МАГНИТОИЗОЛИРОВАННЫЙ ВИРКАТОР Российский патент 2004 года по МПК H01J25/74 

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ-излучения.

Известны устройства для генерации СВЧ-колебаний в виркаторах с магнитной изоляцией (Жерлицын А. Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В., Фоменко Г.П. Генерация СВЧ-колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке. ЖТФ, 1986, т.56, 7, с.1384-1387).

Физическая сущность явления состоит в следующем: при инжекции замагниченного сильноточного электронного пучка с током выше предельного значения в вакуумное пространство (трубу дрейфа), его движение определяется образованием виртуального катода (ВК). При этом происходит увеличение плотности электронов между катодом и ВК. Часть электронов совершает колебательные движения между реальным и виртуальным катодом. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Величина и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения.

Конструкция этого СВЧ-генератора реализована следующим образом: электронный пучок формируется в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, образованном внутренним катодным и внешним анодным электродами, помещенными в магнитное поле соленоида. Анодный электрод содержит цилиндрическую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и отделенную от нее анодной диафрагмой последующую секцию большего сечения, в которой происходит формирование ВК. Сформированный в диоде сильноточный электронный пучок (СЭП) транспортируется в отрезке трубы, которая является продолжением секции анода, охватывающей катод, и инжектируется в следующую секцию анода - трубу дрейфа (секцию формирования ВК), одновременно служащую волноводом для вывода СВЧ-излучения. После формирования в трубе дрейфа ВК возникает электромагнитное СВЧ-излучение как за счет осцилляторного движения электронов между катодом и ВК, так и за счет колебаний самого ВК.

Основным недостатком аналога является малый коэффициент полезного действия (кпд) этого генератора (<1%), что связано с малой областью взаимодействия электронов с электромагнитным полем (только вблизи стыка волноводов разного диаметра).

Наиболее близким техническим решением (прототипом), позволяющим получить более мощный импульс СВЧ-излучения и используемым для различных физических исследований, является СВЧ-генератор (Гаркуша О.В., Школьников Э.Я. Генерация длинноимпульсного СВЧ-излучения в виркаторе. Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ 98. М.: МИФИ, 1998, ч.3, с.124-126), где с целью повышения кпд генератора предложена схема с предварительной СВЧ-модуляцией тока СЭП, в которой пучок до поступления в секцию формирования ВК предварительно промодулирован по плотности и энергии, разбит на сгустки (банчи), что увеличивает монохроматичность выходного сигнала, получаемую путем повышения эффекта взаимодействия излучения с полем.

Этот СВЧ-генератор также представляет собой устройство, использующее коаксиальный диод с магнитной изоляцией. Катодный электрод и изолированный от него анодный электрод помещены в магнитное поле соленоида. Анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и отделенную от него анодной диафрагмой секцию формирования виртуального катода (с поперечным сечением больше сечения предыдущей секции) в виде волновода, переходящую в рупор с окном вывода излучения, ограниченную слева плоскостью скачка диаметра трубы дрейфа (секции формирования ВК).

В качестве модулятора излучения использована пассивная структура из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов. С помощью четвертьволновых резонаторов импульсы тока модулируются по частоте с момента начала СВЧ-генерации и до окончания работы генератора.

Недостатком прототипа также является недостаточно высокий уровень эффекта преобразования энергии электронов пучка в излучение (кпд генерации 1,5-3%).

Указанный недостаток связан с рядом причин, одна из которых по-прежнему состоит в малой суммарной длине области модуляции СЭП (лишь половина длины волны).

Недостаточно высокий кпд преобразования энергии инжектируемых электронов в энергию СВЧ-излучения существенным образом ограничивает практическое применение СВЧ-генератора данного типа.

Таким образом, задача состоит в повышении кпд прибора, в обеспечении возможности использования его как источника мощного СВЧ-излучения.

Приборы, которые способны генерировать мощные импульсы, могут использоваться для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является увеличение мощности выходного сигнала, получаемое путем повышения коэффициента использования СЭП за счет увеличения области взаимодействия его с электромагнитным полем.

Технический результат достигается за счет того, в отличие от известного магнитоизолированного виркатора, включающего установленные вдоль одной оси электрически связанные с источником импульсного напряжения катодный электрод и электрически изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит секцию, охватывающую катодный электрод, и отделенную от нее анодной диафрагмой секцию формирования виртуального катода с поперечным сечением волновода больше поперечного сечения волновода секции, охватывающей катодный электрод, в предлагаемом магнитоизолированном виркаторе волновод секции формирования виртуального катода выполнен в виде участков со скачкообразно увеличивающимся в сторону вывода излучения поперечным сечением, разделенных в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами в форме сетки, прозрачной для того типа электромагнитной волны, который генерируется в предшествующем участке волновода.

Кроме того, предложено выполнение участков волновода секции формирования виртуального катода с регулируемой относительно друг друга электрической длиной.

Также предложены варианты выполнения сеток анодных диафрагм. Сетки анодных диафрагм могут быть выполнены в виде спирали Архимеда или из проволочных колец, закрепленных на диэлектрических держателях.

Скачкообразное увеличение на каждом последующем участке сечения волновода секции формирования ВК обеспечивает последовательное образование виртуальных катодов в объеме волновода на соответствующих участках за разделяющими эти участки в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами, что способствует более полному вовлечению инжектируемых электронов в процесс генерирования СВЧ-излучения. При этом следует учесть, что расположение сеток анодных диафрагм перпендикулярно оси виркатора. Длина каждого последующего участка волновода секции подбирается так, чтобы расстояние между образующимися на этих участках виртуальными катодами было одинаково и кратно длине волны. Это позволяет суммировать излучение от каждого ВК.

Подобное построение генератора возможно потому, что при образовании виртуального катода не весь заряд электронного пучка накапливается в области ВК или отражается от него обратно. Определенная часть тока СЭП инжектируется ВК в пролетный ток. Именно для того чтобы использовать этот уже промодулированный ВК пролетный ток для дополнительной генерации СВЧ-излучения, используется последующий участок волновода секции формирования ВК.

За счет увеличения числа участков волновода анодного электрода, в которых формируется ВК, и, следовательно, областей взаимодействия СЭП с высокочастотным излучением, а также за счет суммирования излучения от каждого ВК путем беспрепятственного прохождения электромагнитной волны сквозь анодные диафрагмы (сетки), что обеспечивает их прозрачность для того типа волны, который генерируется в предшествующем участке волновода, осуществляется увеличение кпд прибора.

Таким образом, предложенный виркатор, имеющий секцию формирования ВК анодного электрода в виде последовательности участков волновода, где сечение каждого участка больше предыдущего в сторону вывода излучения, с геометрией анодных диафрагм такой, что электромагнитное излучение проходит сквозь них беспрепятственно, имеет больше областей взаимодействия инжектируемых электронов с электромагнитным полем в отличие от пары четвертьволновых резонаторов, описанных в прототипе.

Кроме того, введение возможности регулирования электрической длины участков волновода анодного электрода позволяет обеспечить суммирование излучения от каждого ВК.

Как отмечено выше, прозрачность сеток для определенного типа электромагнитных волн является обязательным условием обеспечения СВЧ-генерации. Эта прозрачность может быть достигнута выбором такой геометрии сетки, что у нее отсутствуют радиальные элементы конструкции, примером чего и являются предложенные варианты - спираль Архимеда или проволочные кольца, закрепленные на диэлектрических держателях.

Таким образом, в результате осуществления совокупности предложенных признаков эффективность взаимодействия СЭП с СВЧ-излучением по сравнению с прототипом увеличивается, что существенно сказывается на кпд генерации СВЧ-излучения.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - генератор импульсных напряжений (ГИН); 2 - изолятор; 3 - катодный электрод; 4 - соленоид, создающий магнитное поле; 5 - анодный электрод; 6 - анодные диафрагмы (сетки); 7 - рупор с окном вывода излучения; 8 - секция анодного электрода, охватывающая катодный электрод (область электронного диода); 9 - участки волновода секции формирования ВК.

В цилиндрической геометрии устройство содержит ГИН 1, катодный электрод 3 и изолированный от него с помощью полиэтиленового изолятора 2 анодный электрод 5, включающий секцию 8, охватывающую катодный электрод (образующую область электронного диода), и секцию формирования ВК, сформированную участками волновода 9, а также сетки анодных электродов 6 и рупор с окном вывода излучения 7. Вся система помещается в магнитное поле соленоида 4. Секция формирования ВК анодного электрода представляет собой последовательность участков ее волновода, причем каждый последующий участок по диаметру скачкообразно больше предыдущего. В данном случае этих участков два. Дополнительные анодные диафрагмы-сетки однотипны и выполнены из проволочной нити, имеющей форму спирали Архимеда, что обеспечивает их прозрачность для соответствующего электромагнитного излучения.

Предлагаемый магнитоизолированный виркатор работает следующим образом.

Перед импульсом подается напряжение на соленоид 4, создающий магнитное поле, а затем, когда магнитное поле в соленоиде достигнет требуемого значения (например, 5 кГс), на катод-анодный промежуток электронного диода 8 подается импульс напряжения от ГИН 1.

СЭП формируется в диодной области и модулируется с помощью последовательности ВК в участках волновода секции формирования ВК 9.

Сформированный в диоде и промодулированный СЭП транспортируется вдоль оси системы. Сформированный на двух участках волновода секции 9 ВК генерирует мощный импульс СВЧ-излучения. Вывод СВЧ-излучения осуществляется через рупор вывода излучения 7.

Инжектированный в трубу дрейфа трубчатый пучок может иметь следующие параметры: энергия электронов 800 КэВ, ток 20 кА, длительность импульса тока 50 нс. Максимальная величина мощности может достигнуть уровня 800 МВт, а длина волны СВЧ-излучения 3 см.

В проведенных компьютерных исследованиях была показана работоспособность схемы магнитоизолированного виркатора с модуляцией электронного потока в последовательности секций. Схема позволяет получить мощный импульс СВЧ-излучения.

Ожидаемый кпд установки 5%, что больше известных.

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ-излучения. Магнитоизолированный виркатор содержит, как и известный, генератор импульсного напряжения, катодный электрод и изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит последовательно установленные модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод и секцию формирования виртуального катода (ВК), переходящую в рупор с окном вывода излучения, причем в отличие от известного в предлагаемом виркаторе волновод секции формирования ВК выполнен в виде участков со скачкообразно увеличивающимся в сторону вывода излучения поперечным сечением, причем эти участки разделены в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами в форме сетки, прозрачной для того типа электромагнитной волны, который генерируется в предшествующем участке волновода. Сетки могут быть выполнены из проволочной нити в форме спирали Архимеда или из проволочных колец, закрепленных на диэлектрических держателях. Соседние участки волновода могут быть выполнены с регулируемой относительно друг друга электрической длиной. Технический результат - повышение кпд излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитоизолированный виркатор, включающий установленные вдоль одной оси электрически связанные с источником импульсного напряжения катодный электрод и электрически изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит секцию, охватывающую катодный электрод, и отделенную от нее анодной диафрагмой секцию формирования виртуального катода с поперечным сечением волновода больше поперечного сечения волновода секции, охватывающей катодный электрод, отличающийся тем, что волновод секции формирования виртуального катода выполнен в виде участков со скачкообразно увеличивающимся в сторону вывода излучения поперечным сечением, разделенных в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами в форме сетки, прозрачной для того типа электромагнитной волны, который генерируется в предшествующем участке волновода.2. Магнитоизолированный виркатор по п.1, отличающийся тем, что соседние участки волновода секции формирования виртуального катода выполнены с регулируемой относительно друг друга электрической длиной.3. Магнитоизолированный виркатор по п.1, отличающийся тем, что сетки анодных диафрагм выполнены в виде спирали Архимеда.4. Магнитоизолированный виркатор по п.1, отличающийся тем, что сетки анодных диафрагм выполнены из проволочных колец, закрепленных на диэлектрических держателях.