ГЕНЕРАТОР СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01J25/08 

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

Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом, содержащие источник питания, источник электронов, включающий расположенные в вакуумированном корпусе катод и анод, прозрачный для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения. (М. Haworth, В. Anderson, et al., "Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser"// IEEE Trans. on Plasma Science, 1991, vol. 19, 4, pp. 655-659) [I], H.Sze, J. Benford, et al., "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 вакуумной камере формирования и вывода излучения 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). Источником СВЧ-колебаний в таких системах являются осцилляции электронов в потенциальной яме, образованной реальным и виртуальным катодом, и колебания положения самого ВК.

Недостатком известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкий уровень эффективности преобразования энергии электронного пучка в излучение (кпд СВЧ-генератора). Указанный недостаток связан 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 вакуумной камеры. Во всех конструкциях виркаторов, известных авторам, вакуумная камера формирования и вывода излучения выполнена из токопроводящего материала, что существенным образом увеличивает количество уходящих из области виртуального катода электронов.

Следует отметить, что геометрия и размеры проводящей вакуумной камеры в комбинации с параметрами пучка существенным образом влияют на условия формирования ВК, кпд генератора и параметры излучения, что также можно отнести к недостаткам прототипа.

За прототип выбран СВЧ-генератор (К. Kostov, N. Nikolov, et al., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field"//, Appl. Phys. Lett., 60 (21), 25 May 1992, pp.2598-2600). Прототип состоит из источника питания, источника электронов в виде цилиндрического вакуумированного корпуса, в котором соосно размещены катод и анод, прозрачный для электронов, и следующей за источником электронов вакуумной камеры формирования и вывода СВЧ-излучения. Анод изготовлен из металлической сетки. Эксперименты выполнены как с использованием ведущего магнитного поля, так и без него.

При инжекции электронного пучка в вакуумную камеру за анодом образуется ВК и часть электронов совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения.

В генераторе, выполненном по схеме прототипа, камера формирования и вывода излучения представляет собой высокодобротный резонатор. В связи с тем, что колебания электронов между реальным и виртуальным катодами осуществляются практически вдоль оси системы, а направление излучения 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 генератора.

Кроме того, в данном генераторе вакуумная камера формирования и вывода излучения выполнена из металла и граница области ВК располагается достаточно близко к стенке камеры. Поскольку потенциал ВК отрицателен и сравним с потенциалом реального катода, создаются условия быстрого ухода электронов из области ВК (вплоть до пробоя). Это снижает плотность электронов в ВК, что приводит к уменьшению энергии генерации СВЧ-излучения и, следовательно, кпд генератора.

Таким образом, недостатком генератора, выполненного по схеме прототипа, является низкий кпд (~1%) из-за быстрого ухода электронов на стенки вакуумной камеры из области ВК и потерь излучения за счет многократного отражения излучения от стенок. Низкий кпд существенным образом ограничивает практическое применение такого генератора.

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 кпд генератора.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного СВЧ-генератора на основе ВК, содержащего источник питания, источник электронов, включающий расположенные в вакуумированном корпусе катод и анод, прозрачный для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения, в предлагаемом устройстве камера полностью или ее часть, расположенная за анодом в сторону вывода излучения, выполнена из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения.

Кроме того, камера формирования и вывода излучения может быть выполнена с произвольной формой поверхности.

Ток электронов I_е, проходящий через анод, состоит из двух токов: I_е= I_пр+I_отр,
где I_пр - ток, проходящий через камеру формирования и вывода излучения и не участвующий в формировании виртуального катода и, следовательно, СВЧ-излучения.

I_отр - отраженный ток, ответственный за формирование ВК и СВЧ-излучения.

Геометрические размеры камеры формирования и вывода излучения и материал, из которого она изготовлена, определяют предельный ток электронов I_пр, который может проходить через данную камеру:
I_пр=k•1/ln(D/d);
D - диаметр камеры формирования и вывода излучения,
d - диаметр электронного пучка,
k - коэффициент пропорциональности.

Из приведенной формулы видно, что при увеличении D предельный ток электронов I_пр уменьшается. В случае изготовления камеры формирования и вывода излучения из диэлектрика, полностью или ее части за анодом в сторону вывода излучения, D стремиться к бесконечности. В этом случае I_пр стремится к нулю, а значит количество электронов, участвующих в генерации I_отр, увеличивается, что приводит к увеличению кпд генератора. Кроме того, СВЧ-излучение будет выводиться через всю поверхность камеры или ее части за анодом без отражения в силу прозрачности диэлектрика для СВЧ-излучения. В предлагаемой конструкции единственным каналом потерь электронов является осаждение их на анод. Так как прозрачность анода ~90%, вероятность преждевременного ухода электронов незначительна.

Важной с точки зрения технического результата является выполнение определенной части заявляемой системы, включающей источник питания, источник электронов, камеру формирования и вывода излучения, из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения, а именно: части системы за анодом в сторону вывода излучения. Здесь возможны варианты, когда камера формирования и вывода излучения полностью либо ее часть, расположенная за анодом в сторону вывода излучения, выполнены из диэлектрика. Эти варианты связаны с различным положением анода относительно камеры. Анод может быть размещен в плоскости соединения камеры формирования и вывода излучения с вакуумируемым объемом источника электронов, включающим катод и анод, а может быть размещен внутри объема камеры формирования и вывода излучения. Первый случай соответствует выполнению камеры полностью из диэлектрика. Во втором случае (представлен на чертеже) принципиальным является выполнение части камеры, расположенной за анодом (чертеж, плоскость А-А) в сторону вывода излучения, из диэлектрика; для части камеры до анода выбор материала несущественен. Она может быть выполнена как из диэлектрика, так и из металла.

Все это в совокупности приведет к увеличению кпд генератора.

Следует отметить, что при изготовлении камеры формирования и вывода излучения из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения, форма поверхности камеры не имеет принципиального значения. В дополнение к основному результату заметим, что она может быть выполнена в виде любой поверхности, наиболее удобной с точки зрения технологичности изготовления. Обязательным является обеспечение в камере необходимого вакуума.

На чертеже представлено схематичное изображение заявляемого генератора, где:
1 - источник питания,
2 - вакуумированный корпус источника электронов,
3 - катод,
4 - анод,
5 - виртуальный катод,
6 - камера формирования и вывода излучения,
А-А - плоскость анода.

Заявляемый СВЧ-генератор, выполненный по схеме чертежа, реализован на практике. Этот генератор содержит высоковольтный источник питания 1, представляющий собой 12 - каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, металлический вакуумированный корпус источника электронов 2, расположенные в нем плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм, анод 4 из сетки, прозрачной для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения 6. Зазор анод - катод равен 3,0 мм. Длина и диаметр камеры формирования и вывода излучения варьировалась соответственно в пределах 7. . ..30 мм и 55....100 мм и изготавливалась камера полностью (до плоскости А-А и после нее) из капролона или оргстекла, прозрачных для СВЧ-излучения. Виртуальный катод 5 образуется в объеме камеры формирования и вывода излучения. Параметры инжектируемого электронного пучка следующие: энергия электронов ~200 кэВ, ток пучка ~6 кА и длительность импульса ~40 нc на полувысоте.

Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1 прикладывается к катоду 3. Корпус источника электронов 2, анод 4 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 камере формирования и вывода излучения виртуальный катод 5.

Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему через поверхность камеры формирования и вывода излучения 6. Длина волны генерируемого излучения 2....5 см, а длительность импульса - 20 нc на полувысоте.

В данном случае кпд генератора вырос в 4 раза по сравнению с генератором, выполненным по схеме прототипа. Как показали предварительные эксперименты, данное техническое решение после проведения оптимизации всех параметров заявленного генератора СВЧ-излучения позволит увеличить кпд до 5...10%.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке мощных широкополосных генераторов СВЧ излучения для целей радиолокации, накачки рабочих сред газовых лазеров и т.д. Технический результат: повышение кпд генератора в 4 раза обеспечивается выполнением камеры формирования и вывода излучения полностью или ее части, расположенной за анодом в сторону вывода излучения, из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Генератор СВЧ-излучения, содержащий источник питания, источник электронов, включающий расположенные в вакуумированном корпусе катод и анод, прозрачный для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения, отличающийся тем, что камера полностью или ее часть, расположенная за анодом в сторону вывода излучения, выполнена из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения. 2. Генератор СВЧ-излучения по п. 1, отличающийся тем, что камера формирования и вывода излучения выполнена с произвольной формой поверхности.