СПОСОБ СОЗДАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ КВАЗИШУМОВЫХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J25/00 H01J25/50 

Изобретение относится к электровакуумным приборам, конкретнее к приборам магнетронного типа с вторично-эмиссионными катодами в пространстве взаимодействия, которые используются в качестве мощных и эффективных источников СВЧ излучения. В радиолокации, как правило, используют гармонические сигналы. Однако в ряде приложений, например для СВЧ нагрева плазмы и в технологических установках, в некоторых типах систем передачи информации необходимы мощные широкополосные источники СВЧ излучения.

Известен способ создания такого типа излучений с помощью ламп бегущей волны (ЛБВ) [1], состоящий в том, что в ЛБВ создают запаздывающую обратную связь со стороны выхода, меняют амплитудные и фазовые характеристики сигнала, поступающего с выхода, и устанавливают их такими, чтобы в лампе с созданной обратной связью формировался на выходе квазишумовой сигнал. Характеристики формируемых такой системой сигналов определяются характеристиками используемой ЛБВ. Максимальная их широкополосность (порядка октавы) обеспечивается при использовании ЛБВ со спиральной замедляющей системой. Но мощности, получаемые с помощью спиральных ЛБВ, сравнительно невелики и обычно не превышают десятка киловатт, так как такие ЛБВ эксплуатируются при ускоряющих электроны напряжениях менее 15 кВ и токах не более нескольких ампер. При этом КПД такого типа устройств не превышают 20-30%. ЛБВ другого типа, например с замедляющими системами в виде цепочки связанных резонаторов, хотя и могут дать большие мощности, но имеют существенно более узкую полосу частот. Поэтому в данной заявке мы их рассматривать не будем.

Другой способ получения широкополосных квазишумовых СВЧ сигналов с помощью нерелятивистских электронно-пучковых устройств отличается тем, что на пути пучка создают "столб" плазмы и таким образом оптимизируют распределение СВЧ полей в канале транспортировки электронного пучка [2]. Кроме того, вводя плазму, снижают влияние поля пространственного заряда пучка и в связи с этим увеличивают по сравнению с вакуумным прибором достижимые токи в пучке.

Мощные квазишумовые сигналы получают в устройстве, где реализуется взаимодействие электронного пучка с плазменно-волноводной структурой, ограниченной цепочкой индуктивно связанных резонаторов. В такого типа пучково-плазменных системах удается получать широкополосные, почти до октавы, СВЧ сигналы большей, чем в ЛБВ [1] мощности, но не более 100 кВт. КПД такого типа пучково-плазменных систем, как правило, имеет величину 20-30%, а рекордные его значения в специально оптимизированных приборах достигают приблизительно 50%. Однако такие приборы достаточно сложны и, видимо, не могут иметь большой долговечности.

Основным недостатком описанных нерелятивистских систем [1, 2] и реализованных в них способов является то, что не удается получать мощности широкополосных квазишумовых СВЧ сигналов больше ~100 кВт, даже в газонаполненных устройствах.

Существенно большие мощности широкополосных квазишумовых СВЧ сигналов удается получать с помощью релятивистcких пучково-плазменных СВЧ устройств [3] . Однако эффективность преобразования энергии постоянного тока в энергию широкополосных квазишумовых сверхвысокочастотных сигналов в данном случае низка (не превышает приблизительно 10%). Кроме того, существуют большие трудности в создании и эксплуатации релятивистcких СВЧ устройств.

Привлекательны с точки зрения своей простоты и экономичности, а также с точки зрения возможности получения больших мощностей нерелятивистские устройства магнетронного типа. Способом-прототипом настоящего изобретения является способ создания гармонического СВЧ сигнала большой мощности с помощью типичного прибора магнетронного типа - амплитрона с вторично-эмиссионным катодом (устройство-прототип) [4]. Устройство-прототип содержит коаксиальные вторично-эмиссионый катод и анод с широкополосной замедляющей системой, устройства ввода и вывода СВЧ сигналов, соединенные с замедляющей системой, магнитную систему, формирующую направленное вдоль оси магнитное поле, а также торцевые катодные экраны.

Способ-прототип [4] включает следующие операции: создание в пространстве взаимодействия амплитрона с вторично-эмиссионным катодом направленного вдоль его оси магнитного поля B, подключение анодного напряжение U_а, подачу входного сверхвысокочастотного сигнала на частоте f₀ мощностью P_i и формирование путем варьирования значений B, U_а и P_i электронного облака у катода амплитрона.

С помощью амплитронов удается получать импульсные мощности существенно больше 100 кВт. Амплитрон способен усиливать сигналы в полосе частот приблизительно до 10% от некоторой средней рабочей частоты f₀. В этом смысле он является довольно широкополосным СВЧ прибором. Однако не известны случаи использования амплитронов для создания широкополосных квазишумовых СВЧ сигналов большой мощности.

Задача данного изобретения - реализация нового способа получения с помощью амплитронов с вторично-эмиссионными катодами широкополосных квазишумовых сверхвысокочастотных сигналов большей, чем у существующих нерелятивистских аналогов, мощности и обеспечение большей эффективности преобразовании энергии постоянного тока в энергию широкополосных квазишумовых сверхвысокочастотных сигналов, чем у существующих релятивистских аналогов.

Предлагаемый способ включает: создание в пространстве взаимодействия амплитрона с вторично-эмиссионным катодом направленного вдоль его оси магнитного поля B, подключение анодного напряжения U_а, подачу входного сверхвысокочастотного сигнала на частоте f₀ мощностью P_i и формирование путем варьирования значений B, U_а и P_i электронного облака у катода амплитрона. Он отличается тем, что в пространстве взаимодействия амплитрона создают управляющее высокочастотное поле на частотах автоколебаний электронного облака, причем амплитуду E_m управляющего поля на уровне поверхности катода устанавливают удовлетворяющей неравенству E₁ < E_m < E₂, где E₁ - граничное значение амплитуды, при превышении которого формируется широкополосный квазишумовой сверхвысокочастотный сигнал в выходном тракте амплитрона, а E₂ - значение амплитуды, при котором происходит срыв протекания тока на анод в амплитроне.

Данный способ реализуется в новом устройстве, включающем, как и устройство-прототип (амплитрон), коаксиальные вторично-эмиссионный катод и анод с широкополосной замедляющей системой, устройства ввода и вывода сверхвысокочастотных сигналов, соединенные с замедляющей системой, магнитную систему, формирующую направленное вдоль оси магнитное поле, а также торцевые катодные экраны.

Новое устройство отличается от прототипа-амплитрона тем, что в катоде выполнена кольцевая щель шириной ΔL, расположенная на расстоянии L от центральной плоскости сечения устройства. К кольцевой щели подключена широкополосная линия передачи ВЧ управляющего сигнала, который подается на ее вход, т.е. щель является выходным зазором широкополосной линии передачи ВЧ управляющего сигнала. Значения ΔL и L выбраны такими, чтобы амплитуда создаваемого ВЧ управляющего поля E_m в щели катода удовлетворяла неравенству E₁ < E_m < E₂ во всем интервале возможного изменения амплитуды ВЧ управляющего сигнала на входе линии.

Катод может иметь n кольцевых щелей, где n > 1, и к ним подключено k широкополосных линий передачи ВЧ управляющих сигналов, подаваемых на их входы, где 1 ≤ k ≤ n. Это позволяет повысить эффективность работы устройства путем снижения суммарной мощности управляющих сигналов.

Поясним реализацию изобретения на простейшем примере прибора с одной щелью. На фиг. 1 схематически показано сечение пространства взаимодействия нового устройства, где 1 - анод, 2 - вторично-эмиссионный катод, 3 - торцевые катодные экраны, 4 - кольцевая щель в катоде. Управляющий высокочастотный сигнал подается к щели по широкополосной линии передачи ВЧ управляющего сигнала, в данном случае коаксиальной линии, образованной внутренней поверхностью катода и электродом 5. Для осуществления способа необходимо провести следующие операции. Задав ширину щели ΔL, варьируют ее расстояние L от центральной плоскости сечения прибора, например, перемещая катод с щелью внутри неподвижных торцевых катодных экранов. В каждом фиксированном положении щели при заданных значениях магнитного поля B, анодного напряжения U_а и входной мощности P_i, обеспечивающих нормальную работу прибора в отсутствие управляющего высокочастотного сигнала, меняют амплитуду E_m и частоты управляющего сигнала, регистрируя значения анодного тока I_а и выходной мощности, а также выходной спектр прибора, и выясняют, существует ли при данном положении щели область значений амплитуд, удовлетворяющая неравенству E₁ < E_m < E₂, где E₁ - граничное значение амплитуды, при превышении которого формируется многочастотный квазишумовой сигнал в выходном тракте нового устройства, а E₂ - значение амплитуды, при котором происходит срыв протекания тока на анод в новом устройстве. Если ни в одном из возможных положений щели вплоть до максимальных значений E_m = E₂ и во всем интервале собственных частот автоколебаний электронного облака не удается получить на выходе прибора широкополосных квазишумовых сигналов, меняют значения B, U_а и P_i и повторяют описанную процедуру. Если положительного эффекта не удается получить при заданной ширине щели во всем возможном интервале изменения B, U_а и P_i, меняют ширину щели и повторяют описанную процедуру снова. Варьирование ширины щели ΔL осуществляется в пределах (R_s - R_c) ≤ ΔL < L_e/2, где R_s и R_c - соответственно радиус синхронизма на частоте f₀ и радиус катода, L_e - расстояние между торцевыми катодными экранами.

Проведенная авторами изобретения экспериментальная проверка показала, что с помощью прибора, построенного на основе амплитрона средней мощности и управляемого специально создаваемыми ВЧ полями на частотах, соответствующих первым модам автоколебаний электронного облака, удается получать широкополосные (с полосой более октавы) мощные (свыше 100 кВт) квазишумовые (с изменением амплитуды колебаний во всей полосе частот не более 3 дБ) выходные сигналы. Для получения таких выходных сигналов в устройстве длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн с катодом, имеющим кольцевую щель, приходится использовать при анодном напряжении U_а ≈ 15 кВ управляющие сигналы в щели амплитудой 5-10 кВ. Электронный КПД при работе такого опытного образца прибора с учетом потерь на управление имеет величину ~20%. В более мощных приборах при оптимизации их конструкции и способа ввода в пространство взаимодействия управляющих сигналов могут быть достигнуты при той же максимальной полосе выходных сигналов большие значения выходных мощностей и лучшие показатели по КПД. Приведенные данные демонстрируют возможность реализации предмета изобретения и достижения при этом больших положительных эффектов.

Изобретение может быть реализовано в приборе с катодом, имеющим более одной щели. На фиг. 2 показана для примера катодная система такого прибора с четырьмя щелями, где 1 - вторично-эмиссионный катод, 2 - торцевые катодные экраны, 3 - кольцевая щель в катоде, 4 - коаксиальные линии передачи. Управляющие высокочастотные сигналы в такой катодной системе могут быть поданы по коаксиальным линиям передачи, которые вводятся внутрь катода через его торцы. Возможно подключение к каждой щели своей линии передачи (как это показано на фиг. 2) или при использовании k линий передачи в случае k < n, где n - количество щелей, к одной линии передачи может быть подключено более одной щели. В катодной системе с щелями разные участки катода поддерживаются под приблизительно одинаковым статическим (катодным) потенциалом. Для соединения разных участков катода по постоянному напряжению могут использоваться, например, специальные дроссели, которые соединяют разделенные щелями участки катода.

Проведенные авторами исследования позволяют определить основные черты механизма реализации заявляемого способа. В отсутствие управляющего ВЧ сигнала в щели катода, как и в стандартном амплитроне [4], происходит вторично-эмиссионное размножение электронов у катода под действием СВЧ полей, возникающих при подаче входного СВЧ сигнала на частоте f₀, если величина P_i превосходит некоторое граничное значение, при котором δ_e = (I_a+I_bb+I_e-I)/I_bb, где δ_e - эффективный коэффициент вторичной эмиссии катода, усредненный по энергиям и углам падения бомбардирующих катод электронов, I_a, I_bb и I_e - соответственно ток на анод, ток обратной бомбардировки катода и ток на торцевые катодные экраны, а I - начальный ток термоэмиссии, если катод обеспечивает смешанную термо- и вторичную эмиссию. В накопившемся у катода пространственном заряде развиваются колебания, связанные с коллективным движением электронов в азимутальном и в аксиальном (вдоль магнитного поля) направлении [4-6]. Если с помощью управляющего ВЧ сигнала, подводимого к щели катода, удается раскачать аксиальные колебания повышенной интенсивности, в коллективное движение вдоль магнитного поля вовлекается значительная часть электронного облака. В результате ослабляется выходной сигнал на частоте f₀, но усиливаются сигналы на целом ряде дискретных частот из-за взаимодействия электронного потока с ВЧ полями в торцевых участках прибора. Конкуренция и взаимодействие разных мод колебаний на дискретных частотах, отличных от f₀, приводит к формированию на выходе нового устройства широкополосного квазишумового излучения, интегральная мощность которого P_c может превосходить получающуюся в этом режиме (при данных B и U_а) мощность выходного сигнала P₀ на частоте f₀ в отсутствие управляющего сигнала (E_m = 0).

Интенсивные аксиальные колебания удается раскачать только на частотах, соответствующих первым (n = 1-6) модам колебаний пространственного заряда [4-6] в случае, если щель расположена в торцевой области катода, а ее ширина близка по величине или больше расстояния между поверхностью катода и радиусом синхронизма R_с. При некоторых значениях ширины щели ΔL и расстояния L ее от центральной плоскости сечения прибора широкополосный квазишумовой выходной сигнал не формируется вплоть до таких значений амплитуды E_m = E₂ поля в щели, при которых происходит срыв анодного тока. Этот срыв связан с чрезмерным увеличением потерь электронов из облака пространственного заряда, происходящим при неудачном выборе значений ΔL и L.

Созданный новый источник квазишумовых сигналов имеет преимущество перед лучшими нерелятивистскими аналогами, так как позволяет обеспечить при большей широкополосности большие выходные мощности этих сигналов. Он уступает релятивистским аналогам по уровню интегральной мощности, но имеет большую эффективность, существенно проще конструктивно и в эксплуатации.

Список литературы
1. В. И. Калинин, Н.Н. Залогин, В.Я. Кислов. Нелинейные резонанс и стохастичность в автоколебательной системе с запаздыванием//Радиотехника и электроника.- 1983, т. 28, N 10, c. 2001.

2. А. Н. Антонов, Ю.П. Блиох, Ю.А. Дегтярь и др. Пучково-плазменный генератор, основанный на взаимодействии электронного пучка с плазменно-волноводной структурой, ограниченной цепочкой индуктивно-связанных резонаторов//Физика плазмы.- 1994, т. 20, N 9, c. 777.

3. А.Г. Шкварунец, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков. Широкополосный релятивистский плазменный СВЧ-генератор//Физика плазмы.- 1994, т. 20, N 7,8, c. 682.

4. Э. А. Гельвич, Г. Г. Соминский. Процессы в пространственном заряде приборов M-типа с вторично-эмиссионными катодами//Электронная промышленность.- 1981, N 7-8, c. 20-25.

5. Г. Г. Соминский//Лекции по электронике СВЧ (4-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. 3.- Саратов: СГУ, 1978, c. 119-138.

6. С. А. Левчук, Г.Г. Соминский, С.В. Воскресенский. Экспериментальное определение дисперсионных характеристик электронного облака в неоднородных скрещенных полях//Письма в ЖТФ.- 1988, т. 14, N 13, c. 1194-1197.

Изобретение относится к электровакуумным приборам, конкретнее к приборам магнетронного типа с вторично-эмиссионными катодами в пространстве взаимодействия, которые используются в качестве мощных и эффективных источников СВЧ излучения. В пространстве взаимодействия прибора, созданного на основе амплитрона с вторично-эмиссионным катодом, создают управляющее ВЧ поле на частотах автоколебаний электронного облака, причем его амплитуду устанавливают таким образом, что в выходном такте формируется широкополосный квазишумовой СВЧ сигнал. Техническим результатом является получение большей, чем у существующих нерелятивистских аналогов, мощности, и обеспечение большей эффективности преобразования энергии постоянного тока в энергию широкополосных квазишумовых СВЧ сигналов, чем у существующих релятивистских аналогов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания широкополосных квазишумовых сверхвысокочастотных сигналов большой мощности, включающий создание в пространстве взаимодействия амплитрона с вторично-эмиссионным катодом направленного вдоль его оси магнитного поля B, подключение анодного напряжения U_а, подачу входного сверхвысокочастотного сигнала на частоте f₀ мощностью P_i и формирование путем варьирования значений B, U_а и P_i электронного облака у катода амплитрона, отличающийся тем, что в пространстве взаимодействия амплитрона создают управляющее высокочастотное поле на частотах автоколебаний электронного облака, причем амплитуду E_m управляющего высокочастотного поля на уровне поверхности катода устанавливают удовлетворяющей неравенству E₁ < E_m < E₂, где E₁ - граничное значение амплитуды, при превышении которого формируется широкополосный квазишумовой сверхвысокочастотный сигнал в выходном тракте амплитрона, а Е₂ - значение амплитуды, при котором происходит срыв протекания тока на анод в амплитроне. 2. Устройство для создания широкополосного квазишумового сверхвысокочастотного сигнала большой мощности, включающее коаксиальные вторично-эмиссионный катод и анод с широкополосной замедляющей системой, устройства ввода и вывода сверхвысокочастотных сигналов, соединенные с замедляющей системой, магнитную систему, формирующую направленное вдоль оси магнитное поле, а также торцевые катодные экраны, отличающееся тем, что в катоде выполнена кольцевая щель шириной ΔL расположенная на расстоянии L от центральной плоскости сечения устройства и являющаяся выходным зазором широкополосной линии передачи ВЧ управляющего сигнала, подаваемого на ее вход, причем значения ΔL и L выбраны такими, чтобы амплитуда создаваемого ВЧ управляющего поля E_m в щели катода удовлетворяла неравенству E₁ < E_m < E₂ во всем интервале возможного изменения амплитуды ВЧ управляющего сигнала на входе линии, где E₁ - граничное значение амплитуды, при превышении которого формируется широкополосный квазишумовой сверхвысокочастотный сигнал в выходном тракте амплитрона, а E₂ - значение амплитуды, при котором происходит срыв протекания тока на анод в амплитроне. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в катоде выполнено n кольцевых щелей, где n > 1, и к ним подключено k широкополосных линий передачи ВЧ управляющих сигналов, подаваемых на их входы, где 1 ≤ k ≤ n.