СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ С НЕПРЕРЫВНЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к плазменной релятивистской СВЧ-электронике и может быть использовано при создании источников широкополосного электромагнитного СВЧ-излучения, используемого в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, в технологических процессах обработки материалов.

Известен способ генерирования волны СВЧ-диапазона, излучаемой короткими импульсами (патент РФ №2188500, МПК H03K 5/04 от 28.03.2002), заключающийся в том, что нагнетают заданный газ в волноводную трубку, распространяют незатухающую волну СВЧ-диапазона или волну СВЧ-диапазона, излучаемую длинными импульсами, в волноводной трубке, и осуществляют преобразование части заданного газа в плазму путем облучения трубки в направлении ее поперечного сечения лазерным излучением и разделения таким образом незатухающей волны СВЧ-диапазона или волны СВЧ-диапазона, излучаемой длинными импульсами, с помощью плазменной части заданного газа для получения волны СВЧ-диапазона, излучаемой короткими импульсами.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения, обусловленная малой мощностью излучения (милливатты) и малой длительностью импульсов (наносекунды).

Известен также способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом (патент РФ №2175155, МПК H01J 25/68 от 29.03.1999), заключающийся в том, что формируют тонкий плазменный слой, отделяющий сильноточный вакуумный диод прибора с виртуальным катодом от эквипотенциальной полости, а затем в диоде формируют импульсный электронный пучок и инжектируют его в эквипотенциальную полость, при этом в месте формирования плазменного слоя предварительно формируют взвесь частиц конденсированного вещества размером 0,1-10000 мкм, а электронный пучок инжектируют с током выше предельного вакуумного.

Недостатком этого способа является низкий кпд и отсутствие возможности перестройки спектра излучения, что также ограничивает область применения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный способ получения микроволновых импульсов, выбранный в качестве прототипа, (Кузелев М.В., Мухаметзянов Ф.X., Рабинович М.С. и др. Релятивистский плазменный СВЧ-генератор // ЖЭТФ, 1982, т. 83, с. 1358 // ДАН СССР, 1982, т. 267, с. 829) с возможностью электронной перестройки в широкой полосе частот, основанный на взаимодействии сильноточного релятивистского электронного пучка и плазмы. Способ предусматривает получение микроволновых импульсов в автогенераторе, т.е. усилителе с обратной связью. Спектр излучения меняется в пределах 2 октав от импульса к импульсу за счет изменения концентрации плазмы в очередном импульсе.

Недостатком прототипа является то, что спектр излучения меняется за счет исчезновения и появления колебаний на частотах из фиксированного набора. Если другие, кроме плазмы, параметры устройства (например, геометрические параметры) остаются неизменными, то получаемый при этом спектр излучения не непрерывен, а состоит из набора отдельных частот, причем сами эти частоты мало меняются даже при значительном изменении концентрации плазмы. Иными словами, при любой концентрации плазмы отсутствует излучение на многих частотах между граничными частотами. Это обусловлено тем, что прототип является широкополосным усилителем с обратной связью за счет частичных отражений волны на границах генераторной секции, то есть автогенератором. Частоты излучения прототипа определяются колебаниями плазмы на собственных частотах плазменно-пучкового резонатора с фиксированной длиной.

Технический результат, заключающийся в устранении недостатка прототипа, а именно - в обеспечении возбуждения колебаний плазменной волны на всех частотах внутри интервала, определяемого диапазоном изменения концентрации плазмы, достигается в способе получения микроволновых импульсов с непрерывным спектром излучения, основанном на инжекции импульсного трубчатого релятивистского электронного пучка в трубчатую плазму, замагниченную в генераторной секции, тем, что в генераторной секции обеспечивают черенковское усиление медленной плазменной волны от уровня шумов электронного пучка до уровня насыщения, при этом длительность Т импульса тока электронного пучка задают в соответствии с условием: Т<L/u+L/V, где: L - длина генераторной секции, u - скорость электронов в пучке, V - групповая скорость отраженной плазменной волны.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, полученными в результате экспериментов, где:

На фиг. 1 показана конструкция экспериментальной установки, обеспечивающей реализацию предлагаемого способа.

На фиг. 2 приведен спектр S одного импульса излучения, полученный при реализации предлагаемого способа при некоторой концентрации плазмы, содержащий все частоты f в интервале с шириной более 3 ГГц.

На фиг. 3 показан спектр S одного импульса излучения прототипа при той же концентрации плазмы, имеющий узкий диапазон с сателлитами значительно меньшей амплитуды.

Фиг. 4 иллюстрирует эффективности η заявляемого способа (кривая 1) и прототипа (кривая 2), полученные при сходных условиях, кроме длины генераторной секции и длительности импульса тока. Эффективности рассчитаны как отношение энергий импульса излучения к энергии импульса электронного пучка при разных концентрациях плазмы n. График показывает, что эффективность заявляемого источника не меньше эффективности прототипа.

На фиг. 5 представлены зависимости частот излучения f при различных концентрациях плазмы n. Вертикальными линиями обозначены диапазоны частот излучения заявляемого источника, крестиками отмечены фиксированные частоты излучения прототипа. Диапазон изменения частот излучения при изменении концентрации плазмы в 5 раз, от 0.7 до 3.5 (10¹³ см^-3), составляет от 4 ГГц до 16 ГГц, т.е. 2 октавы.

На фиг. 6 приведен спектр S пачки импульсов излучения, полученных при различных концентрациях плазмы. Пачка из нескольких импульсов в предлагаемом способе, полученных при различных концентрациях плазмы, содержит все частоты излучения в диапазоне изменения. Спектр аналогичной пачки импульсов прототипа содержит ограниченное количество линий (~30).

Предлагаемый способ реализуется с помощью установки (фиг 1), состоящей из нескольких узлов и секций:

узел 1, представляющий диод с взрывоэмиссионным катодом;

узел 2, обеспечивающий создание трубчатой плазмы;

генераторная секция 3;

выходной узел 4.

Узел 1 предназначен для создания трубчатого электронного пучка 5.

Узел 2 предназначен для формирования трубчатой плазмы 6.

Генераторная секция 3 предназначена для создания колебаний плазмы 6 в СВЧ-диапазоне.

Замагничивание электронного пучка 5 и плазмы 6 осуществляется с помощью соленоида 7.

Выходной узел 4 включает в себя внутренний электрод 8 и внешний электрод 9, которые образуют коаксиальный волновод.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Способ основан на взаимодействии сильноточного релятивистского электронного пучка и плазмы. Трубчатый электронный пучок 5 инжектируется в заранее созданную замагниченную трубчатую плазму 6 и взаимодействует с ней благодаря эффекту Вавилова-Черенкова, возбуждая плазменную волну с фазовой скоростью, равной скорости электронов (медленную плазменную волну).

Путем выбора длины L генераторной секции 3 при известном коэффициенте усиления обеспечивают усиление медленной плазменной волны от уровня шумов, инициируемых релятивистским электронным пучком, до уровня насыщения, определяемого появлением отраженных полем плазменной волны и движущихся в сторону катода электронов релятивистского пучка.

При этом длительность T импульса тока электронного пучка задают в соответствии с условием: Т<L/u+L/V, где: L - длина генераторной секции, u - скорость электронов в пучке, V - групповая скорость отраженной плазменной волны.

Учитывая, что скорость релятивистских электронов близка к скорости света «c», а групповая скорость плазменной волны приблизительно в полтора раза меньше, V≈2/3 с, взаимосвязь длины L генераторной секции и длительности импульса тока релятивистского электронного пучка можно представить как Т[нс]<8·L[м]. Например, для генераторной секции длиной 0.5 м импульс тока не должен длиться больше 4 нс.

В установке (фиг. 1) для реализации способа соленоид 7 обеспечивает сильное (более 1 Тл) магнитное поле для транспортировки электронов.

Плазма трубчатой формы создается путем ионизации газа при давлении 10^-3 Тор потоком электронов с энергией 600 эВ и током до 50 А с кольцевого термоэмиссионного катода.

Выходной узел 4 является коаксиальным волноводом, образованным внутренним электродом 8 и внешним электродом 9. По указанному волноводу СВЧ-волна выходит из генераторной секции 3. Внутренний электрод играет роль также коллектора электронов, оседающих на его поверхности. Расширяющийся внешний электрод 9 образует рупор, излучающий широкополосное СВЧ-излучение с непрерывным спектром частот.

Прямая плазменная волна 6 преобразуется в ТЕМ-волну коаксиального волновода и излучается узлом 4. Часть прямой волны отражается от электрода 8 и в виде обратной плазменной волны 11 распространяется в сторону узла 2, но поскольку обратная волна не успевает достичь узла 2 до окончания импульса тока электронов, обратная связь не осуществляется, а спектр излучения остается непрерывным.

При осуществлении предлагаемого способа (см. фиг. 2 и фиг. 6) в отличие от способа-прототипа (фиг. 3) отсутствуют какие-либо фиксированные частоты, появляющиеся при наличии собственных типов колебаний (мод) резонатора.

Волны усиливаются и излучаются на всех частотах, определяемых концентрацией плазмы, в интервале до 2 октав.

Изменяя концентрацию плазмы можно регулировать частотный диапазон СВЧ-излучения.

Сопоставительный анализ совокупности признаков предлагаемого способа с известными техническими решениями того же назначения позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "новизна".

Способ реализуется на известных и доступных средствах электронной техники.

Изобретение относится к области плазменной релятивистской СВЧ-электроники и может найти применение при создании источников широкополосного электромагнитного СВЧ-излучения, используемого в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, в технологических процессах обработки материалов. Способ основан на инжекции импульсного трубчатого релятивистского электронного пучка в трубчатую плазму, замагниченную в генераторной секции, в которой обеспечивают черенковское усиление медленной плазменной волны от уровня шумов электронного пучка до уровня насыщения, при этом длительность Т импульса тока электронного пучка задают в соответствии с условием: Т<L/u+L/V, где: L - длина генераторной секции, u - скорость электронов в пучке, V - групповая скорость отраженной плазменной волны. Технический результат - обеспечение возбуждения колебаний плазменной волны на всех частотах внутри интервала, определяемого диапазоном изменения концентрации плазмы. 6 ил.

Способ получения микроволновых импульсов с непрерывным спектром излучения, основанный на инжекции импульсного трубчатого релятивистского электронного пучка в трубчатую плазму, замагниченную в генераторной секции, отличающийся тем, что в генераторной секции обеспечивают черенковское усиление медленной плазменной волны от уровня шумов электронного пучка до уровня насыщения, при этом длительность T импульса тока электронного пучка задают в соответствии с условием: Т<L/u+L/V, где: L - длина генераторной секции, u - скорость электронов в пучке, V - групповая скорость отраженной плазменной волны.