СВЧ ГЕНЕРАТОР НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ

Полезная модель относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний 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.
В мощной электронике сверхвысоких частот известны генераторы СВЧ излучения, основанные на образовании в электронном потоке со сверхкритическим током нестационарного виртуального катода и его колебаниях (Патент США №4345220, МПК: НОЗВ 9/01, Alyokhin B.V., Dubinov A.E., Selemir V.D. et al., Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices // IEEE Trans. Plasma Sc., 1994, v.22, N 5, p.945; Диденко А.Н., Ращиков В.И. Генерация мощных СВЧ колебаний в системах с виртуальным катодом // Физика плазмы. 1992. Т.18, №9. С.1182; Трубецков Д.И., Храмов A.E. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004). Виртуальный катод представляет собой область в пространстве взаимодействия, в которой наблюдается отражение части электронов обратно к плоскости инжекции, в результате чего электронный поток в области виртуального катода делится на две части -отраженный от виртуального катода к плоскости инжекции и проходящий через виртуальный катод к коллектору. В результате колебаний виртуального катода отраженный и проходящий пучки оказываются промодулированными по плотности и скорости на частоте колебаний виртуального катода. Приборы СВЧ, использующие для генерации колебаний различного уровня мощности и различной шириной полосы электронный пучок с виртуальным катодом, получили название «виркаторы».
Основной особенностью виркаторов является отражение части электронов от виртуального катода и осаждение их на электродах с потенциалом, равным ускоряющему. Это приводит к снижению КПД, который составляет 1-5% (Рухадзе А.А., Столбецов С.Д., Тараканов В.П. Виркаторы (обзор) // Радиотехника и электроника. 1992. Т.37. №3. С.385; Трубецков Д.И., Храмов A.E. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004).
Наиболее близким к заявляемому устройству является виркатор. Приборы виркаторного типа содержат следующие основные конструктивные элементы: мощный
источник электронов, выполненный в виде металлического диска (конструкция прибора позволяет использовать различную геометрию катода), анод, выполненный в виде либо сетки, либо фольги, прозрачной для электронного потока, электродинамическую систему, выполненную в виде волновода, а также вывод энергии в виде рупора. Коллектором в данном случае служат стенки волновода, на которые оседает отработанный электронный пучок. Функционирование генераторов мощного СВЧ излучения сантиметрового диапазона виркаторного типа основано на колебаниях виртуального катода, возникающего в потоке релятивистских электронов, находящихся в пролетном канале (волноводе), и имеющих плотность тока больше критической для данной геометрии волновода (Кузелев М.В., Рухадзе А.А. «Электродинамика плотных электронных пучков в плазме», М.: Наука, 1990). Мощное импульсное широкополосное СВЧ излучение, при этом, является результатом нестационарной динамики виртуального катода, который совершает сложные продольные и поперечные колебания в электронном пучке, транспортируемом через пространство взаимодействия в присутствии или отсутствии фокусирующего магнитного поля. При этом часть электронов проходит через область виртуального катода и оседает на коллекторе прибора, другая же часть электронного потока (более половины инжектируемого тока (Дубинов А.Е., О токе, прошедшем через виртуальный катод // ЖТФ, 2003, т.73, вып.9. С.126)), отражаясь от виртуального катода, возвращается к плоскости инжекции, оседая также на стенках канала, либо на ускоряющей сетке.
Т.о., наличие возвратных электронов существенно снижает мощность генерируемых колебаний, а также технический КПД прибора, который не превышает величину 1-5%.
Задачей данного технического решения является повышение КПД электронных приборов с виртуальным катодом, используемых в качестве источника колебаний различного уровня мощности в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн.
Поставленная задача решается тем, что СВЧ генератор на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, согласно предлагаемому решению, содержит дополнительный коллектор-рекуператор энергии, расположенный между источником электронов и коллектором (перпендикулярно направлению движения пучка электронов) с возможностью улавливания отраженных от виртуального катода электронов, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора.
Технический результат достигается за счет использования дополнительного электрода - коллектора-рекуператора энергии отраженных от виртуального катода
электронов, который располагается за электронной пушкой.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 (а) схематично представлен заявляемый СВЧ генератор, на фиг 1 (б) - распределение индукции магнитного поля вдоль пространства взаимодействия, пунктирной чертой со стрелкой обозначена область виртуального катода; на фиг.2 приведены расчетные траектории электронов в пучке при оптимальной конфигурации магнитного поля, распределение которого по оси системы представлено на фиг.16., где символами «А» и «ВК» обозначены тормозящий электрод и виртуальный катод соответственно, на фиг.3 - представлены расчетные значения КПД от величины тормозящего потенциала коллекторов, при наличии только одного коллектора 12 (фиг.1а, кривая 1), и при наличии коллектора 12 и коллектора-рекуператора отраженных электронов 6 (фиг.1а) (кривая 2).
k1
Позициями на чертежах обозначены: 1 - электронный пучок; 2 - термокатод; 3 -фокусирующий электрод; 4 - модулирующая сетка; 5 - анод; 6 -коллектор-рекуператор отраженных электронов, выполненный в виде диафрагменного электрода (имеет потенциал Ги); 7 - виртуальный катод, формирующийся в пучке; 8 - отраженные от виртуального катода электроны; 9 - отрезок широкополосной электродинамической системы (ОЭС), используемой для вывода ВЧ мощности на нагрузку; 10 - поглощающая вставка; 11 - вывод энергии; 12 -коллектор (имеет потенциал V).
Схема вакуумного нерелятивистского СВЧ генератора на виртуальном катоде с дополнительным электродом - коллектором-рекуператором отраженных электронов -содержит следующие основные конструктивные элементы (см. фиг.1а).
0
В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка 1 используется электронная пушка, которая включает в себя термокатод 2, фокусирующий электрод 3, модулирующую сетку 4 и анода 5, на который подается ускоряющий потенциал V. После электронной пушки электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям попадает в отверстие коллектора-рекуператора 6, выполненного в виде диафрагмы, что не препятствует основному току электронов, и задерживает поток отраженных от виртуального катода 7 электронов 8. Пространство взаимодействия помещается в отрезок широкополосный электродинамической системы 9 (ОЭС), применяемый для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС нагружен на поглощающую вставку 10 и вывод энергии 11. Далее отработанный электронный пучок осаждается на коллекторе 12.
k1
Принцип действия устройства следующий. Электронная пушка формирует интенсивный электронный пучок, который инжектируется в пространство взаимодействия. На коллектор подается тормозящий потенциал V. При некотором
значении тормозящего потенциала коллектора в электронном пучке имеет место возникновение виртуального катода 7 (см. фиг.1а), колебания которого во времени и пространстве модулируют электронный пучок по скорости и плотности, причем значительная часть электронов отражается от виртуального катода обратно к первой сетке. В результате в системе возникают колебания, ширина полосы и мощность которых существенно зависит от первеанса электронного пучка. Для вывода широкополосного хаотического сигнала используется ОЭС 9, который позволяет снять СВЧ мощность в полосе частот более двух октав.
Отраженные от виртуального катода электроны начинают возвратное движение к пушечному концу пространства взаимодействия по траекториям, существенно отличающимся от траекторий первоначального пучка, и улавливаются электродом 6, потенциал которого меньше естественного в данной области пространства. Это приводит к дополнительному торможению отраженного потока электронов, и, соответственно, к дополнительному энергообмену между электронами и электромагнитным полем в пространстве взаимодействия.
Для наиболее эффективной фокусировки отраженного пучка и более полного сбора отраженных от виртуального катода электронов на втором коллекторе, используется магнитное поле специальной конфигурации, изображенной на фиг.16.
k2
0
Численные расчеты показывают, что магнитное поле, монотонно увеличивающееся на оси системы с ростом продольной координаты до точки образования виртуального катода (фиг.16), имеет оптимальную конфигурацию для фокусировки электронов. Из фиг.2 видно, что при таком распределении статического магнитного поля дополнительный тормозящий электрод (коллектор-рекуператор), выполненный в виде диафрагмы, будет улавливать до 90% всех отраженных электронов. Варьирование величины и распределения магнитного поля не будет существенным образом влиять на характерные траектории отраженных электронов, однако может существенно снижаться доля электронов, которые попадают на электрод 6. Таким образом, при оптимальных внешнем магнитном поле и форме коллектора-рекуператора основная часть отраженных электронов попадает на коллектор-рекуператор в режиме торможения (V/V<1).
На фиг.3 приведены расчетные значения КПД от величины тормозящего потенциала в случае отсутствия (кривая 1) и наличия (кривая 2) дополнительного коллектора-рекуператора. Расчеты для второго случая приведены при оптимальной конфигурации магнитного поля. Видно, что при торможении пучка отраженных электронов дополнительным коллектором-рекуператором существенно (в 2-2.5 раза) увеличивается технический КПД прибора. При этом максимальные различия
k2
0
наблюдаются при малых значениях нормированного потенциала коллекторов (значительном торможении). Отметим, что траектории на фиг.2 построены для величины тормозящего потенциала порядка V/V=0,4, поэтому в этом случае может быть достигнуто увеличение КПД генерации ориентировочно до величин порядка η=12-13%.
Таким образом, в генераторе на виртуальном катоде путем применения дополнительного тормозящего электрода (коллектора-рекуператора) возможно увеличение технического КПД примерно в 2-2,5 раза.