ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ КОММУТАТОР ДЛЯ АКТИВНОГО КОМПРЕССОРА СВЧ ИМПУЛЬСОВ
COMMUTATOR SWITCHED BY ELECTRON BEAMS FOR ACTIVE COMPRESSOR MICROWAVE PULSES

Изобретение относится к области электроники больших мощностей, в частности к коммутаторам для изменения связи с нагрузкой накопительного резонатора мощного активного компрессора СВЧ импульсов.
Работа мощного активного компрессора СВЧ импульсов основана на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном СВЧ резонаторе в течение длительного времени с последующим быстрым ее выводом к нагрузке путем модуляции добротности резонатора. Основным элементом активного компрессора, определяющим уровень мощности в выходном импульсе, является коммутатор (переключатель), обеспечивающий вывод энергии из накопительного резонатора компрессора за счет увеличения связи с нагрузкой. Высокая пиковая мощность, возможность работать с большой частотой повторения и чистый модовый состав излучения делают активные СВЧ компрессоры весьма привлекательными для различных практических приложений, таких как ускорители заряженных частиц и радиолокация.
Для создания активных компрессоров СВЧ импульсов предложены коммутаторы, действие которых основано на различных принципах: изменении диэлектрической проницаемости (проводимости) полупроводников под воздействием оптического (лазерного) излучения (см., например, патент US 5796314, МПК H01P 1/10, 1/15, публ. 18.08.98) или за счет создания плазмы непосредственно в объеме коммутатора (см., например, патент RU 2328062, МПК H01P 1/14, публ. 27.06.08; патент RU 2387055, МПК H01P 1/14, публ. 20.04.2010; патент US 4227153, МПК H01P 7/06, H03K 3/00, публ. 07.10.1980; заявка US 2010/0156558, МПК H01P 5/12, публ. 24.06.2010), или за счет создания плазмы в размещенных в коммутаторе газоразрядных трубках (см., например, патент US 4227153, МПК H01P 7/06, H03K 3/00, публ. 07.10.1980; заявка US 2010/0156558, МПК H01P 5/12, публ. 24.06.2010). Все указанные коммутаторы аналоги выполнены на основе интерференционного ключа, то есть Т-образного Н-тройника, изготовленного из одномодового волновода с разрядным промежутком или полупроводниковой пластиной в одном из плеч (Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы нано-секундной длительности. // М.: Энергоатомиздат, 1984). В режиме накопления энергии в компрессоре в Н-тройнике возникает стоячая электромагнитная волна. Узел этой волны расположен в области поперечного сечения выходного плеча тройника, что обеспечивает слабую связь с нагрузкой. Для переключения резонатора в режим вывода СВЧ энергии на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника создается электрический разряд (плазма) с высокой концентрацией электронов. В отдельных случаях (упомянутый патент US 5796314) на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча может быть установлена полупроводниковая (кремниевая) пластина, изменяющая свою диэлектрическую постоянную (проводимость) при облучении лазером. Появление плазмы (или изменение проводимости пластины) приводит к резкому изменению картины стоячих волн в выходном плече коммутатора, увеличению связи с нагрузкой и выводу СВЧ энергии из активного компрессора СВЧ импульсов. Разряд может создаваться как в кварцевой трубке, так и непосредственно в объеме тройника. При этом плазма образуется или под воздействием электромагнитных полей (самопробой), или инициируется с помощью внешнего источника высоковольтного напряжения. Низкая электропрочность описанных конструкций, приводящая к ограничению коммутируемой СВЧ мощности, связана с возникновением на поверхности размещаемых в коммутаторе диэлектриков или полупроводников мультипакторного разряда и с электрическим пробоем используемых материалов. Кроме того, при вакуумировании коммутатора наличие в Н-тройнике нормального к поверхности волновода электрического поля приводит к эмиссии электронов с его стенок и возникновению мультипакторного разряда.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому коммутатору является коммутатор для активных компрессоров СВЧ импульсов 3-см диапазона, переключаемый электронным пучком (патент US 4255731, МПК H01P 1/10, 1/14, публ. 10.03.1981), который выбран в качестве прототипа. Данный коммутатор содержит электронную пушку и одномодовый волноводный Т-образный Н-тройник, при этом одно плечо тройника соединено с накопительным резонатором компрессора СВЧ импульсов, противоположное ему плечо выполнено короткозамкнутым и имеет закрытое тонкой металлической фольгой отверстие, расположенное на расстоянии в четверть длины волны от короткозамыкателя и используемое для ввода электронного пучка, третье (боковое) плечо тройника используется для вывода СВЧ импульсов.
Принцип действия данного коммутатора прототипа аналогичен принципу действия любого из указанных выше плазменных коммутаторов аналогов. Однако переключение накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов в режим вывода СВЧ энергии осуществляется не с помощью электрического разряда, как в аналогах, а путем инжекции сильноточного пучка электронов параллельно вектору электрического поля в волноводе. Электронный пучок вводится на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника через тонкую титановую фольгу. При этом для эффективного ввода пучка необходимы высокоэнергичные электроны, проникающие сквозь фольгу, поэтому напряжение на электронной пушке достигает 300 кВ. Для обеспечения электропрочности коммутатора прототипа в компрессоре поддерживается высокое (несколько атмосфер) давление газа. Отражение СВЧ волны от электронного пучка приводит к изменению фазы электромагнитной волны в выходном плече Н-тройника, увеличению связи с нагрузкой и выводу СВЧ энергии из компрессора. Устройство допускает и вакуумирование компрессора, но при этом электроды устанавливаются на стенках волновода, а переключение осуществляется с помощью плазмы, создаваемой вакуумной искрой.
Наиболее существенными недостатками устройства-прототипа являются:
1. Низкая электропрочность при необходимом уменьшении рабочей длины волны СВЧ излучения, связанная с использованием одномодового волновода с малым поперечным сечением и наличием нормальной к поверхности волновода компоненты электрического поля. Поэтому высокий уровень СВЧ мощности приводит к пробоям в волноводе за счет эмиссии электронов с его стенок.
6
2. Ввод электронного пучка осуществляется через тонкую металлическую фольгу, отделяющую компрессор, заполненный газом (SF) под высоким давлением, от электронной пушки, находящейся под вакуумом. Такая конструкция сильно сокращает срок службы устройства из-за быстрого повреждения (прогорания) тонкой металлической фольги.
13
-3
3. Для эффективного переключения необходимо создавать высокую, ~10 см, концентрацию электронов и, следовательно, использовать сильноточные, ~8 кА, пучки электронов.
4. Использование для переключения электронного пучка, вводимого через металлическую фольгу в Н-тройник, находящий под давлением несколько атмосфер, приводит из-за соударений электронов с молекулами газа к значительному поглощению выводимой СВЧ волны и снижению эффективности компрессии.
Таким образом, коммутатор прототип не позволяет получать сжатые СВЧ импульсы с высокой (сотни мегаватт) мощностью при высокой стабильности и эффективности компрессии в сантиметровом (от 30 до 0,8 см) диапазоне длин волн.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка электропрочного переключаемого электронным пучком коммутатора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой СВЧ мощности и высокую стабильность срабатывания, позволяющего выводить энергию из высокодобротных многомодовых накопительных СВЧ резонаторов, и обладающего низкими требованиями к величине тока и качеству электронного пучка, используемого для управления коммутатором.
Технический результат в разработанном переключаемом электронным пучком коммутаторе достигается за счет того, что он, как и коммутатор прототип, содержит электронную пушку и одномодовую волноводную систему с узлом ввода электронного пучка для изменения связи с нагрузкой накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов.
01
02
Новым в разработанном переключаемом электронным пучком коммутаторе является то, что одномодовая волноводная система с узлом ввода электронного пучка включает в себя круглый волновод выбранной длины, с одной стороны соединенный через подвижную диафрагму с резонатором коммутатора, образованным другим круглым волноводом на моде TE и двумя диафрагмами на противоположных торцах волновода. Одна из них является упомянутой подвижной диафрагмой, а вторая неподвижная диафрагма является анодом электронной пушки, трубчатый лезвийный катод которой, установленный на подвижном катододержателе, расположен за упомянутой неподвижной диафрагмой. При этом одномодовая волноводная система через другую сторону круглого волновода выбранной длины присоединена к коническому рупору с заданным углом наклона, входящему одновременно в состав накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов на моде ТЕ.
02
01
02
01
Как предложено авторами, подтверждено численным моделированием и экспериментально, накопление энергии в многомодовом накопительном резонаторе активного компрессора осуществляется на высокодобротной моде ТЕ, а вывод энергии - на моде TE круглого волновода. Вывод энергии из многомодового резонатора происходит за счет резкого увеличения коэффициента трансформации мод TE→TE на входящем в состав коммутатора коническом рупоре с заданным углом наклона, входящем также в состав накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов, при инжекции в резонатор коммутатора пучка электронов и изменении фазы отраженной от этого резонатора волны.
01
02
Повышение уровня переключаемой мощности достигается за счет увеличения электрической прочности коммутатора, которое обеспечивается отсутствием в коммутаторе каких-либо дополнительных элементов, способных снизить его электропрочность и использованием осесимметричных мод TE и ТЕ, не имеющих компонент электрического поля нормальных к стенкам волновода.
Особенностью разработанного коммутатора является то, что электронная пушка располагается вне компрессора и находится с ним под тем же вакуумом. При этом ввод пучка в коммутатор осуществляется через специальную диафрагму, являющуюся анодом электронной пушки и одновременно играющую роль задней стенки резонатора коммутатора.
Существенным отличием разработанного коммутатора является и введение в состав коммутатора СВЧ резонатора, что позволяет в несколько раз снизить величину необходимого для переключения тока пучка электронов и требования к его качеству.
Таким образом, действие разработанного коммутатора в значительной степени основано на физических свойствах СВЧ резонатора, поэтому он может быть назван резонансным коммутатором.
01n
В первом частном случае реализации разработанного коммутатора целесообразно неподвижную диафрагму, являющуюся стенкой резонатора коммутатора и одновременно анодом электронной пушки, выполнить в виде щелевой диафрагмы с цилиндрическим пазом, рассчитанным таким образом, что он не изменяет структуру возбуждаемой в резонаторе коммутатора моды TE и не приводит к усилению СВЧ поля в области щелей.
Во втором частном случае реализации разработанного коммутатора целесообразно изменение рабочей частоты СВЧ излучения в коммутаторе в диапазоне частот от 1 ГГц до 40 ГГц осуществлять за счет изменения (масштабирования) размеров волноводной системы и конусного рупора в соответствии со стандартами для выбранного диапазона частот, что не снижает электропрочности коммутатора и не приводит к существенному изменению требований на величину тока электронного пучка.
Описание основных чертежей.
На фиг.1 схематично в разрезе представлена блок-схема разработанного переключаемого электронным пучком коммутатора для мощных активных компрессоров СВЧ импульсов.
На фиг.2 представлен в двух проекциях вид неподвижной диафрагмы с цилиндрическим пазом и отверстиями (щелями) внутри паза, являющейся стенкой резонатора коммутатора и выполняющей функцию анода электронной пушки.
На фиг.3 представлена осциллограмма сжатого СВЧ импульса, полученная с помощью разработанного коммутатора и нормированная на мощность входного импульса: Рвых - мощность в сжатом СВЧ импульсе, Рвх - мощность входного СВЧ импульса.
На фиг.4 схематично в разрезе представлена схема разработанного коммутатора в составе мощного активного компрессора СВЧ импульсов (коммутатор выделен пунктиром).
01
02
Конструкция разработанного коммутатора, представленная на фиг.1, содержит конический рупор 1 с заданным углом наклона, соединенный с одномодовой волноводной системой, включающей в себя круглый волновод 2 выбранной длины и резонатор 3, образованный другим круглым волноводом 5 на моде TE и двумя диафрагмами 4 и 6 на противоположных торцах волновода 5. Диафрагма 4 является подвижной и соединяет круглый волновод 2 с резонатором 3 коммутатора. Вторая диафрагма 6, являющаяся неподвижной стенкой резонатора 3, одновременно служит анодом электронной пушки. Трубчатый лезвийный катод 10 электронной пушки (О.Т.Лоза. // ЖТФ, т.78, вып.11, 2008 г., с.93-98), установленный на подвижном катододержателе 9, расположен за упомянутой неподвижной диафрагмой 6. В неподвижной диафрагме 6 выполнены щели 7 для ввода электронного пучка с трубчатого лезвийного катода 10. Подвижная диафрагма 4 может перемещаться внутри коммутатора с помощью специального механизма настройки 8, что позволяет изменять эффективную длину резонатора 3 коммутатора и осуществлять его настройка на рабочую частоту компрессора СВЧ импульсов. Положение подвижной диафрагмы 4 индицируется с помощью микрометрического датчика положения часового типа. Упомянутый конический рупор 1 с заданным углом наклона входит также в состав накопительного резонатора 19 (фиг.4) компрессора СВЧ импульсов на моде ТЕ и соединяет разработанный коммутатор с упомянутым компрессором.
01
01
Неподвижная диафрагма 6 (анод) представляет собой медный диск определенной толщины и формы, представленный на фиг.2. В диске 6 на определенном расстоянии от центра, соответствующем положению пучности, возбуждаемой в резонаторе 3 волны TE, выполнен цилиндрический паз 14 с частично вырезанным дном, как показано на фиг.2. Центральная часть 15 диска 6 соединена с основной его частью 13 четырьмя тонкими перемычками 16, расположенными в глубине цилиндрического паза 14 и образующими щели 7 для ввода электронного пучка. В другом частном случае изготовления неподвижной диафрагмы 6 (на чертеже не показано) в глубине паза 14 по его периметру могут быть проделаны круглые отверстия. Центр паза 14 располагается точно напротив острой кромки катода 10. Ширина и глубина паза 14 рассчитывались методом FDTD (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998.) таким образом, чтобы электромагнитное поле не проникало вглубь паза 14 и не просачивалось через щели 7 в пазе. В этом случае анодная диафрагма 6 с пазом 14 и щелями 7 отражает электромагнитные волны как сплошная медная стенка и не происходит дополнительных потерь СВЧ энергии и ухудшения собственной добротности резонатора 3 коммутатора. Кроме того, при такой геометрии паза 14 не происходит усиления поля возбуждаемой в резонаторе 3 моды TE на перемычках 16. В результате достигается более высокая электропрочность разработанного коммутатора по сравнению с известными аналогами и прототипом. При этом электронный пучок и образующаяся прикатодная плазма могут свободно проникать внутрь резонатора 3 коммутатора через щели 7 в пазе диафрагмы 6. Наличие щелей 7 в анодной диафрагме 6 позволяет также поддерживать в разработанном коммутаторе и компрессоре одинаковое низкое давление остаточного газа, что также обеспечивает высокую заявленную электропрочность коммутатора и компрессора в целом.
02
Разработанный коммутатор предназначен для работы в составе компрессора СВЧ импульсов, представленного на фиг.4. Компрессор СВЧ импульсов состоит из входного рупора 17, отрезка медного многомодового цилиндрического волновода 18 и разработанного коммутатора (выделен пунктиром), которые образуют накопительный резонатор 19 СВЧ компрессора для моды ТЕ.
Для увеличения напряженности электрического поля на катоде 10 и обеспечения эффективной эмиссии электронов с катода, предусмотрено изменение расстояния между анодом 6 и катодом 10. Для этого катодная головка делается подвижной и может перемещаться вдоль катододержателя 9. Катод 10 соединяется с генератором 20 высоковольтных импульсов через высоковольтный изолятор 11. Для обеспечения высокого вакуума в коммутаторе предусмотрен откачной фланец 12.
02
01
В конкретном примере реализации разработанного коммутатора конический рупор 1, подвижная и неподвижная диафрагмы 4 и 6 и круглые волноводы 2 и 5 были изготовлены из меди в НПП ″Гиком″ города Нижнего Новгорода. Там же были изготовлены: катод 10 из нержавеющей стали и графита, катододержатель 9 и откачной фланец 12 из нержавеющей стали. Механизм перемещения 8 подвижной диафрагмы 4 был изготовлен из латуни. Конический рупор 1 с заданным углом наклона и длина круглого волновода 2 были рассчитаны методом FDTD (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998) на коэффициент трансформации мод TE→TE при выводе энергии 40%. Параметры подвижной диафрагмы 4 и неподвижной (анодной) диафрагмы 6 были рассчитаны таким образом, чтобы добротность резонатора 3 коммутатора составляла величину 300. Такая добротность позволяла осуществлять переключение коммутатора током 300 А. В качестве изолятора 11 использовался стандартный выпускаемый промышленность керамический высоковольтный изолятор марки ВК-94.
Для проверки работы разработанного резонансного коммутатора в составе компрессора СВЧ импульсов был использован накопительный резонатор 19, изготовленный из дюралюминия в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. В качестве СВЧ генератора использовался маломощный свип-генератор HP 83592B. Электронный пучок создавался с помощью генератора 20 высоковольтных импульсов (амплитуда импульсов 100 кВ, длительность 100 нс), разработанного в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Осциллограмма полученного с помощью резонансного коммутатора импульса приведена на фиг.3.
Переключаемый электронным пучком коммутатор, представленный на фиг.1, работает в составе компрессора СВЧ импульсов, показанного на фиг.4, следующим образом.
01
02
02
02
02
01
01
01
01
02
11
Излучение от СВЧ генератора сантиметрового диапазона длин волн, поступающее на вход компрессора через входной рупор 17 на моде TE круглого волновода, частично (1-3%) трансформируется в моду ТЕ на коническом рупоре 1. Входной рупор 17 компрессора является закритическим для моды ТЕ, которая полностью от него отражается. В результате СВЧ энергия запасается в накопительном резонаторе 19 на моде ТЕ. В свою очередь мода ТЕ также частично трансформируется в моду TE на коническом рупоре 1. Кроме того, электромагнитная волна TE отражается от подвижной диафрагмы 4 резонатора 3 коммутатора. При этом резонатор 3 коммутатора при вводе энергии в СВЧ компрессор предварительно посредством малых перемещений диафрагмы 4 настраивается в резонанс на рабочую частоту СВЧ излучения. Длина круглого волновода 2 (вставки) коммутатора подобрана таким образом, чтобы электромагнитные волны в резонаторе 3 на моде TE, отраженные от рупора 1 и входной диафрагмы 4, складывались в противофазе. Поэтому в режиме накопления энергии доля СВЧ мощности, выходящей из компрессора на моде TE низка (менее 3%), а накопление энергии происходит на моде ТЕ. В режиме вывода энергии из компрессора импульсов на катод 10 от генератора 20 подается высоковольтный импульс и в резонатор 3 через анодную неподвижную диафрагму 6 инжектируется пучок электронов. Фаза отраженной от резонатора 3 коммутатора волны существенным образом зависит от того, находится он в резонансе или нет (Pippard A.B. // The physics of vibration, Cambridge University Press, 1985). Расчеты по теории возмущений (Голант В.Е. // Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. // «Наука», 1968) показывают, что для вывода резонатора 3 из резонанса необходимо инжектировать в него порядка 10 электронов. Для получения такого числа электронов при напряжении на электронной пушке U~100 kV ток пучка должен превышать значение 250 А.
01
02
01
01
02
01
4
При подаче высоковольтного импульса от генератора 20 и инжекции пучка электронов, предварительно настроенный на частоту компрессора резонатор 3 коммутатора выходит из резонанса. В результате фаза волны, отраженной от резонатора 3, изменяется на 180 градусов и волны на моде TE, отраженные от конуса 1 и резонатора 3 складываются в фазе, то есть происходит трансформация накопленной в накопительном резонаторе 19 СВЧ компрессора на моде ТЕ энергии в моду TE. Это приводит к возрастанию мощности, излучаемой из накопительного резонатора 19 на моде TE через рупор 17 и появлению сжатого СВЧ импульса. В зависимости от выбора параметров конического рупора 1 коэффициент трансформации мод TE-TE может составлять величину 30-96%. Выбор конического рупора 1 с более высоким коэффициентом трансформации приводит к укорочению длительности, увеличению коэффициента усиления мощности и амплитуды сжатого импульса. Например, при коэффициенте трансформации близком к 100% длительность сжатого импульса равна времени двойного пробега волны через накопительный резонатор 19 СВЧ компрессора, а выходной импульс имеет прямоугольную форму. При этом коэффициент усиления мощности приближенно определяется отношением времени установления колебаний в накопительном резонаторе 19 (добротностью резонатора 19) к времени двойного пробега и может для несверхпроводящих резонаторов с добротностью порядка 10 достигать значений 10-100.