СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для генерации коротких импульсов электрического тока.

Известен способ генерации импульсов электрического тока на основе переходов из одного состояния на петле гистерезиса в другое в режиме ограничения тока пространственным зарядом [1] (Пащенко А.В., Руткевич Б.Н. Динамика переходов между стационарными состояниями в диоде, Радиотехника и электроника, 1979, N 1, с. 151-157).

Этот способ генерации импульсов тока основан на том, что электронный пучок с током выше предельного вакуумного пропускают через пространство дрейфа до образования виртуального катода. Согласно известной теории диода [2] (Гвоздовер С.Д. Теория электронных приборов сверхвысоких частот.- М.: ГИТТЛ, 1956) электронный пучок может находиться в двух стационарных состояниях, отличающихся характером распределения поля объемного заряда (гистерезис состояний). Меняя параметры входного пучка, например обрывая входной ток, осуществляют резкий переход между этими состояниями, что сопровождается резким импульсом выходного тока.

Основным недостатком этого способа является то, что при амплитуде импульса тока в десятки и сотни килоампер вследствие конечной индуктивности диодной цепи оборвать входной ток за наносекунды невозможно. Это влечет за собой невозможность реализации способа при таких параметрах.

Известно устройство для реализации этого способа генерации импульсов тока, основанное на использовании гистерезиса состояний электронного потока, когда происходит переход электронов из одного стационарного состояния в другое, реализованное на транзисторных схемах вместо диода [3] (Uchida К. Pulse generator for fast rise-time pulses, US Patent N 3676708, H 03 K 5/12, 1968). Транзисторные схемы являются моделью диодной области и отражают влияние реальных факторов, в первую очередь объемного заряда, и позволяют использовать подход, опирающийся на рассмотрение трансформации емкости промежутка за счет изменения состояния пространственного заряда.

Однако этому устройству присущи те же недостатки, что и способу, на котором он основан.

Наиболее близким способом, выбранным в качестве прототипа, является способ генерирования наносекундных импульсов [4] (Пащенко А.В, Руткевич Б.Н., Федорченко В.Д., Мазалов Ю.П. Гистерезис состояний и эффект сброса заряда в электронном потоке, ЖТФ, т. 53, 1983 г., с. 75-80) в системе, содержащей диодную область, ограниченную катодом и анодом, и пространство дрейфа, ограниченное анодом и коллектором электронов, заключающийся в том, что электронный пучок с током выше предельного вакуумного пропускают через пространство дрейфа до образования виртуального катода (ВК), прерывают входной ток, между двумя состояниям электронов возникает резкий переход со сбрасыванием электронов на коллектор. На выходе возникает токовый импульс, длительность которого в 2-3 раза превышает время пролета одиночного электрона через диод, а амплитуда же близка к величине тока инжекции. Приведенные в прототипе результаты теоретических и экспериментальных исследований электронных потоков свидетельствуют о существовании эффекта сброса заряда, сопровождающегося появлением токового импульса.

Недостатком прототипа также является то, что при амплитуде импульса тока в десятки и сотни килоампер вследствие конечной индуктивности диодной цепи оборвать ток за наносекунды невозможно. Это влечет за собой невозможность реализации способа при таких параметрах.

Наиболее близким техническим решением, позволяющим реализовать этот способ, является, например, генератор наносекундных импульсов [5] (Пащенко А.В. , Руткевич Б. Н. "Генератор наносекундных импульсов", авт. свид. СССР N 646783, H 01 J 25/00, БИ N 30, 1979), включающий в себя диодную область (группирующий резонатор), пространство дрейфа, выходную линию, служащую коллектором электронов, причем в пространстве дрейфа расположены короткозамкнутые сетчатые электроды, образующие плоский диод.

Принцип работы генератора основан на переходах между стационарными состояниями электронного пучка между электродами, сопровождающимися сбросом заряда, так как в определенном интервале значений параметров пучок может находиться в двух состояниях (гистерезис) со сквозным пролетом всех электронов и отражением части электронов ВК. Во втором состоянии поток содержит больше электронов, чем в первом. В момент перехода из второго состояния в первое за счет подачи напряжения на сетчатые электроды в пространство анода избыточные электроны сбрасываются, в результате чего возникает токовый импульс с амплитудой порядка полного тока к длительностью порядка времени пролета электронов промежутка. Этот эффект и использован в [5] для создания генератора наносекундных импульсов тока. Недостатком прототипа является невозможность генерации импульсов тока амплитудой в десятки килоампер и выше.

Технической задачей изобретения является разработка способа, позволяющего получить более мощный (в десятки килоампер и выше) и кратковременный импульс тока (длительностью порядка несколько наносекунд), который можно использовать для различных физических исследований, и реализовать в устройстве этот способ.

Технический результат состоит в возможности получения импульсов тока амплитудой в несколько десятков килоампер и выше и длительностью в несколько наносекунд.

Этот технический результат достижим за счет того, что в предлагаемом способе генерации наносекундных импульсов тока в системе, содержащей диодную область, ограниченную катодом и анодом, пространство дрейфа, ограниченнoe катодом и коллектором электронов, электронный пучок с током выше предельного вакуумного пропускают через пространство дрейфа до образования виртуального катода (ВК), в отличие от известного после образования ВК в диодную область подают по крайней мере один дополнительный электронный импульс.

Если ток, инжектируемый в диодную область и проходящий через пространство дрейфа, выше предельного вакуумного, в системе за анодом образуется ВК. После образования ВК часть инжектируемого потока электронов отражается от ВК в сторону инжектора и затем совершает колебания в потенциальной яме между катодом и ВК. При подаче дополнительного электронного импульса в диодную область после образования ВК независимо от угла подачи к оси системы происходит запирание диодной области (катод-анод), следствием чего является размыкание входного тока. То есть в данном случае электронный импульс выполняет функцию размыкателя, при этом время размыкания меньше по сравнению с известными. Таким образом, очевидно то, что, чем быстрее происходит размыкание, тем больше обострение мощности при одной и той же индуктивности схемы.

На основе способа сконструировано устройство - генератор наносекундных импульсов, содержащий катод и анод, образующие диодную область, и коллектор, образующий с анодом пространство дрейфа, так, что в отличиe от известного генератора в зоне диодной области расположен по крайней мере один дополнительный источник электронного пучка.

Переход от ограничения пространственным зарядом к полному прохождению тока сопровождается скачкообразным возрастанием тока. Подача дополнительного электронного импульса в промежуток анод-катод увеличивает пространственный заряд в этом промежутке, что способствует запиранию диода, уменьшению анодного тока и сбрасыванию накопленного заряда вблизи ВК на коллектор за короткий, длительностью порядка несколько наносекунд, промежуток времени, в то время как прерыватель в виде модулятора (прототип) позволяет получить размазанный до микросекунд импульс, и амплитуда импульса, сброшенного за наносекунды на несколько порядков, может превышать амплитуду импульса прототипа.

Таким образом, подача электронного импульса обеспечивает смену состояний потока электронов в пространстве между сетками, при котором и осуществляется образование токового импульса с требуемыми параметрами.

На чертеже схематично показан пример реализации предполагаемого генератора в устройстве, где:
1 - катод,
2 - анод,
3 - источник напряжения,
4 - дополнительный источник электронов,
5 - коллектор электронов.

ВК изображен на чертеже пунктирной линией.

Способ реализуется следующим образом. Сначала прикладывают напряжение на диод 1, 2 от источника 3 и пропускают через диод электронный пучок с током выше предельного вакуумного, например 100 кА, так, чтобы за анодом сформировался ВК. После образования ВК инжектируют дополнительный электронный пучок, например из пушки 4 в диодную область,и регистрируют выходной импульс на коллекторе 5.

В предлагаемом генераторе катод и анод 1 и 2 расположены на расстоянии 3 см друг от друга. Перед сетчатым электродом 2 установлена электронная пушка, обеспечивающая постоянный электронный поток с поперечным сечением S=10 см² и током 100 кА при анодном напряжении 1MB, создаваемым источником 3. Дополнительный источник электронов (электронная пушка 4) инжектирует импульс электронов с током порядка 10 кА, напряжением U=500 кВ и длительностью фронта импульса тока ~ 1 нс.

Генератор работает следующим образом.

Между электродами 1, 2 возбуждается импульс тока, возникающий после включения источника 3. Когда ток превышает предельный вакуумный, формируется ВК. Чтобы появился требуемый импульс тока на выходе, необходимо, чтобы электроны ВК сбросились на коллектор. Для этой цели в промежуток анод-катод подают электронный импульс от дополнительной электронной пушки 4, который сдвигает ВК вправо. На выходе 5 регистрируется импульс с улучшенными характеристиками. При приложенных мощностях сброс электронов на коллектор с использованием модулятора (прототип) можно осуществить лишь за время порядка 1 мкс, а с помощью электронной пушки длительность импульса становится порядка 1 нс.

Среди достоинств предлагаемого генератора следует упомянуть простоту реализации предложенного решения.

Ожидаемое увеличение КПД по мощности предложенной конструктивной схемы, созданной на основе предложенного способа, примерно на 20% выше по сравнению с известными устройствами.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для генерации коротких импульсов электрического тока. Способ генерации наносекундных импульсов тока в системе, содержащей диодную область, ограниченную катодом и анодом, пространство дрейфа, ограниченное катодом и коллектором электронов, заключается в том, что электронный пучок с током выше предельного вакуумного пропускают через пространство дрейфа до образования виртуального катода, при этом после образования виртуального катода в диодную область подают по крайней мере один дополнительный электронный импульс. Генератор наносекундных импульсов тока содержит катод и анод, образующие диодную область, и коллектор, образующий с анодом пространство дрейфа, при этом в зоне диодной области расположен по крайней мере один дополнительный источник электронного пучка. Технический результат: ожидаемое увеличение КПД по мощности предложенной конструктивной схемы, созданной на основе предложенного способа, примерно на 20% по сравнению с известными устройствами. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерирования наносекундных импульсов тока в системе, содержащей диодную область, ограниченную катодом и анодом, пространство дрейфа, ограниченное катодом и коллектором электронов, заключающийся в том, что электронный пучок с током выше предельного вакуумного пропускают через пространство дрейфа до образования виртуального катода, отличающийся тем, что после образования виртуального катода в диодную область подают, по крайней мере, один дополнительный электронный импульс. 2. Генератор наносекундных импульсов тока, содержащий катод и анод, образующие диодную область и коллектор, образующий с анодом пространство дрейфа, отличающийся тем, что в зоне диодной области расположен, по крайней мере, один дополнительный источник электронного пучка.