Плазменный СВЧ - прибор Советский патент 1991 года по МПК H01J25/00 

ууу/ у/у/ХУ;

им

/.... /

,

/ .

а со ico

Изобретение может быть использовано в плазменных СВЧ генераторах и усилителях. Плазменный СВЧ-прибор име-г ат соосно установленные электронную я плазменную пушки 1 и 2 соответствен- . но, круглый волновод 3 пространства взаимодействия, кольцевое окно 4 i ввода и/или вьшода энергии, магнитную систему с адиабатическим распределителем магнитного поля индукция Б которого вдоль волновода измением от ( 1+( а) в щзостракстве взаимодействия до Вр в области окна ввода и/или вьтода энергии, где BO (т/е)сэ„( l-QJc /w a )-, е,га - заряд и масса электрона соответственно; с - скорость света; со , iS - рабочая и плазменная ча стота соответственно; а - внешний радиус плазменного стол- . ба. Плазменный СВЧ-прибор 11меет повышенную выходную мощность. 3 ил. с 9

Фиг.1

Изобретение отпоситсн к технике плазменных и газоразрядных приборов и может Сыть использовано в плазменных СВЧ-генераторах я усилителях, в э спарго-)ептальнь х устлис вках с плазмеиньии волловедущш-и системами, в чястиостп для исследования плпзмен- но пучкопого взаимодействий я т.д.

Целью зобретения -является повышепне выходной NfomHocTH за счет согласо naiujn нлазмеиных волн со свободным пространстпом

На фиг, 1 изображено устройство на примере ллпименного СВЧ--генаратора; иа фир. 2 в качестпе примера изображены дисперсионные характеристики пзрхнегибрлдных волн плазме}И ого волновода (to чястота, h --продольное волновое число); иа-фиг. 3 показано распределение магнитного поля вдоль устройства.

Изобретение основано на использовании магиит ого поля ДЛЯ изменения фазовой скорости плазменных волн при любой геометрии плазменного столба; наманекгш поля iioanojJHeT осуществить переход на одной и той же частоте (см. фиг.2) с одной -дисперсионной ха- рактеристики (а) из точки А, соответ- стп 1ощвй иизр гий фазовой скорости, на другую характеристш и (Ъ) в точку Г), соответстпугощ то фазовой скорости, превышающей скорость света. Та- кой переход с одной дисперсионной хар 1ктерист1гки на другую приводит к тому, что плазменная волна с частото WP становится быстрой, пелокализован ной в плазме и легко переизлучается в снободноэ пространство. Во избежание переизлучеиия волны в паразитные (любые волны, распространяющиеся в плазменном волноводе) изменение поля должно быть адиабатическта 4 как на длине волновода, так и ма длшге окна при этом длина волновода должна быть такой, чтобы на этой длине поле изме н}шось от значения, соответствующего необходимому для плазмопучкового взаимодействия однородному полю, нн

которого

, которое соответствует дисперсиокной характерисгде с - скорость света внешний радиус плазменном.

адилбатичпости имеет вид

. где

Условие

3ho - dBf I. ,, . ,(

.

9В

;,

г -i

i- к

a

,,2 u -lo

продольные волновые числа рабочей (с индексом о) и паразитной (с и щeкcoм i) волн: po.i коргш уравнения

Ig(ш)0 (1д - функция Бесселя ) для рабочей -и паразитной воЛн соответственно;

WM

еВ m

- гнрочастота;

5 Q

5

0 5 0

45

50

Z - продольная координата; е - заряд электрона; m - его масса.

В частом случае для рабочей плазменной волны с j-u c, 2, А ближайшая паразитная .мода имеет/U; 555.

Адиабатическое распределение поля вдоль узла вьгаода в реальных магнит- тгогх; системах близко к линейному.

Устройство можно применять как в приборах к установках с магнитным полем в пространстве взаимодействия, так н в приборах без магнитного поля в пространстве ззаимодействия.

СВЧ-прибор содержит установленные соосно электрсшг та и плазменную 2 пушки (см. фиг,), волиозод 3 пространства .взаимодействия,, окно А вывода энергии и коллектор 5. Волновод 3 установлен в однородном поле соленоида 6, а окно 4 - в адиабатн- чески спадающем поле. Окно 4 может .быть выполнено из любой прозрачной для излучения керамики, однако.во из бежа1П Ё переизлз еиия н паразитные мо,цы целесообразно выполнить его з виде: отрезка металптгческой труба с расширяющикися вдоль оси щелями, за- полне 1ньэ-ш : ерами: ой. Угол раскры- на щелей выбирается из соотношения

. i N 1

- где N - число щелей; 1 - длина окна; Z - координата вдоль окна.

Для рабочей длины волны Л

/к Л- «С

Wr

3 см индукЦ1{я магнитного поля в пространстве взаимодействия , 3 5 Т при плотности плазмы ,310 см я радиусе плазменного столба см

поле на аходном конце окна должно равняться В 0, 2 9 Т, а пл выходном конце OKiTa ,2 3 Т при JUIHHS 1)0 см.

Устройство работ-з р.т следующим образом.

Электронный пучок возбуждает в плазменном столбе медленнутй плазменную волну с фазовой скоростью, меньшей скорости света на частоте , onpeAenneNsori условием синхронизма вол1й1 с электронным нучкок. Плазменная волна распространяется пс направлению к узлу вьтаода энергии (направление плазменной волны протнз оположно направлению распространения электроемкого пучка). В cnanamuieh ь-гагни тном поле в узле зЬгаода энергии иарушаетсн условие синхронизма аолны с , вследствие этого частота плазменной волны в узле вывода aufsprnvi сохранйе ся равной частоте в пространстве вза- г-{модействия, в то же время в спадающем магнитном поле происходит изменение фазовой скорости плазменной волны, п;|зи значении магнитной индукции В фазовая скорость достигает скорости света и волна перестает быть локализованной в плазме, максимальная амплитуда П9ля в поперечном направлении смещена к окну и через него происходит излу гение. При этом рас- предепение интенсивности излучения вдоль окна меняется; при она рав на нулю, максимальна при-некото- рбм значении , начиная с которого дальнейшее увеличение фазовой скорости не приводит к повышению интенсивности из-за затухания плазменной волны вследствие излучения. Прозрачная для излучения труба является аналогом yiэлeктpичecкoй антенны вытекающей волны. Плазменный пучок и электронный пучок осаждаются на коллекторе 5 в неоднородном поле соланоида 6.

:

Излученная волна представляет с.о- бс волновой пучЬк И можвт транспортироваться с помощью квазиоптической

зеркальной jniHnn.

В ряде для предотвращения самовозбуждения генератора на паразитных волнах целесообразно в адиаба- тически спадающем магнитном пола со- леновда б располонить аналопгчньи узел вывода энергии на участке, прилег аюгдем к ко-алоктору,

Формула н 3 о б р е т е и и я

Плазмениьп СБЧ-приЗор, содержащ1гй соосно установленчые электроннукт и плазменнута пушки, круглый fзoлкoвoд

пространства взаимодействия и состыкованное с ним окно ввода, и/шш вывода энергии, магнитную систему с осевым магнитным полем и коллектор, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что,

с целью повышения выходной мощности за счет согласования плазменш.1х волн со свободным пространством окно вво да и/или вывода энергии вьпюлнено кольцевым, в качестве магнитной-сиетемы использована система с адиабатн - ческид распределением магнитного поля, индукция В (т) которого вдоль

волновода изменяется от .. ( ,а -)

Qr.c

+ --л-) в Пространстве взаимодействий и,а.

до BO в области окна ввода/вьюода энергии,

гдеВ,.|соЛ1-,);

е,т - заряд (к) и масса (кг)

электрона соответственно;

с --скорость света, м/с;

COji - рабочая частота, рад/с;

Ир- плазменная частота рад/с;

а - внешний радиус плазменного столба, м.

&f he

Фи,1