ВИРКАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использовано при разработке генератора 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 [1] (Григорьев В.В., Жерлицин А.Г., Коваль Г.В. "Физика плазмы", 1990 г., т. 16, N 11, с. 1353), [2] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д., "Зарубежная электроника" N 6, 1995 г., стр. 54 - 60).

Основным требованием к обеспечению работоспособности виркатора является необходимость создания условий формирования ВК, что осуществляется при превышении током пучка критического значения.

Недостатком известных конструкций виркаторов является низкий КПД генерируемого излучения.

За прототип выбран [3] (США Patent N 4345220, кл. H 03 B 9.01, опубл. 7.08.82, т 1021, N 3), в котором размещены аксиально в цилиндрической трубе дрейфа катодный электрод, анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, канал вывода излучения с окном, причем диафрагма может быть изготовлена либо из металлической сетки, либо из тонкой металлической фольги. Электроны ускоряются в электрическом поле промежутка катод-анодная диафрагма (диодной области) образуя за ней ВК. Вследствие колебаний электронного пучка в пространстве катод-ВК, электроны проходят многократно через диафрагму. Конкретное СВЧ-излучение генерируется с помощью инжекции релятивистского электронного пучка, параметры которого в комбинации с геометрией и размерами волновода (дрейфовой трубы) влияют на условия колебаний виртуального катода (ВК). Область формирования СВЧ-излучения состоит из анода, волновода и замыкателя на катод. Суммарный спектр излучения формируется из взаимодействия электромагнитной энергии этих областей.

В традиционных конструкциях виркатора диодная область полностью не экранируется от генерируемого излучения анодной сеткой, связана с ним посредством хаотичного тормозящего поля, под действием которого электронный пучок начинает рассыпаться, что снижает КПД генерируемого излучения.

Недостатком предложенного решения является низкий КПД генерируемого излучения, связанный с неполным экранированием диодной области.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора.

Техническая задача состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения.

Технический результат достигается за счет того, что организуется положительная связь между диодной областью и областью ВК в виркаторе, включающем: источник питания, размещенные аксиально в цилиндрической трубе дрейфа катодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, а также канал вывода излучения с окном, катод выполнен с кольцевой проточкой на торцевой поверхности, анод дополнен электрически связанным с диафрагмой полым проводящим цилиндром, расположенным на диафрагме соосно с катодом в его кольцевой проточке с зазором относительно катода, в диафрагме выполнено осевое отверстие диаметром, меньшим или равным диаметру цилиндра.

Обычно задача повышения эффективности излучения заключается в экранировании диодной области от высокочастотного поля. В предложенной конструкции узел высокочастотных колебаний - полый трубчатый цилиндр, соединенный с анодом длиной проточки полого катода, позволяет экспериментальным путем подбирать длину обратной связи в области взаимодействия так, чтобы она соответствовала нужной фазе, регулируя глубину проточки или высоту анодного цилиндра, производя эффект не стабилизации, а группирующего усиления, что называется положительной обратной связью. Связь между диодной областью и областью виртуального катода осуществляется только через канал проточки и осевое отверстие в диафрагме. Через это отверстие осуществляется обратная связь по высокочастотному полю между диодной областью и областью ВК. Изменяя диаметр отверстия в диафрагме, можно изменять коэффициент связи между этими областями вплоть до полного экранирования. Плоская диафрагма анода экранирует ВК. Из-за конструктивных особенностей фаза излучения, введенного через канал обратной связи в диодную область, подбирается таким образом, чтобы электроны находились в ускоряющем поле и получали дополнительное группирующее ускорение. Амплитуда колебаний ВК увеличивается и, таким образом, возрастает КПД излучения за счет организации положительной обратной связи между областью формирования ВК и катодной областью. Электрическая длина обратной связи регулируется длиной проточки и, соответственно, цилиндрического участка анода, связанного с сетчаткой диафрагмой, служащей анодом.

Синхронизация за счет выходного сигнала позволяет из всего спектра частот выделять необходимую частоту. Поток электронов, промодулированный по плотности в фазе ускорения, группируясь и излучая на выбранной частоте, отдает энергию высокочастотному полю, которая транспортируется через канал вывода излучения.

На фиг. изображен один из примеров реализации виркатора, обладающего обратной связью между областью формирования ВК и диодной областью.

Виркатор содержит генератор импульсов высокого напряжения (1), катодный электрод (2), состоящий из цилиндрической части (3) с проточкой (4), анодной сетчатой диафрагмы (5), переходящей в цилиндрический участок (6), коллектора (7) и трубы дрейфа (8), которая плавно переходит в рупорное окно вывода излучения (9).

Принцип работы виркатора заключается в следующем:
импульс высокого напряжения отрицательной полярности от генератора высокого напряжения (1) подается на катод виркатора (2), после этого начинается эмиссия электронов с цилиндрической части катода (3) на сетчатый анод (5) в диодный промежуток. При превышении тока над предельным образуется виртуальный катод (10), который, колеблясь, возбуждает собственные волны резонатора (8). Излучение, введенное через канал обратной связи (4) в диодную область, образует положительную обратную связь вдоль цилиндрической части анода (6).

Коллектор (7) собирает пролетные электроны. Стрелками указано движение эмиссионных электронов. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, что является причиной возникновения мощных колебаний электромагнитного поля, выходящих из рупора (9).

Примерные параметры виркатора:
подаваемое напряжение - 100 - 120 кВ,
импеданс диода - 10 Ом,
диодный зазор - 1 ... 5 мм,
диаметр катода - 30 мм,
длительность импульса - 20 нс,
длина волны излучения - 3 см,
длина проточки - 1,5 - 3 см.

Ожидаемое увеличение КПД по мощности, предложенной конструктивной схемы примерно 20% по сравнению с известными конструкциями.

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать виркатор с положительной обратной связью, например, в качестве источника СВЧ-излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, в исследованиях по экологии и др.

Применение: мощная СВЧ-электроника, может быть использован при разработке генератора СВЧ-излучения. Сущность: виркатор, включающий источник питания, размещенные аксиально в цилиндрической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, и канал вывода излучения с окном, причем катод выполнен с кольцевой проточкой на торцевой поверхности, анод дополнен электрически связанным с диафрагмой полым проводящим цилиндром, расположенным на диафрагме соосно с катодом в его кольцевой проточке с зазором относительно катода, в диафрагме выполнено осевое отверстие диаметром, меньшим или равным диаметру цилиндра. Технический результат: повышение КПД генерируемого излучения. 1 ил.

Виркатор, включающий источник питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, и канал вывод излучения с оном, отличающийся тем, что катод выполнен с кольцевой проточкой на торцевой поверхности, анод дополнен электрически связанным с диафрагмой полым проводящим цилиндром, расположенным на диафрагме соосно с катодом в его кольцевой проточке с зазором относительно катода, в диафрагме выполнено осевое отверстие диаметром меньшим или равным диаметру цилиндра.