МАГНИТОИЗОЛИРОВАННЫЙ ВИРКАТОР Российский патент 2000 года по МПК H01J25/64 

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ-излучения.

Известны устройства для генерации СВЧ-колебаний в виркаторах с магнитной изоляцией [1] (Жерлицын А.Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В., Фоменко Г.П., "Генерация СВЧ-колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке", ЖТФ, 1986, т. 56, N 7, с. 1384-1387).

При инжекции замагниченного сильноточного пучка с током выше предельного значения в вакуумное пространство (трубу) дрейфа его движение определяется образованием виртуального катода (ВК). При этом происходит увеличение плотности электронов между катодом и ВК. Часть электронов совершает колебательные движения между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Величина и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения.

Пучок формируется от генератора импульсного напряжения (ГИН) в диоде с магнитной изоляцией, образованном катодным и анодным электродами, помещенными в магнитное поле соленоида. Сформированный в диоде сильноточный электронный пучок (СЭП) транспортируется в отрезке трубы, которая является продолжением анода, и инжектируется в трубу дрейфа (волновод для излучения). Анодный электрод содержит цилиндрическую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и секцию формирования виртуального катода в виде волновода с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения волновода, переходящую в рупор с окном вывода излучения.

При скачкообразном изменении площади поперечного сечения трубы волновода с меньшего на больший величина предельного тока резко уменьшается. При этом на стыке волноводов разного диаметра происходит запирание части тока, так как чем больше диаметр трубы дрейфа, тем меньше величина предельного тока. После формирования ВК возникает электромагнитное СВЧ-излучение как за счет осцилляторного движения электронов между катодом и ВК, так и за счет колебаний самого ВК.

Основным недостатком аналога является малая мощность выходного импульса СВЧ-излучения, связанная с малой областью взаимодействия электронов с электромагнитным полем (только вблизи стыка волноводов разного диаметра).

Наиболее близким техническим решением (прототипом), позволяющий получить более мощный импульс СВЧ-излучения и используемый для различных физических исследований, является СВЧ-генератор [2] (Гаркуша О.В., Школьников Э.Я., "Генерация длинноимпульсного СВЧ-излучения в виркаторе", Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-98, М. : МИФИ, 1998, ч. 3, с. 124-126), где с целью повышения КПД генератора предложена схема с предварительной СВЧ-модуляцией тока СЭП, в которой пучок предварительно промодулирован по плотности и энергии, разбит на сгустки (банчи), что увеличивает монохроматичность выходного сигнала, получаемую путем повышения эффекта взаимодействия излучения с полем.

Магнитоизолированный виркатор, которым по сути является СВЧ-генератор, представляет собой устройство, где в качестве инжектора используется связанный с ГИН коаксиальный диод с магнитной изоляцией. Катодный электрод и изолированный от него анодный электрод помещены в магнитное поле соленоида. Анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и секцию формирования виртуального катода в виде волновода с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения волновода модулирующей секции, переходящую в рупор с окном вывода излучения.

В качестве модулятора использована пассивная структура из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов. С помощью четвертьволновых резонаторов импульсы тока модулируются по частоте с момента начала СВЧ-генерации и до окончания импульса тока.

В данной конструкции образование ВК при движении СЭП по волноводу анодного электрода связано со скачкообразным изменением площади поперечного сечения модулирующей секции и секции образования ВК. Движение СЭП по этому волноводу сопровождается магнитным полем соленоида, в которое помещена система до рупора с окном.

Недостатком прототипа является низкий уровень эффекта преобразования энергии электронов пучка в излучение (КПД генерации 1,5-3%).

Указанный недостаток связан с рядом причин, одна из которых состоит в малой суммарной длине области модуляции СЭП (лишь половина длины волны).

Низкий КПД преобразования энергии инжектируемых электронов в энергию СВЧ-излучения существенным образом ограничивает практическое применение СВЧ-генератора данного типа. Таким образом, техническая задача состоит в повышении КПД прибора, в обеспечении возможности использования его как источника мощного СВЧ-излучения.

Приборы, которые способны генерировать мощные импульсы, могут использоваться для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения за счет увеличения монохроматичности выходного сигнала, получаемой путем повышения эффекта взаимодействия СЭП с электромагнитным полем.

Технический результат достигается за счет того что, магнитоизолированный виркатор содержит, как и известный, генератор импульсного напряжения, катодный электрод и изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и секцию формирования виртуального катода в виде волновода с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения волновода модулирующей секции, переходящую в рупор с окном вывода излучения. Дополнительным отличием может быть то, что модулирующая секция выполнена полностью или частично с гофрировкой, так что шаг гофрировки соответствует длине волны излучения с учетом поправки на эффект Доплера.

При инжекции замагниченного сильноточного пучка с током выше предельного значения в вакуумное пространство волновода анодного электрода, изолированного от катодного электрода, его движение определяется образованием виртуального катода (ВК) на скачкообразном изменении поперечного сечения и секции формирования ВК. При этом происходит увеличение плотности электронов между катодом и ВК. Часть электронов совершает колебательные движения между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Величина и положение этих электронов осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию СВЧ-излучения.

Импульсы выходного тока промудулированы по частоте с момента начала СВЧ-генерации и до окончания импульса тока, что осуществляется модуляцией тока пучка частично или полностью гофрированной секцией. Длина области взаимодействия СЭП с электромагнитным полем для гофрированной модулирующей секции больше длины области взаимодействия, образованной четвертьволновыми резонаторами [2] . Гофрированная секция модулирует также электромагнитное поле, периодически повторяющее в этом случае характер структурного периода гофры.

За счет увеличения длины области взаимодействия СЭП с этим электромагнитным излучением в зоне модулирующей секции осуществляется усиление предварительной модуляции, происходит уменьшение нестабильности частоты и регулировки частоты СВЧ-излучения.

Таким образом, предложенный виркатор, имеющий модулирующую секцию в виде гофрированного волновода, имеет большую область взаимодействия инжектируемых электронов с электромагнитным полем, порядка десятков длин волн в отличие от пары четверьволновых резонаторов, описанным в прототипе. Эффективность взаимодействия по сравнению с прототипом увеличивается. Электроны меньше разбросаны по энергии, плотность тока выше, повышается монохроматичность выходного излучения.

Гофрированная труба может быть любого профиля гофрировки, например пилообразная, эшелеттная, синусоидальная. Размер шага гофры определяется длиной волны излучения.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, где
(1) - ГИН;
(2) - изолятор;
(3) - катодный электрод;
(4) - модулирующая секция анодного электрода;
(5) - соленоид, создающий магнитное поле;
(6) - секция формирования ВК анодного электрода;
(7) - рупор с окном вывода излучения.

В цилиндрической геометрии устройство содержит ГИН (1), катодный электрод (3) и изолированный от него с помощью полиэтиленового изолятора (2) анодный электрод, включающий модулирующую секцию анодного электрода (4), секцию формирования ВК (6), переходящую в рупор с окном вывода излучения (7). Вся система помещается в магнитное поле соленоида (5). Модулирующая секция представляет собой, например, частично гофрированную трубу из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм с шагом гофры 2 см, глубиной 1 см, профиль гофры синусоидальный, число гофр, например, 8.

Предлагаемый магнитоизолированный виркатор работает следующим образом: заранее от ГИН подается импульс тока на соленоид (5), создающий магнитное поле, а затем, когда магнитное поле в соленоиде достигнет требуемого значения (например, 5 кГс), на катод-анодный промежуток подается импульс напряжения от ГИН (1).

СЭП формируется в магнитоизолированной диодной области вблизи катодного электрода (3) и модулируется с помощью гофрированной секции анодного электрода (4). Сформированный в диоде и промодулированный СЭП транспортируется в секции формирования ВК анодного электрода (6).

Сформированный в секции (6) ВК генерирует мощный импульс СВЧ-излучения. Вывод СВЧ-излучения осуществляется через рупор вывода излучения (7).

Инжектированный в трубу дрейфа трубчатый пучок может иметь следующие параметры: энергию электронов 1 МэВ, ток 40 кА, длительность импульса тока 50 нс. Максимальная величина мощности может достигнуть уровня 800 МВт, а длина волны СВЧ-излучения 3 см.

В проведенных компьютерных исследованиях была показана работоспособность схемы магнитоизолированного виркатора с предварительной модуляцией излучения, которая позволяет получить мощный импульс СВЧ-излучения.

Ожидаемый КПД установки на 10% больше известных.

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ-излучения. Сущность изобретения: магнитоизолированный виркатор содержит генератор импульсного напряжения, катодный электрод и изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и секцию формирования виртуального катода в виде волновода с площадью поперечного сечения, большей площади поперечного сечения волновода модулирующей секции, переходящую в рупор с окном вывода излучения, при этом модулирующая секция в отличие от известных выполнена полностью или частично с гофрировкой. Технический результат: повышение КПД излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитоизолированный виркатор, содержащий генератор импульсного напряжения, катодный электрод и изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и секцию формирования виртуального катода в виде волновода с площадью поперечного сечения большей площади поперечного сечения волновода модулирующей секции, переходящую в рупор с окном вывода излучения, отличающийся тем, что модулирующая секция выполнена полностью или частично с гофрировкой. 2. Магнитоизолированный виркатор по п. 1, отличающийся тем, что шаг гофрировки соответствует длине излучения с учетом поправки на эффект Допплера.