ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-КОМПЛЕКС Российский патент 2006 года по МПК H01J25/00 H01J27/16 

Изобретение относится к электронно-лучевым и пучково-плазменным приборам СВЧ и может использоваться как усилитель, либо генератор мощного излучения в аппаратуре научного и прикладного назначения.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий электронную пушку, объемный резонатор в виде замедляющей структуры с узлами ввода и вывода СВЧ-мощности, полый коллектор и соленоид, охватывающий замедляющую структуру, и вакуумную откачную систему, соединенные с источниками питания [1].

Недостатком известного прибора является низкая удельная мощность выходного излучения и ограниченные функциональные возможности, что обусловлено автономным выполнением каждого блока и наличием громоздкой откачной системы, выполняющей в структуре прибора только одну функцию откачки рабочего объема, и независимостью работы каждого блока или узла. В итоге автономное конструктивное исполнение всех блоков и независимая работа источников питания пушки, соленоида, объемного резонатора, вакуумной системы приводят к ограничению кпд прибора, его широкополосности, коэффициента усиления СВЧ-мощности и не позволяет производить синхронизацию и оптимальную настройку параметров режима, гарантирующих их стабильность в условиях эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности решением является пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий вакуумный цилиндрический корпус, в котором расположена электронная пушка с термокатодом и анодным узлом, встроенные магниторазрядный и сорбционный геттерный насосы, объемный СВЧ-резонатор с устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, генераторы водорода, датчики давления, коллектор и соленоид, охватывающий тракт проводки пучка. Устройство содержит также высоковольтный источник питания, регулируемые источники питания прямого и электронного накала пушки, источники питания соленоида, генератора водорода и магниторазрядного насоса и датчики режима, соединенные с блоком автоматического управления.

Известный комплекс обеспечивает генерацию потока СВЧ-энергии в отпаянной и компактной системе, содержащей гибридную плазменно-резонаторную структуру. При этом взаимодействие электронного пучка с плазмой реализуется в объеме, заполняемом водородом, и обеспечивается компенсация пространственного заряда электронного пучка. Газодинамическая система комплекса обеспечивает перепад давлений в три порядка между электронной пушкой и замедляющей структурой СВЧ-резонатора.

Недостатком известного комплекса является ограничение функциональных возможностей при различных коррекциях режима, когда снижается кпд комплекса, растут потери на выходе СВЧ-тракта и в коллекторе, формируется неравномерная нагрузка резонатора и повышается вероятность СВЧ-пробоя.

Независимое питание, регулирование и стабилизация режимов основных блоков и узлов комплекса не позволяет эффективно использовать гибридный пучково-плазменный механизм преобразования энергии и увеличивать установленную мощность и кпд системы в целом.

Настоящее изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей комплекса при одновременном повышении кпд и надежности.

Для решения этой задачи в известном пучково-плазменном СВЧ-комплексе, содержащем пучково-плазменный СВЧ-прибор, высоковольтный источник питания, регулируемые источники питания прямого и электронного накала пушки, источники питания соленоида, генератора водорода и магниторазрядного насоса и датчики режима, соединенные с блоком автоматического управления, а СВЧ-прибор собран в вакуумном цилиндрическом корпусе, в котором расположены электронная пушка с термокатодом и анодным узлом, встроенные магниторазрядный и геттерный насосы, объемный СВЧ-резонатор с замедляющей структурой с устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, генераторы водорода, датчики давления, коллектор и соленоид, охватывающий тракт проводки пучка, анодный узел выполнен в виде цилиндрической секции, торцы которой снабжены диафрагмами и в которую последовательно и аксиально по отношению к оси пучка встроены магниторазрядный и сорбционный насосы, замедляющая структура выполнена в виде последовательной цепочки резонаторов с азимутальными щелями связи, а вывод СВЧ-излучения снабжен ответвителем и контуром обратной связи, содержащим датчик мощности и преобразователь, соединенные с регуляторами блока питания электронного накала пушки и магниторазрядного насоса.

Датчик тока высоковольтного источника питания соединен через блок автоматического управления со входом регулятора источника питания накала пушки.

Коллектор выполнен изолированным от корпуса прибора и снабжен регулируемым источником и датчиком напряжения, соединенным через блок автоматического управления с датчиком напряжения в цепи катода пушки.

Соленоид выполнен секционированным, а питание на секции, находящиеся вблизи коллектора, подается через регулируемые источники питания, соединенные контуром обратной связи с цепью датчика СВЧ-мощности.

Кроме того, датчики давления установлены на входе и выходе замедляющей структуры, а разностный сигнал давлений через блок автоматического управления подан на вход источника питания генератора водорода и в цепь регулятора накала пушки.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 показана структурная схема пучково-плазменного СВЧ-комплекса;

на фиг.2 - диаграмма выходной СВЧ-мощности как функции давления водорода;

на фиг.3 - амплитудно-частотные характеристики комплекса;

на фиг.4 - амплитудно-динамические характеристики комплекса в режиме усилителя мощности;

на фиг.5 - распределение градиентов магнитного поля вдоль электронно-лучевого тракта.

Устройство содержит пучково-плазменный СВЧ-прибор 1, высоковольтный источник питания 2 с выводами 3 и 4 и регулируемые источники питания прямого и электронного накала пушки 5. Комплекс содержит также источники питания соленоида 6, генератора водорода 7, источник питания магниторазрядного насоса 8 и датчики контроля параметров их режима.

СВЧ-прибор содержит вакуумный цилиндрический корпус 9, в котором расположены электронная пушка 10 с термокатодом 11 и анодным узлом 12, встроенные магниторазрядный 13 и геттерный 14 насосы, замедляющую структуру объемного СВЧ-резонатора 15 с устройствами ввода 16 и вывода 17 СВЧ-излучения, генераторы водорода 18, датчики давления 19, коллектор 20 и соленоид 21, охватывающий тракт проводки пучка 22.

Анодный узел электронной пушки 12 выполнен в виде цилиндрической секции 23, торцы которой 24 снабжены двумя диафрагмами 25 и в которую последовательно встроены магниторазрядный и геттерный насосы 13 и 14.

Замедляющая структура 15 выполнена в виде последовательной цепочки резонаторов 26 с азимутальными щелями связи 27. Комплекс снабжен блоком автоматического управления 28, соединенным на входе с датчиками и на выходе с регуляторами режима.

Датчик тока 29 высоковольтного источника питания 2 соединен через контур обратной связи 30 с регулятором мощности 31 источника питания электронного накала 5 пушки 10.

Вывод СВЧ-излучения 17 снабжен ответвителем 32 и преобразователем сигнала 33, выход 34 с датчика мощности которого соединен со входом 35 регулятора мощности 31 блока электронного накала и входом 36 регулятора 37 источника питания 8 магниторазрядного насоса 13.

Коллектор 20 пучково-плазменного СВЧ-прибора выполнен изолированным от корпуса 9 и снабжен регулируемым источником 38 и датчиком напряжения 39, соединенными через блок автоматического управления 28 с датчиком напряжения в цепи катода пушки.

Датчики давления 19 установлены на входе и выходе СВЧ-резонатора 15, а разностный сигнал давлений 40 от блока сравнения 42 через блок автоматического управления 28 подан на вход 41 регулятора источника питания 7 генератора водорода 18 и в цепь регулятора 31 накала пушки.

Блок высоковольтного источника питания 2 может содержать электронный коммутатор 46, состоящий из электронно-лучевого вентиля 47 и блока управления 49 с выводами 48 и 50.

Соленоид 21, охватывающий объемный СВЧ-резонатор 15, снабжен дополнительными секциями 51, выводы которых 52 подключены к регулируемым источникам питания 53, соединенным контуром обратной связи 54 с выходом цепи датчика мощности 34. В качестве датчика напряжения в цепи катода пушки может использоваться высоковольтный делитель напряжения 55.

Пучково-плазменный СВЧ-комплекс функционирует следующим образом. Блок автоматического управления 28 источников питания подает сигналы для включения магниторазрядного насоса 8, соленоида 6 и генератора водорода 7. В отпаянном и герметичном корпусе 9 СВЧ-прибора после включения источников питания 5 прямого и электронного накала пушки 10, а затем высоковольтного источника питания 2 формируется вакуумный перепад давлений между рабочим объемом электронной пушки (10^-6 Торр) и замедляющей структурой. Электронный пучок формируется и ускоряется в промежутке катод 11 и передняя диафрагма 25 полого анодного узла 12.

Магниторазрядный 13 и сорбционно геттерный 14 насосы, расположенные в эквипотенциальном объеме анодного узла, образуют коаксиальную структуру по отношению к электронному пучку и выполняют функции регулируемой газодинамической системы, снабженной обратными связями через датчики мощности 33 и 34 и датчики давления 19. На фиг.2 приведена диаграмма выходной СВЧ-мощности W₂ как функция давления водорода - Р. Диапазон вариаций мощности ΔW₂ стабилизируется СВЧ-комплексом автоматически. Электронный пучок, транспортируемый в пролетном канале цепочки резонаторов 26 и в магнитном поле соленоида 21, создает пучковую плазму с концентрацией порядка 10¹² см^-3 при давлении водорода 10^-3 Торр. Это делает возможным как вакуумный, так и плазменный режим работы комплекса.

На фиг. 3 приведена зависимость выходной мощности W₂ от частоты сигнала Δf (амплитудно-частотная х-ка), подаваемого на вход 16 замедляющей структуры. Зависимость а) - характеризует вакуумный режим работы, б) - плазменный режим, диапазон ΔW₂ - автоматическую стабилизацию режима. Диаграммы на фиг.2 и 3 характеризуют плазменно-резонаторный процесс в СВЧ-комплексе с объемным разделением области переноса энергии электронным пучком и области взаимодействия пучка с возбуждаемой волной. В такой гибридной системе, снабженной датчиками режима и обратными связями, автоматически реализуются следующие основные функции комплекса: компенсация пространственного заряда электронного пучка и устойчивый синхронизм пучка с волнами гибридных замедляющих структур 26, 27. Кроме того, для повышения эффективности генерации и вывода СВЧ-мощности и поглощения энергии электронного пучка в коллекторе 20 формируются продольные градиенты концентрации плазмы (блоки 13, 14, 18, 42) и магнитного поля, для чего соленоид 21 выполнен секционированным 51, а выводы секций 52 подключены к регулируемым источникам питания 53, соединенным по контуру обратный связи 54 с выходом цепи датчика мощности 34. Амплитудно-динамическая характеристика комплекса, функционирующего в вакуумном режиме а) и в плазменном режиме б), показана на фиг.4 где W₁ ˜ мощность на входе 16, a W₂ - мощность на выходе 17, измеряемая ответвителем 32 и преобразователем 33. Канал 16, 26, 27, 17 функционирует как пучково-плазменный усилитель полезной мощности, а эффективность комплекса зависит от общего кпд гибридной электродинамической системы с положительными обратными связями, позволяющими обеспечивать устойчивость в диапазоне ΔW₂. Широкополосность в относительных единицах тракта усилителя иллюстрируется зависимостью на фиг.3.

Соленоид 21 с секциями 57, установленными у входа пучка в коллектор 20 и вывода (полезной) СВЧ-мощности 17, обеспечивает формирование в гибридной электродинамической замедляющей структуре магнитоактивности плазмы и продольный градиент магнитного поля в соответствии с фиг. 5, где L - длина электронно-лучевого тракта комплекса. Контур обратной связи 54 датчика СВЧ-мощности и источника питания 53 секций соленоида в комбинации с датчиками давления 19, установленными на входе и выходе СВЧ-резонатора, соединенными с регулятором источника питания 43 генератора водорода 18, обеспечивает равномерность нагрузки гибридной системы на выходе 17 СВЧ-тракта и в коллекторе 20.

Соединение датчика тока 29 высоковольтного источника питания 2 со входом регулятора 31 источника питания электронного накала пушки 5 формирует контур обратной связи 30, замыкающийся через блок автоматического управления 28. Стабилизация напряжения U₀ высоковольтного источника 2 достигает 0,5% при коэффициенте пульсации также 0,5%.

Любые отклонения от режима в плазменном волноводе, имеющие знак плюс или минус, через преобразователь 33 и контур обратной связи 34 переводят блок электронного накала 5 в режим компенсирующего эту флуктуацию нового значения тока электронного пучка, при этом сохраняется U₀=const и устанавливается новое значение P₂=const, что обеспечивает стабилизацию амплитудно-фазовых характеристик комплекса.

Выполнение коллектора 20 изолированным от корпуса прибора и подключение его к регулируемому источнику напряжения 38 с датчиком напряжения 39 позволяет автоматически (через блок сравнения, соединенный с датчиком напряжения в цепи катода пушки) регулировать потенциал коллектора, определяющий параметр пучковой плазмы в пролетном канале прибора. Положительный эффект от применения данного предложения обусловлен расширением функциональных возможностей пучково-плазменного СВЧ комплекса, которое определяется конструктивным совмещением блоков и использованием внутренних и внешних обратных связей в системе, обеспечивающих режим стабилизации мощности СВЧ-вывода. При любых флуктуациях режима, медленных, обусловленных изменением давления в приборе, и быстрых, обусловленных стохастикой СВЧ-излучения, и процессом поглощения энергии электронным пучком, осуществляется автоматическая коррекция режима при сохранении постоянства полезной мощности.

Источники информации

1. Патент США №3902098, кл.315-5, 39, 1973 г.

2. Патент РФ №2084986, 6 H 01 J 25/00, 1997 г. Бюл. №20.

Изобретение относится к электронно-лучевым и пучково-плазменным приборам СВЧ и предназначено для использования в качестве усилителя или генератора мощного излучения в аппаратуре научного и прикладного назначения. Техническим результатом является стабилизация выходной мощности при одновременном повышении кпд и надежности комплекса. Анодный узел СВЧ-прибора комплекса выполнен в виде полой секции, в которую встроены магниторазрядный и геттерный насосы, объемный СВЧ-резонатор охвачен секционированным соленоидом с регулируемыми источниками питания, вывод СВЧ-излучения снабжен ответвителем и контуром обратной связи с датчиком мощности, соединенный через блок управления с регулятором электронного накала пушки и магниторазрядного насоса. Датчики давления, установленные на входе и выходе СВЧ-резонатора, формируют через преобразователь разностный сигнал для запуска генератора водорода и соединены в контур обратной связи источников накала пушки. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пучково-плазменный СВЧ-комплекс, содержащий пучково-плазменный СВЧ-прибор, высоковольтный источник питания, регулируемые источники прямого и электронного накала пушки, источники питания соленоида, генератора водорода и магниторазрядного насоса и датчики контроля параметров, соединенные с блоком управления, СВЧ-прибор содержит вакуумный цилиндрический корпус, в котором расположены электронная пушка с термокатодом и анодным узлом, встроенные магниторазрядный и геттерный насосы, объемный СВЧ-резонатор с замедляющей структурой и с устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, генераторы водорода, датчики давления, коллектор и соленоид, охватывающий тракт проводки пучка, отличающийся тем, что анодный узел выполнен в виде цилиндрической секции, торцы которой снабжены диафрагмами и в которую последовательно и аксиально к тракту пучка встроены магниторазрядный и геттерный насосы, замедляющая структура выполнена с азимутальными щелями связи, а вывод СВЧ-излучения снабжен ответвителем, соединенным с контуром обратной связи, содержащим датчик мощности и преобразователь, соединенный с регулятором источника питания электронного накала пушки и магниторазрядного насоса, коллектор выполнен изолированным от корпуса прибора и снабжен регулируемым источником и датчиком напряжения, соединенным через блок управления с датчиком напряжения в цепи высоковольтного источника питания, соленоид выполнен секционированным, а питание на секции, находящиеся вблизи коллектора, подано через регулируемые источники, соединенные с контуром обратной связи вывода СВЧ-излучения.2. Пучково-плазменный СВЧ-комплекс по п.1, отличающийся тем, что датчики давления установлены на входе и выходе СВЧ-резонатора и подключены через блок сравнения, разностный сигнал с которого через блок управления подан на регуляторы источника питания генератора водорода и источника питания накала пушки.