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

Предложение относится к области электроники, в частности к сверхмощным электронно-лучевым СВЧ-приборам, предназначенным для усиления и генерации радиочастотной энергии.

Известен пучково-плазменная экспериментальная установка, содержащая соосно расположенные вакуумную камеру, электронную пушку с термокатодным узлом и анодом, объемный резонатор с узлом ввода и вывода СВЧ-мощности, полый коллектор, источник плазмы, соленоид, охватывающий резонатор, камеру взаимодействия пучка с плазмой и откачную систему (В.А.Киселев, А.К.Березин, Я. В. Файнберг. Взаимодействие релятивистского электронного пучка с плотной плазмой. ЖЭТФ, том 71, вып.1(7), 1976 г. стр.193^oC201, Рис.1).

Данная пучково-плазменная СВЧ установка не является отпаянным пучково-плазменным прибором, так как ее откачная система связана с атмосферой. Она предназначена для проведения экспериментальных работ в области плазменной электроники. К данной экспериментальной установке не могут быть предъявлены требования надежности и долговечности, т.к. она является разборным экспериментальным стендом.

Предлагаемый пучково-плазменный прибор является мощным, высоковольтным, сильноточным СВЧ-прибором, выполняемым в отпаянном варианте с оригинальной газодинамической системой, обеспечивающий рабочее давление (10^-3 мм рт.ст.) в области гибридной электродинамической структуры и глубокий вакуум (10^-6 мм рт.ст.) в области электронной пушки.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности пучково-плазменного генератора СВЧ-диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в пучково-плазменном СВЧ-приборе, содержащим вакуумную камеру, систему откачки, источники плазмы, соосно расположенные электронную пушку с термокатодом и анодом, и электродинамическую систему, между анодом электронной пушки и электродинамической системой расположено устройство перепада давления, а источники плазмы расположены на входе и выходе электродинамической системы.2 Устройство перепада давления выполнено в виде геттерного насоса.

Геттерный насос состоит из трех коаксиальных замкнутых полостей, заполненных хладагентом, в центральной полости расположены геттерные секции, а на торцах установлены диафрагмы.

Откачная система выполнена в виде встроенного в электронную пушку магнитозарядного насоса.

Источники плазмы выполнены в виде генераторов водорода.

Введение устройства перепада давления между электронной пушкой и электродинамической системой обеспечивает повышение электрической прочности электронной пушки, снижение интенсивности ионного потока, бомбардирующего термоэмиссионный катод пушки, что повышает надежность и долговечность прибора.

Выполнение источников плазмы в виде водородных генераторов обеспечивает создание необходимого давления (- 10^-3 мм рт.ст.) рабочего газа, при котором в пролетном канале прибора происходит генерация пучковой плазмы и тем самым плазменный режим работы СВЧ-прибора с высоким КПД и широкой частотной полосой.

Установка нескольких водородных генераторов на выходе и входе электродинамической системы увеличивает ресурс и срок службы СВЧ-прибора.

Выполнение откачной системы в виде встроенного в электронную пушку магниторазрядного насоса обеспечивает оптимальное распределение перепадов давления вдоль электронно-лучевого тракта прибора, создает механизм самооткачки в зоне формирования пучка и позволяет все блоки выполнить на основе неразъемных соединений, что дополнительно повышает надежность прибора.

Существо предложения поясняется чертежом, на котором приведен общий вид прибора.

Устройство содержит электронную пушку 1, собранную в керамическом корпусе 2 и содержащую термокатодный узел 3 с основным таблеточным катодом 4 и экраном 5, в который встроены геттерные кольцевые секции 6.

Водоохлаждаемый анод пушки 7 установлен на фланце 8 и снабжен цилиндрическим защитным экраном 9 с водяной рубашкой 10. В вакуумной камере 11 расположены магниторазрадный насос 12, основание 13 термокатодного узла и токовводы накала 14.

На анодном фланце пушки установлен корпус 15 устройства перепада давления 16 (УПД), выполненного в виде лучевода и состоящее из трех коаксиальных замкнутых полостей 17, 18, 19 с перегородками 20, по которым прокачивается хладоагент, например жидкий азот. Стенки центральной полости 21 покрыты геттером. Торцы УПД ограничены диафрагмами 22, 23 с осесимметричными отверстиями 24, 25, через которые проходит интенсивный электронный пучок.

Объемный резонатор 26, в котором происходит взаимодействие пучка с плазмой содержит узлы ввода и вывода СВЧ-мощности 27, 28, область взаимодействия 29 электронного пучка и ВЧ-волны, совмещенную с плазменным каналом, и водородные генераторы 30 и 31.

Коллектор 32 снабжен водяной рубашкой и соединен неразъемными соединениями с резонатором через металлокерамический изолятор 33.

Магниторазрядный насос выполнен в виде параллельно включенных групп решетчатых электродов 34, 35, каждая из которых расположена между постоянными магнитами 35, 36 и 37, 38, полюса 39, 40 которых ориентированы ортогонально продольной оси 41 вакуумной камеры.

Между анодом пушки и входом в УПД находится зона 42 низкого давления, а между выходом УПД и входом в резонатор зона 43 высокого давления.

Устройство содержит ряд неразъемных соединений 44 основных блоков и узлов, датчик давления 45, установленный на коллекторе и штенгель 46 на стороне магниторазрядного насоса, предназначенный для вакуумно-технологической обработки и последующей откачки прибора. Магнитный соленоид 47 охватывает электронно-лучевой тракт до входа в коллектор и жестко соединен с корпусом прибора.

Работает пучково-плазменный прибор следующим образом.

После включения магниторазраядного насоса (подачей высокого напряжения на решетчатые электроды 34 и 35) и получения уровня вакуума в камере и зоне формирования пучка порядка 10^-6 мм рт.ст. включается накал пушки 1, путем подачи мощности накала через токовводы 14 на термокатодный узел 3. После выхода на заданный режим эмиссии таблеточного катода 4, включаются встроенные в прибор водородные генераторы 30 и 31 и начинает функционировать газодинамический тракт прибора, совмещенный с замедляющей волновой структурой резонатора 26. По датчику давления 45 корректируется рабочий уровень вакуума в коллекторе 32 и резонаторе 26. Включается магнитный соленоид 47, формирующий осевое магнитное поле прибора и подается высокое ускоряющее напряжение на промежуток катод 3 анод 7 электронной пушки. Осесимметричный интенсивный электронный пучок фокусируется магнитным полем соленоида 47 и при взаимодействии с газом (водород) в полости резонатора 26 формирует плазменную среду. При этом атомы и ионы водорода, попадая в полость устройства перепада давления 16 через отверстие 24 диафрагмы 22, сорбируются на стенках 21, покрытых спеченным титановым порошком. Скорость сорбции регулируется изменением расхода хладагента, циркулирующего в полостях 17^oC19 УПД. В итоге в лучевом тракте резонатора поддерживается концентрация заряженных частиц плазмы, обеспечивающая нейтрализацию пространственного заряда пучка практически на всем протяжении от входной диафрагмы 23 УПД до стенок коллектора 32. Одновременно динамически поддерживается перепад давлений между рабочим объемом пушки 1 и СВЧ-трактом около 2-х порядков.

Через узел ввода 27 в резонатор 26 подается СВЧ-мощность, которая в результате взаимодействия с электронным пучком и плазмой усиливается в тракте и выводится на нагрузку через вывод 28. Остаточная энергия электронного пучка рекуперируется в коллекторе 32, причем часть этой энергии может быть преобразована в электромагнитную форму, а часть преобразуется в тепло, которое отводится водяной рубашкой коллектора.

Эффективность процесса генерации СВЧ-мощности в приборе повышается благодаря переходу на пучково-плазменный режим преобразования мощности в резонаторе.

Варьируя параметры пучка и концентрацию водорода в тракте можно переходить от квазинейтральных пучков (когда потенциал пучка Φ = 0) к режиму Φ > 0, обеспечивая формирование плазменного пучка.

В этом случае свойства промежуточной энергонесущей среды определяются коллективным взаимодействием электронов и ионов. Плазменный пучок, являющийся трехкомпонентной системой (он содержит большое количество вторичных медленных электронов, концентрация которых может быть выше, чем у первичных электронов), более эффективно взаимодействует с электромагнитной ВЧ-волной, формируемой резонатором в области взаимодействия 29. Существенным моментом является также особенность процесса генерации СВЧ-мощности, который протекает устойчиво в зоне больших интенсивностей первичного электронного пучка, что позволяет наращивать удельную мощность прибора.

Пучково-плазменный прибор легко реализуется в запаянном варианте с прохождением вакуумно-технологического цикла обработки.

Все неразъемные соединения при соответствующем выборе материалов корпуса выполняются пайкой или сваркой.

Водородные генераторы, встроенные на входе и выходе из резонатора обеспечивают и регенерацию рабочей газовой среды. При этом корпус каждого водородного генератора выполняется в виде стакана из нержавеющей стали, в котором осесимметрично расположены титановая спеченая губка и вольфрамовая спираль подогрева.

Положительный эффект от применения данного предложения обусловлен повышением мощности прибора, расширением его рабочей частотной полосы, снижением весогабаритных характеристик при одновременном повышении долговечности и надежности данного пучково-плазменного СВЧ-прибора за счет моноблочного исполнения с использованием принципа конструктивного и функционального совмещения отдельных блоков и узлов.

Создание газодинамического тракта путем введения в структуру прибора устройства перепада давления, водородных генераторов и совмещенных с пушкой системы откачки, вносит в электрофизический режим работы устройства новую среду квазинейтральные и плазменные пучки, взаимодействующие с замедляющей резонаторной структурой, что и обуславливает в первую очередь, достижение положительного эффекта.

При этом появляется возможность гибкого управления режимом работы прибора за счет изменения не только параметров электронного пучка и СВЧ-поля, но и параметров пучково-плазменной среды.

Устройство может применяться в качестве генератора (или усилителя) СВЧ-колебаний в условиях, когда требуются минимальные весогабаритные характеристики в сочетании с высокой надежностью в эксплуатации при работе в непрерывном и частотно-импульсном режиме.

Использование: в сверхмощных электронно-лучевых СВЧ-приборах, предназначенных для усиления и генерации радиочастотной энергии. Сущность изобретения: в электронно-лучевом приборе, содержащим откачную систему с вакуумной камерой, соосно расположенные электронную пушку с термокатодным узлом и анодом, объемный резонатор с узлами ввода и вывода СВЧ-мощности, охваченный соленоидом источник плазмы, камеры взаимодействия пучка с плазмой и полный коллектор, дополнительно введено устройство перепада давления, расположенное между анодом пушки и входом в резонатор, камера взаимодействия пучка с плазмой совмещена с корпусом резонатора, источник плазмы выполнен в виде водородных генераторов, встроенных на входе и выходе резонатора, а откачная система состоит из встроенного в вакуумную камеру магнитозарядного насоса и цилиндрического термокатодного узла, охваченного геттерными кольцами, а соединения всех узлов выполнены неразъемными. Устройство перепада давления выполнено в виде лучевода, состоящего из трех коаксиальных замкнутых полостей, заполненных хладагентом, а в его центральном канале расположены геттерные секции. Анод электронной пушки снабжен цилиндрическим водоохлаждаемым защитным экраном, установленным коаксиально с термокатодным узлом. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий вакуумную камеру, систему откачки, источники плазмы, соосно расположенные электронную пушку с термокатодом и анодом и электродинамическую систему, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, между анодом электронной пушки и электродинамической системой расположено устройство перепада давления, а источники плазмы расположены на входе и выходе электродинамической системы. 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что устройство перепада давления выполнено в виде геттерного насоса. 3. Прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что геттерный насос состоит из трех коаксиальных замкнутых полостей, заполненных хладагентом, в центральной полости расположены геттерные секции, а на торцах установлены диафрагмы. 4. Прибор по пп.1 3, отличающийся тем, что откачная система выполнена в виде встроенного в электронную пушку магниторазрядного насоса. 5. Прибор по пп.1 4, отличающийся тем, что источники плазмы выполнены в виде генераторов водорода.