ВИРКАТОР Российский патент 1999 года по МПК H01J25/00 H03B9/01 

Изобретение относится к электронике, в частности к электронике СВЧ больших мощностей, и представляет собой СВЧ-генератор, предназначенный для генерации мощного СВЧ-излучения в экспериментальных установках и технологических процессах обработки органических и неорганических объектов. Преимущественными областями применения изобретения являются импульсная СВЧ-энергетика, радиофизические исследования, экспериментальная физика, ускорители заряженных частиц, управляемый термоядерный синтез.

Известен виркатор (см. Бабкин А.Д., Дубинов А.Е., Корнилов В.Г., Селемир В. Д., Челпанов В.И., "Виркатор", патент Российской Федерации N 2046440, МКИ H 01 J 25/00), содержащий цилиндрический катод, цилиндрическую трубу дрейфа, конический выходной рупор с окном вывода СВЧ-излучения и плазменный анод в виде слоя положительных ионов, инжектируемых в трубу дрейфа вблизи катода одним или несколькими внешними инжекторами. Электроны пучка ускоряются в промежутке между катодом и плазменным анодом, проникают через плазменный слой в трубу дрейфа, где постепенно замедляются полем собственного объемного заряда, образуя виртуальный катод. В стационарном режиме СВЧ-излучение генерируется колебаниями электронов и колебаниями виртуального катода в трубе дрейфа между катодом и виртуальным катодом.

Однако плазма в таком приборе существует лишь в узком слое вблизи катода, тогда как в области генерации СВЧ-излучения плазма отсутствует и поэтому не используется для повышения генерируемой мощности.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является виркатор, описанный в работе (M.Haworth, B.Anderson, J. Cristofferson et al., "Operation of repetitevely pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser" (IEEE Trans.on Pl.Sci.," 1991, v. PS - 19, N 4, p. 655-659). Этот виркатор содержит анодный электрод, состоящий из последовательно расположенных цилиндрической катодной части, цилиндрической трубы дрейфа и конического рупора с окном вывода СВЧ-излучения, а также диафрагмы, разделяющей катодную часть и трубу дрейфа, и цилиндрический катодный электрод, расположенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода. При подаче на катодный электрод импульса отрицательного напряжения электроны пучка, эмиттируемые с катода, ускоряются в промежутке между катодным электродом и анодной диафрагмой, проходят через диафрагму в трубу дрейфа, где постепенно тормозятся электрическим полем собственного объемного заряда до полной остановки, создавая виртуальный катод. Колебания электронов пучка между катодом и виртуальным катодом, а также колебания самого виртуального катода создают СВЧ-излучение, которое выводится через конический рупор и керамическое окно.

Но поскольку в этом виркаторе отсутствует электрон-ионная плазма, предельный ток электронного пучка, генерируемая мощность и КПД виркатора слишком ограничены для обработки поверхностей материалов, дезинсекции зерна, технологических процессов фармацевтической промышленности и других применений импульсной СВЧ-энергетики, для зондирования атмосферы и передачи мощных импульсов СВЧ-энергии на дальние расстояния.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении генерируемой мощности СВЧ-излучения и КПД виркатора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в конструкцию виркатора, содержащего анодный электрод, который состоит из последовательно расположенных коаксиальных цилиндрической катодной части, диафрагмы, цилиндрической трубы дрейфа и конического выходного рупора с окном вывода СВЧ-излучения, и цилиндрический катодный электрод, помещенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода, введены генератор водорода и вакуумные насосы, расположенные снаружи катодной части анодного электрода и сообщающиеся с внутренней областью окнами, выполненными в стенках катодной части.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Устройство содержит анодный электрод 1, состоящий из цилиндрической катодной части 2, сеточной диафрагмы 3, цилиндрической трубы дрейфа 4 и конического выходного рупора 5 с керамическим окном вывода СВЧ-излучения 6, цилиндрический катод с взрывной эмиссией 7, изолятор для крепления прибора 8, генератор водорода 9, магниторазрядный насос 10, сорбционный насос 11, окно 12, соединяющее водородный генератор с внутренним объемом, и окно 13, соединяющее насосы с внутренним объемом.

Устройство работает следующим образом. Водородный генератор 9 через окно 12 заполняет весь внутренний объем разреженным водородом, давление которого поддерживается постоянным насосами 10 и 11, сообщающимися с внутренним объемом через окно 13. При подаче на катодный электрод 7 импульса отрицательного напряжения эмиттируемый электронный пучок ускоряется в пространстве между катодом и сеточной анодной диафрагмой 3, имеющей, как и весь анодный электрод 1, нулевой потенциал.

Проходя через диафрагму 3 в трубу дрейфа 4, пучок ускоренных электронов ионизует в ней разреженный газ, образуя электрон-ионную плазму (показана пунктиром на чертеже). Вследствие торможения пучка электрическим полем собственного объемного заряда скорость электронов пучка по длине прибора уменьшается, а сечение столкновительной ионизации возрастает, так что наиболее интенсивное образование плазмы происходит в области виртуального катода (показаны на чертеже более плотным пунктиром). Создаваемые пучком вторичные электроны сами могут ионизовать газ, а кроме того, в возникающих интенсивных плазменных колебаниях и электрическом СВЧ-поле электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации газа. В результате процесс ионизации приобретает лавинообразный характер. Давление газа подбирается таким, чтобы время образования плазмы требуемой концентрации составляло не более 1/3 длительности импульса напряжения, и имеет величину от 10^-4 до 0,1 Тор в зависимости от параметров прибора. При этом газ остается слабо ионизованным и концентрация ионов составляет не более 0,01 концентрации нейтральных молекул газа, а образовавшаяся плазма является сильно неоднородной с максимальной плотностью в области виртуального катода.

Процесс импульсной СВЧ-генерации в таком виркаторе включает три стадии. На первой стадии, в начале импульса напряжения в результате лавинообразной ионизации происходит образование электрон-ионной плазмы и формирование виртуального катода с высокой концентрацией электронов. При этом фон малоподвижных ионов частично компенсирует объемный заряд пучка и предельный ток пучка оказывается выше, чем в отсутствие плазмы. Длительность первой стадии составляет около 1/3 длительности импульса напряжения, генерируемая мощность на этой стадии возрастает. На второй стадии, составляющей остальную часть длительности импульса напряжения, концентрация плазмы имеет стационарное значение, определяемое динамическим равновесием между процессом образования плазмы в результате столкновительной ионизации газа и процессом ее распада вследствие нейтрализации на электродах, ограничивающих область взаимодействия. Плотность виртуального катода и генерируемая мощность на этой стадии также сохраняют стационарные значения, причем СВЧ-излучение генерируется не только колебаниями электронов пучка, но и колебаниями электронов плазмы, плотность которой в области виртуального катода может существенно превышать плотность электронов пучка, в некоторых режимах - на порядок и более. Траектории электронов, колеблющихся между катодом и виртуальным катодом, показаны на чертеже линиями со стрелками. Наконец, на третьей стадии, которая начинается с момента окончания импульса напряжения и тока пучка, происходит распад виртуального катода и генерируемая мощность СВЧ-излучения постепенно уменьшается до уровня собственных шумов.

Таким образом, эффект, достигаемый в заявленном изобретении благодаря описанным конструктивным изменениям, состоит в частичной нейтрализации пучка малоподвижным фоном положительных ионов, соответствующим увеличению тока пучка, потенциальной ямы и плотности плазмы в области виртуального катода и, как следствие, в повышении генерируемой СВЧ-мощности и КПД генератора.

Итак, технический результат, состоящий в повышении генерируемой мощности СВЧ-излучения и КПД виркатора, обеспечивается в заявляемом изобретении введением в конструкцию виркатора генератора газа и вакуумных насосов.

Использование для генерации мощного СВЧ-излучения в экспериментальных установках и технологических процессах обработки органических и неорганических объектов, в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, ускорителях заряженных частиц, управляемом термоядерном синтезе. Виркатор содержит анодный электрод, который состоит из цилиндрической катодной части, диафрагмы, цилиндрической трубы дрейфа и конического выходного рупора с окном вывода СВЧ-излучения, и цилиндрический катодный электрод, помещенный внутри катодной части анодного электрода. Водородный генератор заполняет весь внутренний объем разреженным водородом, давление которого поддерживается постоянным вакуумными насосами, расположенными снаружи катодной части и сообщающимися с внутренней областью окнами, выполненными в стенках катодной части. В начале импульса напряжения в результате ионизации газа электронами пучка образуется электрон-ионная плазма и формируется виртуальный катод, фон малоподвижных ионов частично компенсирует объемный заряд пучка и предельный ток пучка, потенциальная яма и концентрация электронов в области виртуального катода оказываются значительными поскольку излучение генерируется также и электронами плазмы. Это приводит в течение остальной части импульса напряжения к соответствующему увеличению мощности генерируемого СВЧ-излучения и КПД виркатора. В этом и заключается технический результат. 1 ил.

Виркатор, содержащий анодный электрод, который состоит из последовательно расположенных цилиндрической катодной части, диафрагмы, цилиндрической трубы дрейфа и конического выходного рупора с окном вывода СВЧ-излучения, и цилиндрический катодный электрод, помещенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода, отличающийся тем, что виркартор снабжен генератором водорода и наносами, расположенными снаружи катодной части и сообщающимися с внутренней областью посредством окон, выполненных в стенках катодной части.