СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ КВАНТОВ Российский патент 2015 года по МПК H03B7/10 H01S3/104 

Изобретение основано на использовании энергии электронного взаимодействия потока заряженной плазмы (электронных пучков) и может быть применено в системах электропитания, связи, управления, телеметрии и других системах мобильных аппаратов, а также в различных стационарных установках электроснабжения, связи, информационно-измерительных устройств и др.

Известен способ, реализованный в СВЧ-генераторе и принятый в качестве прототипа (Статья «СВЧ-генераторы хаотических колебаний на основе электронных пучков с виртуальным катодом». - Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2008, с.53-55).

Известный способ генерации квантов СВЧ диапазона из электронных пучков заключается в получении электронного пучка с помощью электронной пушки, отборе энергии из электронного пучка для СВЧ-генерации путем частичного уменьшения скорости (торможения) электронного пучка.

Недостатком прототипа является использование незначительной части (порядка 20%) энергии электронного пучка, так как увеличение степени торможения электронного пучка вызывает прекращение СВЧ-генерации. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором, на это непроизводительно расходуется электроэнергия, существенно снижая КПД системы электропитания.

Задачей изобретения является устранение непроизводительных потерь электроэнергии, повышение мощности СВЧ-генерации и КПД системы электропитания путем более полного использования энергии электронного пучка.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе генерации СВЧ квантов, основанном на отборе энергии из сформированного с помощью электронной пушки электронного пучка, согласно техническому решению, одновременно с формированием электронного пучка осуществляют его модуляцию анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, после чего электронный пучок для повышения энергии пучка и плотности заряда сжимают электрическим полем, например, двойного электрического слоя с дальнейшей остановкой электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов, затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты.

Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройства, схема которого представлена на рисунке.

Устройство содержит плазмотрон 1 с электродуговым катодом K_g и анодом A_g (возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным катодом, катодом на основе СВЧ-разряда, оптического разряда и др. [«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.165…169, с.301…326], электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А_ЭП, электроды 4 сжимающего электрического поля. Электроды 4 выполнены из материала, являющегося проводником первого рода, и имеют осевую рабочую полость 5 с двойным электрическим слоем, причем входная часть рабочей полости выполнена со сходящейся конусностью, а выходная часть имеет цилиндрическую форму. Сжимающее электрическое поле, которое уплотняет электронный пучок в поперечном сечении, можно получить с помощью электрических, магнитных «квадрупольных электронных линз» (см. «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.884…885). Кроме того, устройство содержит металлические обкладки 6, которые совместно с электродами 4 и изоляторами 7, расположенными между обкладками 6 и электродами 4, представляют собой конденсаторы C_4-6, электроды 8 корректирующего напряжения, барьеры электронов 9, состоящие из диэлектрического 9дс и электропроводящего 9эс слоев, каналы 10 электромагнитных квантов СВЧ диапазона, в качестве которых могут быть применены волноводы, резонаторы, световоды и др., симметричный силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, имеющий среднюю точку 12, соединенную с катодом K_g электродугового плазмотрона 1, систему электропитания 13 с циклической рабочей частотой ω_p. Конденсаторы C_4-6 соединены последовательно с индуктивностями L₁ СТП 11, аноды А_ЭП электронных пушек 2 соединены с резонансными контурами L₂C_p, а электроды 8 корректирующего напряжения соединены с частью обмотки индуктивности L₂ СТП 11.

Работает данное устройство следующим образом. Необходимое напряжение подают на анод A_g и катод K_g плазмотрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой. Одновременно на аноды электронных пушек 2 подают переменное напряжение рабочей частоты ω_p. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами дуги A_g и K_g в ортогонально направленном полю дуги (скрещенным с полем дуги) электрическом анодном поле А_ЭП электронных пушек 2, которым выводят из области электрической дуги электроны, при этом ускоряют и модулируют пучки электронов 3, воздействуя переменным напряжением Ua с циклической рабочей частотой ω_p, подаваемым в противофазе на выходные аноды А_ЭП электронных пушек 2.

Затем пучки сжимают в радиальном сечении электрическим полем E_r в рабочей полости 5. Так как напряженность электрического поля двойного электрического слоя в 10²…10³ раз больше напряженности поля электронного пучка (см. Большой энциклопедический словарь, физика, - М.: «Большая российская энциклопедия», 1998, с.144), то плотность заряда, энергия электронного взаимодействия, создаваемая силами Кулона и Лоренца, и мощность электронного пучка повышается в d_вх/d_вых раз, где d_вх и d_вых - диаметры, соответственно, входного и выходного отверстий рабочей полости 5, имеющей двойной электрический слой.

После этого на электронные пучки воздействуют электрическим полем, созданным на электроде 8 корректирующим напряжением (U_к), снимаемым с части обмотки L₂. Коррекцией напряжения U_к можно управлять параметрами СВЧ квантов, например длиной волны λ_СВЧ.

Известно (Л.А. Сена «Единицы физических величин и их размерности», М.: «Наука», 1977, с.259…262), что λ_СВЧ=h·ϑ_e/e·U_к,

где λ_СВЧ - длина волны кванта, h - постоянная Планка, ϑ_e - скорость электронов в пучке, которая определяется по формуле: ϑ_e=(2·e·U_a/m_e)^1/2, где U_a - напряжение анода А_ЭП, m_е - масса электрона, e - заряд электрона, U_к - корректирующее напряжение.

Останавливают электроны пучка с помощью барьера электронов 9, представляющего собой плотную среду, не пропускающую (задерживающую) электроны, но прозрачную для генерируемых электромагнитных квантов СВЧ. Барьер электронов выполнен в виде диэлектрического слоя 9дс (им могут быть твердые диэлектрики с малой диэлектрической проницаемостью, например стекло кварцевое, полиэтилен и др.) и электропроводящего слоя 9эс, нанесенного на поверхность диэлектрического слоя 9дс. Каждый остановленный электрон отдает полученную в корректирующем поле электрода 8 энергию (e·U_к) в виде электромагнитного кванта с длиной волны λ_СВЧ, поступающего в соответствующий канал 10 (резонатор, волновод, световод и др.). По электропроводящему слою 9эс, активированному электронами пучка 3, электроны переходят на электрод 8 и далее в электрическую цепь L₂, превращая конвекционный ток электронного пучка I_еП в ток электропроводимости I_ЭЦ цепи L₂, работающей в режиме резонанса токов совместно с конденсатором C_p. Оставшаяся часть полученной электроном в анодном поле А_ЭП электронной пушки 2 энергии e(U_a-U_k) отдается полю корректирующего напряжения и возвращается через электрод 8, цепь L₂ СТП 11 в систему электропитания 13 в виде мощности S_ЭЦ=(U_a-U_k)²/Z_ЭЦ, где Z_ЭЦ - сопротивление электрической цепи системы электропитания 13, трансформированное СТП 11 в электрическую цепь L₂, которая работает в режиме резонанса токов с конденсатором C_p.

Электроды 4 и металлические обкладки 6 с изоляторами 7 являются конденсаторами C_4-6, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость двойного электрического слоя, т.к. C_4-6 соединены последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя на поверхности рабочей полости 5. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U_4-6 на конденсаторах C_4-6 будет в C_ДЭС/C_4-6 раз больше потенциала двойного электрического слоя в рабочей полости 5, что составляет 3…4 порядка.

U_4-6=q_ДЭС/C_4-6=U_ДЭС·C_ДЭС/C_4-6.

Это напряжение подают на обмотку L₁ СТП 11 и создают резонанс напряжений, чтобы ω_pL₁=(ω_pC_4-6)^-1.

Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора 11, равна:

При смене полярности полуволны напряжения U_a на выходном аноде А_ЭП электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок, и получают электрическую мощность в другом плече симметричной электрической цепи СТП 11. Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность рабочей частоты системы электропитания 13.

Совершив работу в электрической цепи, электроны приходят на катод электрической дуги K_g, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла генерации СВЧ квантов по предлагаемому способу и получения электрической мощности рабочей частоты ω_p в системе электропитания 13.

Таким образом, предлагаемый способ генерации электромагнитных квантов СВЧ дает возможность создавать кванты в диапазоне длин волн λ_СВЧ изменением U_k от U_k→0 до U_k=U_a. Неиспользованную на генерацию квантов энергию электронного пучка путем двухполупериодного преобразования в режиме резонанса токов в цепи L₂ и резонанса напряжений в электрической цепи L₁ превращают в электрическую мощность системы электропитания 13, повышая КПД системы электропитания.

Кроме того, сжатие электронного пучка двойным электрическим слоем в рабочей полости 5, за счет сил Кулона и сил Лоренца, увеличивает энергию взаимодействия электронов в пучке, которую также преобразуют в соответствующую мощность с помощью цепи L₁ СТП 11, увеличивая мощность СВЧ-генерации и КПД системы электропитания 13. Эту дополнительно получаемую мощность можно использовать для электропитания других устройств мобильного аппарата.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания. Способ генерации СВЧ квантов заключается в формировании электронного пучка при помощи электронной пушки с одновременной модуляцией его анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, последующем сжатии электрическим полем, например, двойного электрического слоя для повышения энергии пучка и плотности заряда и дальнейшей остановки электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов. Затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты. 1 ил.

Способ генерации СВЧ квантов, основанный на отборе энергии из сформированного с помощью электронной пушки электронного пучка, отличающийся тем, что одновременно с формированием электронного пучка осуществляют его модуляцию анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, после чего электронный пучок для повышения энергии пучка и плотности заряда сжимают электрическим полем, например, двойного электрического слоя с дальнейшей остановкой электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов, затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты.