СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА Российский патент 2005 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК) и может быть использовано при создании генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Известно техническое устройство генерации высокомощного СВЧ-излучения на основе отражающей электронной системы [1] (Kapetanakos C.A., Sprangle P.A., Mahaffey R.A., Golden J., «High-power microwaves from a non-isochronous reflecting electron system (NIRES)», US Patent 4150340, H 01 J 25/74, 17.04.79). Система представляет собой вакуумную камеру, образованную волноводом, в котором расположены катод и анод, электрически связанные с внешним импульсным генератором высокого напряжения. Камера и катод заземлены. При подаче на анод положительных импульсов электроны инжектируются с катода. Колебания электронов между катодом и образующимся ВК, а также осцилляции самого ВК приводят к генерации СВЧ-излучения, выводимого из камеры через устройство для вывода излучения в форме антенны.

Основной недостаток данной конструкции заключается в малом КПД.

Известен СВЧ-генератор на основе виркатора с подключенной резонаторной полостью [2] (Benford J., Price D., Sze H., Bromley P., «Interaction of a vircator microwave generator with an enclosing resonant cavity», J. Appl. Phys., 1987, v. 61, №5, p.2098). Генератор состоит из вакуумной системы, содержащей катод, анодную сетку, следующий за ней цилиндр, установленный в волноводе прямоугольного сечения, а также устройство для вывода СВЧ-излучения в форме рупорной антенны. Катод и анод связаны с внешним источником питания. Пучок электронов инжектируется с катода в цилиндр через анодную сетку, внутри цилиндра - резонаторной полости возникает ВК. СВЧ-энергия выводится из прямоугольной апертуры в резонаторной полости и проходит в волновод прямоугольного сечения большего объема к рупорной антенне.

Основной недостаток данного генератора заключается в малом КПД.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является СВЧ-генератор на основе виртуального катода с двойным анодом [3] (Miner L.M., Voss D.E., Koslover R.A. et al., «High-power microwave test facility based on double-anode relativistic tetrode (DART) oscillators», IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, 1992, v.34, №3, р.229), включающий вакуумную систему, содержащую волновод круглого сечения с установленными в нем на держателе кольцеобразным катодом и следующими за ним двумя анодными сетками, а также устройство вывода СВЧ-излучения в виде рупорной антенны. Высоковольтное импульсное напряжение от внешнего источника питания прикладывается к анодно-катодному промежутку. При этом за анодными сетками при инжекции кольцевого электронного пучка с катода образуется ВК. В результате колебаний электронов между катодом и ВК, а также осцилляции самого ВК возникает СВЧ-излучение. Излучение выводят через окно рупорной антенны.

Основной недостаток данного генератора заключается в малом КПД, связанном с неэффективным преобразованием энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с повышенным КПД генерации излучения, достигаемым путем усиления эффективности использования энергии электронного пучка.

Техническим результатом данного решения является повышение КПД генерации СВЧ-излучения.

Данный результат достигается тем, что в сверхвысокочастотном генераторе на основе виртуального катода, включающем вакуумную систему, состоящую из волновода с установленными в нем, подключенными к внешнему источнику питания катодом и несколькими анодными сетками, а также связанного с волноводом устройства вывода СВЧ-излучения, новым является то, что катод выполнен прозрачным для электронов, по разные стороны от катода установлено, по крайней мере, по одной анодной сетке.

Кроме того, волновод может быть выполнен так, что образует замкнутый контур.

Прежде всего, следует отметить, что в прототипе формируется только один электронный пучок с ВК, колебания электронов которого способствуют генерации СВЧ-излучения.

В предложенном генераторе выполнение катода прозрачным для электронов обеспечивает свободное сквозное прохождение его электронами, что при условии размещения по разные стороны от рабочих поверхностей катода, по крайней мере, по одной анодной сетке, позволяет сформировать в устройстве два пучка электронов с соответствующими каждому виртуальными катодами. Это дает возможность более эффективно использовать энергию колеблющегося пучка, то есть без потерь энергии пучка в процессе колебаний между катодом и ВК на традиционном непрозрачном для электронов катоде, что имеет место в прототипе. При этом сформированы пучки, колеблющиеся между одним катодом и соответствующими им ВК, в свою очередь совершающими осцилляции, которые в созданных условиях начинают колебаться синфазно. То есть, следствием повышения эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения является повышение КПД генерации СВЧ-излучения.

Волновод может быть выполнен с образованием замкнутого контура. Замкнутый волновод формирует положительную обратную связь. Для улучшения механизма генерации СВЧ-излучения необходимо добиваться возникновения излучательной неустойчивости, причиной которой и является положительная обратная связь. Обратная связь организуется при ответвлении небольшой части СВЧ-излучения и транспортировании ее с помощью волновода заявляемого вида в диодную (катод-анодную) область с тем, чтобы вблизи катода фаза СВЧ-волны была «положительной».

Таким образом, достигается повышение КПД генерации за счет роста эффективности использования энергии электронного пучка, что обеспечено путем образования нескольких ВК и организации дополнительной обратной связи

На фиг.1 схематически изображен СВЧ-генератор на основе виртуального катода, на фиг.2 - изображен соответствующий разрез (увеличено) и подключение питания к устройству, на фиг.3 - приведено трехмерное изображение устройства.

Заявляемой генератор имеет аксиальную симметрию и представляет собой вакуумную систему, содержащую замкнутый волновод прямоугольного сечения 1, внутри которого на держателе 7 крепится катод 2, прозрачный для электронов, и расположенные по одной по разные стороны от него металлические анодные сетки 3, закрепленные на держателях 6, а также связанное с волноводом устройство вывода СВЧ-излучения в виде рупорной антенны 4 со специальным диэлектрическим стеклом 5, отделяющим вакуум системы от внешней среды, поглотитель 9, высоковольтный ввод 10, диэлектрические изоляционные прокладки 8. К держателям прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 11.

Для работы сверхвысокочастотного генератора в воздушном пространстве необходимы диэлектрические окна 5, отделяющие вакуумные внутренние полости от внешнего пространства; в случае же использования генератора в космических условиях или в условиях сильного разрежения необходимость окон 5 отпадает.

В качестве источника питания 11 возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [4] (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [5] (Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтьев А.А. и др. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. М.: Наука, 2002).

Устройство работает следующим образом. Например, в режиме виркатора, анодные сетки (3) заземлены, при подаче отрицательного напряжения от источника питания (11) через ввод (10) на сетчатый катод (2) за каждой сеткой образуются виртуальные катоды (12), колеблющиеся синфазно друг с другом. Сетчатый катод, прозрачный для электронов не будет препятствовать виртуальным катодам обмену электронами между двумя сформированными пучками электронов. Обратная связь обеспечивается замкнутым прямоугольным волноводом (1). СВЧ-излучение образуется колебаниями электронов в потенциальной яме виртуального катода и колебаниями самого виртуального катода. Излучение выводится через окно (5) рупорной антенны (4).

В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора на основе виртуального катода замкнутый волновод, держатели, рупорная антенна выполнены из стали, анодные сетки выполнены из сплава «ковар», катод может быть выполнен из тонкой алюминиевой фольги или сетчатым из сплава «ковар», диэлектрические прокладки могут быть выполнены из капролона, выводное диэлектрическое окно выполнено из оргстекла. Внутренние полости виркатора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10^-4 Тор.

Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет создания условий формирования нескольких ВК и организации положительной обратной связи, КПД сверхвысокочастотного генератор увеличен.

Область техники - генерирование электромагнитных волн. Может быть использовано при создании генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения. СВЧ-генератор на основе виртуального катода содержит вакуумную систему, состоящую из волновода с установленными в нем, подключенными к внешнему источнику питания, катодом и несколькими анодными сетками, а также связанного с волноводом устройства вывода СВЧ-излучения. Катод выполнен прозрачным для электронов, по разные стороны от катода установлено, по крайней мере, по одной анодной сетке. Кроме того, волновод может быть выполнен с образованием замкнутого контура. Технический результат заключается в повышении КПД генерации СВЧ-излучения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода, включающий вакуумную систему, состоящую из волновода с установленными в нем, подключенными к внешнему источнику питания катодом и несколькими анодными сетками, а также связанного с волноводом устройства вывода сверхвысокочастотного излучения, отличающийся тем, что катод выполнен прозрачным для электронов, по разные стороны от катода установлено, по крайней мере, по одной анодной сетке.2. Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода по п.1, отличающийся тем, что волновод образует замкнутый контур.