ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ ТРИОД Российский патент 2003 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники и может быть использовано при создании генераторов СВЧ-излучения.

Известен генератор СВЧ-излучения на основе системы с виртуальным катодом, называемый отражательным триодом и содержащий корпус, катод, анод и генератор высокого напряжения [1] (Kapetanakos С.A., Sprangle P.A., Mahuffey R. A. , Golden G., "High-power microwaves from a non-isochronous reflecting system (NIRES)", патент США 4150340, кл. Н 01 J 25/74, 17.04.79).

Недостатком известных конструкций отражательных триодов является небольшая длительность генерируемого электромагнитного излучения и, как следствие, ограниченная энергия излучения.

За прототип выбран отражательный триод [2] (Булычев С.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С., Львов И.Л., Садовой С.А., Селемир В.Д., Халдеев В.Н. "Генерация широкополосных радиоимпульсов в отражательном триоде с виртуальным катодом нового типа", "Физика плазмы", 2000 г., т.26, 7, с.639-642), в котором содержатся источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения и вакуумная камера, внутри которой последовательно расположены коллектор, прозрачный для электронов анод, диэлектрик, а также образующие зазор у поверхности диэлектрика со стороны анода заземленный электрод, охватывающий диэлектрик, и управляющий электрод, одним концом установленный в отверстие диэлектрика, при этом другой конец управляющего электрода подключен к источнику управляющего напряжения, а анод подключен к источнику ускоряющего напряжения. Анод выполнен сетчатым.

Недостатком предложенного решения является нестабильность частоты генерации и небольшая энергия и длительность импульса генерируемого излучения. Длительность импульса генерируемого излучения не превышает 100 нс.

Техническая задача состоит в обеспечении возможности применения отражательного триода в качестве источника СВЧ- излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение стабильности частоты генерации, а также длительности и энергии генерируемого излучения.

Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом отражательном триоде, содержащем источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрик и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим установленный в отверстие диэлектрика, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрика со стороны расположения анода, новым является то, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.

В отражательном триоде, взятом за прототип, на управляющий электрод подается импульс управляющего напряжения, который инициирует скользящий разряд в зазоре между управляющим электродом и заземленным электродом вдоль поверхности диэлектрика. На анод подается статическое напряжение положительной полярности, вытягивающее из плазмы приповерхностного разряда пучок электронов. Электроны, пролетая сквозь анод, под воздействием кулоновского расталкивания впереди летящих электронов и под воздействием тормозящего электрического анодного поля образуют виртуальный катод, совершающий осцилляции по величине электрического потенциала и своему местоположению. Колебания электронов происходят также в потенциальной яме между плазмой разряда и виртуальным катодом, причем частота этих колебаний и частота колебаний виртуального катода совпадают. Колебания виртуального катода модулируют ток пучка электронов, пролетающих сквозь виртуальный катод к коллектору, по частоте, равной частоте колебаний виртуального катода. С коллектора пролетный ток выводится на петлевые антенны. В результате промодулированности тока антенны будут излучать в пространство электромагнитные волны на частоте колебаний виртуального катода, то есть частоте СВЧ-диапазона.

При перемыкании разрядной плазмой зазора между управляющим электродом и заземленным электродом образуется контур с током, текущим через управляющий электрод, межэлектродный зазор и заземленный электрод. В контуре возникает магнитная сила Ампера, стремящаяся его расширить. В данной конструкции для удобства изготовления связь между электродом управляющего напряжения и источником управляющего напряжения осуществлена таким образом, что токовый контур имеет форму, при которой сила Ампера выталкивает плазму из межэлектродного зазора, что приводит к уменьшению промежутка между анодом и плазменным образованием. По этой причине геометрические параметры потенциальной ямы между плазменным образованием и виртуальным катодом изменяются, что приводит к изменению частоты колебаний электронов в потенциальной яме и, как следствие, к изменению частоты генерируемого излучения, иными словами, к ее нестабильности.

Результатом уменьшения расстояния между плазмой и анодом является также то, что разность потенциалов на данном промежутке понижается, ускоряющая сила, действующая на электроны, уменьшается, и формирование пучка электронов прекращается. Это существенно понижает длительность генерируемого пучка электронов, а следовательно, длительность и энергию генерируемого излучения.

В предложенной конструкции токовый контур имеет такую форму, что возникающая в нем сила Ампера не отталкивает, а, наоборот, прижимает плазму разряда к поверхности диэлектрика. Это достигается за счет того, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны межэлектродного зазора, другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.

Таким образом, межэлектродный зазор расположен как бы с внутренней стороны токового контура, и магнитная сила Ампера действует на частицы плазмы в направлении к поверхности диэлектрика, препятствуя движению плазмы по направлению к аноду. Так как плазменное образование остается на месте, то расстояние между ним и анодом, а также виртуальным катодом остается неизменным, значит, геометрические параметры потенциальной ямы, в которой колеблются отраженные электроны, не изменяются, и частота колебаний также остается неизменной. Это способствует стабильности частоты генерации отражательного триода, которая равняется частоте колебаний электронов в потенциальной яме.

Также вследствие того, что расстояние между плазменным образованием и анодом не уменьшается, перемыкания промежутка между ними не происходит и потенциал анода не изменяется. Поэтому сообщаемая вытягивающимся из плазмы электронам энергия не уменьшается, и прекращения формирования пучка не происходит. Следовательно, по сравнению с прототипом существенно увеличивается длительность пучка, а значит, увеличиваются и длительность генерируемого излучения, и его энергия.

На чертеже изображен пример конструкции заявляемого отражательного триода.

Заявляемый отражательный триод содержит источник управляющего напряжения (1), источник ускоряющего напряжения (2), устройство вывода электромагнитного излучения - петлевые антенны (3) и вакуумную камеру (4), внутри которой последовательно размещены коллектор (5), прозрачный для электронов анод (6), подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент, имеющий отверстие (7) и охватывающий его заземленный электрод (8), а также управляющий электрод (9), одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода. Конец управляющего электрода, свободный от подключения, установлен в отверстие диэлектрика со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны. В данной конструкции анод представляет собой металлическую сетку, а диэлектрический элемент имеет форму диска с отверстием посередине. Положение анода и коллектора относительно диэлектрика можно регулировать.

Принцип работы заявляемого отражательного триода заключается в следующем. Импульс высокого напряжения положительной полярности подается на управляющий электрод и инициирует поверхностный разряд в зазоре между ним и кромками заземленного электрода у поверхности диэлектрика. На анод подается статическое высокое напряжение положительной полярности через подключение источника ускоряющего напряжения к анодному фланцу (10) и путем электрического контакта анодного фланца и анода. С помощью анодного напряжения из плазмы приповерхностного разряда вытягиваются электроны, которые, пролетая сквозь анод, образуют виртуальный катод. Путем электрического контакта коллектора и вакуумной камеры ток частиц, пролетевших сквозь виртуальный катод к коллектору, выводится на петлевые антенны, включенные между вакуумной камерой и заземленным электродом, в результате чего антенны будут излучать в пространство электромагнитные волны на частоте СВЧ-диапазона.

Изолятор (11) предотвращает электрический контакт управляющего электрода с коллектором и сетчатым анодом, изолирующие фланцы (12) и (13) - контакт анодного фланца с вакуумной камерой и заземленным фланцем. Изолирующая шайба (14) служит для предотвращения пробоя между управляющим электродом и заземленным фланцем с обратной стороны диэлектрического диска. Варьируя величину анодного напряжения и расстояние от диэлектрика до анода, частоту излучения можно изменять. Жирными стрелками показано направление протекающих токов. Тонкими волнистыми стрелками показано направление движения электронов в разрядной плазме, а тонкими прямыми стрелками - направление движения электронов вытягиваемого пучка.

Примерные параметры отражательного триода:
подаваемое ускоряющее напряжение 1-4 кВ,
амплитуда подаваемого импульса управляющего напряжения 2,5-4 кВ,
межэлектродный зазор у диэлектрика 1-3 мм,
расстояние эмиттер-анод 2-10 мм,
расстояние анод-коллектор 15-30 мм,
частота генерации 200-1500 МГц,
длительность излучения до 10 мкс.

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники и может быть использовано при создании генераторов СВЧ-излучения. Технический результат: повышение стабильности частоты генерации, а также длительности и энергии генерируемого излучения. Сущность изобретения: в отражательном триоде, включающем источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент с отверстием и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода, новым является то, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, установлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны. 1 ил.

Отражательный триод, включающий источник управляющего напряжения, источник ускоряющего напряжения, устройство вывода электромагнитного излучения, вакуумную камеру, внутри которой последовательно размещены коллектор, прозрачный для электронов анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, диэлектрический элемент с отверстием и охватывающий его заземленный электрод, а также управляющий электрод, одним концом подключенный к источнику управляющего напряжения, а другим вставленный в отверстие диэлектрического элемента, при этом управляющий электрод и заземленный электрод образуют зазор у поверхности диэлектрического элемента со стороны расположения анода, отличающийся тем, что конец управляющего электрода, свободный от подключения, вставлен в отверстие диэлектрического элемента со стороны расположения поверхности диэлектрического элемента, обращенной к аноду, а другой конец подключен к источнику управляющего напряжения с той же стороны.