СВЕРХНИЗКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНЫХ ШУМОПОДОБНЫХ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ С РАДИАЛЬНЫМ СХОДЯЩИМСЯ ТУРБУЛЕНТНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и радиофизики, предназначена для генерации широкополосных шумоподобных сигналов малой и средней мощности и может быть использована для создания генераторов СВЧ излучения.
Широкополосные шумоподобные сигналы находят широкое применение в различных областях техники, таких как информационно-телекоммуникационные системы, радиолокация, измерительная техника и т.д. (А.С.Дмитриев, А.И.Панас. М.: Физматлит.- 2002; Н.Н.Залогин, В.В.Кислов. М.: Радиотехника. - 2006.). Кроме того, представляется перспективным использование подобных сигналов в ряде отраслей обрабатывающей промышленности, таких как нефтеперерабатывающая промышленность, деревообрабатывающая и т.п. (Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Березин С.И. Наука и технологии в промышленности. 3 (2009) 28-31.)
Известен сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода с радиальным пучком (Птицин Б.Г., Селемир В.Д., Шилин К.С. Патент РФ на изобретение №2395132 МПК H01J 25/02), который содержит установленный в вакуумной камере и подключенный к внешнему источнику питания коаксиальный диод, образованный полым цилиндрическим катодом и размещенным в нем полым прозрачным для электронов анодом, соединенным с корпусом вакуумной камеры, и переходящим в устройство вывода сверхвысокочастотного излучения, в полости анода расположен гальванически связанный с катодом осевой электрод, при этом пары катод-анод и анод-осевой электрод образуют коаксиальные линии с одинаковым волновым сопротивлением, и установлены с обеспечением организации искусственной положительной обратной связи. Кроме того, указано, что эмитирующая электроны часть катода может быть установлена с возможностью осевого перемещения. Образованные внутренние коаксиальные линии организуют при генерации СВЧ-излучения искусственную положительную обратную связь, приводящую к дополнительной модуляции пучка электронов. Основным недостатком данного генератора является узкая полоса генерации.
Известен также сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода с радиальным пучком (Селемир В.Д., Дубинов А.Е., Птицын Б.Г., Шилин К.С. Патент РФ на изобретение 2297688 МПК H01J 25/68.). СВЧ-генератор на основе виртуального катода с радиальным пучком содержит вакуумную камеру, в корпусе которой, коаксиально, без контакта между собой, установлены электрически связанные с внешним источником питания полые цилиндрические катод и расположенный в нем анод, выполненный из проводника, сформированного в виде винтовой линии, прозрачный для электронов, и присоединенный к волноводу, переходящему в устройство вывода сверхвысокочастотного излучения. Основным недостатком данного генератора также является узкая полоса генерации.
Наиболее близким аналогом по техническому решению к предлагаемому устройству является виркатор с радиальным сходящимся пучком (см. патент РФ на изобретение №2352014, МПК H01J 25/00). Виркатор представляет собой расположенный в волноводе вакуумной камеры коаксиальный диод, состоящий из полого цилиндрического катода с внутренней эмиссионной поверхностью и анода в виде, по крайней мере, двух сеток в форме полого цилиндра и анодного электрода. Сетки расположены внутри катода соосно с ним. Сетки установлены таким образом, чтобы между ними образовывались виртуальные катоды. Из генератора в свободное пространство микроволновое излучение выводится с помощью системы вывода излучения в виде рупорной антенны. Сетки электрически связаны с рупором посредством анодного электрода. Внутренние вакуумируемые полости генератора (вакуумная камера) отделены от внешнего пространства диэлектрическим вакуумплотным окном. К диоду прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания. В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения.
Недостатками вышеописанной конструкции являются низкий КПД и узкая полоса генерации.
Задачей данного технического решения является создание такого генератора шумоподобных широкополосных колебаний на турбулентных электронных пучках, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечил бы получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот с использованием более низких значений ускоряющих напряжений и более высоким уровнем КПД.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний с радиальным сходящимся турбулентным электронным пучком, состоит в повышении КПД устройства и расширении полосы генерации.
Указанный технический результат достигается тем, что сверхнизковольтный генератор широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний с радиальным сходящимся турбулентным электронным пучком, содержащий соосно расположенные в цилиндрическом корпусе полый цилиндрический катод, внутри которого расположен полый цилиндрический анод, а также систему вывода СВЧ излучения, согласно решению, анод выполнен в форме спирали, внутри анода соосно расположен коллектор-отражатель, анод соединен с системой вывода СВЧ излучения, выполненной в виде коаксиальной линии передачи, при этом анод и коллектор-отражатель установлены с зазором, предназначенным для формирования турбулентных электронных пучков. Коллектор-отражатель имеет поперечное сечение в виде ромба с закругленными и вогнутыми внутрь сторонами и подключен к источнику тормозящего напряжения, а анод подключен к источнику ускоряющего напряжения. Генератор содержит источник внешнего продольного магнитного поля, предназначенного для создания плотных сгустков пространственного заряда в пространстве между коллектором-отражателем и анодом.
Повышение КПД устройства и расширение полосы генерации происходит за счет оригинальной конструкции прибора, в которой:
1. в качестве анода применена сетка в виде спиральной линии, соединенная с коаксиальным выводом энергии, регистрирующая продольные колебания сгустков пространственного заряда;
2. за счет специальной формы коллектора-отражателя обеспечивается фокусировка отраженного электронного пучка, что увеличивает плотность тока пространственного заряда в сгустках пучка, уменьшая при этом потерю электронов в области взаимодействия и позволяя обеспечить эффективную внутреннюю электронную обратную связь, что повышает КПД генератора;
3. для увеличения степени турбулентности в радиально сходящихся электронных пучках используется продольное магнитное поле, которое вместе с тормозящим электрическим полем создает систему скрещенных электрических и магнитных полей, приводящих к уплотнению сгустков пространственного заряда.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема сверхнизковольтного генератора широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний с радиальным сходящимся турбулентным электронным пучком. Позициями на чертеже обозначены:
1 - коллектор-отражатель;
2 - анод;
3 - катод;
4 - подогреватель;
5 - корпус,
6 - коаксиальный вывод энергии;
7 - внешнее продольное магнитное поле.
Сверхнизковольтный генератор широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний с радиальным сходящимся турбулентным электронным пучком содержит цилиндрический корпус 5, внутри которого соосно расположен полый цилиндрический катод 3, внутри катода соосно расположен анод в виде спирали 2, подключенный к источнику ускоряющего напряжения, внутри которого соосно расположен коллектор-отражатель 1.
В качестве источника радиально сходящихся электронных пучков используют катод 3 в виде цилиндра с внутренней эмитирующей поверхностью. Подогреватель 4 расположен между катодом 3 и корпусом 5. Вывод СВЧ энергии осуществляют через коаксиальный вывод энергии 6. Для создания наиболее плотных и интенсивно колеблющихся как в пространстве, так и во времени сгустков пространственного заряда всю систему помещают в продольное магнитное поле 7, а на коллектор-отражатель подают напряжение, меньшее ускоряющего, тем самым осуществляя торможение радиально сходящихся электронных пучков, эмитируемых с цилиндрического катода.
Принцип работы устройства следующий.
0
торм
торм
0
0
тopм
Катод 3 формирует радиально сходящийся электронный пучок, проходящий сквозь спираль 2. Электронный пучок приобретает значительный разброс по скоростям, затем попадает в область, где присутствует тормозящее электрическое поле, создаваемое коллектором-отражателем 1, что приводит к формированию турбулентности в электронном пучке уже непосредственно после спирали 2. Процесс формирования турбулентности в электронном пучке продолжается под действием продольного магнитного поля 7 и тормозящего электрического поля, создаваемого коллектором-отражателем. Специальный продольный профиль коллектора-отражателя в виде ромба, у которого стороны представляют собой вогнутые внутрь кривые, создает дополнительную фокусировку отраженных от коллектора электронных пучков. Отраженные от коллектора и сфокусированные им электронные пучки становятся встречными по отношению к радиально сходящимся от цилиндрического катода электронным пучкам, создавая тем самым в пространстве между коллектором-отражателем 1 и спиралью 2 более плотные сгустки пространственного заряда. Сгустки пространственного заряда таких встречных пучков совершают интенсивные пространственно-временные колебания и возбуждают съемник энергии, выполненный в виде спирали 2. Полученный сигнал через развязку по высокому напряжению выводят из прибора по коаксиальному элементу широкополосного вывода энергии 6. Режим генерации в приборе регулируют ускоряющим потенциалом U на спирали 2 и тормозящим потенциалом U (U<U), подаваемым на коллектор-отражатель. Варьируя значения ускоряющего U и тормозящего U потенциалов, возможно постепенное изменение спектра генерируемого сигнала от почти монохроматического до шумоподобного широкополосного и сверхширокополосного.
Для повышения степени турбулентности в электронном пучке вся система помещена в продольное магнитное поле. Таким образом, наличие тормозящего электрического поля и продольного магнитного поля способствует формированию и усилению развитой турбулентности в электронном пучке, что ведет к образованию большого количества сгустков пространственного заряда, совершающих интенсивные пространственно-временные колебания, которые являются источниками широкополосного шумоподобного микроволнового излучения.
Расчет прибора показывает, что при токе пучка, достигающем значений 2-3 А, и ускоряющем напряжении, изменяемом в диапазоне 300-400 В, выходная интегральная мощность может достигать 150-180 Вт. Полоса частот генерации прибора составляет Δf/f=1÷5. Технический КПД устройства достигает 15-18%.