ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИБОР Российский патент 1997 года по МПК H01J25/00 H01J23/06 

Предложение относится к области мощной электроники, в частности, к электронно-лучевым генерирующим устройствам, работающим в СВЧ-диапазоне.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий электронную пушку, объемный резонатор с узлами ввода и вывода СВЧ-мощности, полый коллектор, магнитный соленоид, охватывающий резонатор, и откачную систему [1] Известный прибор, требующий громоздкой откачной системы, имеет большие весогабаритные показатели, ограничивающие возможный потолок мощности при бортовом исполнении.

Недостатком известного устройства является ограничение удельной мощности, КПД и функциональных возможностей режима усиления и генерации СВЧ-мощности.

Удельная мощность, приходящаяся на единицу рабочего объема устройства, ограничена не только конструктивными особенностями (в частности, наличием громоздкой откачной системы), но и характеристической проводимостью электронно-лучевого тракта, снижение которой обусловлено отрицательным влиянием собственного пространственного заряда пучка.

В известном приборе невозможно управлять компрессией и первеансом электронного пучка, трудно перестраивать режим генерации СВЧ-мощности (коэффициент усиления, рабочую частоту).

Наиболее близким по технической сущности решением является пучково-плазменный СВЧ-генератор, содержащий ряд вакуумных камер с откачной системой, соосно расположенные, электронную пушку с катодным и анодным узлом, плазменную пушку, объемный резонатор с узлами ввода и вывода СВЧ-мощности, магнитный соленоид и коллектор [2]
Известное устройство имеет повышенные весо-габаритные характеристики и ограничено по уровню предельной усиливаемой СВЧ-мощности, поскольку содержит громоздкую откачную систему, выполненную в виде четырех автономных насосов, каждый функциональный узел собран в отдельной вакуумной камере, что обусловило необходимость установки целого ряда магнитных линз вдоль тракта электронного пучка, взаимодействующего с плазмой и СВЧ-структурой.

В качестве источника плазмы в известном генераторе используется автономная плазменная пушка, расположенная между выходом объемного резонатора и входом в дополнительную камеру откачки.

Потому увеличение габаритов известного генератора обусловлено принятой структурной компоновкой основных узлов и разделением их функций. Большая протяженность электронно-лучевого тракта, проходящего через несколько вакуумных камер до входа в объемный резонатор, ограничивает характеристическую проводимость (первеанс) системы и снижает эффект усиления СВЧ-мощности за счет коллективных пучково-плазменных взаимодействий.

Целью предложения является уменьшение габаритов и веса прибора при увеличении выходной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в пучково-плазменном СВЧ приборе, содержащем откачную систему, соосно расположенные электронную пушку с катодом и анодом, плазменную пушку и электродов, причем, ближайший к электродинамической системе электрод анода имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону электродинамической системы, плазменная пушка размещена между электродами анода и содержит контрагирующий электрод, выполненный в виде двух вложенных друг в друга усеченных конусов и расположенный симметрично между анодными электродами, цилиндрический катод, расположенный между конусами контрагирующего электрода, устройство для подачи нейтрального газа цилиндрическому катоду.

Совмещение конструкции плазменной пушки и анодного узла электронной пушки с осесимметричным центральным каналом позволяет более, чем в два раза уменьшить весо-габаритные показатели и одновременно формировать плазменную оптику в области формирования и ускорения пучка. В электронной пушке с плазменным анодом первеанс пучка и мощность прибора в целом могут быть увеличены в несколько раз.

Введение в состав плазменной пушки контрагирующего промежуточного электрода, цилиндрического катода и встроенного устройства для подачи нейтрального газа цилиндрическому катоду позволяет создавать в приборе плазму от плазменной пушки и от ионизации рабочего газа электронным пучком. При этом оптимизируется пучково-плазменный режим работы прибора и обеспечивается максимальный отбор СВЧ-мощности.

Выполнение анодного узла в виде двух соосных электродов так, что ближайший к электродинамической системе электрод имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону электродинамической системы, обеспечивает развязку процессов в плазменной пушке и в области формирования и ускорения пучка и позволяет согласовать электронно-лучевой и плазменные процессы в приборе.

Выполнение контрагирующего электрода плазменной пушки в виде вложенных друг в друга усеченных конусов и расположение его симметрично между анодными электродами обеспечивает эффективное формирование плазменного анода в ускоряющем промежутке электронной пушки, разогрев основного катода ионным пучком, извлекаемым с плазменной границы, и позволяет отказаться от громоздких высокопотенциальных источников накала катодного узла электронной пушки.

Аксиально-конусная структура анодного и контрагирующего электродов оптимизирует режим работы прибора в диапазоне давлений 10^-4 oC10^-3 тор. обеспечивая одновременно улучшение оптики электронной пушки за счет формирования плазменной анодной линзы и биполярного режима работы, нейтрализации пространственного заряда пучка вдоль электронно-лучевого тракта и пучково-плазменного режима усиления СВЧ-мощности в объемном резонаторе.

Введение в плазменную пушку устройства для подачи нейтрального газа позволяет наряду с уменьшением габаритов обеспечить полную автономность газодинамического и пучково-плазменного режима прибора в отпаянном исполнении.

Существо предложения поясняется чертежами, на которых приведены: фиг.1 - общий вид пучково-плазменного СВЧ генератора; фиг.2 -конструкция анодного узла электронной пушки с встроенной плазменной пушкой.

Устройство содержит откачную систему 1, электронную пушку 2 с катодным 3 и анодным 4 узлами, плазменную пушку 5 в виде газоразрядного источника плазмы с цилиндрическим катодом 6, контрагирующим электродом 7 и встроенными в цилиндрические капсулы 8 генераторами водорода 9 устройства подачи нейтрального газа. Объемные резонаторы 10 электродинамической системы с узлами ввода 11 и вывода 12 СВЧ-мощности расположены на оси симметрии магнитного соленоида 13 и образуют неразъемное соединение с полым водоохлаждаемым коллектором 14. Корпус обеих пушек выполнен в виде неразъемного моноблока на основе керамических кольцевых изоляторов 15, водоохлаждаемых фланцев анодного узла плазменной пушки 16, токовводов к электродам 17 и генераторам водорода 18. В пушечный моноблок встроен магниторазрядный насос 19, содержащий секционированные постоянные магниты 20 и решетчатые электроды 21. Геттерная система 22, встроенная в моноблок, выполнена в виде колец из нержавеющей стали, покрытых титановой губкой, установленных на анодном конусном электроде 23. Меньшее основание этого электрода вместе с контрагирующими конусными электродами 7 плазменной пушки и верхним анодным электродом 24 образует зону взаимодействия электронного пучка 25 и потока плазмы 26.

В пространстве между анодом и катодом электронной пушки проходит плазменная граница 27, с которой отбираются ионы 28 для разогрева катода электронной пушки. Навстречу потоку ионов движутся электроны 29, образуя пучок с высокой компрессией. Плазма 30 диффундирует в сторону объемных резонаторов 10.

Газ поступает от водородных генераторов 9 в тороидальную полость плазменной пушки 5 через систему отверстий 31 равномерно распределенных по азимуту. Ионизированный газ попадает в область электронного пучка через кольцевую щель 32 контрагирующего электрода 7, расположенную симметрично между плоскостями отверстий анодных электродов.

У входа в коллектор 14 установлены генераторы водорода 33. Работает устройство следующим образом. После включения магнито-разрядного насоса 19 и достижения вакуума порядка 10^-6 тор. включается накал генераторов водорода 9. Между цилиндрическим катодом 6 плазменной пушки 5 и контрагирующим электродом 7 зажигается разряд, перемещающийся к выходу контрагирующего электрода, обеспечивающий ионизацию водорода, поступающего от водородных генераторов 9 через систему отверстий 31 в тороидальную полость пушки. Цилиндрический катод 6 может быть выполнен как полым холодным, так и проволочным прямонакальным. Тороидальный плазменный слой 26 механически контрагируется конусными электродами 7. Одновременно с включением генераторов 9 через кабельный токоввод 17 на катодный узел 3 электронной пушки подается высокое ускоряющее напряжение отрицательной полярности. В ускоряющем промежутке электронной пушки формируется сферическая плазменная граница 27 (эффект плазменного анода), которая обеспечивает оптимальную конфигурацию эквипотенциальных поверхностей в области ускорения электронного пучка, а также является источником потока ионов 28, с помощью которого осуществляется нагрев катода электронной пушки. После выхода на заданный режим нагрева термокатода в диодноплазменной системе пушки формируется электронный пучок с высокой компрессией. В заанодном пространстве пушки пучок 25 движется в двухкомпонентной плазме 26, образованной как за счет разряда в плазменной пушке 5, так и за счет ионизации водорода пучком на всем пути электронно-лучевого тракта, включая объемные резонаторы 10. При этом первеанс устройства существенно повышается как за счет уменьшения провисания электрического поля в анодное отверстие пушки, так и за счет компенсации пространственного заряда пучка. Перед подачей на вход 11 резонаторов 10 СВЧ-мощности вдоль электронно-лучевого тракта прибора устанавливается давление в диапазоне 10^-4 oC10^-3 тор. После ввода СВЧ-мощности в резонаторах происходит взаимодействие интенсивного электронного пучка, заряд которого нейтрализован, и потока высокочастотной электромагнитной мощности. Изменяя уровень ускоряющего напряжения электронной пушки и накал генераторов водорода можно изменять свойства энергонесущей среды в приборе, в частности, от квазинейтрального электронного пучка переходить к режиму плазменного пучка Φ Это позволяет дополнительно увеличивать коэффициент усиления СВЧ-мощности. Благодаря значительной компрессии пучка в области ускорения пушки между катодом 3 и верхним анодным электродом 24 площадь входного отверстия в обоих анодных электродах (23 и 24) может быть выбрана меньшей площади эмиттирующей поверхности катода. Это позволяет также оптимизировать газодинамический режим работы прибора. Продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом 13, обеспечивает кроме фокусировки электронного пучка на всем протяжении электронного тракта прибора от катода 3 до коллектора 14, а также формирование ионного пучка 28, с помощью которого осуществляется разогрев термокатода 3 электронной пушки. При этом отпадает необходимость в использовании высокопотенциальных источников накала пушки, а все управление режимом осуществляется на потенциале заземленного анодного узла 4 путем регулирования и стабилизации накала водородных генераторов 9 и вспомогательного цилиндрического катода 6, а также напряжения разряда в плазменной пушке. Водород, поступающий симметрично по азимуту в тороидальную плазменную пушку 5, расходуется на формирование плазменного анода 27 в электронной пушке, на нагрев катода 3, а также на нейтрализацию пространственного заряда пучка 25 и формирование пучково-плазменного режима усиления СВЧ-мощности в объемных резонаторах 10. Регулирование давления в приборе и баланса ионов и нейтрального газа может осуществляться с помощью геттерной системы, выполненной в виде колец 22, встроенных в анодный конусный электрод 23, а также дополнительных генераторов водорода 33, установленных на входе в коллектор 14.

Конусные промежуточные электроды 7 плазменной пушки, служащие для механического контрагирования плазмы дугового разряда и последующего равномерного расширения плазменного сгустка, могут быть выполнены из молибдена так же как и съемные анодные электроды 23 и 24. Водоохлаждаемые фланцы анодного узла и плазменной пушки 16 выполнены из нержавеющей стали и собираются в виде неразъемного соединения (пайка и сварка) с металлокерамическими изоляторами 15, образуя пушечный моноблок, в котором все электроды изолированы друг от друга.

В электронной пушке может использоваться катод из гексаборида лантана (LaB₆). Для варианта биполярной электронно-оптической системы, катод может иметь форму сферического сегмента диаметром 20 мм и радиусом кривизны 25 мм. При этом для ускоряющего напряжения 30 кВ, мощность ионного пучка, обеспечивающего эффективный разогрев эмитирующей поверхности, составляет около 2 кВт, а средняя мощность пушки более 100 кВт.

Положительный эффект от применения данного предложения обусловлен уменьшением весо-габаритных параметров и увеличением предельной мощности прибора, работающего в режиме пучково-плазменной генерации электромагнитной СВЧ-мощности.

Структурное решение генератора с совмещением плазменной и электронной пушек, обеспечивающим контрагирование плазмы и ортогональную ориентацию потока плазмы и электронного пучка в продольном магнитном поле позволяет значительно увеличить первеанс ЭОС пушки, реализовать режим работы пушки с самонакаливаемым катодом, а также формировать компенсированные плазменные пучки в системе объемных резонаторов, что позволяет наращивать мощность устройства.

Устройство может использоваться при создании мощных СВЧ-установок, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Использование: в области мощной электроники и предназначено для работы в СВЧ-диапазоне. Сущность изобретения: в электронно-лучевом генераторе, содержащем откачную систему, электронную пушку с катодным и анодным узлом, плазменную пушку с кольцевым катодом, контрагирующим электродом и встроенным в цилиндрические капсулы генератором водорода, корпус обеих пушек выполнен в виде неразъемного моноблока на основе керамических кольцевых изоляторов. В пространстве между анодом и катодом пушки проходит сферическая плазменная граница, с которой отбираются ионы для разогрева катода пушки. Навстречу потоку ионов движутся электроны, образуя пучок с высокой компрессией. Плазма диффундирует в сторону объемного резонатора. Газ поступает от водородных генераторов в тороидальную полость пушки через систему отверстий равномерно распределенных по азимуту. Ионизированный газ попадает в область электронного пучка через кольцевую щель контагирующего электрода, расположенную симметрично между полостями отверстий анодных электродов. 2 ил.

Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий откачную систему, соосно расположенные электронную пушку с катодом и анодом, плазменную пушку и электродинамическую систему, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и веса прибора при увеличении выходной мощности, анод выполнен в виде двух соосных электродов, причем ближайщий к электродинамической системе электрод анода имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону электродинамической системы, плазменная пушка размещена между электродами анода и содержит контрагирующий электрод, выполненный в виде двух вложенных друг в друга усеченных конусов и расположенный симметрично между анодными электродами, цилиндрический катод, расположенный между конусами контрагирующего электрода, и устройство для подачи нейтрального газа к цилиндрическому катоду.