СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА С РАДИАЛЬНЫМ ПУЧКОМ
MICROWAVE OSCILLATOR ON BASIS OF VIRTUAL CATHODE WITH RADIAL BEAM

Изобретение относится к сверхвысокочастотной технике, в частности к устройствам генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК), и может быть использовано при создании генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Известен генератор сверхвысокочастотного излучения (виркатор) [1] Селемир В.Д., Дубинов А.Е., Коновалов И.В., Макарова Н.Н.Виркатор. Патент РФ № 2123740, 1998, БИ № 35. Генератор представляет собой вакуумную камеру, в которой установлены катод и анод (анодная сетка), электрически связанные с внешним источником питания. Цилиндрическая проточка на торцевой поверхности катода и цилиндрическая часть анода, расположенная в цилиндрической проточке катода, образуют систему внутренних коаксиальных линий, организующих искусственную обратную связь в виркаторе. При подаче на катод импульса напряжения электроны инжектируются с катода и, проходя через анод, образуют за анодом виртуальный катод. Колебания электронов в потенциальной яме «катод-анод-ВК» и колебания ВК приводят к генерации СВЧ-излучения. Искусственная обратная связь способствует повышению модуляции пучка и ведет к увеличению эффективности преобразования энергии пучка в СВЧ-излучение.
Основной недостаток данной конструкции заключается в том, что волновое сопротивление радиальной линии, образованной катодом и анодом, в области формирования электронного потока неоднородно, вследствие чего модуляция потока неоднородна по координате r (радиальная координата). Это в свою очередь приводит к неоднородному в пространстве и во времени формированию ВК, что значительно понижает эффективность преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения.
Также известен генератор сверхвысокочастотного излучения [2] Селемир В.Д., Дубинов А.Е. Релятивистский СВЧ-генератор коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом. Патент РФ № 2040064, 1995, БИ № 20. Генератор представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анодом (анодная сетка), прозрачным для электронов, выполненным в виде полого цилиндра и расположенным соосно с вакуумной камерой внутри нее, в торце вакуумной камеры выполнено окно вывода излучения. Кроме этого, генератор снабжен электродом-коллектором, представляющим собой цилиндр, расположенный внутри анодной полости вдоль оси катода и электрически соединенный с анодом. При подаче на анод импульса напряжения положительной полярности электроны инжектируются с катода и, проходя через анод, в пространстве между поверхностью анода и электрода-коллектора формируют ВК. Колебания электронов и колебания ВК приводят к генерации СВЧ-излучения.
Основной недостаток данной конструкции заключается в отсутствии искусственной волновой обратной связи, что приводит к неэффективному преобразованию энергии электронов пучка в энергию СВЧ-излучения.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является генератор СВЧ-излучения на основе виртуального катода с радиальным пучком [3] (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 образующие коаксиальный диод 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. Рассмотрен случай с установкой в полости анода металлического цилиндра (осевого электрода), электрически соединенного с катодом. Металлический цилиндр, расположенный внутри анодной полости и гальванически соединенный с катодом, анод, расположенный в полости катода и катод образуют систему внутренних коаксиальных линий. 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 в потенциальной яме «катод-анод-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 неэффективным преобразованием энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения из-за несогласованных волновых сопротивлений внутренних коаксиальных линий в области распространения электромагнитной волны от области формирования ВК до места формирования электронного потока, а также из-за потерь, связанных с отсутствием искусственной положительной обратной связи, позволяющей дополнительно использовать формируемую виртуальным катодом электромагнитную волну для воздействия на электронный поток.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с повышенным КПД генерации излучения.
Техническим результатом данного решения является повышение эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет организации искусственной положительной обратной связи, приводящей к дополнительной модуляции электронного пучка.
Данный результат достигается тем, что в сверхвысокочастотном генераторе на основе виртуального катода с радиальным пучком, содержащем установленный в вакуумной камере и подключенный к внешнему источнику питания коаксиальный диод, образованный полым цилиндрическим катодом и размещенным в нем полым прозрачным для электронов анодом, соединенным с корпусом вакуумной камеры и переходящим в устройство вывода сверхвысокочастотного излучения, в полости анода расположен гальванически связанный с катодом осевой электрод, новым является то, что геометрия электродов выбрана из условия образования парами катод-анод и анод-осевой электрод коаксиальных волноводных линий с одинаковым волновым сопротивлением, при этом электроды взаимно расположены с возможностью организации искусственной положительной обратной связи.
Эмитирующая электроны часть катода может быть установлена с возможностью перемещения вдоль оси камеры.
В предложенном генераторе при подаче на катод высоковольтного импульса отрицательной полярности от источника питания, электроны инжектируются с цилиндрического катода и формируют ВК внутри анодной полости в тормозящем квазистатическом поле. Колебания электронов в потенциальной яме «катод-анод-ВК», а также осцилляции самого ВК приводят к генерации СВЧ-излучения.
Для улучшения механизма генерации СВЧ-излучения необходимо обеспечить возникновение длительной излучательной неустойчивости, причиной которой является положительная обратная связь. Осевой электрод, расположенный внутри анодной полости и гальванически соединенный с катодом, анод, расположенный в полости катода, и катод образуют систему внутренних коаксиальных линий. Цилиндрические поверхности пар катод-анод и анод-осевой электрод создают эти вложенные друг в друга коаксиальные линии. Роль внутреннего проводника пары анод-осевой электрод выполняет внешняя поверхность осевого электрода, а внутренняя поверхность анода является вторым проводником коаксиальной линии. Роль внутреннего проводника пары катод-анод выполняет внешняя поверхность анода, а внутренняя поверхность катода является вторым проводником коаксиальной линии. В таких линиях может распространяться СВЧ-волна ТЕМ-типа. ТЕМ-волна, генерируемая в области формирования ВК, распространяясь в диодную область, будет обеспечивать организацию искусственной обратной связи в диодной области генератора.
Эта ситуация реализуется при выполнении заявляемых условий. Наличие гальванической связи катода с расположенным внутри анодной полости осевым электродом обеспечивает возможность проникновения СВЧ-волны в область формирования электронного пучка и дальнейшее взаимодействие СВЧ-волны и электронного пучка. Размеры катода, анода и осевого электрода выбраны такими, что образованные ими внутренние коаксиальные волноводные линии являются линиями с одинаковым волновым сопротивлением, что обеспечивает в отличие от прототипа согласование их волновых сопротивлений. Выполнение коаксиальных линий с одинаковым волновым сопротивлением приводит к распространению СВЧ-волны в область формирования электронного пучка с минимальными потерями.
При этом расположение катода, анода и осевого электрода относительно друг друга в зазоре между катодом и осевым электродом выполнено с обеспечением организации искусственной положительной обратной связи. Совпадение фазы СВЧ-волны, генерируемой виртуальным катодом и фазы модуляции электронного потока в диодном промежутке обеспечивается длиной, проходимой СВЧ-волной по коаксиальным линиям с одинаковым волновым сопротивлением от области формирования ВК до места формирования электронного потока. В этом случае при совпадении фаз СВЧ-волн в области формирования электронного пучка возникает искусственная положительная обратная связь, что приводит к дополнительной модуляции пучка электромагнитными волнами на частоте излучения. Согласно [4] (Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.II. Электровакуумные приборы СВЧ. Под ред. Н.Д.Девяткова. Изд.2-е, перераб. и доп. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы», М.: Высшая школа, 1972, с.34) известно, что наиболее полное преобразование энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения происходит от предварительно промодулированного пучка на частоте излучения.
Выполнение катода таким образом, что часть катода, эмитирующую электроны, можно перемещать вдоль оси камеры, приводит к более точной подстройке фазы СВЧ-волны в области формирования электронного пучка. Перемещая часть катода, эмитирующую электроны, меняем длину пути для распространяющейся СВЧ-волны в область формирования электронного пучка и время ее прихода в эту область. Тем самым возможно провести более глубокую модуляцию пучка электронов.
В прототипе разница между волновыми сопротивлениями коаксиальных линий и отсутствие искусственной положительной обратной связи в области формирования электронного пучка приводит к уменьшению мощности излучения на 20 дБ.
В предлагаемом генераторе в результате дополнительной модуляции электронного пучка на частоте излучения происходит увеличение эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения, что приводит к повышению КПД генерации.
На чертеже схематично изображен СВЧ-генератор на основе виртуального катода с радиальным пучком.
Заявляемый генератор имеет осевую симметрию и представляет собой вакуумную камеру 1, в которой установлен коаксиальный диод, состоящий из полого цилиндрического катода 3 с эмитирующей частью 4, закрепленного на держателе 2 и расположенного в нем полого анода 6, прозрачного для электронов, переходящего в устройство вывода СВЧ-излучения в форме рупорной антенны 7 с диэлектрическим окном 8. Кроме этого, внутри полости катода 3 и полости анода 6 установлен осевой электрод 5, гальванически связанный с катодом 3. К катодно-анодному промежутку прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 10 через высоковольтный ввод 11.
В качестве источника питания 10 возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [5] (Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов, М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [6] (Асиповский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтьев А.А. и др. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока, М.: Наука, 2002).
Устройство в режиме отражательного триода работает следующим образом. Вакуумная камера (1) и анод (6) заземлены. При подаче отрицательного импульсного напряжения от источника питания (10) через ввод (11) на цилиндрический катод (3), установленный заявляемым образом, в результате взрывной эмиссии электронный поток устремляется с эмитирующей части (4) катода (3) сквозь анод (6). В полости анода (6) в тормозящем квазистатическом поле образуется ВК (8). Колебания электронов в потенциальной яме «катод (3)-анод (6)-ВК (9)», а также осцилляции самого ВК (9) приводят к генерации СВЧ-излучения.
Часть СВЧ-излучения, распространяется к рупорной антенне (7). А волна СВЧ-излучения, распространяющаяся по системе внутренних коаксиальных линий с одинаковым волновым сопротивлением, образованных цилиндрическими поверхностями осевого электрода (5) - анода (6), анода (6) - катода (3), попадает в область формирования электронного пучка и взаимодействует с пучком электронов. При совпадении фаз СВЧ-волн в области формирования электронного пучка получается искусственная положительная обратная связь, происходит дополнительная модуляция пучка на частоте излучения, что приводит к увеличению мощности СВЧ-излучения. Перемещение эмитирующей части (4) катода (3) вдоль оси системы, приводит к более точной подстройке фазы СВЧ-волны в области формирования электронного пучка. Тем самым возможно провести более глубокую модуляцию пучка электронов. Излучение выводится через диэлектрическое окно (8) рупорной антенны (7).
-4
В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора на основе виртуального катода с радиальным пучком корпус вакуумной камеры, держатель катода, катод, осевой электрод, антенна выполнены из стали, анод может быть выполнен из нихромовой проволоки, выводное диэлектрическое окно - из оргстекла. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10 Тор.
Таким образом, выбор геометрии пар катод-анод и анод-осевой электрод с образованием коаксиальных линий с одинаковым волновым сопротивлением, а также задание взаимного расположения электродов с обеспечением организации искусственной положительной обратной связи позволило, благодаря увеличению эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет модуляции пучка, повысить КПД сверхвысокочастотного генератора на 30%