МАГНИТОИЗОЛИРОВАННЫЙ ВИРКАТОР Российский патент 2000 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к релятивистской СВЧ электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ- излучения на основе виртуального катода (ВК).

Известны устройства типа магнитоизолированных виркаторов для генерации мощных импульсов СВЧ-излучения [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, N7, с.1384).

Магнитоиэолированные виркаторы содержат генератор импульсного напряжения (ГИН), который подключен к катодному электроду и изолированному от него анодному электроду, помещенным в магнитное поле соленоида, причем анодный электрод содержит последовательно установленные модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод и секцию формирования ВК, оканчивающуюся окном вывода излучения.

При срабатывании ГИН в магнитоизолированном виркаторе импульс высокого напряжения прикладывается к катод-анодному промежутку, и в результате взрывной эмиссии вблизи катода формируется сильноточный электронный пучок (СЭП). Если секция формирования ВК анодного электрода имеет большую площадь поперечного сечения, чем модулирующая секция, то за скачком площади поперечного сечения формируется ВК, после чего возникает электромагнитное СВЧ-излучение как за счет осцилляторного движения электронов между катодным электродом и ВК, так и за счет колебаний самого ВК как целого.

Основным недостатком аналога является малыйКПДгенерации СВЧ-излучения, связанный с малым продольным размером области взаимодействия электронов с электромагнитным полем (только вблизи стыка волноводов разной площади поперечного сечения, каковыми являются модулирующая секция и секция формирования ВК анодного электрода). Кроме того, как показано в [2] (Ignatov A.M., Tarakanov V. P., "Squeezed state of high-current electron beam", Phys. Plasmas, 1994, v.1, N 3, p.741) и в [3] (Дубинов А.Е., "Сценарии установления сжатого состояния электронного потока в магнитоизолированном виркаторе", Письма в ЖТФ, 1997, т. 23, N 22, с. 29) в магнитоизолированных виркаторах типа [1] формируется сильно турбулентное так называемое сжатое состояние СЭП с низкоэнергетичными электронами между катодным электродом и ВК, что дополнительно снижает КПД СВЧ-генерации.

Наиболее близким техническим решением (прототипом), позволяющим получить более высокийКПДгенерации СВЧ- излучения, и используемый для различных физических исследований, является магнитоизолированный виркатор [4] (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), где с целью повышенияКПДвиркатора предложена схема с предварительной СВЧ-модуляцией тока СЭП, в которой пучок предварительно промодулирован по плотности и энергии и разбит на сгустки (банчи), что увеличивает монохроматичность выходного сигнала, получаемую путем повышения эффекта взаимодействия излучения с полем.

Магнитоизолированный виркатор [4] 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 ВК в виде волновода, переходящую в рупор с окном вывода излучения. В качестве модуляторующей секции в виркаторе [4] использована пассивная структура, состоящая из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов. С помощью четвертьволновых резонаторов импульсы тока модулируются по частоте с момента начала СВЧ-генерации и до окончания импульса тока.

Недостатком прототипа является низкий уровеньКПДпреобразования энергии электронов пучка в СВЧ-излучение (КПД генерации составляет всего 1,5...3%). Указанный недостаток связан с рядом причин, одна из которых состоит в малой суммарной длине области модуляции СЭП (лишь две четверти длины волны), а другая - с возможностью формирования в модулирующей секции виркатора сжатого состояния СЭП. НизкийКПДпреобразования энергии инжектируемых электронов в энергию СВЧ-изучения существенным образом ограничивает практическое применение СВЧ-генератора данного типа.

Таким образом, задача состоит в помещении КПД прибора, что необходимо для обеспечения возможности использования его как источника мощного СВЧ-излучения.

Приборы, которые способны генерировать мощные СВЧ- импульсы с большим КПД, могут использоваться, например, для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является увеличение КПД преобразования энергии инжектируемых электронов в энергию СВЧ-излучения до 5%.

Технический результат достигается за счет того, что магнитоизолированный виркатор содержит, как и известный, ГИН, который подключен к катодному электроду и изолированному от него анодному электроду, помещенным в магнитное поле соленоида, причем анодный электрод содержит последовательно установленные модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод и секцию формирования ВК, переходящую в рупор с окном вывода излучения, причем в отличие от известиях модулирующая секция содержит последовательность сетчатых или фольговых диафрагм, установленных с возможностью поперечного перемещения с регулируемым зазором относительно стенок волновода.

Возможен вариант, в котором в отличие от известных волновод модулирующей секции выполнен прямоугольного сечения, а предыдущая и последующая диафрагмы последовательности образуют зазоры относительно противоположных стенок волновода секции.

Резонаторы в виркаторе осуществляют модуляцию СЭП, а линия связи резонаторов, образуемая последовательностью зазоров, представляет собой распределенную обратную связь между СВЧ-волной и СЭП. Возможность регулирования зазоров определяет возможность настройки предлагаемого магнитоизолированного виркатора путем варьирования глубины обратной связи. Кроме того, в предлагаемом виркаторе исключена возможность формирования сжатого состояния за счет поддержания потенциала диафрагм, равного потенциалу анодного электрода. Эти обстоятельства обеспечивают получение высокого КПД виркатора.

Вариант, в котором волновод модулирующей секции выполнен прямоугольного сечения, а предыдущая и последующая диафрагмы последовательности образуют зазоры относительно противоположных стенок волновода секции, позволяют осуществить работу виркатора в одномодовом режиме, что еще более способствует повышению КПД.

Чередование расположения зазоров сетчатых диафрагм позволяет создать в системе последовательность электрических контуров, обеспечивающих увеличенную обратную связь, что также увеличивает эффективность взаимодействия СЭП с СВЧ- волной, а следовательно, и КПД.

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

Длина области взаимодействия СЭП с электромагнитным полем для последовательности электрических контуров больше длины области взаимодействия, образованной двумя четвертьволновыми резонаторами [4]. Последовательность электрических контуров модулирует также электромагнитное поле, периодически повторяющее в этом случае характер структурного периода последовательности.

Каждая диафрагма играет роль анодной секции. Модулирующая секция представляет собой цепочку связанных резонаторов, в которых образуются сгустки колеблющихся электронов, когда в результате синхронизации (фазы прямой и обратной волн совпадают) сгустки электронов эффективно взаимодействуют с резонатором.

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

На чертеже проиллюстрирован пример схемы предлагаемого устройства, где
1 - ГИН;
2 - иэолятор;
3 - катодный электрод;
4 - модулирующая секция анодного электрода;
5 - соленоид, создающий магнитное поле;
6 - секция формирования ВК анодного электрода;
7 - рупор;
8 - линзовое окно вывода СВЧ-излучения;
9 - фольговые или сетчатые диафрагмы, стрелки на которых показывают их возможные перемещения для регулировки зазоров.

В прямоугольной 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 7 с окном вывода СВЧ-излучения 8 линзового типа. Вся система помещается в магнитное поле соленоида 5. Модулирующая секция представляет собой цепочку связанных резонаторов, образованных периодической последовательностью сетчатых диафрагм, расположенных в охватывающей катод части анодного электрода. Диафрагмы имеют возможность перемещения в направлениях, указанных на чертеже стрелками.

Предлагаемый магнитоизолированный виркатор работает следующим образом: перед импульсом в соленоиде 5 возбуждается ток, создающий магнитное поле, а затем, когда магнитное поле в соленоиде достигнет требуемого значения (например, 1 Тл), на катод-анодный промежуток подается импульс напряжения от ГИН 1.

СЭП формируется в магнитоизолированной диодной области вблизи катодного электрода 3 и модулируется с помощью цепочки связанных резонаторов модулирующей секции анодного электрода 4. Сформированный в диоде и промодулированный СЭП транспортируется в секцию 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: энергия электронов 800 кэВ, ток 20 кА, длительность импульса тока 50 нс. Максимальная величина мощности может достигнуть уровня 800 МВт, а длина волны СВЧ-излучения 10 см.

В проведенных компьютерных исследованиях была показана работоспособность схемы магнитоизолированного виркатора с предварительной модуляцией излучения, которая позволяет получить мощный импульс СВЧ-излучения, с КПД 5%, что выше, чем КПД известного виркатора [4].

Используется в релятивистской СВЧ электронике, а также при разработке генераторов мощных импульсов СВЧ-излучения. Магнитоизолированный виркатор содержит, как и известный, генератор импульсного напряжения, который подключен к катодному электроду и изолированному от него анодному электроду, помещенным в магнитное поле соленоида, причем анодный электрод содержит последовательно установленные модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод и секцию формирования виртуального катода, переходящую в рупор с окном вывода излучения, причем в отличие от известных модулирующая секция содержит последовательность сетчатых или фольговых диафрагм, установленных с возможностью поперечного перемещения с регулируемым зазором относительно стенок волновода. Возможен вариант, в котором в отличие от известных волновод модулирующей секции выполнен прямоугольного сечения, а предыдущая и последующая диафрагмы последовательности образуют зазоры относительно противоположных стенок волновода. Технический результат: повышение КПД излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитоизолированный виркатор (ВК), включающий генератор импульсного напряжения, который подключен к катодному электроду и изолированному от него анодному электроду, помещенным в магнитное поле соленоида, причем анодный электрод содержит последовательно установленные модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод и секцию формирования ВК, переходящую в рупор с окном вывода излучения, отличающийся тем, что модулирующая секция содержит последовательность сетчатых или фольговых диафрагм, установленных с возможностью поперечного перемещения с регулируемым зазором относительно стенок волновода. 2. Магнитоизолированный виркатор по п.1, отличающийся тем, что волновод модулирующей секции выполнен прямоугольного сечения, а предыдущая и последующая диафрагмы последовательности образуют зазоры относительно противоположных стенок волновода.