ГЕНЕРАТОР СВЧ СИГНАЛОВ НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ
GENERATOR OF MICROWAVE SIGNALS ON VIRTUAL CATHODE

Изобретение относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний малого и среднего уровня мощности, и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.
Начиная с 70-х годов ХХ-го века в связи с развитием представлений о явлении динамического хаоса, началось бурное развитие раздела радиофизики, посвященного изучению сложного нестационарного поведения распределенных радиофизических систем. Вместе с тем начались и продолжаются до сих пор поиски путей использования явления хаотической динамики электронных радиофизических систем в практических приложениях. Устройства, демонстрирующие сложную хаотическую динамику, могут использоваться, прежде всего, в современных информационно-телекоммуникационных системах, основанных на использовании широкополосных хаотических сигналов для передачи и хранения информации [Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос. Новые носители информации для систем связи. - М.: Физматлит. 2002; Argyris A. et al. Chaos-based communications at high bit rates using commercial fibre-optic links. Nature. 438 (2005) 343; Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. - М.: Радиотехника. 2006; Special Issue on Applications of Nonlinear Dynamics to Electronic and Information Engineering // Proc. IEEE. 2002. V.90. №51. Имеется определенный интерес к подобным источникам шумового сигнала для использования их в различных технологических процессах очистки и улучшения качества нефти, органическом синтезе, в радиолокации, в задачах радиопротиводействия и т.д. Еще одним перспективным направлением использования хаотических СВЧ сигналов может стать решение задач, связанных с дистанционным высвобождением капсулированного материала на микро- и наноуровне в биомедицинских приложениях.
Вместе с тем следует отметить, что во многих случаях при создании генераторов шума СВЧ диапазона конструкторы шли по пути создания устройств, сложная динамика которых определялась, прежде всего, конфигурацией внешних цепей, например цепей обратной связи, а собственная хаотическая динамика непосредственно электронных потоков не использовалась. Это делало создаваемые генераторы хаоса достаточно узкополосными (ширина полосы частот до 20%), недостаточно мощными и с плохим качеством шумового спектра (большая изрезанность, перепады мощности в спектре более 10 дБ). Это является серьезным недостатком подобных устройств, т.к. в указанных выше приложениях возникает необходимость создания источников шумоподобных колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы. Другим возможным решением при получении широкополосного СВЧ излучения в полосе более одной-двух октав является использование источников шумоподобных сигналов на основе наборов твердотельных генераторов шума с узкими перекрывающимися полосами частот. Однако такой способ также имеет свои недостатки, в том числе сложность настройки и управления выходным сигналом такой системы.
Таким образом, в настоящее время актуальным является разработка устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.
Наиболее близким к заявляемому является генератор шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде (см. патент на изобретение RU 2288519). Генератор содержит источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, по крайней мере. одну сетку, расположенную между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором. Электродинамическая система выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы, вывод энергии выполнен в виде волноводной линии передачи, источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора. В прототипе виртуальный катод (ВК) формируется в интенсивном нерслятивистском электронном потоке за счет дополнительного торможения электронов. Важной особенностью таких нерелятивистских систем с виртуальным катодом является простота конструкции, возможность работы без фокусирующих магнитных полей - простота управления спектральными и энергетическими характеристиками генерации. В такой системе в широком диапазоне управляющих параметров в системе возможно возникновение широкополосного хаотического выходного сигнала малого и среднего уровня мощности сантиметрового диапазона длин волн с шириной полосы частот до октавы.
Однако в такой системе из-за малости собственного первеанса потока, формируемого электронной пушкой с оксидным или термокатодом, принципиально использование дополнительного тормозящего потенциала для формировании виртуального катода, что приводит к увеличению энергозатрат и к малой эффективности работы такого прибора. Кроме того, такой прибор характеризуется достаточно высоким токооседанием на стенках камеры дрейфа, что приводит к дополнительным потерям.
Задачей изобретения является создание источника управляемых широкополосных шумоподобных колебаний малого и среднего уровня мощности сантиметрового диапазона длин волн на основе нерелятивистского цилиндрического винтового электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода.
Технический результат, достигаемый в предложенном нерелятивистском генераторе СВЧ с виртуальным катодом, состоит в обеспечении возможности формирования виртуального катода в нерелятивистском винтовом цилиндрическом потоке за счет возможности достижения высокой плотности тока (высокого первеанса пучка) в магнетронно-инжекторной пушке при относительно небольших напряжениях питания, без использования дополнительного торможения, а также за счет применения особой конфигурации магнитного поля типа «магнитная ловушка». При этом использование магнитного поля позволяет избежать токооседания на стенках камеры дрейфа, а использование особой конструкции катода пушки позволяет дополнительно получить значительный разброс электронов по скоростям, что увеличивает ширину спектра генерации прибора и уменьшает изрезанность спектра.
Поставленная задача решается тем, что генератор шумоподобного широкополосного СВЧ сигнала на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, согласно решению он содержит статическую магнитную фокусирующую систему, выполненную с возможностью формирования статического магнитного поля с областью неоднородности, а в качестве источника электронов выбрана магнетронно-инжекторная пушка с эмитирующим полоском на катоде, формирующая полый цилиндрический винтовой электронный пучок с возможностью дрейфования в одном направлении и формирования виртуального катода в пространстве дрейфа в области неоднородности статического магнитного поля. Ширина эмитирующего полоска катода магнетронно-инжекторной пушки выбрана из условия обеспечения максимального разброса скоростей электронов. Магнитная фокусирующая система состоит из двух источников статического магнитного поля, один из которых расположен в области катода пушки, а другой - в области пространства дрейфа.
z
r
0
z
max
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый генератор СВЧ, на фиг.2 - распределение продольной компоненты магнитного поля B(z), на фиг.3 - распределение поперечной компоненты магнитного ноля B(r,z), на фиг.4 - конфигурационный портрет распределения продольной скорости v заряженных частиц от продольной координаты z, на фиг.5 - величина максимальной частоты генерации f в зависимости от ширины полоска h, на фиг.6 - мощность генерации Р (кривая 1) и ширина полосы генерации Δf/f (кривая 2) в зависимости от ширины полоска h, на фиг.7 - изрезанность S спектра генерации прибора в зависимости от ширины полоска h.
Позициями на фиг.1 обозначены:
1 - электронный пучок,
2 - катод магнетронно-инжекторной пушки,
3 - эмитирующий полосок катода,
4 - ускоряющий электрод магнетронно-инжекторной пушки,
5 - отрезок широкополосной электродинамической системы, выполненный в виде спирали,
6 - вывод энергии,
7 - коллектор.
8 - статическая магнитная фокусирующая система.
0
Предложенный вакуумный нерелятивистский СВЧ генератор широкополосных шумоподобных колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного цилиндрического винтового электронного пучка 1 используется электронная пушка, которая включает в себя катод 2 с эмитирующим полоском 3. При этом полосок 3 может иметь различную ширину, размер которой определяют из условия достижения максимального разброса скоростей электронного пучка. Также система содержит ускоряющий электрод 4, формирующий также пространство дрейфа пучка, на который подают ускоряющий потенциал V. После прохождения потоком области катода пучок попадает в пространство дрейфа, в котором располагается широкополосная электродинамическая система 5 (например, отрезок спирали), с выводом энергии 6, выполненным в виде коаксиальной линии передач. После прохождения пространства дрейфа электронный поток осаждается на коллекторе 7. Также прибор помещается в статическую магнитную систему 8, которая формирует в приборе статическое магнитное поле заданного вида. Возможная конфигурация компонент магнитного поля изображена на фиг.2 и фиг.3. При этом магнитная фокусирующая система может быть выполнена в различных вариантах: в виде двух соленоидов или постоянных магнитов, один из которых расположен в области катода пушки, а другой - в области пространства дрейфа, либо в виде одного соленоида (постоянного магнита), расположенного в области пространства дрейфа ближе к катоду пушки.
Устройство работает следующим образом.
Электронный пучок инжектируется с эмитирующего полоска 3 в область скрещенных статических электрического и магнитного полей, сформированных ускоряющим электродом 4 и магнитостатической системой 8 соответственно. Далее, двигаясь вдоль линий магнитного поля по траектории, изображенной на фиг.1 (отмечена цифрой «1»), электронный пучок 1 проходит в пространство дрейфа, в область увеличения продольной составляющей магнитного поля (см. фиг.2). Магнитостатическая система 8 сконструирована таким образом, что конфигурация магнитного поля (см. фиг.2 и фиг.3) образует т.н. магнитную ловушку. По мере продвижения заряженных частиц вдоль оси системы происходит уменьшение продольной скорости движения электронного потока из-за сгущения линий магнитного поля в области магнитной ловушки. В результате под действием магнитного поля, а также собственного поля пространственного заряда пучка электронный поток частично или полностью может отразиться к пушечному концу прибора. В результате, вследствие накопления пространственного заряда в области между пушкой и областью отражения потока, в системе возникают колебания плотности пространственного заряда в пучке. Эти колебания детектируются широкополосной электродинамической системой 5 и выводятся через вывод энергии 6.
Как показали проведенные ранее исследования, несмотря на получение ряда положительных результатов, в задаче создания эффективного перестраиваемого источника широкополосного сигнала СВЧ диапазона на основе интенсивных пучков с виртуальным катодом требуется продолжать дополнительные планомерные исследования в области изучения и создания источников сверхширокополосного СВЧ излучения на основе электронных потоков с виртуальным катодом. Так, например, было показано, что на качество спектра выходного излучения системы с виртуальным катодом значительное влияние оказывает разброс по начальным скоростям электронного потока [Калинин Ю.А. Храмов А.Е. // ЖТФ. 2006. Т.76. №5. С.25-34]. Таким образом, скоростной разброс пучка, возникший в результате усиления естественных шумов источника электронов или в результате искусственного введения распределения по скоростям, становится дополнительным управляющим параметром для системы с виртуальным катодом. Проводились также предварительные исследования влияния внешнего ведущего магнитного поля на динамику электронного потока с виртуальным катодом [Куркин С.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. // Изв. вузов «ПНД». 2008. Т.16. №4. C.182], а также особенности возникновения и динамики виртуального катода в трубчатом электронном потоке [Куркин С.А., Храмов А.Е. // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. №1. С.48]. Понятно, что такие параметры (разброс начальных скоростей электронов, конфигурация электронно-оптической системы пушки, использование или отсутствие внешнего ведущего магнитного поля, особенности траекторий частиц формируемого электронного пучка) будут играть важную роль при работе реального прибора.
Рассмотрим подробнее результаты численного моделирования и экспериментальных исследований низковольтного виркатора с источником электронов в виде магнетронно-инжекторной пушки (МИП).
z
||
⊥
||
⊥
0
||
Начальные условия в численном моделировании были подобраны таким образом, чтобы в системе реализовывались условия полного прохождения электронного потока в режиме малого пространственного заряда. Это соответствует малым питч-факторам g электронного потока в пространстве дрейфа (в области с максимальной постоянной величиной продольной составляющей B магнитного поля): g=v/v≈2.5, где v - продольная дрейфовая компонента скорости заряженных частиц, а v - поперечная компонента скорости. Данный режим работы МИП характеризуется значительными величинами поперечных скоростей (g>1), недостаточных, однако, для образования магнитной ловушки для электронного потока. Величина ускоряющего потенциала. прикладываемого к аноду, при моделировании была выбрана V=2500 V; отношение максимальной и минимальной величин продольной составляющей магнитного поля равно  при  kGs. Угол наклона φ плоскости катода к оси системы составлял в численном эксперименте величину φ=15°, что соответствует формированию пучка с регулярным пересечением траекторий. Ширина эмитирующего полоска МИП выбиралась достаточно широкой для получения значительного разброса по скоростям, который достигал для продольной компоненты скорости электронов величины δv=56%. Таким образом параметры системы в численном моделировании соответствуют параметрам реальных МИП, при которых в натурном эксперименте наблюдаются значительные собственные шумы электронного потока.
z
5
На фиг.4 приведен характерный мгновенный конфигурационный портрет пучка в координатах «продольные скорости v - координаты z заряженных частиц». Каждая точка на конфигурационном портрете соответствует одной заряженной частице. Отметим, что в среднем число частиц, используемых при моделировании, равно 10. Видно, что часть электронного потока проходит, теряя часть своей продольной кинетической энергии, через область пониженного потенциала (через область виртуального катода) и покидает пространство дрейфа через правую границу системы, а часть потока отражается от ВК обратно к катоду. При этом в отраженном потоке можно выделить две фракции частиц. Первую составляют электроны, которые в первый раз отражаются от ВК. На фиг.4 область первичного отражения электронов обозначена овальной рамкой «1». Часть таких частиц, вернувшись вновь от катода, может пройти через ВК и покинуть пространство дрейфа через правую границу системы. Частицы второй фракции обратного тока обладают меньшей кинетической энергией вследствие торможения в потенциальной яме между катодом и ВК. Из-за потери энергии такие электроны не могут преодолеть ВК и снова отражаются к плоскости инжекции (испытывая таким образом три и более отражения) в области, обозначенной на фиг.4 овальной рамкой «2». В обратном потоке такие электроны движутся с меньшей скоростью и соответствуют на фиг.4 менее интенсивно закрашенной области ниже оси. Такие частицы практически не имеют возможности покинуть образовавшуюся ловушку между ВК и катодом МИП благодаря конфигурации магнитного поля и величине ускоряющего напряжения пушки. Со временем эти захваченные долгоживущие в пространстве дрейфа частицы накапливаются в пространстве дрейфа, значительно влияя на динамику винтового электронного потока.
Необходимо отметить также, что процесс образования виртуального катода и накопления заряда происходит в области катода пушки, в связи с этим возможно создать более компактную систему (низковольтный виркатор) с меньшей длинной пространства дрейфа.
Проводились также экспериментальные исследования влияния параметров МИП на выходное излучение прибора СВЧ. В частности, исследовалось влияние ширины эмитирующего полоска 3 (см. фиг.1) на выходное излучение низковольтного виркатора. Исследования проводились для трех различных величин ширины полоска: h=1 мм, h=2 мм, h=3 мм.
На фиг.4 приведена зависимость максимальной частоты в спектре генерации СВЧ прибора с МИП в зависимости от ширины эмитирующего полоска h. На фиг.5 видно, что по мере увеличения ширины полоска растет макисмальная частота в спектре колебаний выходного излучения прибора. Подобная зависимость объясняется следующим образом. По мере увеличения ширины эмитирующего полоска на катоде МИП увеличивается токоотбор с катода и соответственно увеличивается ток полого цилиндрического пучка. Как было сказано выше, один из определяющих факторов возникновения нестационарного виртуального катода связан с воздействием собственного кулоновского поля пространственного заряда. Поэтому, по мере увеличения тока пучка, растет плазменная частота электронного потока и соответствующим образом меняется характерная частота колебаний в электронном потоке.
На фиг.6 приведена зависимость мощности Р (кривая 1) и ширины Δf/f полосы спектра колебаний (кривая 2) в цилиндрическом пучке при изменении ширины эмитирующего полоска. Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод, что увеличение ширины h эмитирующего полоска приводит к повышению выходной мощности, а также увеличению ширины генерируемой полосы частот. При этом выходная мощность может достигать величины порядка 70 Вт при максимальной ширине полоска h=3 мм. а ширина полосы доходит до 100% от основной частоты в спектре колебаний.
max
min
Важным свойством источников широкополосного хаотического сигнала является качество спектра, а именно его изрезанность, которая оперделяется как отношение максимальной мощности в спектре, к минимальной величине S=20log(P/P). На фиг.7 приведена зависимость изрезанности спектра колебаний выходного излучения от ширины эмитирующего полоска. Видно, что по мере увеличения ширины полоска изрезанность спектра значительно уменьшается, т.е. спектр мощности становится более равномерным и однородным. Хорошо известно, что МИП характеризуется значительным разбросом электронов по скоростям, высоким уровнем собственных шумов электронного потока [Tsimring S.E. Electron beams and microwave vacuum electronics. John Wiley and Sons, Inc.. Hoboken. New Jersey. 2007). Увеличение ширины эмитирующего полоска приводит к значительному увеличению скоростного разброса элеткронного потока, а также к увеличению собственных шумов пучка. Как показали более ранние исследования [Калинин Ю.А., Храмов А.Е. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния распределения электронов по скорости на хаотические колебания в электронном потоке в режиме образования виртуального катода. ЖТФ. 76, 5 (2006) 25-34], это приводит к расширению полосы генерации и меньшей изрезанности спектра, что и наблюдается согласно приведенным данным в системе с МИП.
Описанные свойства являются важными факторами для оптимизации работы низковольтных виркаторов как эффективных перестраиваемых генераторов широкополосного сигнала. В связи с этим МИП является перспективным источником электронного потока в низковольтном виркаторе.
Таким образом, используя магнетронно-инжекторную пушку в качестве источника электронного пучка в предложенном генераторе, существует возможность получения широкополосного шумоподобного СВЧ излучения.