ВИРКАТОР С ФАЗОВЫМ ФОКУСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Полезная модель относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использована при разработке генератора СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях, в технологических процессах обработки органических и неорганических объектов, в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, ускорителях заряженных частиц, управляемом термоядерном синтезе, исследованиях биологических объектов [Gaponov-Grekhov, Andrei V and Granatstein VL. Applications of high-power microwaves. Artech House Publishers; 1994.; Mumtaz S, Bhartiya P, Kaushik N, Adhikari M, Lamichhane P, Lee S-J, et al. Pulsed high-power microwaves do not impair the functions of skin normal and cancer cells in vitro: A short-term biological evaluation. J Adv Res 2020;22:47-55. https://doi.Org/https://doi.org/10.1016/j.jare.2019.11.007.].
Известны мощные генераторы СВЧ излучения на основе систем с виртуальным катодом (ВК), так называемые виркаторы и отражательные триоды, содержащие катодный электрод, анодный электрод, в свою очередь состоящий из анода, диафрагмы и трубы дрейфа, а также устройство вывода излучения [Григорьев В. П., Жерлицин А.Г., Коваль Г.В. // Физика плазмы, 1990, т.16, N 11, с. 1353; Дубинов А.Е., Селемир В.Д. // Зарубежная радиоэлектроника, 1975, N 4, с. 54].
Основным требованием к обеспечению работоспособности СВЧ прибора, например виркатора, является необходимость создания условий формирования ВК, что осуществляется при превышении током пучка критического значения. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, что является источником мощных колебаний электромагнитного поля. Источником электромагнитных колебаний являются также осцилляции электронов в потенциальной яме с центром, приходящимся на область инжекции (диафрагма) и с краями: катод и ВК. Оба типа колебаний нераздельно взаимосвязаны между собой и происходят на одной частоте.
Таким образом, при инжекции в эквипотенциальную полость СВЧ прибора электронного потока с плотностью тока выше некоторого значения за анодной диафрагмой в полости начинает накапливаться пространственный заряд, разворачивающий поступающие электроны назад к катоду. Этот пространственный заряд и называется виртуальным катодом (ВК).
Если ток электронного пучка, инжектируемого в дрейфовую камеру сквозь диафрагму, превышает предельный, в системе за анодной диафрагмой образуется ВК, от которого электроны отражаются в сторону инжектора.
Осциллирующие между реальным катодом и ВК электроны отдают свою энергию СВЧ полю и накапливаются в потенциальной яме. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, внося свой вклад в выходное СВЧ излучение. Эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию СВЧ излучения определяет КПД прибора.
Известен виркатор (патент РФ N 2046440), содержащий цилиндрический катод, цилиндрическую трубу дрейфа, конический выходной рупор с окном вывода СВЧ-излучения и плазменный анод в виде слоя положительных ионов, инжектируемых в трубу дрейфа вблизи катода одним или несколькими внешними инжекторами. Электроны пучка ускоряются в промежутке между катодом и плазменным анодом, проникают через плазменный слой в трубу дрейфа, где постепенно замедляются полем собственного объемного заряда, образуя виртуальный катод. В стационарном режиме СВЧ-излучение генерируется колебаниями электронов и колебаниями виртуального катода в трубе дрейфа между катодом и виртуальным катодом.
Известен виркатор по патенту РФ 2123740, включающий источник питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, и канал вывода излучения с окном.
Известен виркатор, описанный в работе (M.Haworth, B.Anderson, J. Cristofferson et al., Operation of repetitevely pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser // IEEE Trans.on Pl. Sci., 1991, v. PS - 19, N 4, p. 655-659). Этот виркатор содержит анодный электрод, состоящий из последовательно расположенных цилиндрической катодной части, цилиндрической трубы дрейфа и конического рупора с окном вывода СВЧ-излучения, а также диафрагмы, разделяющей катодную часть и трубу дрейфа, и цилиндрический катодный электрод, расположенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода. При подаче на катодный электрод импульса отрицательного напряжения электроны пучка, эмитируемые с катода, ускоряются в промежутке между катодным электродом и анодной диафрагмой, проходят через диафрагму в трубу дрейфа, где постепенно тормозятся электрическим полем собственного объемного заряда до полной остановки, создавая виртуальный катод. Колебания электронов пучка между катодом и виртуальным катодом, а также колебания самого виртуального катода создают СВЧ-излучение, которое выводится через конический рупор и керамическое окно.
Недостатком известных устройств виркатора является низкий КПД генерируемого излучения.
Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора.
В качестве прототипа выбрано устройство виркатора по работе [Sohail Mumtaz, Jun Sup Lim, Bhagirath Ghimire, Suk Woo Lee, Jin Joo Choi, and Eun Ha Choi. Enhancing the power of high power microwaves by using zone plate and investigations for the position of virtual cathode inside the drift tube // Phys. Plasmas 25, 103113 (2018); https://doi.Org/10.1063/l.50435951, состоящее из источника питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод, установленной параллельно торцевой поверхности катода и канал вывод излучения с окном за которым соосно размещено фокусирующее устройство в виде зонной пластины Сорэ (зонная пластина с прозрачной для излучения центральной зоной).
Когда микроволны генерируются из виртуального катода и излучаются в атмосферу, они фокусируются в некоторой точке зонной пластиной Сорэ с прозрачной для излучения первой зоной. При использовании зонной пластины максимальное повышение выходной мощности возрастает в 1,91 раза.
Недостатком виркатора является низкий КПД генерируемого излучения, обусловленного неоптимальными фокусирующими свойствами зонной пластины. У зонной пластины амплитудного типа, в области фокуса собирается в области фокуса не более 10% падающего на нее излучения.
Техническая задача полезной модели состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения для различных применений.
Указанная задача достигается тем, что виркатор, состоящий из источника питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодного электрода, анодного электрода, установленного параллельно торцевой поверхности катода и канал вывода излучения с окном за которым соосно размещено фокусирующее устройство, новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в виде фазового фокусирующего устройства из искусственного диэлектрика. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде фазовой зонной пластины. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде однородной плосковогнутой волноводной линзы. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде неоднородной плосковогнутой волноводной линзы. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде плоской неоднородной волноводной линзы, составленной из круглых волноводов.
Известно, что потери энергии в амплитудной зонной пластине складываются из дифракционных потерь и потерь на отражение и поглощение излучения в материале фокусирующего устройства, при этом половина падающей мощности излучения на зонную пластину отражается и поглощается на фазоинверсной зоне [Щукин И.И. О потерях в линзах и зонных пластинках // Твердотельная радиоэлектроника - Воронеж, 1973. - с. 127-130]. При переходе к фазовым зонным пластинам с переменным профилем или с большим числом уровней квантования фазы увеличивается ее энергетическая эффективность [Верещагин В.В., Лопатин А.И. Теория профилированной зонной пластинки // Акустический журнал - 1981 - т. 27, №6. - с. 841-847]. Так для фазовой двухуровневой зонной пластины Релея Вуда максимальная дифракционная эффективность (отношение мощности, дифрагированной в фокус, ко всей падающей мощности) увеличивается до 40%, для четырехуровневой до 81% и т.д.
Применение фазовых фокусирующих устройств в устройстве виркатора не известно.
Известны фазовые зонные пластины из искусственного материала [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]. В фазовой зонной пластинке четные зоны покрыты металлопластинчатой структурой или выполнены из прямоугольных волноводов или круглых волноводов. В фазовой зонной пластине фазы четных зон изменяются слоем диэлектрика на четное число π, а фазы нечетных зон изменяются на нечетное число π. При переходе к непрерывному профилю зонной пластины эффективность фокусировки излучения возрастает еще больше.
а
Фазовая скорость волн V в волноводной или металлоленточной структуре зависит от сечения а волноводов или от расстояния  между лентами:
а
где с - скорость света в вакууме, λ - длина волны в свободном пространстве. Так как λ/2<<λ, то V>c, то есть фазовая скорость в искусственной среде больше, чем в воздухе. Следовательно, эквивалентный показатель преломления волноводной или металлоленточной структуры меньше единицы:
При этом необходимо, чтобы электрический вектор  волны был параллелен лентам металлоленточной структуры, которые являются «оптически» менее плотными, чем воздух. Если расстояние между пластинами металлоленточной структуры меньше, чем λ/2, то показатель преломления для нее окажется мнимой величиной и распространение волн будет невозможным. Показатель преломления металлолетночной структуры оказывается меньше единицы лишь для электромгнитных волн, электрический вектор  которой параллелен пластинам искусственной среды. Если же вектор  перпендикулярен им, то показатель преломления оказывается равным единице.
Коэффициент преломления искусственного диэлектрика из круглых волноводов равняется
а
где должно выполняться условие λ<3/42.
Применение фазовых фокусирующих устройств - зонных пластин и линз, выполненных из искусственной среды в качестве фокусирующих устройств для виркатора, позволяет увеличить интенсивность падающего электромагнитного излучения в области фокусировки.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Полезная модель поясняется чертежом.
На Фиг. 1 приведена схема устройства.
На Фиг. 2 приведены примеры сечений фазовых фокусирующих устройств из искусственного диэлектрика: а - фазовая зонная пластина из металлопластинчатой структурой, б - оптически неоднородная фазовая линза из круглых волноводов постоянной толщины; в - оптически однородная фазовая линза из круглых волноводов; г - неоднородная плосковыпуклая фазовая волноводная линза.
На Фиг. 3 приведены изображения моделей фазовых фокусирующих устройств из искусственного диэлектрика: а - фазовая зонная пластина из металлопластинчатой структурой, б - оптически неоднородная фазовая линза из круглых волноводов постоянной толщины; в - оптически однородная фазовая линза из круглых волноводов; г - неоднородная плосковыпуклая фазовая волноводная линза.
Обозначения: 1 - Катод; 2 - Анодная сетка; 3 - Труба дрейфа; 4 - Виртуальный катод; 5 - Окно; 6 - Фокусирующее устройство; 7 - Область фокусировки излучения.
Заявляемый виркатор работает следующим образом.
В виркаторе электронный пучок испускается с поверхности катода 1 и ускоряется по направлению к сетчатому аноду 2. Когда ток электронного пучка превышает соответствующее значение тока ограничения пространственного заряда, происходит формирование виртуального катода 4 за сетчатым анодом 2 в трубе дрейфа 3. Отражение электронов между реальным 1 и виртуальным 4 катодами и колебание самого виртуального катода 4 вызывают генерацию мощного электромагнитного излучения. Когда электромагнитное излучение генерируется из виртуального катода 4 и излучается в атмосферу, через окно 5 оно облучает фокусирующее устройство 6. В результате дифракции и интерференции волн, непосредственно на фокусирующем устройстве 6 формируется область фокусировки излучения 7.
Экспериментально установлено, что интенсивность волны, приходящей от фазовой зонной пластины, больше, чем в случае эквивалентной амплитудной зонной пластины. Фазовая зонная пластина выполняется из чередующихся кольцевых зон: открытых для излучения и изменяющих фазу падающей волны. Если центральная зона фазовой зонной пластины открыта, то вторая зона выполняется из искусственного диэлектрика толщиной и показателем преломления, обеспечивающим синфазность волн в области фокуса. При переходе к непрерывному профилю фазового фокусирующего устройства интенсивность излучения в области фокуса еще возрастает.
В оптически однородных и неоднородных линзах волны, собираемые в фокусе, несмотря на различие геометрических путей, имеют одинаковый оптический путь. Происходит фокусировка излучения. В оптически неоднородных линзах, постоянство оптических путей для волн, собираемых в фокусе, достигается соответствующим изменением показателя преломления в фокусирующем устройстве одинаковой толщины. Закон изменения показателя преломления вдоль радиального направления такой фазовой линзы может быть определен по выражению [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]:
0
r
f
где n и n - показатели преломления, соответственно, в центре фазовой линзы постоянной толщины на расстоянии г от ее центра, d - толщина линзы,  - фокусное расстояние линзы. Фазовая линза может быть выполнена из круглых волноводов различного поперечного сечения.
Для оптически неоднородной фазовой волноводной линзы, закон изменения показателя преломления вдоль радиального направления может быть определен по выражению [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]:
0
0
где n и n - показатели преломления, соответственно, в центре линзы и на расстоянии г от него; d и d - толщины линзы в рассматриваемых точках.
а
0
Например, для однородной плосковыпуклой фазовой волноводной линзы с радиусом кривизны сферической поверхности и состоящей из цилиндрических волноводов одинакового радиуса поперечного сечения =0,3λ и показателем преломления n=0,37, на длине волны λ=32 мм, радиусом кривизны сферической поверхности R=9,8λ обеспечивает фокусировку излучения на расстоянии J=15,6λ и при этом увеличивается интенсивность излучения в фокусе более чем в 2 раза.
Таким образом, достигается повышение интенсивности и мощности электромагнитного излучения, сформированного в виркаторе. Использование металловоздушной среды в качестве материала фокусирующего элемента позволяет использовать большие мощности электромагнитного излучения по сравнению с диэлектрическими материалами.