ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01J25/68 

Предлагаемое устройство относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано в мощных генераторах сверхвысокочастотного излучения.

Известны СВЧ генераторы на основе систем с виртуальным катодом с диодным узлом, содержащим связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов металлической сетки (S.A.Kitsanov, A.I.Klimov, S.D.Korovin, I.K.Kurkan, O.P.Kutenkov, I.V.Pegel, S.D.Polevin, V.V.Rostov, V.P.Tarakanov, R.Wioland, "Tunable L-band and S-band Gigawatt Vircators with Feedback" // 12^th Symposium on High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol.2, pp.423-428).

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше критического значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. 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 катодами и колебания положения ВК.

Анод диода в СВЧ приборах с виртуальным катодом должен обладать высокой прозрачностью для электронного пучка, поэтому часто анодный узел диода выполняется в виде однорядных сеток из тугоплавкой металлической проволоки. При работе в импульсно-периодическом режиме проволоки сеток подвергаются значительному разогреву электронным пучком, что приводит к их удлинению и изменению геометрии катод-анодного промежутка. Изменение геометрии катод-анодного промежутка влечет за собой возникновение неоднородностей электрического поля в катод-анодном промежутке и снижение мощности СВЧ излучения.

В качестве прототипа выбран диодный узел СВЧ генератора (B.V.Alyokhin, A.E.Dubinov, V.D.Selemir, O.A.Shamro, K.V.Shibaiko, N.V.Stepanov, V.E.Vatrunin, "Theoretical and Experimental Studies of Virtual Cathode Microwave Devices" // IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, Vol.22, №.5, October 1994, pp.945-959).

Прототип содержит источник импульсного напряжения, вакуумную камеру с расположенным в ней катодом и анодным узлом, выполненным в виде прозрачной для электронов проволочной сетки.

Недостатком СВЧ генератора с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, является снижение мощности излучения генератора при работе в импульсно-периодическом режиме в сравнении с мощностью при работе в режиме однократных импульсов. Недостатком является также низкий ресурс анодной сетки при работе в импульсно-периодическом режиме. Перечисленные недостатки во многом обусловлены значительным удлинением проволок сетки в результате их разогрева при работе в импульсно-периодическом режиме. Удлинение и провисание проволок анодной сетки приводит к изменениям геометрии катод-анодного зазора и появлению локальных неоднородностей электрического поля в катод-анодном промежутке. Изменение геометрии катод-анодного промежутка приводит к снижению мощности СВЧ излучения, а контрагирование электронного пучка в местах неоднородности электрического поля снижает ресурс сеток анода.

Техническая задача состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ генераторов с виртуальным катодом, работающих в импульсно-периодическом режиме.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение мощности излучения генератора и увеличение ресурса анодного узла при работе в импульсно-периодическом режиме.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного диодного узла СВЧ генератора, содержащего связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов проволочной сетки, каждая проволока сетки анода снабжена, по меньшей мере, одним независимым подвижным компенсатором удлинения, вынесенным за пределы зоны прохождения электронного пучка.

Расположение и ориентирование компенсаторов относительно плоскости анодной сетки выбирается, исходя из конструктивных особенностей диодного узла. В качестве компенсатора может служить, например, пружина.

Вызванное разогревом в процессе прохождения электронного пучка удлинение и провисание проволок играет негативную роль в процессе работы генератора в импульсно-периодическом режиме. Это обусловлено изменением геометрии катод-анодного зазора, что влечет за собой появление локальных неоднородностей электрического поля в зазоре и рост неравномерности эмиссии электронного пучка по площади катода. Провисание проволок вследствие их разогрева может быть устранено подтягиванием их в исходное положение компенсирующими удлинение элементами. Эти элементы должны быть вынесены из зоны прохождения электронного пучка, чтобы исключить их разогрев и утрату пружинящих свойств. Поскольку токовая нагрузка на проволоки сетки определяются ее длиной, подвергаемой воздействию электронного пучка, и меняется в зависимости от места расположения проволоки в аноде, то их удлинение не является одинаковым. Это обстоятельство требует применения независимых компенсаторов для каждой проволоки. Очевидно, что компенсатор должен быть подвижным, чтобы преобразовать удлинение проволоки в перемещение элементов компенсатора. Упругие свойства подвижных компенсаторов подбирают в соответствии с параметрами импульсно-переодического режима. Независимая, подвижная компенсация удлинения проволок стабилизирует геометрию анод-катодного промежутка, что приводит к увеличению ресурса сеток анода и повышению мощности СВЧ излучения при работе в импульсно периодическом режиме.

На чертеже приведено схематическое изображение одного из вариантов заявляемого диодного узла для СВЧ генератора,

где:

1 - источник импульсного напряжения;

2 - вакуумная камера;

3 - катод;

4, 5 - анодная сетка;

6 - виртуальный катод;

7 - подвижный компенсатор удлинения в виде пружины (для одной проволоки).

Заявляемый диодный узел, выполненный по схеме, реализован на практике. В состав СВЧ генератора с заявляемым анодным узлом входят: высоковольтный источник импульсного напряжения 1, представляющий собой 12-ти каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, цилиндрическая вакуумная камера 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 40 мм и анод в виде 2-х плоских токопроводящих сеток 4, 5 из вольфрамовых проволок, каждая из которых снабжена одним независимым компенсатором удлинения в виде пружины 7. Для каждой из проволок соответствующий ей компенсатор установлен параллельно оси системы вне зоны прохождения электронного пучка. Зазор катод - первая анодная сетка может меняться от 3 до 6 мм, расстояние между сетками 1,5 мм.

Генератор СВЧ излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1, выполненного в виде ГИН, прикладывается к катоду 3. Анод в виде двух сеток 4, 5 через вакуумную камеру 2 соединен с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный пучок, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует за анодом виртуальный катод 6. Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодами электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну. Часть электронов поглощается проволоками сеток, что приводит к их разогреву и удлинению. Подвижные компенсаторы удлинения в виде пружин, прикрепленных к каждой проволоке сеток, подтягивают проволоки в исходное положение перед следующим импульсом, препятствуя их провисанию и стабилизируя геометрию катод-анодного промежутка.

Для оценки результатов применения предлагаемого диодного узла на этом же генераторе СВЧ излучения проведены эксперименты с диодом, выполненным по схеме прототипа (без компенсаторов). Экспериментально установлено, что предлагаемый диодный узел позволяет в ˜1,5 раза повысить среднюю мощность СВЧ излучения при работе в импульсно-периодическом режиме. При частоте следования импульсов 100 Гц ресурс предлагаемого диодного узла увеличился в три раза по сравнению с прототипом.

Устройство относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано в мощных генераторах сверхвысокочастотного излучения. Техническая задача предлагаемого решения состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ генераторов с виртуальным катодом. Технический результат предлагаемого решения состоит в повышении мощности излучения генератора и увеличение ресурса диодного узла при работе в импульсно-периодическом режиме. Технический результат достигается тем, что в диодном узле для СВЧ генератора, содержащего связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов проволочной сетки, каждая проволока сетки анода снабжена, по меньшей мере, одним независимым подвижным компенсатором удлинения, вынесенным за пределы зоны прохождения электронного пучка. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Диодный узел СВЧ генератора, содержащий связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов проволочной сетки, отличающийся тем, что каждая проволока сетки анода снабжена, по меньшей мере, одним независимым подвижным компенсатором удлинения, вынесенным за пределы зоны прохождения электронного пучка.2. Диодный узел по п.1, отличающийся тем, что компенсатором служит пружина.