ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ТРИОД Российский патент 1999 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в различных диапазонах длин волн.

Известны отражательные триоды на основе виртуального катода, состоящие из камеры, внутри которой располагается катодный электрод (катод), анод в виде сетки [1] (Диденко А.Н. и др.// "Письма в ЖТФ", 1979 г. N 6, с 321). Электроны, пролетая через сетчатый анод, формируют виртуальный катод (ВК), который разворачивает электроны и направляет их вновь на сетку. Для данного триода было замечено, что при изменении геометрической прозрачности сетки изменяется КПД генерации. В условиях описанного эксперимента оптимальной была сетка с геометрической прозрачностью 70%.

Недостатком аналога является низкий КПД выходного излучения.

За прототип выбран [2] (патент США N 4150340, H 01 J 25/74, 17.04.79).

Триод представляет собой традиционную конструкцию, в которой диодная область не экранируется от генерируемого излучения, что приводит к возникновению между ними неконтролируемой тормозящей связи, под действием которой пучок начинает рассыпаться. В патенте [2] представлен СВЧ-генератор на основе отражательного триода для выработки мощных высокочастотных импульсов, включающий в себя установленные аксиально внутри камер: катод, параллельно торцевой поверхности сетчатый анод. Анодная сетка (диафрагма) вместе с анододержателем и катод расположены внутри камеры так, что между ними остается зазор меньше характерных размеров катода. Анододержатель подключен к высоковольтному импульсному источнику, расположенному вне камеры. Анод сделан из материала, который прозрачен для электронов с заданной энергией, что позволяет электронам, излучаемым катодом, колебаться, пересекая анод. Электронные колебания в фазе собираются вместе в потенциальной яме и излучают поток СВЧ-излучения.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется практическая возможность применения отражательного триода в качестве СВЧ-генератора.

Недостатком такого генератора является неконтролируемая связь между диодной областью и областью ВК, что приводит к влиянию СВЧ колебаний на инжекцию электронов в хаотической форме и, как следствие, низкий КПД генерируемого излучения.

Техническая задача состоит в необходимости создания генератора, который можно использовать в качестве источника СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях.

Ожидаемым техническим результатом предполагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения за счет получения положительной обратной связи между областью формирования ВК и диодной областью.

Технический результат достижим за счет того, что в предлагаемом отражательном триоде на основе виртуального катода, включающем источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диаграммы (тонкой сетки либо фольги), установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном в отличие от известного, анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диаграмме соосно с катодом, охватывая его с зазором.

Дополнение диафрагмы анодного электрода полым проводящим цилиндром с обеспечением электрической связи между ними, а также расположение этого цилиндра относительно катода - соосное и с зазором - позволяет создать в системе электрический контур, обеспечивающий изоляцию диодной области системы от генерируемого излучения, с одной стороны, а, с другой стороны, обеспечивающей обратную связь по излучению между областью ВК и диодной областью.

В результате в системе происходят следующие процессы: 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 диаграмму. 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).

Связь между диодной областью и областью виртуального катода осуществляется по коаксиальной линии, образованной катодом и анодным цилиндром. Изменяя конфигурацию линии связи, можно подобрать фазу излучения, вводимую в диодную область таким образом, чтобы возникла положительная обратная связь. С помощью предложенной конструкции осуществляется синхронизация электронного потока за счет выходного сигнала излучения. Подбирая фазу усиления для ускоряющего поля длинной цилиндрической части анода, изменяем глубину положительно обратной связи, которая производит эффект группирующего, модулирующего усиления и, таким образом, увеличивает КПД установки.

На чертеже изображен один из примеров реализации отражательного триода, обладающего положительной обратной связью между областью формирования ВК и диодной областью. Отражательный триод содержит генератор импульсов высокого напряжения 1, катодный электрод 2, анододержатель 3, цилиндрический сетчатый анод 4, установленный соосно с катодом, связанный с анодной диаграммой 5, канал вывода излучения 6, окно вывода излучения 7.

Устройство работает следующим образом:
От генератора импульсов (1) высоковольтный импульс положительной полярности подается на анододержатель (3), а катод (2) вместе с корпусом находится под одним потенциалом. С катода начинается инжекция электронов. Электроны, ускоряясь в промежутке анод-катод, пролетают через сетчатый анод (5), попадают в тормозящее поле за счет своего объемного заряда и потенциала корпуса, разворачиваются обратно, возбуждают резонатор на собственных волнах и генерируют СВЧ-излучение, выводимое через канал (6) и окно вывода (7).

Примерные параметры отражательного триода:
Подаваемое напряжение - 100 - 120 кВ.

Импеданс диода - 10 Ом.

Диодный зазор 7 - 12 мм.

Диаметр катода ~100 мм.

Длительность импульса ~160 ... 200 нс.

Длина волны излучения ~3 см.

Длина цилиндрической части 1,5 - 3 см.

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

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать отражательный триод 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, изобретение может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в различных диапазонах длин волн. Сущность: отражательный триод на основе виртуального катода, включающий источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном так, что анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диафрагме соосно с катодом, охватывая его с зазором. Технический результат: повышение КПД генерируемого излучения. 1 ил.

Отражательный триод на основе виртуального катода, включающий источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном, отличающийся тем, что анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диафрагме соосно с катодом, охватывая его с зазором.