СПОСОБ СВЧ-ГЕНЕРАЦИИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ Российский патент 2015 года по МПК H01J37/06 

Данное изобретение основано на получении электроэнергии из потока электронной плазмы и может быть использовано для бортовой системы электропитания, мобильных аппаратов, а также в различных стационарных системах электроснабжения.

Известен способ, реализованный в СВЧ-генераторе и описанный в статье [«СВЧ-генераторы на основе электронных пучков с виртуальным катодом» - Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2008, с.53-55]. Этот способ принят за прототип. Известный способ получения СВЧ-колебаний на основе электронных пучков заключается в получении с помощью электронной пушки пучка электронной плазмы из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, отборе мощности из электронного пучка для СВЧ-генерации путем частичного торможения (уменьшения скорости) электронного пучка виртуальным катодом (ВК) и поглощении коллектором виртуального катода неиспользованной части мощности электронного пучка.

Недостатком прототипа является использование незначительной части (порядка 20%) мощности электронного пучка, так как при увеличении степени торможения электронного пучка СВЧ-генерация прекращается. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором ВК, на что непроизводительно расходуется электроэнергия системы электропитания СВЧ-трафика, а это снижает КПД системы электропитания.

Задачей предлагаемого изобретения является преобразование всей энергии электронного пучка в электроэнергию системы электропитания СВЧ-трафика и, следовательно, повышение КПД системы электропитания.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе СВЧ-генерации, основанном на получении электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью виртуального катода для СВЧ-генерации, согласно техническому решению, оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ - трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания СВЧ-трафика, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит регулируемый преобразователь напряжения (РПН) 1; плазмотрон с электродуговым катодом (ПЭД) 2 (возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным или оптическим катодом и др. [«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - книга 2, т.2, М.: «Наука/ интерпериодика», 2000. С.165-178]; две электронные пушки (ЭП) 3; виртуальные катоды (ВК) 5; приемо-передающую аппаратуру СВЧ-трафика 6; коллекторы 7 виртуального катода с аксиальным отверстием; аксиальные аноды (АА) 8; поляризующиеся электроды (ПЭ) 9; конденсаторы резонанса токов (КРТ) 10; силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, средняя точка 12 первичной цепи которого соединена с катодом «К» электродугового плазмотрона 2; систему электропитания СВЧ-трафика (СЭП) 13.

Работает устройство следующим образом. С помощью регулируемого преобразователя напряжения 1 подают необходимое напряжение на анод «А» и катод «К» электродугового плазмотрона 2, герметичный объем которого заполнен рабочей средой. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой, возникающей между электродами «А» и «К». Электрическим анодным полем электронной пушки 3, скрещенным с полем электрической дуги ПЭД 2, выводят из области дуги электроны, ускоряют их, создавая необходимый поток электронной плазмы - электронные пучки 4, из которых отбирают часть мощности с помощью виртуального катода 5, превращая отбираемую мощность в СВЧ-колебания и в соответствующее излучение СВЧ-трафика 6.

В это время катионы ионизированной рабочей среды, имеющие массу в тысячи раз большую, чем электроны, поэтому почти не изменяющие своей траектории движения под действием анодного поля электронной пушки 3, приходят на катод К плазмотрона 2 и заряжают его положительно.

Оставшийся электронный пучок после виртуального катода 5 пропускают через коллектор 7 виртуального катода с аксиальным отверстием, модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания путем подачи на аксиальные аноды 8 соответствующих напряжений с конденсаторов резонанса токов 10, увеличивая ускоряющим полем анода 8 кинетическую энергию электронного пучка и энергию электронного взаимодействия в пучке, создаваемую силами Кулона и Лоренца, и направляют электронный пучок в скрещенное электрическое поле поляризующегося электрода 9. Скрещенное электрическое поле создается при использовании эффекта «двойного электрического слоя» (см. Большой энциклопедический словарь, Физика, - М.: «Большая Российская энциклопедия», 1998, с. 144), обеспечивающего радиальную составляющую электрического поля, при этом напряженность поля в 10²-10³ раз превышает напряженность поля пучка. Радиальная составляющая скрещенного электрического поля удерживает пучок, поэтому сохраняются его энергетические параметры. Продольная составляющая скрещенного электрического поля, создаваемая электронным пучком, автоматически образуется на изолированной от рабочей полости части поляризующегося электрода 9, на которой создается отрицательный потенциал, тормозящий электронный пучок.

Продольной составляющей скрещенного электрического поля тормозят электронный пучок, превращая кинетическую энергию и энергию электронного взаимодействия в эквивалентное напряжение (U₃). Это напряжение равно отношению общей энергии электронного пучка (W_ЭП) к электрическому заряду электронного пучка (q_ЭП) которое в несколько раз может превышать рабочее напряжение аксиального анода 8. Происходит это вследствие того, что пучок электронов, движущихся со скоростью образуется в результате динамического равновесия трех видов электрических сил: анодного поля аксиального анода 8, силы Кулона, расталкивающей электроны в радиальном сечении пучка и ускоряющей электроны в продольном направлении пучка, и силы Лоренца, сближающей электроны в радиальном сечении пучка. Эти силы создают в пучке три вида энергии: кинетическую, созданную анодным полем аксиального анода 8, и энергию электронного взаимодействия, созданную силой Кулона и силой Лоренца, в первом приближении одинаковых по значению.

Силу конвекционного тока электронного пучка превращают в силу электронного тока проводимости, идущего через поляризующийся электрод 9 по соответствующему плечу высоковольтной обмотки (ВВО) первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11, в котором действует положительная полуволна напряжения системы электропитания 13. При смене полярности полуволны напряжения в ВВО первичной цепи СТП 11 импульс электронного тока проводимости идет по другому плечу первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11. В результате производят двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка в переменный ток системы электропитания СВЧ-трафика СЭП 13, $$I_{Э}=\frac{U_{Э}}{Z_{1СЭП}}$$ и в соответствующую мощность $$S_{Э}=I_{Э}^2\cdot Z_{1СЭП}$$ , где Z_1СЭП - полное сопротивление электрической цепи СЭП 13, трансформированное в первичную цепь СТП 11, работающую в режиме резонанса токов совместно с конденсаторами резонанса токов 10 на рабочей частоте СЭП 13, в которую передается создаваемая электрическая мощность со вторичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11.

Режимом резонанса токов в первичной цепи СТП 11 взаимно компенсируют индуктивную и емкостную реактивные мощности, что дает возможность в 1,5-2 раза увеличить силу тока в первичной обмотке СТП 11 и соответственно увеличить получаемую мощность во вторичной обмотке. Резонанс улучшает форму колебаний, снижая потери мощности высшими гармониками, приближая cosφ в цепи к единице.

Совершившие работу в первичной цепи СТП 11 электроны направляют на катод «К» электродугового плазмотрона 2 по цепи: средняя точка 12 СТП - катод К плазмотрона 2. На катоде электроны рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой в скрещенном электрическом поле электронной пушки 3. Многократно повторяя операции технологического цикла: ионизация рабочей среды, СВЧ-генерация, рекупирование энергии электронного пучка в СЭП 13 и рекомбинация катионов в атомы и молекулы рабочей среды, получают электрическую мощность. Электроны при этом не разрушаются, не образуются вредные выбросы и отходы, свойственные сжигающим топливоуглеводородной, химической или ядерной технологиям.

Данный способ позволяет повысить мощность в системе электропитания СВЧ-трафика за счет рекупирования кинетической энергии электронного пучка 4, а также за счет дополнительной энергии электронного взаимодействия, создаваемой силами Кулона и Лоренца в электронном пучке. Получаемая суммарная мощность, при соответствующем режиме работы, может превышать затраты мощности на ионизацию рабочей среды, формирование и массоперенос электронного пучка 4, поэтому коэффициент преобразования мощности по данному способу может быть больше единицы и, соответственно, увеличивается КПД системы электропитания. Дополнительно получаемую мощность можно использовать для увеличения мощности СВЧ - трафика, увеличения дальности каналов связи, телеметрии, управления, а также для электропитания других систем мобильного аппарата. Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает одновременную работу двух независимых каналов СВЧ-трафика, повышая его надежность.

Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков может быть использован в бортовой системе электропитания, системе электропитания мобильных аппаратов, а также в различных стационарных системах электроснабжения. Способ СВЧ-генерации, основан на получении электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью коллектора виртуального катода для СВЧ-генерации. Оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ-трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания СВЧ - трафика, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги, где они рекомбинируют катионы в молекулы и атомы рабочей среды, которая вновь подвергается ионизации электрической дугой. Технический результат - повышение мощности в системе электропитания СВЧ-трафика за счет рекупирования всей энергии электронного пучка в систему электропитания. 1 ил.

Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков, заключающийся в образовании электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью виртуального катода для СВЧ-генерации, отличающийся тем, что оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ-трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги.