Генератор наносекундных импульсов Советский патент 1979 года по МПК H01J25/00 

.1 . , . Изобретение относится к импульсfioti технике и йоЖет быть использовано для генерациинаносекундных / электрических импульсов и для генера ции и усиления СВЧ-колебаний. Известны различные устройства дл генерации электрических импульсов, основанные либо на нелинейном преобразовании синусоидальногонапряженяя в импульсы, либо на использовании ламповьос схем (генераторы .релаксационных колебаний), либо на принципе трансформации мощности (искусственные линии) с днако йэвестные устройств ймёют сравнительно низшую энергию генерируемых импульсов. Известен генератор наносекундных импульсов, содержащий электронн оптическую систему, группирующий резонатор, пространство дрейфа и вы ходную коаксиальную линию, служацую коллектором электронов 2. , В этом приборе электронный пучок пропускают через группирующий резон тор, в котором возбуждаются колебан СВЧ. В поле резонатора происходит модуляция скорости электронного пучка. За резонатором, в пространстве дрейфа, осуществляется группиовка пучка на определенном рассоянии от :Групга рувмцего резонатора озникают 1шпульсы плотности электронов и импульсы тока. Направляя группированный таким образом элекронный пучок на внутренний элекрод коаксиальной линии, в последней можно возбуждать нмпуль1сы напряжения. Такой генератор также имеет малую энергий импульсов, которые могут быть получены путем группировки пучка данной средней скорости. Увеличение,энергии при данной средней требует повышения тока в пучке, однако, при этом возникают трудности канализации плотных электронных пучков на достаточно бодыаих расстояни ях, необходимых для осуществления группировки. . Как известно, группировка пучка электронов в конце Пространства дрейфа определяется формулой Зр irXCOSUt. ( - ток группированного пучка; 3 - входной ток; А - параметр группировки, в оптимальном режиме близки к . единице. Полагая х - 1, оценим заряд эл тронов в импульсе интегралом (i dtj-ri,di,«3 I где 1 - ток на входе в пространс во дрейфа; .1 - рабочая частота. Здесь t, и tj врамя входа электронов в пространство дрейфа и вы хода из него, соответственно. В последнем равенстве использовано известное соотношение ia.dtj.i.dt, ,. выражающее закон сохранения зарядов. Энергия импульса .и, где 0 - ускоряющее напряжение. Возможно, что современная техника клистронных усилителей, отличающихся на порядок большим первеа сом, позволила бы при той же скорости пУчка увеличить энергию в импульсе до величины 1(Г Дж, которую следует счдтатьпредельной для описанного устройства. Цель изобретения - увеличение энергии икятульсов. .Для этого в предлагаемом генер торе наносекундных импульсов в пространстве дрейфа расположены короткозамкнутые сетчатые электрю ды, образующие плоский диод. Электронный пучок, образованны в электронно-оптической системе, модулируется так, что величина У- (где п,-плотность электронов в потоке на входе в пространство взаимодействия, п V скорость электронов на входе в пространство взаимодействия, см/с; t - длина пространства взаимодействия, Е см) колеб лется в пределах, охватывающих некоторые критические значения, зависящие от 1 апряжёния на диоде. случае корЬткозгаркнутого диода эт значения равны 2,910 и 5,59.10 . Указанная модуляция обеспечи вает смену состояний потока,элект нов JB пространстве между сетками, при которой и осуществляется .образование токового импульса. На фиг. 1 схематически изображён1а кОроткоза.мкнутые сетчатые, эл троды, пронизываемыеоднородным по у и 2 направлениям электронным потоком. Кривая с максимумом пред ставляет распределение потенциаль нрй энергии.электронов в пол,объ vHoro заряда; на фиг. 2 - зависимо времени пролета элёктронов от пар -. в стационарном диоде; на иг. график зависимости плотности тока на выходе из диода ,р от входной плотности тока j-e для стационарного диода. Виден своеобразный гистерезис, обусловленный сменой состояний -в таком диоде; на фиг. 4 приведено изменение времени пролета электронов через диод, пропорциональное е (t) и изменение плотности тока }.е ( t ) на выходе из даода при переходе 1-П (в точкеа --S ) ; на фиг. 5 приведены графики В ( t ) и |е ( ) при переходе И -Г (ij - | ) ; на фиг. б схематично показан цример реализации предлагаемого генератора. Впредлагаемом генераторе сетчатые электроды 1 и 2 расположены на расстоянии Е «2,7 мм друг от друга. Перед сетчатым электродом 2 установлена электронная пушка, содержащая анод 3 и катод 4 и обеспечивающая постоянный электронный поток с поперечным сечением Sei см и током 12,5 А при анодном напряжении 1630 В, создаваемом источником 5. Электронный поток направляют на последовательно расположенные плоские короткозамкнутые сетчатые электроды 2 и 1. К сетчатому электроду 2 и к аноду 3 подключен модулятор 6 с высокочастотным напряжением 370 В и частотой 210 мГц. Рассмотрим диод, образованный двумя плоскими сеточными электродами, находящимися под .одним и тем же потенцилом («р «0) и расположенным на расстоянии друг от друга (фиг.1). Электроны движутся вдоль направления X и образуют однородный по у и z поток, в пространстве между сетками объемный заряд электронов создает потенциальный барьер высотой д . Характер распределения потенциалаV()/ плотности п(х) и скорости электронов V (X) характеризуется безразмерным арамвтрол -. где ( ) U (0) Е- заряд электрона. япГ - масса электрона. В диоде возможны два состояния:, t (когда все электроды проходят tiepe3 диод) и Я (когда часть электронов отражается потенциальным барьером и. возвращается к входному электроду). Зависимость времени пролета ( TO ) электронами |пространства дрейфа от параметра схематически представлена на фиг. 2. Ветвь ABC, соответствующая состоянию 1, может йыть представлена в виде ,i «-;Г . . - - 0 . Вторая ветвь (СВ) соответствует реиму с отражением (II) .Ветвь ABC со.стоит из двух участков: устойчивого (АВ) и неустойчивого и, следовательно, нереализуемого (ВС). В точках 5 в ( (vfi vi) ) и с ( возможны переходы между I и и соатояниями, Как видно.из фиг. 2, движение без отражения электронов ( I ) воэ - можно при , с отражением ( « прич,| . В интервале| возможны оба состояния I и и. . пл ном увеличении ij, в TO4Ke j± происход переход I -11 . Обратный переход (ff I) осуществляется в точке «J при уменьшении « . Характер переходов различен. Различие отчетливо проявляется в зависимости плотности выходного тока (на 1 cM)p eneVe о входного |,-еПоУо (фиг. 3) ./На фиг. отмечены точки d и Ъ соответствую1дие критическим значениям . Граф ie(o) имеет две ветви,соответствующие состояниям I и . Как видно из фиг. 3, переход Г сопровождается резким уменьшением выходного тока ij, в то время как обратный переход осуществляется без скачка тока: в точке b испытыв ет разрыв лишь производная функция еф . Изложенные данные являются резу татами хорошо известной статической теории диода. Статическая теория, однако, недостаточна для описания процессов перехода между различными состояниями. Здесь необ ходим динамический анализ, т.е. анализ уравнений вида .IE at . . «ДкепвУо, где в качестве независимых переменных взяты время и время т входа электрона в диод,у«у (t, cкopocть электронов, Е поле объемного заряда, J( t) - полный ток. Результаты анализа приведены на фиг. 4 и фиг. 5. На фиг. 4 представлены врем.енные зависимости времени пролета электронов через диод 0 - (Т время пролета. Т, - время 1 ролета в стационарном состоянии Г ).и плотности тока на выходе диода -J (,д - плотность входного тока) при переходе Г -Д . На фиг. 5 представлены временны зависимости тех же величин при переходе Л - I. Как видно на фиг. 5 при переходе Ц - Т на выходе диода образуется импульс тока с характерным временем, примерно в два раза превышающим время пролета свободно го электрона через диод, и с ампли тудой, близкой к величине входного тока j-o 6 П{)иведенные результаты обосновывают принцип действия предлагаемого генератора наносекундных импуЛьсов. Чтобы импульс появился, параметр , уменьшаясь, должен пройти через критическую точку ja-| . Чтобы возвратить систему из состояния I в состояние Q , необходимо паргшетр «V увеличить, так чтобы он стгш больше 9 у Упомянутым критическим значениям ( соответствуют следуюпще соотношения между плотностью электронного потока ( «о ) скоростью электронов ( V, ) и кратчайшим пробегом .электронов между электродами: . 3, ,7Э.1в- см-с U .5.59., V определяоцие минимальную амплитуду модуляции параметров пучка, необходимую для reHepaiQtK импульсов. . Чтобы облегчить сравнение с прототипом, выберем параметры пучка блиэки1 « к параметре генератора импульсов кяГист1 он.юго типа. Допустим, что мы должны обеспечить длигельность импульса д1 2 . Для оценок, применяя результаты изложенной теории, воспользуемся следующими приближенными выраженнями для длительности ,импульса для тока в импульсе Ai-O.ei-oS для энергии импульса UU-ui- t tСогласно этим оценкам, длина пространства взаимодействия t должна ыть взята равной 0,27 см, j- 12,5 А/см, отк}гда при S-1 см ток импульсе А1« 10 А и С- 210дж. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сформировать злектриебкий импульс, с энергией, на два орядка превосходящей энергию, достиаемую клистронным генератором. Поученный результат может быть на есколько порядков улучшен увелиенным сечением пучка 8. Сечение Зол:1 аничено условием: тобы магнитное существенно; не вга.шо на движение элекронов, т.е. чтобы ларморовский раиус электронов р значительно превосходил длину пространства взамодействия f . В случае пучка круговым сечением радиуса г , агнитное поле имеет наибольш начение на периферии и равно -pJ 1Шй этгШ упомянутоеТусловЙе представляется неравенством ,ь 2jceei.gt на основании которого может быть оценен максимальный радиус пучка. Полагая, например, 5 получим « 20 см. В этЬм случае энергия в импульсе составляет 2,4«1(рдж, что в 10 раз превосходит аналогичную величину в генераторе сов клистронного типа. Все вышеизпоженное обеспечивает модуляцию, электронного потока такую, что (.73-ЛЛ iJisL 5,59-loV c2 VZ /то, Сетчатый электрод 2 и анод 3 обраЭ1УЮТ модулирующий резонатор с зазо ром несколько меньшим, чтобы вейй чина входного тока, не могла изменяться полем объемного заряда в модулирующем зазоре., В эамедлявощей фазе модулирующего напряжения в диоде устанавливается состояние Д в. ускоряиндей - состояние 7 . В момент перехода 1-1, когда энергия электронов на входе в диод . близка к 2000 эВ, через сетчатый электрод 1 выходит электронный пакет - импульс тока-.Направляя этот электронный пакет на коаксиальную ронныи пакет на коаксиальную ,содержащую внутренний электр 7 и наружный электрод 8, получают аружный электрод 8. получают импульс напряжения.. По сравнению с генератором, ис пользуюпщм клистронную группировку, предлагаемое устройство облада тем дополнительным преимуществом, :что позволяет получать не тйлько периодические последовательности импульсов, но и любые нные последо вательности, а также однкочйые импульсы, в последнем случае устройство может реализоваться,вез мо- дулирующёго резонатора. Роль анода электронной пушки в этом случае может играть сетчатый электрод 2 диода. Подача отрицательного импульса на катод (при заземленном диоде) приведет вначале к установлению режима диоде, затем при достижении напрМения 2000 В буДет осуществлен переход ji -i, сопровождающийся Образованием одного наносекундного импульса. Среди достоинств предлагаемого генератора следует упомянуть и простоту реализации. В рассмотренаом примере используется короткий дрейф электронов (2,7 мм вместо 400 NW в генераторе клистронного типа) , Сокращение дрейфа электронов избавляет от трудностей канализации электронов на значительных расстояниях, KOTOptae в конечном счете и ограничивают мощность устройств клистронного типа. В частности, отпадает необходимость в магнитных катушках для устранения расходимости электронных пучков. Мгшость даейфа обеспечивает возможность значительного увеличения сечения о позволяет сравнительно простыми средствами получать наносекундные импульсы большой энергии. Формула изобретения Генератор наносекундаых импульсов, со ержащий электронно-оптическую систему, группирукйций резонатор. кую систему, группируияций резонатор, пространство дрейфа и шлходную коаксиальную линию, njivstatavtn vnnnevpnrM- M сиальную линию, служащую коллектором электронов, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии импульсов, в пространстве дрейфа расположены короткозамкнутые сетчатые элекзс роды, образую14ие плоский диод. Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе . 1 Патент США 3676708, кл. 307-88, 1972. 2.Ha8pid U.I. Mi irr ioy4 aeeonel6 рооЕ enerwion by an eBeciron bunchind. Proc. Thyi-Sos . V/. 60, 1946, H,p597.

(2./

f«Z.2

Je 17

Гд

1II J

i 6 8

tffa Риг. 5 T

иг.б