МИКРОВОЛНОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВИРКАТОРА С АНТЕННАМИ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
MICROWAVE RADIATOR BASED ON VIRCATOR WITH RUNNING WAVE AERIALS

Изобретение относится к релятивистской сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных или импульсно-периодических источников СВЧ-излучения.
Известен СВЧ-генератор на основе виртуального катода (ВК) - виркатор [1] (Kostov K.G., Nikolov N.A., Spassovsky I.P., Spassov V.A. «Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field», Appl. Phys. Lett., 1992, v.60, №21, p.2598), содержащий образующие диодный узел, последовательно расположенные эмиттер электронов (катод) и часть анодного электрода с диафрагмой (сеткой). Эмиттер и анодный электрод подключены к источнику питания. За диодным узлом следует труба дрейфа, образованная расположенной за сеткой частью анодного электрода, которая служит коллектором пролетных электронов и одновременно обратным токопроводом. Далее следует средство вывода излучения в виде конической рупорной антенны.
При подаче на катод от источника питания высоковольтного импульса отрицательной полярности инжектируемые с катода электроны образуют за анодной диафрагмой виртуальный катод (ВК). Колебания электронов между катодом и ВК, а также осцилляции самого ВК приводят к генерации СВЧ-излучения, выводимого из волновода через антенну.
Основной недостаток данного устройства заключается в малом КПД генерации СВЧ-излучения.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является СВЧ-генератор на основе виртуального катода [2] (Булычев С.В., Дубинов А.Е., Дубинов Е.Е. и др. «Виркатор», Патент РФ №2180975, приоритет от 27.08.1999), содержащий последовательно расположенные, изолированные друг от друга эмиттер электронов (катод), анодный электрод с диафрагмой и коллектор электронов. Источник питания подсоединен к эмиттеру и анодному электроду. Обратный токопровод в виде гибких проводов, являющихся антенной бегущей волны, соединяет анодный электрод и коллектор.
При подаче импульса высокого напряжения на промежуток "эмиттер - диафрагма" с эмиттера по направлению к диафрагме устремляется электронный пучок, ускоряясь в этом промежутке. Пройдя сквозь диафрагму, пучок замедляется, и в промежутке "диафрагма - коллектор" формируется ВК. ВК, осциллируя по величине заряда и по местоположению, то пропускает электронный поток к коллектору, то отражает его назад к диафрагме. Таким образом, на коллектор приходит модулированный ток электронов с частотой модуляции, равной частоте осцилляции ВК. Этот модулированный ток в дальнейшем протекает по проводам обратного токопровода и замыкается на анодной диафрагме. Протекание модулированного тока по проводам вызывает излучение антенных систем, в частности петлевого типа.
Основной недостаток данного устройства заключается в малом КПД генерации СВЧ-излучения, связанном с пробойными явлениями вдоль изолятора между коллектором и анодным электродом из-за большой величины электрического заряда, который не успевает стекать через гибкие провода обратного токопровода. Кроме того, этот заряд увеличивает потенциал коллектора, что приводит к частичному отражению электронного потока, направленного к коллектору, и, тем самым, снижает общую энергетику устройства. Накопление заряда на коллекторе обусловлено тем, что обратный токопровод имеет высокий импеданс из-за своих геометрических размеров, обусловленных согласованием сопротивления излучения и импеданса пучка электронов в устройстве, а накопление большой величины электрического заряда приводит к срыву генерации. Таким образом, вышеназванные факторы уменьшают время генерации СВЧ-излучения, снижая КПД излучателя.
Задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с повышенным КПД генерации сверхвысокочастотного излучения.
Техническим результатом данного решения является повышение КПД генерации СВЧ-излучения за счет увеличения времени генерации излучения путем исключения пробойных явлений в изоляторе между коллектором и анодным электродом, а также аккумулирования на коллекторе большего электрического заряда.
Данный результат достигается тем, что в микроволновом излучателе на основе виркатора с антеннами бегущей волны, содержащем последовательно расположенные в вакуумной камере, изолированные друг от друга эмиттер электронов и анодный электрод с диафрагмой, подсоединенные к источнику питания, изолированный от анодного электрода коллектор электронов, а также обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор и одновременно являющийся средством вывода сверхвысокочастотного излучения, между анодным электродом и коллектором электронов включено шунтирующее сопротивление.
При разработке заявляемого излучателя проблема состояла в создании условий, исключающих имеющий место в прототипе срыв генерации, происходящий вследствие пробойных явлений, вызванных большим напряжением между коллектором и анодным электродом. Вместе с тем, характерное для прототипа большое напряжение между коллектором и анодным электродом связано с большой величиной электрического заряда, накапливаемого на коллекторе, что увеличивает потенциал коллектора и приводит к частичному отражению электронного потока, направленного к коллектору, снижая общую энергетику излучателя. Все это влияет на время генерации, сокращая его.
В излучателе величину электрического заряда, получаемого коллектором и связанного с геометрическими характеристиками обратного токопровода, можно выразить следующим образом:
кол
где Q - величина электрического заряда, получаемого коллектором за период колебаний;
пуч
Q - величина электрического заряда пучка, распространяющегося от эмиттера к коллектору за период колебаний;
петл
Q - величина электрического заряда, стекаемого по гибким проводам обратного токопровода за период колебаний;
сопр
Q - величина электрического заряда, стекаемого по шунтирующему сопротивлению за период колебаний, или
пуч
где I - тока пучка;
t - текущее время, t∈[0, Т];
Т - период колебаний СВЧ-поля;
ρ - волновое сопротивление обратного токопровода;
С - емкость коллектора относительно анодного электрода;
R - шунтирующее сопротивление.
Напряжение между коллектором и анодным электродом должно быть меньше напряжения пробоя, т.е.:
пр
где U - напряжение пробоя между коллектором и анодным электродом, зависящее от характеристик конкретного микроволнового излучателя.
Таким образом,
или
Следует обратить внимание, что в условиях выбора величины шунтирующего сопротивления входящие в формулу (4) величины являются сложными функциями от других величин. Для определения этих величин для конкретной конструкции излучателя необходимы предварительные исследования с учетом конкретных технических требований и решаемой задачи, например с учетом расстояния между коллектором и анодным электродом, материала изолятора, давления остаточного газа в системе, и т.д.
В предложенном генераторе введение дополнительного шунтирующего сопротивления, включаемого между коллектором и анодным электродом, выбранного в соответствии с условием, отраженным в соотношении (4), приводит к уменьшению напряжения между анодным электродом и коллектором электронов, что устраняет пробойные явления и срыв генерации из-за них. Кроме того, это создает возможность аккумулировать на коллекторе больший электрический заряд (без пробоя по поверхности изолятора), повышая таким образом общую энергетику устройства, что в конечном итоге оказывает влияние на время генерации СВЧ-излучения и, соответственно, повышает КПД излучателя.
На чертеже схематично изображен микроволновый излучатель на основе виркатора с антеннами бегущей волны.
Заявляемый излучатель представляет собой вакуумную камеру с корпусом 1, в котором последовательно и изолированно друг от друга установлены эмиттер электронов (катод) 2 и анодный электрод 4 с прозрачной для электронов диафрагмой 3. Катод 2 и корпус 1 с анодным электродом 4 связаны с источником питания 10. Анодный электрод 4 и коллектор электронов 5 соединены обратным токопроводом 8 в виде антенны бегущей волны. Между анодным электродом 4 и коллектором электронов 5 введено шунтирующее сопротивление 6. Корпус закрывается диэлектрическим окном 7, отделяющим вакуумированную часть системы от внешней среды. Через диэлектрическое окно 7, одновременно являющееся изолятором между анодным электродом 4 и коллектором 5, проходят, не нарушая вакуум системы, гибкие провода обратного токопровода 8, подсоединенные одним концом к коллектору электронов 5, а другим концом - к анодному электроду 4. Обратный токопровод 8 находится во внешней среде. К промежутку "эмиттер - диафрагма" прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 10.
В качестве источника питания 10 возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А. «Генерирование мощных наносекундных импульсов», М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [4] (Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтьев А.А. и др. «Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока», М.: Наука, 2002).
Устройство работает следующим образом. Корпус 1 камеры и соответственно анодный электрод 4 и диафрагма 3 заземлены. При подаче импульса высокого напряжения отрицательной полярности на промежуток "эмиттер 2 - диафрагма 3" с эмиттера 2 по направлению к диафрагме 3 устремляется электронный пучок, ускоряясь в этом промежутке. Пройдя сквозь диафрагму 3, пучок образует ВК. ВК, осциллируя по величине заряда и по местоположению, то пропускает электронный поток к коллектору, то отражает его назад к диафрагме 3. Таким образом, на коллектор 5 приходит модулированный ток электронов с частотой модуляции, равной частоте осцилляции ВК. Этот модулированный ток в дальнейшем делится между проводами обратного токопровода 8 и шунтирующим сопротивлением 6, а затем замыкается на анодной диафрагме 3. Наличие шунтирующего сопротивления уменьшает потенциал коллектора, что устраняет пробойные явления и приводит к увеличению заряда пучка, аккумулируемого на коллекторе 5. Протекание модулированного тока по проводам вызывает излучение антенных систем петлевого типа.
-4
пp
В примере выполнения предложенного микроволнового излучателя на основе виркатора с антеннами бегущей волны корпус вакуумной камеры, эмиттер электронов, анодный электрод, коллектор выполнены из стали, анодная диафрагма выполнена из тонкой нихромовой проволоки, диэлектрическое окно изготовлено из оргстекла, шунтирующее сопротивление должно быть не больше 100 Ом. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10 Торр. Величина шунтирующего сопротивления выбрана в соответствии с выражением (4), исходя из конкретных характеристик излучателя. Например, величина U - напряжение пробоя между коллектором и анодным электродом зависит от характеристик конкретного микроволнового излучателя (от расстояния между коллектором и анодным электродом, материала изолятора, давления остаточного газа в системе, и т.д.).
Таким образом, включение шунтирующего сопротивления между анодным электродом и коллектором уменьшает потенциал коллектора, что устраняет пробойные явления и увеличивает заряд пучка, аккумулируемого на коллекторе, а это повышает КПД генерации СВЧ-излучения за счет увеличения длительности генерации.