СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИБОРЕ С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ И ВИРКАТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к сильноточной СВЧ-электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных генераторов СВЧ-излучения.

Известен способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, который заключается в том, что в сильноточном вакуумном диоде прибора формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного сквозь анодную сетку в эквипотенциальную полость [1] (Alyokhin B.V., Dubinov A.E., Selemir V.D. et al., Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices //IEEE Trans. Plasma Sc. , 1994, v. 22, N 5, p. 945). Тогда в полости образуется виртуальный катод, колебания которого являются источником мощного СВЧ-излучения. Приборы, работающие на этом принципе получили название "виркаторы".

В этой же работе [1] описана конструкция виркатора, реализующего известный способ. Согласно этому описанию виркатор содержит коаксиально расположенные катодный электрод и анодный электрод, который ограничивает эквипотенциальную полость, источник импульсного напряжения, выходной рупор с окном вывода излучения, причем анодный электрод выполнен в виде полого цилиндра с установленной на нем напротив катода сетчатой диафрагмы.

Недостатком этого способа является невозможность получения длинных импульсов (> 2 мкс) СВЧ-генерации. Причиной этому является образование в диодной области плотных плазменных анодного и катодного факелов, которые, распространяясь навстречу друг другу, закорачивают за время порядка 1-1,5 мкс диодный промежуток.

Недостатком виркатора, реализующего этот способ, также является невозможность получения длинных импульсов СВЧ-генерации.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом [2]] (Бабкин А.Л., Дубинов А. E. , Корнилов В.Г. и др., Виркатор //Патент РФ N 2046440 с приоритетом от 08.06.93, H 01 J 25/00, опубл. БИ N 29, 1995), который заключается в том, что предварительно до начала импульса напряжения формируют тонкий плазменный слой, разделяющий сильноточный вакуумный диод прибора с виртуальным катодом от эквипотенциальной полости, а затем в диоде формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость. Этот способ можно реализовать в виркаторе [2] , содержащем коаксиально расположенные катодный электрод и анодный электрод, который ограничивает эквипотенциальную полость, источник импульсного напряжения, выходной рупор с окном вывода излучения, а также радиально установленные на анодном электроде плазменные инжекторы. Принцип действия такого виркатора основан на замене анодной сетки на тонкий плазменный слой сравнительно небольшой плотности, формируемый с помощью плазменных инжекторов, чем исключается образование анодного факела и увеличивается время работы прибора, длительность импульса СВЧ-генерации.

Этот способ и виркатор на его основе, выбранные за прототип, были экспериментально исследованы в работе [3] (Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Жданов B. C. и др., Теоретическое и экспериментальное исследование виркатора с плазменным анодом // Физика плазмы, 1997, т. 23, N 4, с. 343), в которой было показано, что с помощью этого способа в виркаторе с плазменным анодом можно генерировать импульсы СВЧ-излучения с длительностью до 3 мкс, что является наибольшим значением для всех известных виркаторов.

Однако эта длительность все же мала для того, чтобы использовать такие генераторы, например, для продолжительного СВЧ-нагрева термоядерной плазмы в физических исследованиях. При использовании способа и виркатора для его реализации [2] длительность импульса ограничена быстрым расплыванием и, следовательно, малым временем жизни плазменного слоя, которые определяются инертностью ионов плазмы.

Таким образом, техническая задача состоит в том, чтобы создать способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом и виркатор для его реализации, с помощью которых можно увеличить время существования плазменного слоя с тем, чтобы в итоге увеличить длительность импульсов СВЧ-генерации.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемых способа генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, состоит в том, что в них время существования плазменного слоя можно существенно увеличить, замедлив скорость его расплывания. В виркаторе, в котором реализуется заявляемый способ, конструкция такова, что время существования плазменного слоя увеличена по сравнению с известным.

Этот результат достижим за счет того, что известный способ генерации импульсов в приборе с виртуальным катодом, заключающийся в том, что формируют тонкий плазменный слой, разделяющий диод прибора с виртуальным катодом от эквипотенциальной полости, а затем в сильноточном вакуумном диоде формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость, и в отличие от него [2] в предлагаемом способе в месте формирования плазменного слоя предварительно до его формирования создают взвесь частиц конденсированного вещества размером от 0,1 до 1000,0 мкм. Известный виркатор, реализующий способ, содержит коаксиально расположенные катодный электрод и анодный электрод, ограничивающий эквипотенциальную полость, источник импульсного питания, выходной рупор с окном вывода излучения, радиально установленные на анодном электроде плазменные инжекторы, а предлагаемый в отличие от него имеет по меньшей мере один инжектор частиц конденсированного вещества, который устанавливается напротив одного из плазменных инжекторов.

Принцип действия такого прибора основан на создании анода в виде тонкого листа так называемой запыленной плазмы путем предварительного, до формирования плазменного слоя, создания в его области взвеси частиц конденсированного вещества. В такой плазме частицы конденсированного вещества приобретают отрицательный электрический заряд величиной 10³-10⁵ зарядов электронов за характерное время 10-100 нс, а плазма при этом становится сильносвязанной. Скорость расплывания запыленной плазмы на несколько порядков меньше скорости расплывания обычной электрон-ионной плазмы, так как она определяется инерцией уже не положительных ионов, а отрицательно заряженных частиц конденсированного вещества. Более того, в работе [4] (Дубинов А.Е., Жданов B.C., Игнатов А. М. и др. Определение сил притяжения между частичками пыли в запыленной плазме. Краткие сообщения по физике ФИАН, 1997, N 7-8, с. 46) было экспериментально установлено, что в запыленной плазме одноименно заряженные частицы конденсированного вещества на расстояниях, превышающих радиус Дебая-Хюккеля в плазме, притягиваются, что является причиной возникновения сил поверхностного натяжения на границе запыленной плазмы и, следовательно еще большего снижения скорости расплывания. Таким образом, уменьшение скорости расплывания плазмы позволяет прикладывать к диоду виркатора импульс напряжения большей длительности, чем достигается технический результат - увеличение длительности импульса СВЧ-генерации.

Для реализации предлагаемого способа и виркатора на его основе не важно, находятся ли частицы конденсированного вещества в твердой или жидкой фазе, являются ли они диэлектриками или проводниками, какова их форма и внутренняя структура. Важно лишь, чтобы частицы могли свободно левитировать в плазме в присутствии поля гравитации Земли. Для этого размер сплошных частиц не должен превышать 100 мкм. В случае же, когда используются частицы в виде полых тонкостенных сфер, размер частиц может быть увеличен до 1000 мкм.

Введение в виркатор по меньшей мере одного инжектора конденсированного вещества в сочетании с установкой его напротив одного из плазменных инжекторов на анодном электроде позволяет создать в области плазменного слоя взвесь конденсированного вещества. Благодаря этому срабатывает вышеназванный механизм увеличения времени компактного существования плазменного слоя.

Отметим, что после создания слоя запыленной плазмы (плазменно-пылевого анода) в диоде формируют электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость. Это условие, накладываемое на величину тока пучка, является необходимым для того, чтобы в эквипотенциальной полости сформировался виртуальный катод.

Величина предельного вакуумного тока определяется геометрией эквипотенциальной полости и энергией электронов в пучке. Для некоторых частных случаев величина предельного вакуумного тока приведена, например, на стр. 296-299 [5] (Кузелев М.В., Рухадзе А.А. "Электродинамика плотных электронных пучков в плазме", М.: Наука, 1990). Вся практика эксплуатации СВЧ приборов с виртуальным катодом [1, 3] свидетельствует о технической достижимости величины предельного вакуумного тока в электронных пучках.

На чертеже схематично показан пример прибора с виртуальным катодом (виркатор), в котором можно реализовать предлагаемый способ. На чертеже обозначены следующие основные узлы виркатора: 1 - катодный электрод; 2 - анодный электрод, ограничивающий эквипотенциальную полость; 3 - выходной рупор; 4 - окно вывода излучения; 5 - импульсный источник питания. Плазменные инжекторы, формирующие плазменный анод, состоят из: 6 - корпус плазменного инжектора; 7 - импульсный клапан; 8 - баллон с плазмообразующим газом; 9 - ВЧ-генератор питания индуктора; 10 - индуктор. Инжектор частиц конденсированного вещества выполнен, например, на основе механического встряхивателя типа [6] (Sheehan D.P., Carillo M., Heidbrink W., Device for dispersal of micrometer- and submicrometer-sized particles in vacuum // Rev. Sc. Instr., 1990, v. 61, N 12, p. 3871) и состоит из: 11 - контейнер частиц конденсированного вещества; 12 - механический встряхиватель; 13 - канал частиц; 14 - сепаратор частиц. Инжектор частиц конденсированного вещества и плазменные инжекторы отделены от эквипотенциальной полости сетками 15. Виртуальный катод обозначен на чертеже буквами ВК, стрелками указаны траектории электронов. Динамика работы виркатора отражена ниже в описании реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом. Сначала инжектируют в эквипотенциальную полость частицы конденсированного вещества путем механического встряхивания контейнера частиц 11. После формирования облака частиц в него инжектируют плазменные струи, формируя плазменно-пылевой анод (показан точками и кружками). Затем с помощью импульсного источника питания подают отрицательный потенциал на катодный электрод 1. В результате взрывной эмиссии электронов пучок ускоряется в промежутке "торец катодного электрода - плазменно-пулевой анод" и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость, ограниченную анодным электродом 2.

Тогда в эквипотенциальной полости формируется виртуальный катод, колебания которого являются источником мощного СВЧ- излучения, выводимого в свободное пространство сквозь окно вывода излучения 4.

С помощью предлагаемого способа в виркаторе с плазменно-пылевым анодом можно получить СВЧ - импульс длительностью 10-20 мкс, чем достигается решение поставленной технической задачи.

Изобретение относится к сильноточной СВЧ-электронике. Техническим результатом является увеличение длительности импульса СВЧ-генерации. Способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом заключается в том, что формируют тонкий плазменный слой, отделяющий диод прибора с виртуальным катодом от эквипотенциальной полости, а затем в сильноточном вакуумном диоде формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость, в месте формирования плазменного слоя предварительно до его формирования создают взвесь частиц конденсированного вещества размером 0,1-1000,0 мкм. Виркатор, реализующий предлагаемый способ, содержит коаксиально расположенные катодный электрод и анодный электрод, ограничивающий эквипотенциальную полость, источник импульсного напряжения, выходной рупор с окном вывода излучения, радиально установленные на анодном электроде плазменные инжекторы и имеет по меньшей мере один инжектор частиц конденсированного вещества, который устанавливается напротив одного из плазменных инжекторов. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом, заключающийся в том, что формируют тонкий плазменный слой, отделяющий сильноточный вакуумный диод прибора с виртуальным катодом от эквипотенциальной полости, а затем в диоде формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его в эквипотенциальную полость, отличающийся тем, что в месте формирования плазменного слоя предварительно формируют взвесь частиц конденсированного вещества размером 0,1 - 10000 мкм, а электронный пучок инжектируют с током выше предельного вакуумного. 2. Виркатор, содержащий коаксиально расположенные катодный электрод и анодный электрод, который ограничивает эквипотенциальную полость, источник импульсного питания, выходной рупор с окном вывода излучения, радиально установленные на анодном электроде плазменные инжекторы, отличающийся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один инжектор частиц конденсированного вещества, который установлен напротив одного из плазменных инжекторов на анодном электроде.