ВИРКАТОР НА ОСНОВЕ РАДИАЛЬНОГО ПУЧКА
SHF GENERATOR BASED ON RADIAL BEAM

Изобретение относится к сверхвысокочастотной технике, а именно: к области генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК), и может быть использовано при создании генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Известен СВЧ-генератор с виртуальным катодом - виркатор [1] (Селемир В.Д., Дубинов А.Е., Птицын Б.Г., Шилин К.С. и др. Виркатор с баллистической фокусировкой электронного пучка, ЖТФ, 2004, том 74, вып.5), в вакуумной камере которого установлены диодный узел, состоящий из концентрических сферических катода и анода, дрейфового пространства и устройства вывода СВЧ-излучения в виде рупорной антенны. При срабатывании источника питания к диодному промежутку прикладывается импульс высокого напряжения, и происходит эмиссия электронного пучка, который за анодом формирует ВК. При этом в диодном узле со сферической конфигурацией происходит баллистическая фокусировка пучка электронов, увеличивающая плотность тока пучка. Колебания электронов в потенциальной яме «катод-анод-ВК» и колебания ВК приводят к генерации СВЧ-излучения.
Основной недостаток данной конструкции заключается в малом КПД, связанном с тем, что диаграмма направленности электрического диполя, образованного колеблющимся ВК, имеет максимальную направленность перпендикулярно оси системы. Поэтому СВЧ-излучение сначала распространяется перпендикулярно оси системы, и только после переотражений поступает в рупорную антенну.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является генератор СВЧ-излучения на основе виртуального катода с радиальным пучком [2] (Жерлицын А.Г. Генерация СВЧ-излучения в триоде с виртуальным катодом коаксиального типа, Письма в ЖТФ, том 16, выпуск 22, 26 ноября 1990, с.78). Генератор представляет собой систему, содержащую вакуумную камеру, в которой установлены полые цилиндрические катод и анод. Анод (анодная сетка), расположенный в полости катода, выполнен в форме цилиндра, прозрачного для электронов, который крепится к волноводу, переходящему в устройство вывода СВЧ-излучения. Катод и анод связаны с внешним источником питания. При подаче на катод высоковольтного импульса от источника питания электроны инжектируются с катода и, проходя через анодную сетку, образуют внутри анодной полости виртуальный катод. Колебания электронов между катодом и образующимся ВК, а также осцилляции самого ВК приводят к генерации СВЧ-излучения, выводимого из волновода через устройство вывода СВЧ-излучения.
Основной недостаток данной конструкции заключается в малом КПД, связанном с низкой плотностью электронов в пучке, потерями электронов в области диодного узла, приводящими к малому времени генерации.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с повышенным КПД генерации излучения.
Техническим результатом данного решения является повышение плотности электронов в пучке, увеличение времени генерации, следствием чего является повышение КПД генерации СВЧ-излучения.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного виркатора на основе радиального пучка, содержащего вакуумированную камеру, в корпусе которой установлены электрически связанные с внешним источником питания полый катод и прозрачный для электронов полый анод, анод расположен коаксиально в полости катода и соединен с волноводом, переходящим в устройство вывода сверхвысокочастотного излучения, в предложенном виркаторе катод и анод выполнены таким образом, что эмитирующая поверхность катода и поверхность анода имеют выпуклую тороидальную форму.
Прежде всего, следует отметить, что в прототипе формируется радиально сходящийся пучок, который частично приводит к уменьшению предельного тока, при котором начинается образование ВК. Предельный ток является стартовым током генерации, и он зависит от геометрии пучка и полости, куда происходит инжекция пучка, величины энергии электронов в области инжекции в полость.
В предложенном генераторе, где эмитирующая поверхность катода и поверхность анода имеют выпуклую тороидальную форму, при подаче на катод высоковольтного импульса отрицательного напряжения от источника питания также формируется радиально сходящийся пучок. При этом в диодном узле с заявляемой тороидальной конфигурацией происходит дополнительно к радиальной фокусировке баллистическая фокусировка пучка вдоль продольной оси системы. Баллистическая фокусировка пучка увеличивает плотность тока пучка электронов, приводящих к формированию ВК, уменьшает потери электронов в области диодного узла и дополнительно уменьшает предельный ток. Все это ведет к более раннему началу генерации, увеличению времени генерации, и соответственно росту КПД.
На фиг. схематически изображен виркатор на основе радиального пучка.
Заявляемый генератор имеет осевую симметрию и представляет собой вакуумную камеру с корпусом 1, в котором коаксиально установлены катод 3 выпуклой тороидальной формы, закрепленный на держателе 2 и расположенный в нем полый анод 4 выпуклой тороидальной формы прозрачный для электронов, соединенный с волноводом 5, переходящим в устройство вывода СВЧ-излучения в форме рупорной антенны 6 с диэлектрическим окном 7. К катодно-анодному промежутку прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 9.
В качестве источника питания 9 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., Леонтъев А.А. и др. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. - М.: Наука, 2002).
Устройство работает следующим образом. Корпус (1) камеры и соответственно анод (4) заземлены. При подаче отрицательного импульсного напряжения от источника питания (9) через ввод (10) на катод (3) с эмитирующей поверхностью выпуклой тороидальной формы внутри анода (4) с выпуклой тороидальной формой поверхности формируется радиально сходящийся пучок, происходит наряду с радиальной его баллистическая фокусировка вдоль продольной оси системы, образуется ВК (8). В результате баллистической фокусировки пучка увеличивается плотность тока пучка электронов, уменьшаются потери электронов в области диодного узла и дополнительно уменьшается предельный ток, что приводит к более длительному времени генерации. Генерация СВЧ-излучения обусловлена колебаниями электронов в потенциальной яме «катод-анод-ВК» и колебаниями самого ВК. Волна СВЧ-излучения распространяется по волноводу (5) к рупорной антенне (6) и выводится через ее диэлектрическое окно (7).
-4
В примере выполнения предложенного виркатора на основе радиального пучка с электродами тороидальной формы корпус вакуумной камеры держатель катода, катод, антенна выполнены из стали, анод может быть выполнен из нихромовой проволоки, выводное диэлектрическое окно выполнено из оргстекла. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10 Тор.
Таким образом, выполнение катода и анода таким образом, что эмитирующая поверхность катода и поверхность анода имеют выпуклую тороидальную форму, позволило благодаря повышению плотности электронов в пучке и увеличению времени генерации повысить КПД сверхвысокочастотного генератора заявляемого типа.