СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИБОРЕ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ Российский патент 2001 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к СВЧ-электронике и может быть использовано для генерации периодической последовательности мощных импульсов СВЧ-излучения.

Известен способ генерации одиночных импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом (ВК) [1] (Hwang G.S., Wu M.W., Song P.S., Hou W.S., "High power microwave generation from a tunable radially extracted vircator", J. Appl. Phys., 1991, N 69(3), p. 1247).

Этот способ генерации наносекундных импульсных импульсов СВЧ-излучения заключается в том, что импульсный электронный пучок с током выше предельного вакуумного инжектируют из диодной области прибора через сетчатый анод в эквипотенциальную область (пространство дрейфа) до образования ВК. При этом величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, что является причиной возникновения мощных колебаний электромагнитного поля. Источником электромагнитных колебаний являются также осцилляции электронов в потенциальной яме с центром, приходящимся на область инжекции (обычно это анод ускоряющего промежутка), и с краями - катод ускоряющего промежутка и ВК.

Недостатком этого способа является отсутствие периодичности импульсов.

Известен способ генерации периодической последовательности импульсов СВЧ-излучения в приборе с ВК, представленный в [2] (Селемир В.Д., Алехин Б. В., Дубинов А.Е. и др. "Перспективы применения мощной наносекундной СВЧ- электроники в технологии и экологии". Новые промышленные технологии, 1995, N 2(268), с. 53).

Этот способ заключается в том, что периодически пропускают электронный пучок, сформированный в диодной области прибора с ВК с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную область прибора через сетчатый анод с образованием ВК. Прибор с ВК, в котором реализуется известный способ, состоит из источника напряжения, инжектора электронов в виде цилиндрической вакуумной камеры, в которой соосно размещены катод и сетчатый анод, прозрачный для электродов (диодная область), цилиндрической камеры дрейфа, ограниченной анодом и коллектором электронов (эквипотенциальная область), и следующего за ней конического рупора с окном для вывода излучения в атмосферу.

Источником СВЧ-излучения здесь, как и в [1], являются осцилляции ВК. В [2] сообщается, что достигнута частота следования СВЧ-импульсов 10 Гц.

Недостатком известного способа [2] является разогрев анодной сетки за счет ее бомбардировки электронами последовательно следующих импульсов. В работе [3] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д., Сидорова В.А. и др. "Термические и механические нагрузки анодной сетки СВЧ-генератора с виртуальным катодом в импульсно-периодическом режиме работы", Инженерно-физический журнал, 1998, N 71(5), с. 899) показано, что температура анода при частоте следования импульсов 10 Гц может превысить 1000^oC. Это приводит к появлению в области анодной сетки электронного облака, обусловленного термоэмиссией электронов с поверхности анодной сетки. Наличие электронного облака вокруг анодной сетки снижает импеданс вакуумного диода и частично шунтирует очередной импульс высокого напряжения в диоде, что оказывает негативное влияние на работу прибора с ВК в целом, так как последующие сгустки электронов из-за вышеописанного эффекта не набирают необходимой энергии. Это приводит к снижению выходной СВЧ-мощности в импульсах.

Наиболее близким способом, выбранным в качестве прототипа, является способ генерации периодической последовательности импульсов СВЧ-излучения с СВЧ-приборе, описанный в [4] {Амирян Р.А., Иванов В.А., Куликов А.В., Плешивцев В. И. "Способ усиления импульсных СВЧ-сигналов", а.с. СССР N 598449, 03.01.1977, H 01 J 25/00, опубл. БИ, 1978, N 39). Этот способ заключается в том, что периодически пропускают электронный пучок, сформированный в диодной области СВЧ-прибора с необходимой амплитудой тока в электродинамическую структуру СВЧ-прибора, а в промежутках времени между рабочими импульсами для исключения паразитных сигналов на токоуправляющий электрод диода подают запирающие импульсы напряжения с помощью дополнительного импульсного источника питания.

Недостатком этого способа является его сложность, так как для его реализации необходимо применение дополнительного устройства синхронизации, который должен включать дополнительный источник питания тогда, когда выключается основной, и наоборот, выключать его перед началом рабочего импульса СВЧ-генерации. Кроме того, импульсный дополнительный источник питания в процессе включения и выключения может наводить за счет своих переходных процессов в дополнительные паразитные сигналы во всех цепях СВЧ-прибора, так что дополнительный источник питания становится сам источником дополнительных паразитных сигналов.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего получать последовательность выходных импульсов СВЧ-излучения при упрощенной цепи подключения дополнительного источника, при использовании которой исключается необходимость включения синхронизирующего устройства и устраняется возможность наводки дополнительных паразитных сигналов.

Технический результат состоит в упрощении цепи подключения дополнительного источника питания и в сведении к минимуму паразитных сигналов.

Технический результат достижим за счет того, что предложен способ генерации периодической последовательности импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, содержащем диодную область, образованную катодным электродом и сетчатым анодом, и следующую за ней эквипотенциальную область, ограниченную сетчатым анодом и коллектором электронов, заключающийся в том, что периодически формируют электронный пучок в диодной области прибора и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную область прибора через сетчатый анод с образованием виртуального катода, а в промежутке между импульсами последовательности на катод подают запирающий потенциал с дополнительного источника питания. Новым в этом способе является то, что в отличие от известного в качестве дополнительного источника питания используют источник постоянного отрицательного напряжения величиной, большей, чем работа выхода электрона из материала сетчатого анода, который с последовательно соединенным индуктивным элементом подключают к катодному электроду.

Подача на катод дополнительного постоянного отрицательного потенциала величиной, большей, чем работа выхода электрона из материала анода электрона материала анода, по своему действию на электронное облако равносильна подаче соответствующего положительного импульса потенциала на анодную сетку. Очевидно, что это действие препятствует термоэмиссии электронов с анодной сетки в промежутках между рабочими импульсами и, как следствие, исключает снижение мощности выходных импульсов СВЧ-излучения.

Использование источника постоянного напряжения исключает необходимость включения синхронизирующего устройства и устраняет возможность наводки дополнительных паразитных сигналов.

Включение индуктивного элемента в цепь дополнительного источника постоянного напряжения позволяет произвести развязку для высоковольтного и низковольтного источников питания так, что импульс тока пучка не может оказать вредное воздействие на дополнительный источник питания.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого способа полностью решают поставленную задачу.

На чертеже схематично изображен прибор на основе ВК для осуществления способа, где обозначено:
1 - источник импульсов напряжения,
2 - дополнительный источник отрицательного напряжения,
3 - катод,
4 - анодная сетка,
5 - камера дрейфа,
6 - коллектор,
7 - рупор для вывода излучения,
8 - окно для вывода излучения,
9 - индуктивность.

Для реализации способа прикладывают импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника импульсов напряжения 1 к катоду 3. При этом анодная 4, цилиндрическая вакуумная камера дрейфа 5, коллектор электронов 6, рупор 7 и окно для вывода излучения 8 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника 1 импульсов напряжения.

Тогда в результате взрывной эмиссии на поверхности катода 3 формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анодную сетку 4 и образует в камере дрейфа 5 ВК. Захваченные в потенциальную яму между реальным катодом 3 и ВК электроны совершают колебательные движения и излучают импульс СВЧ-излучения, который покидает систему через окно для вывода излучения 8.

После некоторого количества импульсов анодная сетка нагревается настолько, что способна испускать термоэмиссионные электроны. Однако этого не происходит, если на катод 3 с дополнительного источника 2 подают запирающее отрицательное напряжение величиной, большей, чем работа выхода электрона материала анода. Обычно для анодной сетки применяют вольфрам или тантал, и дополнительное постоянное отрицательное напряжение порядка -10 В полностью запирает термоэмиссию с любого применяемого на практике металла, из которого изготавливают анодную сетку.

Представленный на чертеже пример схемы запитки прибора с ВК, в которой параллельно источнику импульсов напряжения 1 через индуктивность 9 включен дополнительный источник постоянного напряжения 2, позволяет произвести развязку для высоковольтного и низковольтного источников питания. Это можно сделать благодаря соответствующему выбору величины реактивного сопротивления индуктивности.

Так, для низковольтного источника питания постоянного напряжения реактивное сопротивление индуктивности будет равно нулю, а для высоковольтного импульса с малой длительностью это сопротивление будет равняться R_L = ω L, где ω - частота импульса высокого напряжения, L - величина индуктивности.

Итак, реализация предложенного способа позволяет исключить снижение мощности выходных импульсов СВЧ-излучения за счет паразитной термоэмиссии электронов, а также по сравнению с прототипом исключает необходимость включения синхронизирующего устройства и устраняет возможность наводки дополнительных паразитных сигналов.

Применение: СВЧ-электроника, может быть использован для генерации периодической последовательности мощных импульсов СВЧ-излучения. Сущность: предложен способ генерации периодической последовательности импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, содержащем диодную область, образованную катодным электродом и сетчатым анодом, и следующую за ней эквипотенциальную область, ограниченную сетчатым анодом и коллектором электронов, заключающийся в том, что периодически формируют электронный пучок в диодной области прибора и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную область прибора через сетчатый анод с образованием виртуального катода, а в промежутке между импульсами последовательности на катод подают запирающий потенциал с дополнительного источника питания. Новым в этом способе является то, что в отличие от известного в качестве дополнительного источника питания используют источник постоянного отрицательного напряжения величиной, большей, чем работа выхода электрона из материала сетчатого анода, который с последовательно соединенным индуктивным элементом подключают к катодному электроду. Технический результат: упрощение цепи подключения дополнительного источника питания и сведение к минимуму паразитных сигналов. 1 ил.

Способ генерации периодической последовательности импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, содержащем диодную область, образованную катодным электродом и сетчатым анодом, и следующую за ней эквипотенциальную область, ограниченную сетчатым анодом и коллектором электронов, заключающийся в том, что периодически формируют электронный пучок в диодной области прибора и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную область прибора через сетчатый анод с образованием виртуального катода, а в промежутке между импульсами последовательности на катод подают запирающий потенциал с дополнительного источника питания, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника питания используют источник постоянного отрицательного напряжения величиной большей, чем работа выхода электрона из материала сетчатого анода, который с последовательно соединенным индуктивным элементом подключают к катодному электроду.