Релятивистский СВЧ-генератор
RELATIVISTIC MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера.
Известно устройство [RU 995648, A1, H01J 25/00, 20.11.1999], содержащее электронную пушку, соосно ей расположенный резонатор и выходной узел, причем резонатор расположен между электронной пушкой и выходным узлом, выполнен в виде отрезка конического волновода кругового сечения, большим основанием обращенного к выходному узлу, и имеет пазы, выполненные в виде периодически расположенных колец или многозаходной спирали.
Недостатком устройства является относительно высокая сложность, обусловленная необходимостью выполнения пазов, выполненных в виде периодически расположенных колец или многозаходной спирали.
Известен также релятивистский СВЧ-генератор [RU 46126, U1, H01J 25/68, 10.06.2005], содержащий вакуумную цилиндрическую камеру с окном для вывода СВЧ энергии, в которой соосно расположены цилиндрический катод и внутри катода полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов, при этом катод установлен с зазором от внутренней поверхности вакуумной камеры и между ними соосно установлен дополнительный полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов.
Недостатком устройства также является относительно высокая сложность, обусловленная наличием дополнительного полого цилиндрического анода, прозрачного для электронов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является генератор перестраиваемого по частоте излучения мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера СВЧ-диапазона [Стрелков П.С., Ульянов Д.К. Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора // Физика плазмы. 2000. Т. 26. №4. С. 329.] с диапазоном перестройки частоты излучения от 4 до 28 ГГц, содержащий последовательно расположенные элементы в составе диода с взрывоэмиссионным катодом для формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника плазмы с вольфрамовым термокатодом, формирующим поток электронов для создания плазмы трубчатой формы путем ионизации газа, генераторной секции с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучаемого диапазона, и выходного узла, а также охватывающий эти элементы соленоид, создающий однородное магнитное поле для транспортировки электронов из диода и источника плазмы.
Недостатком наиболее близкого технического решения являются чрезмерное энергопотребление, определяемое, главным образом, расходами энергии на создание однородного магнитного поля соленоидом, и низкая надежность, определяемая механическими свойствами вольфрамового термокатода при температуре свыше 3200 градусов, при увеличении длин волн излучения до дециметрового (УВЧ) диапазона и связанного с необходимостью для этого увеличения диаметра генераторной секции (до 15 см для середины УВЧ-диапазона - 1 ГГц) и, как следствие, пропорционального увеличения размеров диода, вольфрамового термокатода в плазменном источнике и соленоида. Работа взрывоэмиссионного катода требует (для однородности образования катодных факелов) магнитного поля с индукцией порядка 1 Тл, а при малых длительностях импульса (до 10 нс) - не менее 2 Тл, при генерации пачек импульсов при таком подходе соленоид потребляет мощность в единицы и даже десятки мегаватт в течение секунд, что трудно реализуемо. Увеличенный в размерах термокатод и, как следствие, с повышенной до ~10 кВт мощностью нагрева и отсутствием теплоотвода в вакууме теряет при температуре 3200 градусов механическую прочность и деформируется силой ампера, при токе плазмы до 100 А в магнитном поле 1 Тл достигающей 10 кГс/м, что приводит к деформации профиля создаваемой плазмы и нарушению условий излучения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение энергопотребления и повышение надежности.
Технический результат, который достигается при реализации изобретения, заключается в снижении энергопотребления и повышении надежности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно установленные элементы в составе диода с взрывоэмиссионным катодом, выполненным с возможностью формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполненным с возможностью формирования потока электронов путем ионизации газа для создания плазмы трубчатой формы, генераторной секции с участком в форме цилиндрической трубы с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучения, и выходной узел, а также охватывающий эти элементы соленоид, создающий однородное магнитное поле для транспортировки электронов из диода и источника плазмы в выходной узел, согласно изобретению, соленоид выполнен двухсекционным, причем первая секция соленоида, охватывающего диод с взрывоэмиссионным катодом и источник плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполнена с условием формирования магнитного поля с большей индукцией, чем индукцией магнитного поля, создаваемой в генераторной секции на участке в форме цилиндрической трубы второй секцией соленоида.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - схема предложенного релятивистского СВЧ-генератора;
на фиг. 2 - схема релятивистского СВЧ-генератора, выбранного в качестве прототипа.
На чертеже обозначены: 1 - диод с взрывоэмиссионным катодом, 2 - источник плазмы с вольфрамовым термокатодом, 3 - релятивистский сильноточный поток электронов, 4 - плазма трубчатой формы, 5 - генераторная секция, 6 - соленоид (6-1 - первая секция соленоида, 6-2 - вторая секция соленоида), 7 - выходной узел.
Релятивистский СВЧ-генератор содержит последовательно установленные элементы в составе диода 1 с взрывоэмиссионным катодом, выполненным с возможностью формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника 2 плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполненным с возможностью формирования потока электронов для ионизации газа и создания плазмы 4 трубчатой формы, генераторной секции 5 в форме цилиндрической трубы с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучения, и выходной узел 7, а также охватывающий эти элементы соленоид 6, создающий неоднородное магнитное поле для транспортировки электронов от диода и источника плазмы до выходного узла.
Кроме того, в релятивистском СВЧ-генераторе соленоид 6 выполнен двухсекционным, причем первая секция 6-1 соленоида, охватывающего диод 1 с взрывоэмиссионным катодом и источник 2 плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполнена с возможностью формирования магнитного поля с индукцией большей, чем индукция магнитного поля, создаваемого второй секцией 6-2 соленоида, охватывающего генераторную секцию 5, благодаря чему диаметры трубчатого потока релятивистских электронов 3, распространяющегося вдоль магнитных силовых линий из диода 1, и трубчатой плазмы 4, сформированной распространяющимися вдоль магнитных силовых линий электронами из источника 2, в генераторной секции 5 превышают их диаметры в диоде 1 и источнике 2. Особенностью предложенного генератора является то, что величина индукции магнитного поля, формируемого первой секцией 6-1 соленоида, превышает величину индукции магнитного поля, формируемого второй секцией 6-2 соленоида.
Сопоставительный анализ с наиболее близким техническим решением (в котором используется однородное магнитное поле, формируемое соленоидом) показывает, что в заявленном генераторе магнитное поле создается двумя секциями соленоида так, что в области диода и источника плазмы магнитное поле имеет большую индукцию, а в генераторной секции поле ослабевает, в результате чего магнитные силовые линии расходятся на больший диаметр вместе с траекториями электронов и образующейся плазмой. Технических решений, подобных предложенному, в известной литературе не обнаружено, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
Кроме того, в известных источниках информации не обнаружено сведений о генерации перестраиваемого по частоте излучения УВЧ-диапазона мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера путем использования вновь введенных отличительных признаков. Следовательно, предложение отвечает критерию «изобретательский уровень».
Дополнительно к отмеченному следует указать, что все элементы устройства выполнены из распространенных материалов по известным технологиям, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию «промышленная применимость».
Работает релятивистский СВЧ-генератор следующим образом.
Секции соленоида 6-1 и 6-2 создают неоднородное магнитное поле во всем пространстве СВЧ-генератора от диода 1 до выходного узла 7. В диоде 1 и источнике плазмы 2 создается магнитное поле с большей индукцией, чем в генераторной секции 5. Электроны с катода источника плазмы 2 распространяются вдоль магнитных силовых линий и ионизируют газ (при давлении ~0.1 Па), создавая плазму. Поскольку магнитное поле в источнике 2 сильнее, чем в генераторной секции 5, магнитные силовые линии расходятся по радиусу при переходе от источника 2 к генераторной секции 5. При этом выполняется закон сохранения магнитного потока внутри трубки тока: произведение индукции магнитного поля на площадь потока не меняется. По этому же закону строится и траектория движения релятивистских электронов из диода 1: трубчатый поток электронов расширяется по радиусу при переходе от источника 2 к генераторной секции 5, примерно повторяя форму трубчатой плазмы, но с меньшими радиусами. Близость релятивистского электронного потока к плазме в генераторной секции обеспечивает взаимодействие между ними и генерацию излучения.
Энергия магнитного поля (и энергозатраты на его создание) и механические нагрузки на элементы соленоида пропорциональны квадрату индукции магнитного поля в нем. Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям - существенному снижению индукции магнитного поля в генераторной секции 5 с диаметром, задаваемым необходимой максимальной длиной волны излучения, при сохранении сильного магнитного поля в диоде 1 и плазменном источнике 2, необходимом для стабильной работы катодов - достигается требуемый технический результат, который заключается в снижении энергопотребления и повышении надежности.