ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ С ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ НА ВСТРЕЧНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКАХ

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и радиофизики и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов малой и средней мощности.
Хаотические 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.)
Известны различные способы и устройства, предназначенные для формирования (генерирования) широкополосных СВЧ хаотических сигналов.
Известен малогабаритный низковольтный источник управляемых широкополосных шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн (см. патент РФ на изобретение №2325724, МПК H01J 25/68). Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ-генератор содержит два источника электронов в виде двух термокатодов с общим ускоряющим анодом и электродинамическую систему с двумя выводами энергии, при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от ускоряющего анода с возможностью создания встречных электронных потоков. Ускоряющий анод выполнен в виде диафрагмы, а перечисленные элементы генератора расположены с возможностью формирования виртуальных катодов в пространстве между ускоряющим анодом и термокатодами.
Существенными недостатками указанного генератора являются малые значения тока эмиссии, которые обусловлены тем, что интенсивные колеблющиеся сгустки пространственного заряда (структура типа «виртуальный катод») образуются вблизи катодов, которые находятся под нулевым потенциалом. Кроме того отсутствует возможность изменения степени торможения электронного пучка, что в свою очередь сильно затрудняет управление режимами генерации колебаний.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является СВЧ-генератор на встречных турбулентных электронных пучка - малогабаритный низковольтный источник управляемых широкополосных шумоподобных колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн (см. статью Калинин Ю.А., Стародубов А.В. Сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ-колебаний на встречных электронных пучках. Письма в ЖТФ. 37, 1 (2011) 32-39). СВЧ-генератор содержит два источника электронов в виде двух термокатодов, электродинамическую систему, содержащую, по крайней мере, один вывод энергии, при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от электродинамической системы с возможностью создания встречных электронных потоков. Между термокатодами и электродинамической системой расположены ускоряющие аноды, выполненные в виде сеток, подключенных к источнику ускоряющего напряжения (ускоряющие сетки). Для устранения перегрева ускоряющей сетки, между термокатодом и ускоряющей сеткой располагается экранирующая сетка, витки которой закрывают витки ускоряющей сетки. Потенциал термокатода и потенциал экранирующей сетки задаются одинаковыми.
Основным недостатком указанного генератора является его малое значение коэффициента полезного действия.
Задачей данного технического решения является создание такого генератора хаотических колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, обеспечивающего получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот за счет оригинальной конструкции прибора, в которой одновременно применены термокатод и вторичноэмиссионный катод.
Технический результат, достигаемый в предложенном широкополосном малогабаритном сверхнизковольтном генераторе хаотических СВЧ колебаний, состоит в повышении КПД устройства, упрощении конструкции, снижении значений ускоряющих напряжений.
0
Поставленная задача решается тем, что генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, состоящий из последовательно расположенных термокатода, экранирующей сетки, ускоряющей сетки, электродинамической системы, снабженной, по крайней мере, одним выводом энергии, при этом с внешней стороны электродинамической системы расположен источник неоднородного магнитного поля, согласно решению, после электродинамической системы расположен вторичноэмиссионный катод. Термокатод и экранирующая сетка имеют нулевой потенциал, ускоряющая сетка и вторичноэмиссионный катод подключены к источнику ускоряющего напряжения U.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема малогабаритного сверхнизковольтного генератора широкополосных хаотических СВЧ колебаний на встречных электронных пучках, а также внешний вид распределения неоднородного магнитного поля вдоль оси генератора, на фиг.2-4 представлены экспериментальные исследования устройства. Позициями на фиг.1 обозначены:
1 - термокатод;
2 - экранирующая сетка;
3 - ускоряющая сетка;
4 - вторичноэмиссионный катод;
5 - электродинамическая система;
6 - вывод энергии;
7 - распределение магнитного поля.
Малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках содержит последовательно расположенные первый источник электронов - электронную пушку, широкополосную электродинамическую систему 5 с широкополосным выводом энергии 6, второй источник электронов - вторичноэмиссионный катод 4. Электронная пушка включает в себя термокатод 1, экранирующую сетку 2, ускоряющую сетку 3. Электродинамическая система размещена в цилиндрической проводящей трубе, вокруг которой расположены кольцевые магниты - источники неоднородного внешнего магнитного поля.
Принцип работы устройства следующий.
0
0
Встречные электронные пучки формируются термокатодом 1 и вторичноэмиссионным катодом 4. Сначала электронный пучок формируется термокатодом 1. Он проходит сквозь сетки 2 и 3, приобретая значительный разброс электронов по скоростям. Турбулентность в электронных пучках начинает формироваться уже непосредственно после ускоряющей сетки 3. Процесс формирования турбулентности в электронном пучке продолжается под действием неоднородного магнитного поля 7. Попадая на вторичноэмиссионный катод 4, интенсивные турбулентные электронные пучки порождают генерацию встречного, по отношению к пучку, генерируемому термокатодом, электронного пучка за счет эффекта вторичной электронной эмиссии. В качестве вторичноэмиссионного катода выбран оксидный катод без подогревателя. Сгустки пространственного заряда таких встречных пучков совершают интенсивные пространственно-временные колебания и возбуждают широкополосную электродинамическую систему 5. Полученный сигнал выходит из генератора через широкополосный вывод энергии 6. Режим генерации регулируют ускоряющим потенциалом U на ускоряющей сетке 3 и вторичноэмиссионном катоде 4. Изменяя ускоряющий потенциал U, возможно постепенное изменение спектра генерируемого сигнала от почти монохроматического до хаотического широкополосного и сверхширокополосного.
Особенность генератора состоит в том, что за счет использования ускоряющей сетки в качестве анода, электронная пушка формирует сильно неламинарный (турбулентный) пучок с большим разбросом электронов по скоростям. Другими словами, в такой системе совмещены области электронной пушки и формирования турбулентного пучка, что позволяет существенно сократить геометрические размеры генератора. С другой стороны, в системе, по сравнению с прототипом, отсутствует второй термокатод, который заменен вторичноэмиссонным катодом, что значительно снижает энергопотребление и приводит к увеличению КПД предлагаемой конструкции.
Для повышения степени турбулентности в пучке вся система помещена в неоднородное магнитное поле. В пространстве между катодами создают неоднородное магнитное поле, присутствие которого приводит к перераспределению величин модулей компонент скоростей у электронов: продольные компоненты скорости уменьшаются, а поперечные и азимутальные компоненты увеличиваются, что ведет к еще большему торможению электронных пучков. Таким образом, наличие неоднородного 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 хаотического микроволнового излучения.
0
0
Исследования рассматриваемого генератора широкополосных хаотических колебаний проводились в импульсном режиме при длительности импульса τ=5÷50 μs и величины скважности Q=1000. На фиг.2 представлена зависимость ширины полосы генерации от величины ускоряющего напряжения U. На фиг.3 представлена зависимость относительной выходной интегральной мощности от величины ускоряющего напряжения U. Из рисунков отчетливо видно, что максимальное значение мощности достигается при величине ускоряющего напряжения, лежащей в диапазоне 300-400 V. Максимальное значение ширины полосы генерации также приходится на диапазон ускоряющих напряжений 300-400 V.
0
На фиг.4 представлена зависимость КПД устройства от ускоряющего напряжения. Как следует из рисунка, максимальное значение КПД η≈14% достигается при значении ускоряющего напряжения U=350 V.
Таким образом, подводя итог проведенным исследованиям, можно сказать, что предлагаемая схема генератора обладает следующими достоинствами перед прототипом:
0
- Оптимальный диапазон ускоряющих напряжений U=300-400 V;
- Суммарный ток электронных пучков I=700-1000 mА.
- Возможность простой и быстрой перестройки режима генерации колебаний за счет изменения значения ускоряющего напряжения;
- Выходная интегральная мощность при оптимальных значениях ускоряющего напряжения - до 35 Watt;
- Максимальное значение КПД η=14%;
- Полоса частот Δf/f=1.6-1.8.
- Уменьшенные габариты устройства в 1.7-2 раза за счет замены второго катодно-сеточного узла вторичноэмиссионным катодом.