СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ КВАНТОВ
UHF QUANTA GENERATION METHOD

Изобретение основано на использовании энергии электронного взаимодействия потока заряженной плазмы (электронных пучков) и может быть применено в системах электропитания, связи, управления, телеметрии и других системах мобильных аппаратов, а также в различных стационарных установках электроснабжения, связи, информационно-измерительных устройств и др.
Известен способ, реализованный в СВЧ-генераторе и принятый в качестве прототипа (Статья «СВЧ-генераторы хаотических колебаний на основе электронных пучков с виртуальным катодом». - Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2008, с.53-55).
Известный способ генерации квантов СВЧ диапазона из электронных пучков заключается в получении электронного пучка с помощью электронной пушки, отборе энергии из электронного пучка для СВЧ-генерации путем частичного уменьшения скорости (торможения) электронного пучка.
Недостатком прототипа является использование незначительной части (порядка 20%) энергии электронного пучка, так как увеличение степени торможения электронного пучка вызывает прекращение СВЧ-генерации. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором, на это непроизводительно расходуется электроэнергия, существенно снижая КПД системы электропитания.
Задачей изобретения является устранение непроизводительных потерь электроэнергии, повышение мощности СВЧ-генерации и КПД системы электропитания путем более полного использования энергии электронного пучка.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе генерации СВЧ квантов, основанном на отборе энергии из сформированного с помощью электронной пушки электронного пучка, согласно техническому решению, одновременно с формированием электронного пучка осуществляют его модуляцию анодным полем электронной пушки на рабочей частоте системы электропитания, после чего электронный пучок для повышения энергии пучка и плотности заряда сжимают электрическим полем, например, двойного электрического слоя с дальнейшей остановкой электронов при помощи барьера, состоящего из диэлектрического и электропроводящего слоев, во время которой электроны отдают энергию в виде электромагнитных квантов с параметрами, зависящими от значения корректирующего напряжения поля рабочей частоты, которым воздействуют на сжатый электронный пучок до остановки электронов, затем электроны направляют в систему электропитания для получения электрической мощности рабочей частоты.
Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройства, схема которого представлена на рисунке.
g
g
ЭП
4-6
g
p
4-6
1
ЭП
2
p
2
Устройство содержит плазмотрон 1 с электродуговым катодом K и анодом A(возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным катодом, катодом на основе СВЧ-разряда, оптического разряда и др. [«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.165…169, с.301…326], электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А, электроды 4 сжимающего электрического поля. Электроды 4 выполнены из материала, являющегося проводником первого рода, и имеют осевую рабочую полость 5 с двойным электрическим слоем, причем входная часть рабочей полости выполнена со сходящейся конусностью, а выходная часть имеет цилиндрическую форму. Сжимающее электрическое поле, которое уплотняет электронный пучок в поперечном сечении, можно получить с помощью электрических, магнитных «квадрупольных электронных линз» (см. «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - кн. 2, т.2, М.: «Наука/интерпериодика», 2000, с.884…885). Кроме того, устройство содержит металлические обкладки 6, которые совместно с электродами 4 и изоляторами 7, расположенными между обкладками 6 и электродами 4, представляют собой конденсаторы C, электроды 8 корректирующего напряжения, барьеры электронов 9, состоящие из диэлектрического 9дс и электропроводящего 9эс слоев, каналы 10 электромагнитных квантов СВЧ диапазона, в качестве которых могут быть применены волноводы, резонаторы, световоды и др., симметричный силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, имеющий среднюю точку 12, соединенную с катодом K  электродугового плазмотрона 1, систему электропитания 13 с циклической рабочей частотой ω. Конденсаторы C соединены последовательно с индуктивностями L СТП 11, аноды А электронных пушек 2 соединены с резонансными контурами LC, а электроды 8 корректирующего напряжения соединены с частью обмотки индуктивности L СТП 11.
g
g
p
g
g
ЭП
p
ЭП
Работает данное устройство следующим образом. Необходимое напряжение подают на анод A и катод K плазмотрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой. Одновременно на аноды электронных пушек 2 подают переменное напряжение рабочей частоты ω. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами дуги A и K в ортогонально направленном полю дуги (скрещенным с полем дуги) электрическом анодном поле А электронных пушек 2, которым выводят из области электрической дуги электроны, при этом ускоряют и модулируют пучки электронов 3, воздействуя переменным напряжением Ua с циклической рабочей частотой ω, подаваемым в противофазе на выходные аноды А электронных пушек 2.
r
вх
вых
вх
вых
2
3
Затем пучки сжимают в радиальном сечении электрическим полем E в рабочей полости 5. Так как напряженность электрического поля двойного электрического слоя в 10…10 раз больше напряженности поля электронного пучка (см. Большой энциклопедический словарь, физика, - М.: «Большая российская энциклопедия», 1998, с.144), то плотность заряда, энергия электронного взаимодействия, создаваемая силами Кулона и Лоренца, и мощность электронного пучка повышается в d/d раз, где d и d - диаметры, соответственно, входного и выходного отверстий рабочей полости 5, имеющей двойной электрический слой.
к
2
к
СВЧ
После этого на электронные пучки воздействуют электрическим полем, созданным на электроде 8 корректирующим напряжением (U), снимаемым с части обмотки L. Коррекцией напряжения U можно управлять параметрами СВЧ квантов, например длиной волны λ.
СВЧ
e/
к
Известно (Л.А. Сена «Единицы физических величин и их размерности», М.: «Наука», 1977, с.259…262), что λ=h·ϑe·U,
СВЧ
e
e
a
e
a
ЭП
е
к
1/2
где λ - длина волны кванта, h - постоянная Планка, ϑ - скорость электронов в пучке, которая определяется по формуле: ϑ=(2·e·U/m), где U - напряжение анода А, m - масса электрона, e - заряд электрона, U - корректирующее напряжение.
к
СВЧ
2
еП
ЭЦ
2
p
ЭП
a
k
2
ЭЦ
a
k
ЭЦ
ЭЦ
2
p
2
Останавливают электроны пучка с помощью барьера электронов 9, представляющего собой плотную среду, не пропускающую (задерживающую) электроны, но прозрачную для генерируемых электромагнитных квантов СВЧ. Барьер электронов выполнен в виде диэлектрического слоя 9дс (им могут быть твердые диэлектрики с малой диэлектрической проницаемостью, например стекло кварцевое, полиэтилен и др.) и электропроводящего слоя 9эс, нанесенного на поверхность диэлектрического слоя 9дс. Каждый остановленный электрон отдает полученную в корректирующем поле электрода 8 энергию (e·U) в виде электромагнитного кванта с длиной волны λ, поступающего в соответствующий канал 10 (резонатор, волновод, световод и др.). По электропроводящему слою 9эс, активированному электронами пучка 3, электроны переходят на электрод 8 и далее в электрическую цепь L, превращая конвекционный ток электронного пучка I в ток электропроводимости I цепи L, работающей в режиме резонанса токов совместно с конденсатором C. Оставшаяся часть полученной электроном в анодном поле Аэлектронной пушки 2 энергии e(U-U) отдается полю корректирующего напряжения и возвращается через электрод 8, цепь L СТП 11 в систему электропитания 13 в виде мощности S=(U-U)/Z, где Z - сопротивление электрической цепи системы электропитания 13, трансформированное СТП 11 в электрическую цепь L, которая работает в режиме резонанса токов с конденсатором C.
4-6
4-6
4-6
4-6
ДЭС
4-6
Электроды 4 и металлические обкладки 6 с изоляторами 7 являются конденсаторами C, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость двойного электрического слоя, т.к. C соединены последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя на поверхности рабочей полости 5. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U на конденсаторах C будет в C/C раз больше потенциала двойного электрического слоя в рабочей полости 5, что составляет 3…4 порядка.
4-6
ДЭС
4-6
ДЭС
ДЭС
4-6.
U=q/C=U·C/C
1
p
1
p
4-6
-1
Это напряжение подают на обмотку L СТП 11 и создают резонанс напряжений, чтобы ωL=(ωC).
Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора 11, равна:
a
ЭП
При смене полярности полуволны напряжения U на выходном аноде А электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок, и получают электрическую мощность в другом плече симметричной электрической цепи СТП 11. Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность рабочей частоты системы электропитания 13.
g
p
Совершив работу в электрической цепи, электроны приходят на катод электрической дуги K, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла генерации СВЧ квантов по предлагаемому способу и получения электрической мощности рабочей частоты ω в системе электропитания 13.
СВЧ
k
k
k
a
2
1
Таким образом, предлагаемый способ генерации электромагнитных квантов СВЧ дает возможность создавать кванты в диапазоне длин волн λ изменением U от U→0 до U=U. Неиспользованную на генерацию квантов энергию электронного пучка путем двухполупериодного преобразования в режиме резонанса токов в цепи L и резонанса напряжений в электрической цепи L превращают в электрическую мощность системы электропитания 13, повышая КПД системы электропитания.
1
Кроме того, сжатие электронного пучка двойным электрическим слоем в рабочей полости 5, за счет сил Кулона и сил Лоренца, увеличивает энергию взаимодействия электронов в пучке, которую также преобразуют в соответствующую мощность с помощью цепи L СТП 11, увеличивая мощность СВЧ-генерации и КПД системы электропитания 13. Эту дополнительно получаемую мощность можно использовать для электропитания других устройств мобильного аппарата.