ГЕНЕРАТОР СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения.

Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом, содержащие источник питания, источник электронов, состоящий из вакуумной камеры с соосно расположенными внутри нее катодом и анодом, прозрачным для электронов, камеру дрейфа и рупор с окном для вывода излучения в атмосферу. (M. Haworth, B. Anderson, et. el, "Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser"// IEEE Trans. on Plasma Science, 1991., vol. 19, N 4, pp. 655-659) [1], H.Sze, J. Benford, et. el, "Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode"// Phys. Fluids, 29 (11), Nov. 1986, pp. 3873 - 3880) [2].

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше некоторого значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Эта область провисания потенциала и называется виртуальным катодом (ВК). Длина камеры дрейфа обычно выбирается больше длины волны генерируемого излучения. Источником СВЧ-колебаний в таких системах являются осцилляции электронов в потенциальной яме, образованной реальным и виртуальным катодом, и колебания положения самого ВК. Следует отметить, что геометрия и размеры дрейфовой камеры в комбинации с параметрами пучка существенным образом влияют на условия формирования ВК, эффективность генерации и параметры излучения.

Недостатками известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкий уровень эффективности преобразования энергии электронного пучка в излучение (КПД генерации) и большой угол расходимости генерируемого излучения. Указанные недостатки связаны с рядом причин, одна из которых состоит в том, что кроме электронов, отражаемых от ВК в сторону реального катода и совершающих множество колебаний, часть электронов покидает область ВК и уходит на стенки дрейфовой камеры. Количество этих электронов и скорость их ухода на стенку зависит от формы поверхности дрейфовой камеры, которая совместно с рупором во многом определяет и характер расходимости генерируемого излучения.

За прототип выбран СВЧ-генератор (K. Kostov, N. Nikolov, et. el., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field"//, Appl. Phys. Lett., 60(21), 25 May 1992, pp. 2598 - 2600), схема которого представлена на фиг. 1. Прототип состоит из источника питания 1, источника электронов в виде цилиндрической вакуумной камеры 2, в которой соосно размещены катод 3 и анод 4, прозрачный для электронов, области образования виртуального катода 5 цилиндрической камеры дрейфа (резонатора) 6 и следующего за ней конического рупора 7 с окном 8 для вывода излучения в атмосферу. Анод выполнен плоским и изготовлен из металлической сетки. Эксперименты проведены как с использованием ведущего магнитного поля, так и без него.

При инжекции электронного пучка в дрейфовую камеру за анодом образуется ВК и часть электронов совершает колебательное движение 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.

Недостатком такого генератора является низкий КПД процесса генерации (≈1%) и большой угол расходимости генерируемого излучения (до 100 град), что связано с использованием высокодобротного резонатора в виде цилиндрической камеры дрейфа, быстрым уходом электронов из зоны образования ВК на стенки и использованием в качестве устройства для вывода излучения конического рупора.

Низкий КПД преобразования и большая расходимость генерируемого излучения существенным образом ограничивают практическое применение СВЧ-генераторов данного типа.

Техническая задача состоит в разработке СВЧ-генератора, который может быть использован в качестве источника мощных импульсов СВЧ-излучения. Приборы, способные генерировать такие импульсы, могут использоваться для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях и т.д.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности генерации излучения и, в качестве дополнительного результата, одновременное уменьшение угла расходимости путем изменения формы камеры дрейфа и узла вывода излучения.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного СВЧ-генератора на основе ВК, содержащего источник питания, источник электронов, состоящий из цилиндрической вакуумной камеры, внутри которой расположены катод и анод, прозрачный для электронов, камеру дрейфа, служащую резонатором, и рупор с окном, прозрачным для СВЧ-излучения, в предлагаемом устройстве рупор, являющийся одновременно камерой дрейфа, выполнен в форме поверхности вращения, имеющей фокус, или в виде усеченного конуса и состыкован с вакуумной камерой в зоне анода, причем размеры этой зоны вдоль оси вакуумной камеры для рупора в форме поверхности вращения, имеющей фокус, определены как (1):
L₁ ≅ 2f, где
L₁ - расстояние от места стыка до анода в сторону окна;
f - фокусное расстояние поверхности рупора;
и L₂ ≅ λ/4, где
L₂- расстояние от места стыка до анода в сторону источника электронов;
λ - длина волны генерируемого излучения;
а для рупора в виде конуса как (2):
L₃ ≅ h, где
L₃ - расстояние от места стыка до анода в сторону окна;
h - высота усеченного конуса;
и L₄ ≅ λ/4, где
L₄ - расстояние от места стыка до анода в сторону источника электронов.

Кроме того, внутри объема рупора расположен элемент, выполненный из токопроводящего материала, плоский или в форме поверхности вращения, диаметром D ≥ λ , где D - диаметр элемента, находящийся под потенциалом анода, либо под потенциалом катода, либо изолированный от них и образующий с поверхностью анода открытый резонатор.

Внешняя поверхность цилиндрической вакуумной камеры от анода до места стыка с рупором и часть внутренней поверхности рупора между местом стыка его с вакуумной камерой и линией пересечения поверхности рупора с плоскостью, перпендикулярной оси системы и находящейся на расстоянии, меньшем либо равном 2f для рупора в форме поверхности вращения, имеющей фокус, или меньшем h для рупора в виде усеченного конуса, выполнены с азимутальными гофрами.

Поверхность рупора выполнена в форме поверхности, состоящей по крайней мере из двух плавно сопряженных поверхностей вращения.

Часть поверхности рупора от места стыка с цилиндрической вакуумной камерой выполнена в виде плоскости.

Форма анода имеет форму поверхности вращения.

В генераторе, выполненном по схеме прототипа, представленной на фиг. 1, камера дрейфа представляет собой высокодобротный резонатор. В связи с тем, что колебания электронов между реальным и виртуальным катодами осуществляются практически вдоль оси системы, а направление излучения, следовательно, перпендикулярно направлению их движения, то количество отражений излучения от стенок резонатора до выхода из системы велико. Это приводит к большим потерям излучения внутри резонатора, что является одной из причин низкого КПД генерации.

Предлагаемый генератор СВЧ-излучения состоит из: источника питания 1, источника электронов, содержащего цилиндрическую вакуумную камеру 2, внутри которой расположены катод 3 и анод 4, прозрачный для электронов, области формирования ВК 5, рупора 6-7, функционально совмещенного с камерой дрейфа, и окна для вывода излучения 8.

В предлагаемом устройстве цилиндрическая труба дрейфа отсутствует или ее длина короче λ/4. Имеет место совмещение функций, полностью или частично, камеры дрейфа и канала вывода излучения в одном конструктивном элементе в форме рупора, выполненного в виде поверхности вращения, имеющей фокус, или усеченного конуса, а расстояние от места стыка рупора с вакуумной камерой до анода определяется из условий (1) или (2). Таким образом, отсутствуют потери излучения внутри резонатора, связанные с его высокой добротностью. Кроме того, наряду с электронами, колеблющимися в области между реальным и виртуальным катодами, появляется, как показывают компьютерные эксперименты, электронный поток в виде сгустков, который движется вдоль поверхности рупора, что обуславливает дополнительный вклад в суммарный выход СВЧ-излучения. Все это в совокупности приводит к увеличению КПД и соответственно мощности СВЧ-излучения генератора.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого генератора СВЧ-излучения с рупором в форме полусферы для случая, когда L₁ и L₂ равны нулю.

Возможно развитие и конкретизация составляющих генератора, представленных в независимом пункте формулы.

При постановке элемента 9, выполненного из токопроводящего материала, (см фиг. 3) внутри объема рупора он вместе с поверхностью анода в отличие от закрытого, имеющего место в прототипе, образует открытый резонатор, который обладает малой добротностью и более узким, по сравнению с закрытыми резонаторами, спектром излучения, что ведет к увеличению мощности генерируемого излучения т. е. и к увеличению КПД. Диаметр D данного элемента, так как он является зеркалом резонатора, должен быть больше λ . В то же время, этот элемент в зависимости от варианта исполнения и места его расположения внутри рупора может играть, при выполнении его в форме поверхности вращения, роль зеркала телескопа, образованного данным элементом и поверхностью рупора, а в случае исполнения его в виде плоского диска - зеркально переносить изображение фокуса рупора в область образования виртуального катода, что позволяет значительно уменьшить расходимость генерируемого излучения, которая является дополнительным, но очень важным результатом при создании мощных СВЧ-генераторов.

В зависимости от потенциала на элементе СВЧ-генератор является виркатором либо отражательным триодом: если токопроводящий элемент находится под потенциалом анода данный генератор является виркатором, когда этот элемент электрически соединен с катодом или изолирован от анода и катода - отражательным триодом.

Известно, что область ВК является источником интенсивных потоков ионов и электронов, движущихся вдоль оси системы и способствующих срыву генерации излучения из-за пробоев и образования плазмы на поверхности выходного окна генератора, что приводит к уменьшению КПД генерации. Применение токопроводящего элемента устраняет эти потоки и существенно снижает вероятность пробоя выходного окна.

Выбор формы поверхности рупора, анода, отражающего элемента и расстояния до последнего от поверхности анода вдоль оси системы взаимосвязаны друг с другом и зависят от характеристик инжектируемого электронного пучка и длины волны генерируемого излучения.

Возможен случай, когда необходимо изменение формы поверхностей составляющих частей генератора. Азимутальные гофры на внешней поверхности цилиндрической вакуумной камеры и внутренней поверхности рупора играют роль электродинамической структуры и способствуют повышению мощности и уменьшению расходимости генерируемого излучения.

В связи с тем, что от границы перехода рупор - открытое пространство существует отражение излучения, необходимо выполнить геометрию рупора таким образом, чтобы свести к минимуму данный эффект. Одним из способов решения этой проблемы является изготовление рупора в виде двух или более поверхностей вращения, плавно сопряженных друг с другом.

Возможен следующий конкретный вариант реализации конструкции: в случае использования плоского анода в качестве зеркала резонатора, являющегося продолжением поверхности рупора и при условии, что длина волны излучения больше диаметра анода, плоская часть зеркала увеличивается за счет поверхности рупора.

С помощью анода, выполненного в форме поверхности вращения, в заявленном генераторе может осуществляться управление формой инжектируемого в пространство дрейфа электронного пучка.

На фиг. 1 изображена схема прототипа заявляемого генератора.

1 - источник питания;
2 - цилиндрическая вакуумная камера;
3 - катод;
4 - анод;
5 - область образования ВК;
6 - камера дрейфа (резонатор);
7 - рупор;
8 - окно для вывода излучения.

На фиг. 2 изображена схема заявляемого СВЧ-генератора с рупором, имеющим сферическую внутреннюю поверхность, при условии равенства нулю L₁ и L₂.

1 - источник питания;
2 - цилиндрическая вакуумная камера;
3 - катод;
4 - анод;
5 - область образования ВК;
6, 7 - рупор, являющийся одновременно камерой дрейфа;
8 - окно для вывода излучения.

На фиг. 3 изображена схема заявляемого СВЧ-генератора с рупором, имеющим сферическую внутреннюю поверхность, с введенным в его объем плоским токопроводящим элементом и при условии равенства нулю L₁ и L₂.

1 - источник питания;
2 - цилиндрическая вакуумная камера;
3 - катод;
4 - анод;
5 - область образования ВК;
6, 7 - рупор, являющийся одновременно камерой дрейфа;
8 - окно для вывода излучения;
9 - плоский токопроводящий элемент.

На фиг. 4 представлена диаграммы направленности генераторов СВЧ-излучения, где:
1 - генератор выполнен по схеме прототипа;
2 - заявляемый генератор со сферическим рупором;
3 - заявляемый генератор со сферическим рупором и плоским токопроводящим элементом.

Заявляемый СВЧ-генератор, выполненный по схеме фиг. 2, реализован на практике. Этот генератор содержит (см. фиг. 2) высоковольтный источник питания 1, представляющий собой 12 - каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, источник электронов, состоящий из цилиндрической вакуумной камеры 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм и анод 4 из сетки, прозрачный для электронов. Зазор анод - катод равен 3.0 мм. Виртуальный катод 5 образуется в объеме дрейфовой камеры - рупора 6-7. Цилиндрическая вакуумная камера состыкована с рупором со сферической внутренней поверхностью радиусом 175 мм при условии равенства нулю L₁ и L₂. Излучение выводится в атмосферу через окно 8. Параметры инжектируемого в дрейфовую камеру пучка следующие: энергия электронов ≈ 200 кэВ, ток пучка ≈ 6 кА и длительность импульса ≈ 40 нс на полувысоте.

Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1 прикладывается к катоду 3. Цилиндрическая вакуумная камера 2, анод 4 и рупор 6-7 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует в рупоре виртуальный катод 5.

Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему через выходное окно 8. Длина волны генерируемого излучения 2...5 см, а длительность импульса - 20 нс на полувысоте.

В данном случае мощность СВЧ-излучения, а значит и КПД, возросла в 4 раза по сравнению с генератором, выполненным по схеме прототипа. Расходимость генерируемого излучения осталась на прежнем уровне. Следует отметить, что в генераторе, выполненном по схеме прототипа, использовался тот же источник питания и источник электронов.

При установке в развитие генератора, схематично изображенного на фиг. 2, внутрь объема рупора (см. фиг. 3) токопроводящего плоского в форме диска диаметром 80 мм элемента 9, расположенного на расстоянии 45 мм от анода 4 и параллельного ему, мощность СВЧ-излучения возросла в 5 раз, а расходимость уменьшилась в 5 раз по сравнению с прототипом. На фиг. 4 представлены диаграммы направленности СВЧ-излучения для генератора, выполненного по схеме прототипа фиг. 1 (1), заявляемого генератора, выполненного по схеме, представленной на фиг. 2 (2) и по схеме фиг. 3 (3).

Как показали предварительные эксперименты, данное техническое решение после проведения оптимизации всех параметров заявленного генератора СВЧ-излучения позволит увеличить КПД генерации излучения до 5...10%, а расходимость уменьшить до 5...10 град по уровню 0,1 интенсивности излучения.

Применение: техника СВЧ, может быть использован при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для целей радиолокации, накачки рабочих сред газовых лазеров и т.д. Сущность: функциональное совмещение камеры дрейфа с рупором, выполненным в форме поверхности вращения, имеющей фокус, или в форме усеченного конуса, использование открытого резонатора, образованного поверхностью анода и элементом, размещенным внутри объема рупора. Технический результат: повышение эффективности генерации в 5 - 10 раз и одновременное уменьшение угла расходимости СВЧ-излучения. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор СВЧ-излучения, содержащий источник питания, источник электронов, состоящий из вакуумной камеры, внутри которой расположены катод и анод, прозрачный для электронов, камеру дрейфа, служащую резонатором, и рупор с окном, прозрачным для СВЧ-излучения, отличающийся тем, что рупор выполнен в форме поверхности вращения, имеющей фокус, и состыкован с вакуумной камерой в зоне анода с обеспечением функционального совмещения рупора с камерой дрейфа. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что размеры зоны вдоль оси вакуумной камеры определены как L₁ ≅ 2 f, где L₁ - расстояние от места стыка до анода в сторону окна; f - фокусное расстояние поверхности рупора. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что размеры зоны вдоль оси вакуумной камеры определены как L₂ ≅ λ4, где L₂ - расстояние от места стыка до анода в сторону источника электронов; λ - длина волны генерируемого излучения. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутри объема рупора расположен элемент, выполненный из токопроводящего материала, плоский или в форме поверхности вращения, диаметром D ≥ λ, где D - диаметр элемента, находящийся под потенциалом анода, либо под потенциалом катода, либо изолированный от них, и образующий с поверхностью анода открытый резонатор. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность вакуумной камеры от анода до места стыка с рупором и часть внутренней поверхности рупора с плоскостью, перпендикулярной оси системы и находящейся на расстоянии меньшем либо равном 2f, выполнены с азимутальными гофрами. 6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что часть поверхности рупора от места стыка с камерой имеет плоскую форму. 7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что поверхность анода выполнена в форме поверхности вращения. 8. Генератор СВЧ-излучения, содержащий источник питания, источник электронов, состоящий из вакуумной камеры, внутри которой расположены катод и анод, прозрачный для электронов, камеру дрейфа, служащую резонатором, и рупор, часть поверхности которого имеет форму конуса, с окном, прозрачным для СВЧ-излучения, отличающийся тем, что рупор состыкован с вакуумной камерой в зоне анода с обеспечением функционального совмещения рупора с камерой дрейфа. 9. Генератор по п.8, отличающийся тем, что размеры зоны вдоль оси вакуумной камеры определены как L₃ ≅ h, где L₃ - расстояние от места стыка до анода в сторону окна; h - высота конуса. 10. Генератор по п.8, отличающийся тем, что L₄ ≅ λ/4, где L₄ - расстояние от места стыка до анода в сторону источника электронов; λ - длина волны генерируемого излучения. 11. Генератор по п.8, отличающийся тем, что внешняя поверхность вакуумной камеры от анода до места стыка с рупором и часть внутренней поверхности между местом стыка его с вакуумной камерой и линией пересечения поверхности рупора с плоскостью, перпендикулярной оси системы и находящейся на расстоянии меньшем h, выполнены с азимутальными гофрами. 12. Генератор по п.8, отличающийся тем, что поверхность рупора выполнена, по крайней мере, из двух плавно сопряженных поверхностей вращения. 13. Генератор по п.8, отличающийся тем, что часть поверхности рупора от места стыка с камерой имеет плоскую форму.