ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИБОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H01J27/16 

Изобретение относится к электронике, в частности к электронно-лучевым приборам СВЧ, предназначенным для усиления или генерации мощного излучения, и может быть использовано в аппаратуре научного и прикладного назначения.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор (ППП) (Патент РФ №2084985, кл. МПК H01J 25/34; 25/06, от 02.01.86 г., опубл. 20.07.97 г. Бюл. №20 [1]), содержащий расположенные последовательно вдоль оси прибора магниторазрядный насос (МРН), электронную пушку (ЭП) с катодным и анодным узлами, геттерную секцию системы дифференциальной откачки (СДО), электродинамическую систему с замедляющей структурой (ЗС) в виде цепочки связанных резонаторов (ЦСР) с осевым пролетным каналом, устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, коллектор, у входа которого размещен генератор водорода (ГВ), и магнитный соленоид, охватывающий прибор на протяжении пролетного канала, при этом в анодный узел встроена плазменная пушка нагрева катода с генератором водорода.

Недостатком известного прибора [1] является то, что концентрация двухкомпонентной плазмы, образованной за счет газового разряда в плазменной пушке и за счет ионизации водорода пучком в пролетном канале ЦСР, не стабильна из-за того, что плазменная оптика в области формирования и ускорения пучка в электронной пушке работает неустойчиво при изменении давления в ЦСР в диапазоне (10^-4÷10^-3) мм рт. ст. Концентрацию плазмы в ЦСР можно оценить только по величине СВЧ-энергии. Изменение давления в ЦСР влияет на величину давления в электронной пушке, а электронный ток, отбираемый с термокатода, соответствует отношению (Г.А.Кудинцева, А.И.Мельников, А.В.Морозов, Б.П.Никонов. Термоэлектронные катоды, М, 1966, с.192-196 [2]):

где I_p - ионный ток, А;

I_s - начальное значение эмиссии (электронный ток), А;

α - температурный коэффициент работы выхода. А/см²·°С;

p - давление, мм рт. ст.

При этом зависимость равновесного значения эмиссии катода электронной пушки от плотности ионного тока может быть выражена уравнением:

где I_s - начальное значение эмиссии, А;

I_so - равновесное значение эмиссии, А;

I_p - ионный ток, отбираемый с плазменной границы анода электронной пушки, А.

Необходимость согласования режимов работы плазменной и электронной пушек, МРН, генераторов водорода приводит к увеличению времени подготовки прибора и переходу от вакуумного к плазменному режиму работы (время старта).

Оценка надежности прибора показывает, что ионная бомбардировка оказывает на катод электронной пушки дезактивирующее действие и при формировании пучка в электрическом поле межэлектродного пространства и электромагнитного поля соленоида в условиях изменяющегося давления интенсивность бомбардировки изменяется и, как следствие, изменяется температура, работа выхода и срок службы катода (для справки: например, для боридного катода, который, как правило, используется в пучково-плазменных СВЧ-приборах, изменение температуры катода на 100°С приводит к 10-кратному сокращению срока службы), а изменение электронного тока отражается на процессе ионизации газа в ЦСР и соответственно изменяется величина плотности ионного тока, которая определяется по формуле Бома:

где J_i - плотность тока, А/см²;

е - заряд электрона, 1,6·10^-19 Кл;

n_е - концентрация плазмы, см^-3;

k - постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К;

Т_е - электронная температура, эВ;

m_i - масса иона, 1,67·10^-27 кг.

Кроме этого, из-за снижения производительности геттерной секции, сорбционные свойства которой ухудшаются из-за насыщения, поддерживать давление в газоразрядной камере плазменной пушки, обеспечить необходимый вакуум в зоне формирования пучка в электронной пушке и, наконец, иметь возможность регулировать давление рабочего газа и концентрацию плазмы в ЦСР весьма проблематично. Работа МРН в режиме повышенного давления и использование в плазменной пушке накаленного катода приводит к перегреву элементов конструкции, увеличению газовыделения, изменению состава газа и отклонению режима работы прибора от расчетного.

Таким образом, известный прибор работает нестабильно при большом времени старта и имеет низкую надежность.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор (Патент РФ №2084986, кл. МПК H01J 25/34; 25/06 от 02.01.86 г., опубл. 20.07.97 г. Бюл. №20 [3]), содержащий вакуумную камеру, систему откачки, источники плазмы, а также расположенные соосно электронную пушку с термокатодным узлом и анодом, устройство перепада давления, выполненное в виде геттерного насоса (ГН), электродинамическую систему в виде ЦСР, коллектор с датчиком давления и магнитный соленоид, охватывающий электронно-лучевой тракт (пролетный канал) прибора, при этом система откачки выполнена в виде встроенного в ЭП со стороны термокатодного узла и размещенного в вакуумной камере МРН.

Недостатком известного прибора является длительное время перестройки режимов (вакуумный - плазменный) работы, нестабильность, отсутствие оперативной информации о состоянии плазмы в объемном резонаторе и ограниченный ресурс генератора водорода. Это связано с тем, что для получения мощного СВЧ-излучения необходимо обеспечить стабильное состояние плазмы с концентрацией ионов n_i=10¹¹÷10¹²) см^-3, при этом в объемном резонаторе давление (р) водорода должно быть в пределах (2÷3) 10^-3 мм рт. ст.). Именно параметры плазмы являются определяющими в процессе преобразования энергии пучка в СВЧ-излучение и от концентрации плазмы в пролетном канале зависит величина плотности ионного тока, выходная мощность, амплитудно-частотные характеристики, КПД, устойчивость (стабилизация) работы прибора в плазменном режиме и т.д. (Г.И.Бацких, К.Г.Гуреев, М.А.Завьялов, В.Ф.Мартынов и др. Мощный усилитель СВЧ-колебаний на основе гибридных пучково-плазменных электродинамических систем. // Радиотехника и электроника, Вып.9, М, 1993, с.1681-1685 [4]). Однако в данном приборе давление можно измерить датчиком, расположенным на коллекторе, и оценить давление по величине тока разряда в магниторазрядном насосе. Эта информация весьма ориентировочная в связи с тем, что, с одной стороны, состав газа в коллекторе неизвестен из-за высокой вероятности сильного газовыделения с поверхности, на которой более 80% мощности пучка преобразуется в тепловую мощность, а, с другой стороны, магниторазрядный насос откачивает газовую смесь и ток разряда не характеризует парциальное давление водорода. Таким образом, не обеспечивается стабильная работа прибора. Кроме этого, производительность геттерного насоса в процессе эксплуатации уменьшается в связи с насыщением поглощающего покрытия, и, как следствие, для поддержания вакуума в пушке и обеспечения заданного давления водорода в объемном резонаторе необходимо интенсифицировать работу магниторазрядного насоса и генератора водорода. В результате в насосе увеличивается ток разряда Пеннинга, температура его электродов и сопряженных элементов конструкции пушки, ухудшается электрическая прочность изоляции, а в генераторе водорода увеличивается средняя мощность накала спирали подогрева геттера и расход водорода.

Известен пучково-плазменный СВЧ-прибор (Патент РФ №2003194 от 15.02.91 г., кл. МПК H01J 25/34, опубл. 15.11.93 г. Бюл. №41-42 [5]), содержащий последовательно соединенные электронную пушку, вакуумный насос в качестве системы дифференциальной откачки, замедляющую СВЧ-структуру, соединенную вакуумно-плотно с блоком напуска газа (генератор водорода), и электрически изолированный от ЗС коллектор, причем катод ЭП подключен к отрицательному полюсу источника ускоряющего напряжения, положительный полюс которого заземлен, при этом прибор снабжен дополнительным источником напряжения, положительный полюс которого заземлен, датчиком тока, блоком сравнения, блоком уставок, причем дополнительный источник напряжения подключен отрицательным полюсом к коллектору, вход датчика тока соединен с ЗС, а выходы датчика тока и блока уставок соединены с выходами блока сравнения, выход которого подключен к входу блока напуска газа, т.е. к генератору водорода.

Недостатком известного прибора является то, что датчик тока, регистрирующий концентрацию плазменных электронов, которые попадают под действием кулоновских сил на замедляющую структуру, может функционировать только при условии, когда ЗС электрически изолирована не только от коллектора, но электрически изолирована с другой стороны от анода электронной пушки, а также от вакуумного насоса. При этом устройства ввода и вывода СВЧ-энергии должны быть соединены с изолированными от земли задающим генератором входного СВЧ-сигнала и трактом вывода усиленного СВЧ-излучения. Эти условия возможно обеспечить на исследовательском стенде при СВЧ-излучении на нагрузку, имитирующую тракт транспортировки и передачи до антенны СВЧ-мощности. При этом измеренная датчиком величина тока будет соответствовать току засева по всему тракту транспортировки электронного пучка, от катода пушки до коллектора, а не току электронов водородной плазмы. При этом утверждение о снижении расхода водорода, увеличении срока службы и надежности является необоснованным. Кроме этого, создать аналогичные условия на реальных объектах практически невозможно из-за того, что внешние устройства СВЧ-связи прибора с задающим СВЧ-генератором и тем более с антенной, как правило, соединены с корпусом объекта.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является СВЧ-прибор в пучково-плазменном комплексе (Патент РФ №2285975, кл. МПК H01J 25/00; 27/16 от 20.10.2006 г. Бюл. №29 [6]), содержащий вакуумный цилиндрический корпус, в котором расположены последовательно вдоль оси прибора термокатод с высоковольтными токовводами и узел анода электронной пушки, система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, соединенный с генератором водорода объемный СВЧ-резонатор с замедляющей структурой в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом, устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, коллектор, электрически изолированный от вакуумного корпуса, и магнитный соленоид, который охватывает тракт проводки пучка (пролетный канал) прибора и выполнен из нескольких секций, при этом прибор снабжен датчиками давления, которые установлены вне вакуумного корпуса и подсоединены к вакуумному корпусу на входе и выходе объемного СВЧ-резонатора.

Недостатком известного прибора является то, что датчики давления вынесены за пределы цилиндрического вакуумного корпуса, соединены трубопроводами с соответствующими полостями в цилиндрическом вакуумном корпусе на входе и выходе ЦСР. Очевидно, размер отверстия в трубопроводе должен быть меньше размера запредельного волновода и неизбежен перепад давления, который определяет существенную неточность измеренной величины давления.

Кроме этого, один датчик давления расположен в зоне максимальной индукции магнитного поля соленоида, а другой - в зоне, в которой магнитное поле значительно меньше и, как правило, регулируется в процессе работы.

Известно (В.Ф.Попов, Ю.Н.Горин. Процессы и установки электронно-ионной технологии, изд. Высшая школа, М., 1988 г., стр.126, 127 [7]), что в электродных схемах, работающих в магнитном поле, существует нелинейная зависимость напряжения зажигания и мощности разряда от величины магнитного поля, давления и рода газа. Градуировка и настройка таких систем практически невозможна из-за существенных конструктивных, технологических и эксплуатационных отличий. В связи с этим оперативная информация об измеренном давлении в данном приборе имеет ориентировочный характер и не соответствует действительному значению давления, и, строго говоря, позволяет лишь оценить параметры плазмы в зоне взаимодействия электронного пучка с газом, хотя от состояния плазмы в приборе зависят основные характеристики (мощность СВЧ-излучения, КПД и т.д.). Из-за большой погрешности контроля величины давления на входе и выходе ЦСР стабильность работы прибора нарушается и увеличивается время старта прибора.

Задачей предлагаемых технических решений является создание вариантов конструкции пучково-плазменного СВЧ-прибора с возможностью оперативно и с высокой точностью контролировать величину концентрации плазмы в пролетном канале на входе и выходе ЦСР, что позволит оперативно и объективно управлять работой ЭП, СДО, МРН, генератора водорода и др. узлов прибора.

Техническим результатом от применения предлагаемых вариантов СВЧ-прибора является:

1. Возможность с высокой точностью стабилизировать величину выходной СВЧ-мощности, т.к. полученная объективная информация о состоянии плазмы в пролетном канале прибора позволяет задать правильный алгоритм регулирования, при котором выполняется соотношение (Perevodchikov V.I., Zavialov M.A., Martynov V.F. et al., BEAM's-92, Washington, 1992, p.183 [8]; Завьялов M.А., Мартынов В.Ф., Митин Л.А. и др. // Симпоз. по сильноточной электронике. ССЭ-92, Екатеринбург, 1992 [9]), обеспечивающее устойчивый плазменный режим работы прибора:

где ω - рабочая частота, с^-1;

ω_b - электронная частота пучка, с^-1;

ω_е - электронная плазменная частота, с^-1;

ω_eh - электронная циклотронная частота, с^-1.

2. Уменьшение времени перехода от вакуумного к плазменному режиму работы за счет возможности определения давления водорода непосредственно в пролетном канале на входе и выходе ЦСР.

3. Получение одновременно достоверной информации о величине концентрации плазмы в различных зонах пролетного канала позволит более точно синхронизировать и оптимизировать работу генератора водорода и магниторазрядного насоса, обеспечить минимальный, но достаточный для нормальной работы пушки и ЦСР перепад давления и, как следствие, сократить среднюю мощность, потребляемую МРН и генератором водорода, уменьшить расход водорода и увеличить ресурс ГВ.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигается тем, что в предлагаемом пучково-плазменном СВЧ-приборе, содержащем во всех трех вариантах соосные заземленный вакуумный корпус, в котором размещены последовательно вдоль оси прибора система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны системы дифференциальной откачки электронную пушку с узлом термокатода, снабженного высоковольтным токовводом, и электрически соединенным с вакуумным корпусом анодом, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор с датчиком давления, а также секционированный соленоид, секции которого охватывают прибор от термокатода до коллектора:

- по первому варианту выполнения в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещен соосно оси прибора один осесимметричный электрод с токовводом, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещен соосно оси прибора другой осесимметричный электрод с токовводом, причем каждый электрод выполнен с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и электрически изолирован от вакуумного корпуса, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга;

- по второму варианту выполнения в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещена соосно оси прибора и последовательно одна пара осесимметричных электродов с токовводами, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещена соосно оси прибора и последовательно другая пара осесимметричных электродов с токовводами, причем каждый электрод пары выполнен с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и электрически изолирован от вакуумного корпуса, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга;

- по третьему варианту выполнения в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещена коаксиально на оси прибора одна пара осесимметричных внутреннего и наружного электродов с токовводами, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещена коаксиально на оси прибора другая пара осесимметричных внутреннего и наружного электродов с токовводами, при этом внутренний электрод каждой пары имеет форму полого цилиндра с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и торцевыми бортиками, кроме того, каждый электрод электрически изолирован от вакуумного корпуса, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга.

Размещение различных систем электродов в предусмотренных предлагаемыми вариантами конструкций в вакуумном корпусе пучково-плазменного СВЧ-прибора полостях, ограниченных по оси прибора парами близлежащих коллинеарных выходного и входного торцов СДО и ЦСР, а также выходного и входного торцов ЦСР и коллектора, позволяет:

- на этапе подготовки прибора к работе за счет возможности возбуждения в указанных полостях газового разряда и получения достоверной информации о давлении на входе и выходе ЦСР обеспечить путем установки оптимального режима работы СДО минимальный перепад давления в приборе для уменьшения времени подготовки прибора к работе в плазменном режиме;

- на этапе работы прибора в плазменном режиме та же совокупность конструктивных признаков позволяет за счет засева электродов ионами получить объективную информацию о величине концентрации плазмы перед и за ЦСР для получения заданных выходных параметров прибора путем стабилизации плазмы в пролетном канале ЦСР.

Сопоставительный анализ предлагаемых вариантов конструкций пучково-плазменного СВЧ-прибора с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых вариантов устройств критерию "новизна".

Заявляемые варианты устройств характеризуются совокупностями признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематически изображен в разрезе вариант выполнения пучково-плазменного СВЧ-прибора по п.1 формулы.

На фиг.2 схематически изображен в разрезе вариант выполнения пучково-плазменного СВЧ-прибора по п.2 формулы.

На фиг.3 схематически изображен в разрезе вариант выполнения пучково-плазменного СВЧ-прибора по п.3 формулы.

Изображенные на фиг.1, 2, 3 варианты пучково-плазменных СВЧ-приборов с осевым пролетным каналом содержат расположенные соосно и вдоль оси прибора заземленный вакуумный корпус 1, с одной стороны которого присоединена электронная пушка 2 с узлом термокатода 3, высоковольтным токовводом 4 и заземленным анодом 5, электрически соединенным с вакуумным корпусом 1; размещенные в вакуумном корпусе 1 система дифференциальной откачки 6 с магниторазрядным 7 и геттерным (сорбционным) 8 насосами, и электродинамическая система с замедляющей структурой в виде цепочки связанных резонаторов 9 с устройствами ввода 10 и вывода 11 СВЧ-энергии; присоединенный со стороны цепочки связанных резонаторов 9 к вакуумному корпусу 1 и электрически изолированный от него коллектор 12 с датчиком давления 13.

Во всех вариантах предлагаемых устройств предусмотрены генератор водорода 14, который подсоединен к прибору на выходе цепочки связанных резонаторов 9 и перед коллектором 12; секции 15 и 16 магнитного соленоида, который коаксиально охватывает прибор от термокатода 3 до коллектора 12 и выполнен секционированным для возможности подключения секции 16 к регулируемому источнику питания. При этом во всех вариантах конструкции ППП в вакуумном корпусе I перед и за ЦСР 9 предусмотрены полости, ограниченные по оси прибора двумя парами близлежащих плоско-параллельных (коллинеарных) заземленных торцов 17, 18, 19, 20 соответствующих функциональных узлов прибора (СДО, ЦСР, коллектора).

В варианте конструкции ППП, показанном на фиг.1, в полости между близлежащими торцами 17, 18 соответственно выходу СДО 6 и входу в ЦСР 9 размещен осесимметричный электрод 21 с токовводом, а в полости между близлежащими торцами 19, 20 соответственно выходу ЦСР 9 и входу в коллектор 12 размещен осесимметричный электрод 22 с токовводом. Электроды 21, 22 электрически изолированы от соответствующих торцов 17, 18 и 19, 20, боковой стенки вакуумного корпуса 1 и друг от друга. Кроме того, каждый из электродов 21, 22 имеет равное поперечному сечению пролетного канала осевое отверстие и может быть выполнен в виде кольца или диска.

Второй вариант выполнения ППП, показанный на фиг.2, предусматривает в полости между торцами 17, 18 соответственно выходу из СДО 6 и входу в ЦСР 9 размещение соосно оси прибора и последовательно одной пары осесимметричных электродов 23 и 24, выполненных с токовводами, а в полости между торцами 19, 20 соответственно выходу ЦСР 9 и входу в коллектор 12 - аналогичное размещение другой пары осесимметричных электродов 25, 26 с токовводами. Все электроды 23, 24, 25, 26 и их токовводы изолированы от соответствующих им торцов 17, 18 и 19, 20, боковой стенки вакуумного корпуса 1 и друг от друга. Каждый из электродов 23, 24, 25, 26 имеет равное поперечному сечению пролетного канала осевое отверстие и может быть выполнен в виде кольца или диска.

В третьем варианте выполнения ППП, показанном на фиг.3, в полости между торцами 17, 18 соответственно выходу из СДО 6 и входу в ЦСР 9 размещена соосно оси прибора одна пара коаксиальных осесимметричных внутреннего 27 и наружного 28 электродов с токовводами, а в полости между торцами 19, 20 соответственно выходу из ЦСР 9 и входу в коллектор 12 соосно оси прибора размещена другая пара коаксиальных осесимметричных внутреннего 29 и наружного 30 электродов с токовводами. Кроме того, в каждой паре внутренние электроды 27 и 29 имеют форму полого цилиндра с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и торцевыми бортиками, а охватывающие их наружные электроды 28 и 30 соответственно могут иметь форму кольца или полого цилиндра. При этом все электроды 27, 28, 29, 30 и их токовводы электрически изолированы от соответствующих торцов 17, 18, 19, 20 близлежащих узлов прибора, боковой стенки вакуумного корпуса 1 и друг от друга.

Для функциональных узлов во всех вариантах исполнения ППП предусмотрены клеммы для подключения системы полуавтоматического управления (на фиг.1, 2, 3 не показана): высоковольтный токоввод 4 узла термокатода 3 - клеммы K1, K2, K3; анод 5 и электрически соединенный с ним вакуумный корпус 1 - клемма K4 (для соединения с землей); МРН 7 СДО 6 - клеммы K5, K6; коллектор 12 - клемма K7; генератор водорода 14 - клеммы K8, K9; секции 15, 16 магнитного соленоида - клеммы K10, K11 и K12, K13 соответственно.

В варианте конструкции ППП на фиг.1 токоввод электрода 21, который размещен перед ЦСР 9, имеет клемму 14, токоввод, который размещен за ЦСР 9, снабжен клеммой K15.

В варианте конструкции ППП на фиг.2 токовводы электродов 23, 24, размещенных перед ЦСР 9, имеют клеммы K16, K17 соответственно; токовводы электродов 25, 26, размещенных за ЦСР 9, имеют клеммы K18, K19 соответственно.

В варианте на фиг.3 на токовводах коаксиальных электродов 27, 28, размещенных перед ЦСР 9, предусмотрены клеммы K20, K21 соответственно; на токовводах коаксиальных электродов 29, 30, размещенных за ЦСР 9, предусмотрены клеммы K22, K23 соответственно.

Пучково-плазменный СВЧ-прибор, вариант конструкции которого показан на фиг.1, работает следующим образом. Перед началом работы с помощью датчика давления 13 на коллекторе 12 проводится контроль давления в приборе, которое должно быть около 10^-4 мм рт. ст. Остаточный газ откачивается СДО 6, состоящей из МРН 7 и ГН 8, а при вакууме 10^-5 мм рт. ст. к клеммам K1, K2, K3 токоввода 4 узла термокатода 3 подключается высоковольтный блок питания (не показан). Одновременно к клеммам K10 и K11 секции 15 соленоида подключается нерегулируемый источник питания (не показан), а к клеммам K12 и K13 секции 16 соленоида подключается регулируемый источник питания (не показан). При этом в электрическом поле, возникающем между накаленным термокатодом 3 и анодом 5 электронной пушки 2, и магнитном поле, созданном секциями 15 и 16 соленоида, формируется пучок электронов, который транспортируется вдоль пролетного канала прибора, входит в коллектор 12 и рассеивается на его поверхности под действием убывающего магнитного поля секции 16 соленоида.

При ограниченном токе эмиссии I_э термокатода измеряют ток пучка I_к, поступающий на изолированный от вакуумного корпуса I коллектор 12. После сопоставления токов I_э, I_к и при I_э≅I_к коллектор 12 электрически соединяют с заземленным вакуумным корпусом 1 прибора. Затем на клемму K14 токоввода электрода 21 и клемму K15 токоввода электрода 22 подается отрицательное напряжение от автономных источников питания (не показаны). При этом в продольном электрическом поле, возникающем в вакуумном корпусе 1 в полостях перед и за ЦСР 9 между соответствующим одним из электродов 21 и 22 и соответствующими каждому из них близлежащими заземленными торцевыми стенками 17, 18 и 19, 20 узлов прибора, и продольном магнитном поле секций 15 и 16 соленоида возбуждается и поддерживается пучком электронов газовый разряд Пеннинга, эффективность которого характеризуется угловой частотой вращения и тангенциальной скоростью электронов и зависит от напряженности электрического поля между электродами 21, 22 и соответствующими торцевыми стенками 17, 18 и 19, 20 вакуумного корпуса 1, и определяется из отношений:

где ω_с - угловая частота, с^-1;

v_c - тангенциальная скорость электрона, м/с;

е - заряд электрона, 1,6·10^-19 Кл;

m - масса электрона, 9,11·10^-31 кг;

В - магнитная индукция, Т;

Е - напряженность электрического поля, В/м.

При этом величина разрядного тока зависит от давления и определяется отношением:

где I - ток разряда, А;

k, n - постоянные (для приборов 1-1,4);

p - давление, мм рт. ст.

При заданных параметрах источников питания электродов 21, 22 (напряженность электрического поля) и источников питания секций 15, 16 соленоида (постоянная магнитная индукция в области расположения электрода 21 и переменная магнитная индукция в области расположения электрода 22) определяют ток газового разряда, характеризующий давление на входе и выходе ЦСР 9. Сопоставление этих токов с током разряда МРН 7 СДО 6, который характеризует необходимое для надежной работы пушки 2 давление в области, расположенной в непосредственной близости к зоне формирования электронного пучка, позволяет установить режим работы СДО 6, обеспечивающий минимальный, в сравнении с известными ранее устройствами пучково-плазменного СВЧ-прибора, перепад давления, при котором длительность откачки сокращается и соответственно уменьшается время подготовки прибора к работе в плазменном режиме (время старта прибора), снижается средняя мощность и теплонапряженность МРН 7.

При достижении и стабилизации в приборе давления в ЦСР 9 на уровне 10^-4 мм рт.ст. режим работы переключается с вакуумного на плазменный. При этом к клеммам K8 и K9 подключается источник питания подогревателя генератора водорода 14, а к клеммам K14 и K15 соответственно электродов 21 и 22 подключается измеритель плотности ионного тока (не показан) пучка, возникающего из-за ионизации газа при воздействии электронного пучка и являющегося характеристикой концентрации плазмы. При этом каждый из электродов 21, 22 за счет засева выполняет функцию зонда, воспринимающего ионный ток, плотность которого определяется соотношением (3).

За счет регулирования параметров работы ГВ 14, МРН 7 и ЭП 2 достигается и стабилизируется заданная концентрация магнитоактивной плазмы, заполняющей пролетный канал. К вводу СВЧ-энергии 10 подключается задающий СВЧ-генератор (не показан). Возникающая в структуре система связанных волн является результатом взаимодействия полей двух типов: поля, образованного потоком энергии, сосредоточенным в пролетном канале, и электромагнитного поля, имеющего максимум потока энергии в области азимутальных щелей связи цепочки связанных резонаторов 9. Исследования электромагнитных свойств периодических полей, результаты которых отражены в работах [8] и [9] показали (4), что они носят гибридный характер с разделенными в поперечном направлении продольными и радиальными компонентами. Это приводит к перераспределению продольного потока энергии в область магнитных щелей связи ЦСР 9 при сохранении в нем объемной структуры продольного электрического поля, усилению на два порядка интегральной выходной мощности СВЧ-излучения и расширению полосы частотного диапазона за счет возможности непрерывного контроля концентрации плазмы, что обеспечивает высокое значение электронного КПД, а следовательно, снижение рассеиваемой на коллекторе 12 мощности, которая преобразуется в тепловую энергию и отводится хладагентом в систему охлаждения.

Таким образом, стабильность работы прибора в плазменном режиме обеспечивается за счет возможности непрерывного высокоточного отслеживания концентрации плазмы и использования полученной информации для дальнейшего, например, автоматического управления ЭП 2, СДО 6, генератором водорода 14 и секциями 15, 16 соленоида.

Особенностью работы варианта пучково-плазменного СВЧ-прибора, показанного на фиг.2, является то, что после этапов сопоставления токов I_э, I_к и соединения при I_э≅I_к коллектора 12 с заземленным вакуумным корпусом 1 для измерения давления в приборе на входе и выходе ЦСР 9 подключают к клеммам K16, K17 пары электродов 23, 24 и клеммам K18, K19 пары электродов 25, 26 соответственно автономные источники переменного напряжения (не показаны). При этом в каждой паре попеременно один электрод выполняет функцию катода, а другой - функцию анода магнитного электроразрядного датчика. В продольном электрическом поле и магнитном поле секций 15, 16 соленоида между электродами 23, 24 перед ЦСР 9 и электродами 25, 26 за ЦСР 9 возбуждается газовый разряд Пеннинга. В полупериод отрицательного заряда, подаваемого на электроды 23, 24, 25, 26, один из электродов в каждой из пар подвергается интенсивной бомбардировке ионами и его поверхность очищается от окислов, а в момент изменения полярности разряд поддерживается пучком, при этом диапазон измерения давления в сравнении с предыдущим вариантом устройства увеличивается и составляет 10^-5÷1 мм рт. ст.

Сопоставление токов разряда в МРН 7, на входе и выходе ЦСР 9 позволяет задать алгоритм работы ЭП 2 и СДО 6, обеспечивающий оптимальную продолжительность подготовки пучково-плазменного СВЧ-прибора к работе в плазменном режиме, который реализуется при достижении и стабилизации давления в ЦСР 9 на уровне 8·10^-4 мм рт. ст. [4] путем подключения к клеммам K8 и K9 источника питания (не показан) подогревателя генератора водорода 14. Одновременно присоединяют к измерителю ионного тока плазмы клеммы К16, К18 или K17, K19 соответственно электродов 23, 25 или 24, 26 из разных пар. При этом один электрод, выбранный из пары, выполняет функцию зонда, воспринимающего за счет засева ионный ток, который является характеристикой концентрации плазмы, которая определяется по формуле (3). После достижения плазмой, заполняющей пролетный канал, заданной концентрации (≅10¹² см^-3) [4] и стабилизации ее значения к вводу СВЧ-энергии 10 подключается задающий СВЧ-генератор (не показан). Возникающая в ЦСР 9 система связанных волн является результатом взаимодействия электромагнитных полей и процесс преобразования энергии пучка в СВЧ-энергию происходит так же, как в варианте прибора, показанном на фиг.1.

Таким образом, достигаемый положительный эффект при работе прибора данного варианта исполнения в сравнении с вариантом, показанным на фиг.1, усиливается за счет расширения диапазона измеряемых величин давления, повышения надежности работы электродной системы за счет возможности поочередной самоочистки электродов 23, 24, 25, 26 в каждой паре и снижения их температуры, т.к. длительность ионной бомбардировки каждого электрода обеих пар уменьшается в два раза.

Особенность работы варианта пучково-плазменного СВЧ-прибора, показанного на фиг.3, заключается в том, что после этапа сопоставления токов I_э и I_к при I_э≅I_к коллектор 12 соединяют с заземленным вакуумным корпусом I, а затем для измерения давления в приборе на входе и выходе ЦСР 9 каждая пара электродов 27, 28 и 29, 30 через соответствующие клеммы K20, K21 и K22, K23 подключается к своему автономному источнику питания так, что электроды 27 и 29 соответственно перед и за ЦСР 9, выполненные в виде полых цилиндров с бортиками, подключаются к отрицательному полюсу, а электроды 28 и 30, которые охватывают соответственно электроды 27 и 29 и выполнены, например, в виде колец, присоединяются через клеммы K21, K23 к заземленному вакуумному корпусу 1. При этом в межэлектродном пространстве каждой пары возбуждается газовый разряд (магнетронный режим). Устройство по этому варианту выполнения позволяет измерить давление в диапазоне 10^-2÷10^-6 мм рт. ст. Кроме этого, в процессе подготовки прибора к старту возможно реализовать режим работы, при котором полярность напряжения на клеммах K20, K22 и K21, K23 меняется на противоположную (инверсно-магнетронный режим). При положительном напряжении на внутренних электродах 27, 29 ток разряда между парами электродов 27, 28 и 29, 30 сопоставляется с током разряда в соответствующей паре при работе в магнетронном режиме, что позволяет оценить работоспособность электродной системы каждой из пар.

Плотность тока разряда, как видно из соотношения (3), пропорциональна концентрации плазмы. Сопоставление тока разряда в МРН 7, токов разряда пар электродов 27, 28 и 29, 30 соответственно перед и за ЦСР 9 позволяет задать алгоритм работы ЭП 2 и СДО 6, обеспечивающий минимальную продолжительность подготовки пучково-плазменного СВЧ-прибора к работе в плазменном режиме, который реализуется после достижения давления в ЦСР 9 уровня 8·10^-4 мм рт. ст.[4] и стабилизации его путем подключения через клеммы K8 и K9 источника питания (не показан) подогревателя генератора водорода 14 при одновременном соединении клемм K20 и K22 электродов 27 и 29 с измерителем ионного тока. При этом выполненные в виде полых цилиндров с бортиками электроды 27 и 29 выполняют функцию зонда, воспринимающего за счет засева ионный ток, который является характеристикой концентрации плазмы, определяющейся по формуле (3). После достижения плазмой, заполняющей пролетный канал, заданной концентрации (≅10¹² см^-3) [4] и стабилизации ее за счет регулирования параметров работы ГВ 14, МРН 7 и ЭП 2 к вводу СВЧ-энергии 10 подключается задающий СВЧ-генератор (не показан). Возникающая в ЦСР 9 система связанных волн является результатом взаимодействия электромагнитных, полей и процесс преобразования энергии пучка в СВЧ-энергию происходит так же, как в предыдущих предлагаемых вариантах прибора.

Положительный эффект по сравнению с другими вариантами усиливается за счет еще большего расширения диапазона измеряемых величин давления и возможности контролировать работоспособность системы электродов 27, 28 и 29, 30 на входе и выходе ЦСР 9 соответственно.

Таким образом положительный эффект от использования предлагаемых вариантов конструкции пучково-плазменного СВЧ-прибора достигается за счет возможности с помощью систем электродов, размещенных перед и за ЦСР 9, с высокой точностью измерять давление, использовать полученную информацию для уменьшения времени подготовки прибора к работе в плазменном режиме (время старта прибора) и затем с высокой точностью и оперативно измерять концентрацию плазмы непосредственно в пролетном канале прибора, и использовать полученную информацию для задания алгоритма работы всех узлов прибора с целью стабилизации плазменного режима работы с максимальной выходной СВЧ-мощностью и КПД при заданных частотных характеристиках.

Изобретение относится к электронике, в частности к электронно-лучевым СВЧ-приборам, предназначенным для усиления или генерации мощного излучения, и может быть использовано в аппаратуре научного и прикладного назначения. Пучково-плазменный СВЧ-прибор содержит соосные заземленный вакуумный корпус, в котором расположены последовательно вдоль оси прибора магниторазрядный и геттерный насосы системы дифференциальной откачки, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом, устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны магниторазрядного насоса электронную пушку, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор, а также секционированный соленоид. Варианты СВЧ-прибора предусматривают размещение в полостях вакуумного корпуса перед и за цепочкой связанных резонаторов соответствующих электродных систем, что позволяет на этапе подготовки прибора к работе получать достоверную информацию о давлении, а на этапе работы в плазменном режиме - о величине концентрации плазмы в соответствующих областях пролетного канала. Технический результат: высокоточная стабилизация величины выходной СВЧ-мощности, уменьшение времени старта прибора, при сокращении средней мощности потребления магниторазрядным насосом и генератором водорода, уменьшении расхода водорода и увеличении ресурса генератора водорода. Один из вариантов выполнения пучково-плазменного СВЧ-прибора дополнительно обеспечивает самоочистку электродов в соответствующих варианту электродных системах, а другой - возможность контролировать работоспособность используемых в нем электродных систем. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий соосные заземленный вакуумный корпус, в котором размещены последовательно вдоль оси прибора система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны системы дифференциальной откачки электронную пушку с узлом термокатода, снабженного высоковольтным токовводом и электрически соединенным с вакуумным корпусом анодом, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор с датчиком давления, а также секционированный соленоид, секции которого охватывают прибор от термокатода до коллектора, отличающийся тем, что в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещен соосно оси прибора и закреплен один осесимметричный электрод с токовводом, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещен соосно оси прибора другой осесимметричный электрод с токовводом, причем каждый электрод выполнен с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и электрически изолирован от вакуумного корпуса, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга.2. Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий соосные заземленный вакуумный корпус, в котором размещены последовательно вдоль оси прибора, система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны системы дифференциальной откачки электронную пушку с узлом термокатода, снабженного высоковольтным токовводом, и электрически соединенным с вакуумным корпусом анодом, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор с датчиком давления, а также секционированный соленоид, секции которого охватывают прибор от термокатода до коллектора, отличающийся тем, что в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещена соосно оси прибора и последовательно одна пара осесимметричных электродов с токовводами, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещена соосно оси прибора и последовательно другая пара осесимметричных электродов с токовводами, причем каждый электрод пары выполнен с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и электрически изолирован от вакуумного корпуса, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга.3. Пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий соосные заземленный вакуумный корпус, в котором размещены последовательно вдоль оси прибора система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны системы дифференциальной откачки электронную пушку с узлом термокатода, снабженного высоковольтным токовводом, и электрически соединенным с вакуумным корпусом анодом, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор с датчиком давления, а также секционированный соленоид, секции которого охватывают прибор от термокатода до коллектора, отличающийся тем, что в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещена коаксиально на оси прибора одна пара осесимметричных внутреннего и наружного электродов с токовводами, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещена коаксиально на оси прибора другая пара осесимметричных внутреннего и наружного электрода с токовводами, при этом внутренний электрод каждой пары имеет форму полого цилиндра с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и торцевыми бортиками, кроме того каждый электрод электрически изолирован от вакуумной камеры, соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга.