p.292-299.

Пунктиром на чертеже показано расположение плазменного слоя, а горизонтальной штриховкой расположение виртуального катода. Стрелками указано движение осциллирующих электронов.

Виркатор работает следующим образом. Перед началом импульса генерации плазменные инжекторы 5 формируют плазменный слой между цилиндрической частью 2 анодного электрода и трубой 3 дрейфа. После этого к катодному электроду 1 прикладывается импульс высокого напряжения отрицательной полярности, потенциал плазменного слоя остается при этом равным потенциалу заземленного анодного электрода. В результате взрывной эмиссии на поверхности катодного электрода 1 формиpуется электронный поток, который, ускоряясь, устремляется к плазменному слою, проходит сквозь него и образует в трубе 3 дрейфа виртуальный катод.

Электроны захватываются в колебательное движение между катодным электродом 1 и виртуальным катодом и излучают электромагнитную волну на частоте своих колебаний. Примеры параметра виркатора. Ток пучка 150 кА Ускоряющее напряжение 1,5 МВ Длина волны СВЧ-излуче- ния 30 см Длительность импульса 30 нс Расстояние от поверх- ности катодного электро- да до плазменнного слоя 7 см Толщина плазменного слоя 1-1,5 см Концентрация плазмы в слое 10¹²-10¹⁴ см^-3.

Как показывают численные оценки, ожидаемое увеличение КПД по сравнению с прототипом может достигать 1,5-2 раза.

Изобретение может дать дополнительный положительный эффект: так как концентрация плазмы в слое на 8-10 порядков ниже концентрации плазмы анодного факела в диоде с металлической диафрагмой, то в нашем случае можно ожидать увеличение времени замыкания диодного зазора плазмой, что позволяет увеличить длительность СВЧ-генерации виркатора.

Виркатор-прототип работает только в условиях магнитной изоляции диодной системы, тогда как предлагаемый виркатор не требует наличия внешнего магнитного поля.

Использование: ускорительная техника, малая СВЧ - электроника. Сущность изобретения: виркатор, содержащий катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и трубы дрейфа, а также окно для вывода излучения, дополнительно снабжен по крайней мере одним плазменным инжектором, размещенным на границе между цилиндрической частью и трубой дрейфа снаружи анодного электрода напротив выполненного в его стенке окна или внутри анодного электрода, что обеспечивает повышение КПД генерации. 1 ил.

ВИРКАТОР, содержащий катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и трубы дрейфа, а также окно для вывода излучения, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одним плазменным инжектором, размещенным на границе между цилиндрической частью и трубой дрейфа снаружи, анодного электрода напротив выполненного в его стенке окна или внутри анодного электрода.