РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к СВЧ технике и может быть использована для генерации мощных СВЧ импульсов в широком диапазоне длительностей сильноточными электронными пучками.
К настоящему времени известно много типов СВЧ-генераторов (клистрон, магнетрон, карсинотрон, триод и т.д.). Развитие СВЧ электроники позволяет говорить, что СВЧ генератор типа триода по сравнению с другими генераторами обладает такими положительными качествами, как возможность перестройки частоты, способность использовать весь ток ускорителя, отсутствие внешнего фокусирующего магнитного поля, простота генерирующего устройства.
Типичный СВЧ-генератор (Диденко А.Н., Арзин А.П и др. Релятивистские триодные СВЧ-генераторы//. Материалы IV Всесоюзного семинара «Релятивистская высокочастотная электроника», АН СССР ИПФ, выпуск 4, стр.104-119, Горький 1984) содержит источник высокого напряжения, в котором положительный электрод соединен с анодом, а отрицательный электрод с катодом. Анод выполнен прозрачным для электронов (сетка или тонкая металлическая фольга). Катод и анод размещены в вакуумной цилиндрической камере, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом конце окно для вывода СВЧ мощности. Катод выполнен цилиндрическим. На торцевой поверхности катода расположена эмитирующая поверхность (концентрические выступы, иглы), а анод - плоскость, диаметр которой несколько больше диаметра катода. При подаче высоковольтного импульса положительной полярности на анод, с цилиндрического катода эмитируются электроны. В катод-анодном промежутке они ускоряются и после пролета через прозрачный для них анод, на расстоянии примерно равном катод-анодному промежутку, электроны образовывают виртуальный катод. В потенциальной яме, которую образуют электроны, в области катод - анод - виртуальный катод происходит осцилляция электронов, что является источником излучения.
Мощность СВЧ излучения в триодной системе во многом определяется током осциллирующих электронов. Величина тока зависит от площади эмитирующей поверхности катода. С увеличением поверхности катода величина тока увеличивается. При планарном источнике СВЧ-генератора трудно обеспечить большую эмитирующую поверхность без резкого увеличения габаритных размеров генератора.
Наиболее близким по технической сущности является релятивистский СВЧ-генератор (SU 1522317), содержащий цилиндрическую вакуумную камеру с окном для вывода СВЧ энергии, внутри которой соосно с ней расположены полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов, и катод. Конструктивно катод расположен на внутренней поверхности вакуумной камеры.
При поступлении высоковольтного положительного импульса на анод, электроны эмитируются с поверхности, ускоряются в промежутке катод - анод и, пройдя через анод, образуют внутри него виртуальный катод. В области катод - анод - виртуальный катод осуществляется осцилляция электронов, что является источником излучения.
k
В случае, если необходимо увеличить ток СВЧ-генератора, при фиксированной длине катода, анода и промежутка катод - анод, остается только увеличивать диаметр катода и анода соответственно. Так как поверхность катода S определяется соотношением
k
k
S=πdkλ,
k
где: π=3,14, d - диаметр катода;
k
λ - длина катода;
то для увеличения эмитирующей поверхности катода, например в 2 раза, необходимо увеличить диаметр катода тоже в 2 раза. При этом увеличивается мощность СВЧ излучения, но резко увеличивается радиальный размер конструкции, что в некоторых случаях недопустимо.
Задачей полезной модели является создание релятивистского СВЧ-генератора позволяющего увеличить мощность излучения.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет создания большей эмитирующей поверхности катода без значительного увеличения габаритов СВЧ-генератора
Поставленная техническая задача решается тем, что релятивистский СВЧ-генератор, как и прототип, содержит вакуумную цилиндрическую камеру с окном для вывода СВЧ энергии, в которой соосно расположены цилиндрический катод и внутри катода полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов. В отличие от прототипа катод установлен с зазором от внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры, причем между ними соосно установлен дополнительный полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов.
Наличие дополнительного анода позволяет использовать один катод, у которого эмитирующими являются и внутренняя и наружная поверхности. Таким образом, при
наличии одного катода существуют два СВЧ триода, которые работают параллельно и позволяют получать больший уровень излучения. Предложенная конструкция позволяет значительно расширить функциональные возможности излучателя за счет создания большей эмитирующей поверхности катода и незначительного увеличения радиального размера цилиндрического СВЧ-генератора.
Целесообразно, чтобы зазор между катодом и дополнительным анодом и зазор между катодом и основным анодом были не равны друг другу. Частоту излучения значительно можно изменять величиной катод - анодного промежутка. С увеличением катод - анодного промежутка частота СВЧ излучения уменьшается, с уменьшением -увеличивается. Таким образом, если промежуток катод - дополнительный анод будет не равен промежутку катод - основной анод, то каждый из триодов позволит создать отдельный осциллирующий поток электронов, в которых частота осциллирующих электронов будет определяться величиной катод - анодного промежутка, И в предложенной конструкции будет сформирован импульс СВЧ излучения с двумя несущими частотами.
На фиг.1 - схематически изображен предлагаемый СВЧ-генератор.
Релятивистский СВЧ-генератор содержит источник 1 высокого напряжения, отрицательный электрод которого заземлен, заземленную цилиндрическую вакуумную камеру 2, в торцы которой установлен высоковольтный изолятор 3, а на другом торце расположено окно 4 для вывода СВЧ излучения. Внутри вакуумной камеры 2, соосно с ней, расположен цилиндрический катод 5, соединенный электрически с заземленной вакуумной камерой. Снаружи катода 5, соосно с ним, установлен дополнительный анод 6, а внутри и также соосно - основной анод 7. Дополнительный и основной аноды 6, 7 являются прозрачными для электронов, выполнены в виде полых цилиндров и электрически соединены между собой и положительным электродом источника 1 высокого напряжения. Для получения одной и той же несущей частоты промежутки между катодом и основным анодом и катодом и дополнительным анодом должны быть равны. Необходимо отметить, что промежуток между дополнительным анодом и внутренней поверхностью вакуумной камеры должен несколько превосходить промежуток между катодом и дополнительным анодом, что определяется условиями для нормального образования виртуального катода.
Устройство работает следующим образом. При поступлении от источника 1 импульса положительной полярности одновременно на основной 7 и дополнительный 6 аноды с катода 5, который является общим для двух анодов, эмитируются электроны, как в сторону основного, так и дополнительного анодов. Ускоренные электроны, пройдя
основной анод и дополнительный, образуют внутри основного анода и снаружи дополнительного анода виртуальные катоды. В образованных потенциальных ямах (наружная поверхность катода - дополнительный анод - виртуальный катод, а внутренняя поверхность катода - основной анод и виртуальный анод) осуществляется осцилляция электронов, развивается неустойчивость, что является источником мощного излучения, В предлагаемом устройстве используется один катод, у которого эмитирующей поверхностью является как его внутренняя, так и наружная поверхность. Таким образом, при наличии одного катода существуют два СВЧ триода, которые работают параллельно и позволяют получать больший уровень излучения.
Предложенная конструкция позволяет значительно расширить функциональные возможности излучателя за счет создания большей эмитирующей поверхности катода без значительного увеличения габаритов СВЧ генератора.