УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРНОЙ СЕКЦИИ СИЛЬНОТОЧНОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА МИКРОВОЛН
DEVICE FOR PROTECTING GENERATOR SECTION OF HIGH-CURRENT RELATIVISTIC PULSE SOURCE OF MICROWAVES

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при создании сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн для защиты их генераторных секций от коллекторной плазмы и отраженных электронов.
Известно устройство-ловушка [RU 2388099, C1, H01J 3/00, H01J 49/06, 27.04.2010], содержащее полый цилиндрический электрод, покрытый изнутри материалом, обеспечивающим эмиссию электронов в полость между полым цилиндрическим электродом и центральным управляющим электродом цилиндрической формы, а также два экранирующих электрода, установленных соосно и симметрично к полому цилиндрическому электроду с двух сторон на расстоянии от его торцов, при этом, на электродах поддерживается потенциал необходимой величины и знака, необходимый для удержания электронов в полости, в стенке полого цилиндрического электрода выполнено отверстие, осевая линия которого совпадает с касательной к окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра полого цилиндрического электрода и больше диаметра центрального управляющего электрода.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для защиты генераторных секций сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн от коллекторной плазмы и отраженных электронов.
Известно также устройство-ловушка отраженных электронов [RU 2523447, C1, H01J 3/00, H01J 23/06, 20.07.2014], каждый электрод которой выполнен в виде ребра, изогнутого по винту, а катод снабжен цилиндрическим наконечником, длина которого не меньше, чем длина ребра ловушки.
Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для защиты генераторных секций сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн от коллекторной плазмы и отраженных электронов.
7
Наиболее близким к предложенному является устройство защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн [Воронков С.Н., Лоза О.Т., Стрелков П.С. Ограничение длительности импульса излучения СВЧ генераторов на микросекундных РЭП // Физика плазмы, 1991, т. 17, вып. 6, с. 751-755], которое установлено между его генераторной секцией и коллектором электронов, представляющее собой трубу с поперечным размером, превышающим поперечный размер электронного пучка, формируемого генераторной секцией источника микроволн, и с продольным размером, превышающим длину распространения плазмы с коллектора со скоростью 3·10 см/с в течение импульса, при этом, входной торец трубы, являющийся входом устройства, соединен с рупором, расположенным у выхода генераторной секции источника микроволн, выходной торец трубы соединен с коллектором электронов, а поверх трубы выполнена соединенная с источником тока винтовая обмотка, создающая перпендикулярное сечению трубы магнитное поле, силовые линии которого переходят в генераторную секцию.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая степень защиты генераторных секций сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн, поскольку это устройство задерживает внутри себя коллекторную плазму и препятствует проникновение ее в генераторную секцию, но практически не препятствует проникновению в нее отраженных с коллектора электронов.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является повышение степени защиты генераторных секций сильноточных релятивистских импульсных источников микроволн.
Требуемый технический результат заключается в повышении защитных характеристик устройства путем обеспечения защиты от проникновения в генераторную секцию не только коллекторной плазмы, но и отраженных с коллектора электронов.
7
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>B</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1.7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
0
0
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн, которое установлено между его генераторной секцией и коллектором электронов и представляет собой трубу с поперечным размером, превышающим поперечный размер электронного пучка, формируемого генераторной секцией, и с продольным размером, превышающим длину распространения плазмы с коллектора со скоростью 3·10 см/с в течение импульса, при этом, входной торец трубы, являющийся входом устройства, соединен с рупором генераторной секции, выходной торец трубы соединен с коллектором электронов, а поверх трубы выполнена соединенная с источником тока винтовая обмотка, создающая перпендикулярное сечению трубы магнитное поле, силовые линии которого переходят в генераторную секцию, согласно изобретению, входной торец трубы перекрыт пластиной, устанавливаемой поперек трубы на половину поперечного сечения, а труба, выполненная с поперечным размером, превышающим не менее чем вдвое поперечный размер электронного пучка в генераторной секции, изогнута по дуге на угол, не меньший
, где r - половина поперечного размера электронного пучка, формируемого генераторной секцией, В - индукция магнитного поля в генераторной секции, В - индукция магнитного поля в трубе, γ - релятивистский фактор электронов,
.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от наиболее близкого технического решения поперечными размерами и формой трубы, а также наличием наполовину перекрытого входного торца трубы, что позволяет сделать вывод о соответствии критериям новизны и изобретательского уровня.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - устройстве защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн с выходными элементами генераторной секции и коллектором электронов;
- на фиг. 2 - устройство-прототип.
На чертеже обозначены: 1 - генераторная секция, 2 - силовые линии магнитного поля, вдоль которых распространяется электронный пучок (пунктир), 3 - входной торец трубы, 4 - труба, 5 - выходной торец трубы, соединенный с коллектором электронов; 6 - сечение электронного пучка на входе в трубу, 7 - сечение электронного пучка на коллекторе электронов, 8 - сечение пучка отраженных от коллектора электронов, 9 - перекрытая половина входного торца трубы.
7
Устройство защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн установлено между его генераторной секцией 1 и коллектором электронов и представляет собой трубу 4 с поперечным размером, превышающим поперечный размер электронного пучка, формируемого генераторной секцией, и с продольным размером, превышающим длину распространения плазмы с коллектора со скоростью 3·10 см/с в течение импульса.
Кроме того, в устройстве защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн входной торец 3 трубы, являющийся входом устройства, соединен с рупором генераторной секции 1, выходной торец 5 трубы соединен с коллектором электронов, а поверх трубы 4 выполнена соединенная с источником тока винтовая обмотка, создающая перпендикулярное сечению трубы магнитное поле, силовые линии 2 которого переходят в генераторную секцию 1.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>B</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1.7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
0
0
Согласно изобретению в устройстве защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн входной торец 3 трубы перекрыт пластиной, устанавливаемой поперек трубы на половину поперечного сечения, а труба 4, выполненная с поперечным размером, превышающим не менее, чем вдвое, поперечный размер электронного пучка в генераторной секции, изогнута по дуге на угол, не меньший
, где r - половина поперечного  электронного пучка, формируемого генераторной секцией, В - индукция магнитного поля в генераторной секции, В - индукция магнитного поля в трубе, γ - релятивистский фактор электронов,
.
Используется устройство защиты генераторной секции сильноточного релятивистского импульсного источника микроволн следующим образом.
Устройство предназначено для предотвращения попадания плазмы и отраженных с коллектора электронов в генераторную секцию релятивистского сильноточного СВЧ-генератора и располагается между генераторной секцией и коллектором.
7
Устройство представляет собой трубу 4 эллиптического или многоугольного сечения с поперечным размером, не менее, чем вдвое превышающим поперечный размер электронного пучка, и с продольным размером, превышающим длину распространения плазмы с коллектора со скоростью 3·10 см/с в течение импульса. Входной торец 3 трубы, являющийся входом устройства, соединен с рупором генераторной секции 1, выходной торец 5 трубы соединен с коллектором электронов, а поверх трубы 4 выполнена соединенная с источником тока винтовая обмотка, создающая перпендикулярное сечению трубы магнитное поле, силовые линии 2 которого направлены в направлении генераторной секции 1.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>B</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1.7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
0
0
Входной торец 3 трубы перекрыт пластиной, устанавливаемой поперек трубы на половину поперечного сечения, а труба 4, выполненная с поперечным размером, превышающим не менее чем вдвое поперечный размер электронного пучка в генераторной секции, изогнута по дуге на угол, не меньший
, где r - половина поперечного размера электронного пучка, формируемого генераторной секцией, В - индукция магнитного поля в генераторной секции, В - индукция магнитного поля в трубе, γ - релятивистский фактор электронов,
.
Труба 4 изогнута и вместе с ней изогнуты силовые линии магнитного поля. Электроны движутся по спиралевидным траекториям вдоль силовых линий однородного магнитного поля. При искривлении силовых линий электроны, двигаясь вдоль них по спиралевидным траекториям, смещаются (дрейфуют) перпендикулярно плоскости поворота силовых линий. Главная особенность такого дрейфа заключается в том, что направление смещения не зависит от направления движения вдоль силовой линии. Электронный пучок из генераторной секции 1 проникает в открытую часть входного торца 3 трубы и, смещаясь относительно магнитных силовых линий перпендикулярно плоскости изгиба трубы, достигает выходного торца 5 трубы, соединенного с коллектором электронов. Часть электронов отражается от коллектора, т.е. образуется встречный электронный пучок с поперечным размером, равным размеру пучка на коллекторе. Электроны встречного пучка двигаются от коллектора к входному торцу 3 трубы, постепенно смещаясь перпендикулярно плоскости изгиба трубы в ту же сторону, что и электроны, двигающиеся к коллектору. Таким образом, по мере удаления от коллектора и приближения к входу трубы поперечные сечения двух встречных электронных пучков постепенно рассовмещаются. Для полного рассовмещения двух встречных электронных пучков во входном сечении трубы необходимо, чтобы угол изгиба трубы был не менее
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>B</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
0
0
<mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1.7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
где r - половина поперечного размера электронного пучка, формируемого генераторной секцией, В - индукция магнитного поля в генераторной секции, В - индукция магнитного поля в трубе, γ - релятивистский фактор электронов,
.
Радиус поворота трубы существенного значения не имеет. При излишне большом радиусе возрастает объем трубы с магнитным полем внутри нее и потери энергии на создание этого поля, но на работоспособность устройства это не влияет.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>e</mi><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub><mi>B</mi></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1.7</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
0
0
Таким образом, благодаря тому, что, в отличие от наиболее близкого технического решения в предложенном устройстве входной торец трубы перекрыт на половину поперечного сечения, а труба, выполненная с поперечным размером, превышающим не менее чем вдвое поперечный размер электронного пучка, формируемого генераторной секцией, изогнута по дуге на угол не меньший
, где r - половина поперечного размера электронного пучка, формируемого генераторной секцией, В - индукция магнитного поля в генераторной секции, В - индукция магнитного поля в трубе, γ - релятивистский фактор электронов,
, в устройстве достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении защитных характеристик устройства, поскольку в нем обеспечивается защита от проникновения в генераторную секцию не только коллекторной плазмы, но и отраженных с коллектора электронов.