ВИРКАТОР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ Российский патент 1996 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке мощных СВЧ генераторов, работающих на релятивистских электронных потоках.

Известны мощные СВЧ генераторы на релятивистских сильноточных электронных потоках, в которых генерация происходит за счет осцилляций электронов в потенциальной яме, образуемой катодом, положительной сеткой-анодом и так называемым виртуальным катодом [1] (Генерация электромагнитный колебаний в системах с виртуальным катодом) (Диденко А.Н. Григорьев В.П. Жерлицын А.Г.// Плазменная электроника: Сб. научн. тр. Киев: Наук. думка, 1989, с. 112-131). Недостатком таких генераторов является широкий спектр генерируемого излучения.

Наиболее близким по технической сущности является так называемый виркатор [2] (Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pihched diode. / Sze H. Benford J. W. Woo, Harteneck B. // Phys. Fluids. vol. 29 (11), 1986, p. 3873-3880), содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также окно для вывода излучения.

В виркаторе отрицательный импульс высокого напряжения прикладывается к катоду, коллектор же и сетка-анод заземлены. В этом случае пространство между сеткой и коллектором свободно от внешнего электрического поля и является, по сути, пространством дрейфа. Виртуальный катод формируется в пространстве дрейфа под влиянием поля пространственного заряда самого пучка, однако в виркаторе присутствуют пролетные электроны [1]
Характерной особенностью такого виркатора является двухчастотный состав спектра генерируемого излучения, причем одна из двух гармоник, обычно низкочастотная, соответствует колебаниям электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод, а высокочастотная составляющая иному механизму генерации. Таким образом, отсутствие у известных виркаторов режимов монохроматичной генерации основной недостаток таких устройств, не позволяющий эффективно использовать затраченную энергию, так как наличие двух, вообще говоря, несоизмеримых частот генерации отрицательно сказывается на фазовой селекции и фазовой фокусировке электронов в потоке, а, следовательно, и на КПД виркаторе.

Целью изобретения является повышение КПД генерации путем предусмотрения возможности управления одной из двух частот спектра излучения, в том числе возможности режима монохроматичной генерации, когда частоты обоих механизмов совпадают. Этот резонанс не будет сводиться только к сумме амплитуд обеих гармоник, а позволит существенно повысить КПД виркатора.

Цель достигается тем, что виркатор, содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также окно для вывода излучения, снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси виркатора и подключенной к источнику тока.

Общепринято, например в [3] (Численное моделирование инжекции электронного пучка в волновод./ Филиппычев Д.С. Шафер В.Ю.// Физика плазмы.- 1989, т. 15, вып. 2, с. 182-189), что другая, обычно высокочастотная, гармоника связана с колебаниями виртуального катода как целое, однако, как считают авторы, за появление этой частоты ответственен иной, связанный с собственным магнитным полем потока механизм: медленные электроны плотного облака виртуального катода захватываются в циклотронное вращение магнитным полем, возбуждаемым пролетной частью инжектируемого в камеру пространства дрейфа тока. Кроме того, авторы считают, что электроны в потенциальной яме и виртуальный катод как целое колеблются с одной частотой, равной приблизительно удвоенной плазменной частоте пучка.

Тому, что за другую частоту ответственен именно циклотронный механизм излучения, есть целый ряд экспериментальных подтверждений:
отсутствие двухчастотного режима генерации в виркаторах, находящихся в достаточно сильных аксиальных магнитных полях, что объясняется подавлением аксиальным полем циклотронного вращения в собственном азимутальном поле; этот факт подтверждается экспериментальными исследованиями авторов;
в другой разновидности генераторов с виртуальными катодами в отражательных триодах, в которых полностью отсутствуют пролетные электроны, осуществляется режим одночастотной генерации, так как собственное магнитное поле равно нулю, однако при искусственном создании пролетного тока с помощью дополнительного коллектора сразу же возникает режим двухчастотной генерации [4] (К вопросу о механизме генерации СВЧ излучения в системах с виртуальным катодом./ Григорьев В.П. Жерлицын А.Г. Кузнецов С.И. Мельников Г.В.// ЖТФ, 1987, т. 57, вып. 9, с. 1863-1865).

Итак, изменяя величину азимутального магнитного поля в области формирования виртуального катода, можно менять частоту соответствующей гармоники, в том числе можно добиться резонанса, то есть совпадения частот обеих гармоник, что ведет к повышению КПД генерации.

Изменение азимутального магнитного поля осуществляется пропусканием по указанной выше нити тока, причем ток в нити, совпадающий по направлению с пролетным током, увеличивает азимутальное магнитное поле и, следовательно, увеличивает частоту циклотронной гармоники.

Быстрые электроны, находящиеся в области сетки-анода, имеют циклотронный радиус вращения, много больший ширины потенциальной ямы катод-виртуальный катод, поэтому пропускание по нити тока не изменяет частоту первой, связанной с колебаниями электронов в потенциальной яме, гармоники.

Авторами не обнаружено известных технических решений с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, что соответствует критерию "Существенные отличия".

На чертеже изображен виркатор на циклотронном резонансе, разрезе.

Виркатор содержит заземленную сетку-анод 1, заземленный коллектор 2, совместно представляющие вакуумную эквипотенциальную цилиндрическую полость, имеющую боковое окно вывода излучения 3. Напротив анода расположен взрыво-эмиссионный катод 4, формирующий трубчатый пучок электронов 5. Токонесущая нить для управления частотной циклотронной гармоники 6 проходит вдоль оси системы от коллектора сквозь сетку-анод, не имея с ней электрического контакта, до катода, заходя в его внутреннюю полость. Отсутствие контакта между анодом и нитью предусмотрено для предотвращения радиальных токов по поверхности анода, имеющих вредное влияние на генерацию.

Нить подключена к внешнему источнику тока 7 через электрод 8 и отверстие в разделяющем изоляторе 9. Коллектор в свою очередь защищает изолятор от разрушающего воздействия пролетных электронов.

Генератором высокого напряжения, питающим катод-анодный промежуток, является два трехиндукторных блока 10 индукционного ускорителя электронов [5] (Многоэлементные ускорители на радиальных линиях./ Павловский А.И. Босамыкин В. С. Кулешов Г.Д. Герасимов А.И. Тананакин В.А. Клементьев А.П.// Докл. АН СССР, 1975, т. 222, вып. 4, с. 817-820).

Работа виркатора происходит следующим образом: сначала по нити 6 с помощью внешнего источника 7 пропускают импульс тока длительностью, намного превышающей длительность импульса тока электронов ускорителя, и амплитудой, подобранной таким образом, чтобы электроны в суммарном магнитном поле нити и пучка имели частоту циклотронных колебаний, равную частоте колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод. Далее в момент максимума тока в нити срабатывают блоки индукторов 10, и высокое напряжение подается на промежуток между катодом 4 и сеткой-анодом 1. При подаче высоковольтного импульса напряжения на промежуток катод-сетка в результате взрывной эмиссии поток электронов устремляется к сетке-аноду и пронизывает его, попадая в промежуток сетка-коллектор, ширина которого подобрана таким образом, чтобы предельный ток в этом промежутке был меньше тока инжектируемых электронов В этом случае здесь формируется виртуальный катод (ВК). В результате колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод и циклотронного вращения их с той же частотой система генерирует СВЧ излучение, которое выводится через окно 3.

Приведем пример параметров виркатора на циклотронном резонансе:
Энергия ускорения электронов 1-1,2 МэВ
Амплитуда тока пучка 20-25 кА
Длительность импульса тока пучка 20 нс
Диаметр пучка 125 мм
Диаметр камеры дрейфа 360 мм
Длина камеры дрейфа 300 мм
Ширина промежутка катод-анод 10-20 мм
Частота колебаний электронов в потенциальной яме 3,5-7 ГГц
Длительность импульса тока в нити 1-10 мкс
Диапазон изменения амплитуды тока в нити 0-5 кА
Диапазон изменения циклотронной частоты 2,5-8,5 ГГц
Итак, диапазон изменения циклотронной частоты перекрывает возможный диапазон частот колебаний электронов в потенциальной яме и, таким образом, в данной системе возможно осуществление режима циклотронного резонанса. Оценочные расчеты показывают, что возможно повышение КПД в 1,3-1,5 раза по сравнению с виркатором без токонесущей нити.

Значительно эффективная генерация возможна и в режиме, когда частота циклотронных колебаний равна частоте 2-ой, 3-ей и т.д. гармоники колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод.

Использование: виркатор на циклотронном резонансе (ВЦР) может быть использован в ускорительной технике, в частности, в генераторах мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности. Цель - увеличение КПД виркатора за счет совмещения двух частот генерации (условие циклотронного резонанса). Цель достигается тем, что виркатор, содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также боковое окно для вывода СВЧ излучения, снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси ВЦР и подключенной к источнику тока, два трехиндукторных блока индукционного ускорителя электронов, дополнительный электрод и разделяющий изолятор, два трехиндукторных блока индукционного ускорителя электронов расположены вдоль оси виркатора и соединены с катодом и сеткой-анодом. 1 ил.

Виркатор на циклотронном резонансе, содержащий катод, сетку-анод, коллектор, расположенные соосно, и окно для вывода излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД виркатора, он снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси виркатора и подключенной к источнику тока.