ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01J25/68 

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

Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом с диодным узлом, содержащим вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения.

(А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия Высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72 [1], L.Miner, D.Voss, R.Koslover, B.Miera B. et. el. High-Power Microwave Test Facility Based on Double-Anode Relativistic Tetrode (DART) Oscillators //IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, August 1992., vol. 34, №3, pp. 229-234 [2]).

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше некоторого значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Эта область провисания потенциала называется виртуальным катодом (ВК), а класс СВЧ-приборов с ВК - виркаторами. Источником СВЧ-колебаний в таких системах являются осцилляции электронов в потенциальной яме, образованной реальным и виртуальным катодом, и колебания положения самого ВК.

В качестве анода в виркаторах используется либо тонкая фольга из легких металлов, либо сетка из тугоплавкой металлической проволоки. Геометрическая прозрачность сетчатого анода должна составлять не менее 70...80%. В приборах, работающих в импульсно-периодическом режиме, применяются исключительно аноды в виде токопроводящих металлических сеток.

Основным недостатком известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкая эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (кпд генератора). Одной из причин, обуславливающей невысокий кпд виркаторов, является наличие в пучке низкоэнергетичных электронов, которые генерируются на фронте и спаде питающего виркатор высоковольтного импульса, а также образующихся при ударах об анодную сетку либо фольгу. Эта часть электронов, ускоряясь в поле СВЧ-волны, отбирает у последней энергию, снижая, таким образом, эффективность работы виркатора.

За прототип выбран диодный узел СВЧ-генератора с двойным анодом (А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72), схема которого представлена на фиг.1, где: 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6, 7 - виртуальный катод.

Прототип содержит источник импульсного напряжения 1, вакуумную камеру 2 с расположенными в ней катодом 3 и анодом, выполненным в виде двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток 4, 5. Расстояние между сетками больше расстояния между катодом и ближайшей к нему анодной сеткой. Генератор с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, работает в режиме стохастического резонанса в присутствии ведущего магнитного поля. В рассматриваемом генераторе расстояние между сетками выбрано таким образом, чтобы между ними образовывался виртуальный катод 6, как и в пространстве дрейфа за второй сеткой 7. Только при наличии двух виртуальных катодов реализуется режим стохастического резонанса. Цилиндрический объем между сетками в прототипе играет роль резонатора, и следствием его применения является сужение спектра генерации традиционного односеточного виркатора.

Недостатком СВЧ-генератора с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, является, как это присуще всем приборам на основе ВК, невысокий кпд. Мощность генерации СВЧ-излучения при использовании такой конструкции диодного узла меньше либо равна мощности генерации с одной анодной сеткой.

Техническая задача состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ-генераторов с виртуальным катодом.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение кпд генератора.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного диодного узла для СВЧ-генератора, содержащего вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения, в предлагаемом устройстве предыдущая и последующая сетки установлены между собой на расстоянии, меньшем расстояния от катода до ближайшей к нему сетки без электрического контакта в предполагаемой области прохождения электронного пучка. Поскольку виртуальный катод образуется на расстоянии, примерно равном расстоянию между катодом и первой анодной сеткой, предложенная конструкция анодного узла позволяет работать в режиме односеточного виркатора без образования в пространстве между анодными сетками виртуального катода. Малое расстояние L между предыдущей и последующей сетками имеет принципиальное значение - при L, меньшем расстояния катод - ближайшая сетка, за счет сил электростатического расталкивания низкоэнергетичная часть пучка высаживается на сетки и стенки вакуумной камеры. Высокоэнергетичная же часть пучка проходит практически без потерь. Наличие минимального расстояния между сетками обусловлено необходимостью реализации двухсеточного варианта (отсутствия электрического контакта между ними в области прохождения пучка) с обеспечением эффективного удаления низкоэнергетичной части пучка в области между сетками, что приводит к росту кпд. Это расстояние во многом определяется энергией электронов в пучке и геометрической формой катода. Следует отметить, что для приборов с виртуальным катодом предполагаемая область прохождения электронного пучка (поперечное сечение пучка в плоскости анодной сетки) соответствует размерам и форме эмитирующей поверхности катода и может быть определена заранее исходя из геометрии диодного узла.

Кроме того, применение анода в виде расположенных на заявленном расстоянии друг от друга нескольких сеток позволяет выравнивать потенциал в ускоряющем промежутке катод - первая сетка.

Таким образом, предлагаемый диодный узел для генератора СВЧ-излучения содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения. Расстояние между сетками, следующими друг за другом, меньше расстояния от катода до ближайшей к нему сетки, причем сетки не должны иметь электрического контакта между собой в предполагаемой области прохождения электронного пучка.

Построение диодного узла генератора СВЧ-излучения по предлагаемой схеме позволит достичь технического результата - повышения кпд генератора.

На фиг.2 приведено схематичное изображение заявляемого диодного узла для СВЧ-генератора, где 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6 - виртуальный катод.

Заявляемый диодный узел, выполненный по схеме фиг.2, реализован на практике. В состав СВЧ-генератора с заявляемым диодным узлом входят: высоковольтный источник импульсного напряжения 1, представляющий собой 12- каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, цилиндрическая вакуумная камера 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм и анод в виде 2-х плоских токопроводящих сеток 4, 5 из танталовой проволоки. Геометрическая прозрачность для электронов каждой из сеток ~90%. Зазор катод - первая анодная сетка равен 2,5...2,9 мм, расстояние между сетками 1,2 мм. Виртуальный катод 6 образуется в объеме вакуумной камеры за плоскостью второй сетки. Параметры инжектируемого в дрейфовую камеру пучка следующие: энергия электронов ~140 кэВ, ток пучка ~7 кА и длительность импульса ~40 нс на полувысоте.

Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1 прикладывается к катоду 3, цилиндрическая вакуумная камера 2, сетки 4, 5 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника напряжения. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анодные сетки и образует в вакуумной камере виртуальный катод 6.

Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему. Длина волны генерируемого излучения 3...4 см, а длительность импульса 25 нс на полувысоте.

Для оценки результатов применения предлагаемого диодного узла на этом же генераторе СВЧ-излучения были проведены эксперименты с двухсеточным, выполненным по схеме прототипа (расстояние между сетками варьировалось в пределах от 3 до 7 мм), и традиционным односеточным анодом. Экспериментально установлено, что предлагаемый диодный узел позволяет, по крайней мере, вдвое повысить кпд генератора по сравнению как с вариантом прототипа, так и с односеточным вариантом.

Применение: техника СВЧ, может быть использован при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для целей радиолокации, накачки рабочих сред газовых лазеров и т.д. Сущность: выполнение анода диодного узла в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток, не имеющих электрического контакта между собой в области прохождения электронного пучка. Расстояние между предыдущей и последующей сетками меньше расстояния от катода до ближайшей к нему сетки. Технический результат: повышение эффективности генерации излучения по крайней мере вдвое с одновременным увеличением ресурса анода в 3...4 раза. 2 ил.

Диодный узел для генератора сверхвысокочастотного излучения, содержащий вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения, отличающийся тем, что предыдущая и последующая сетки установлены между собой на расстоянии, меньшем расстояния от катода до ближайшей к нему сетки без электрического контакта в области прохождения электронного пучка.