Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСКОРОСТНЫХ НЕЛАМИНАРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

Изобретение относится к области СВЧ-электроники и предназначено для формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков. Многоскоростные неламинарные электронные пучки могут быть использованы для генерации широкополосного шумоподобного СВЧ- излучения малой и средней мощности (Kalinin Ju.A., Starodubov A.V. Physics of wave phenomena. 2011. Vol.19, No.l. p.18-23). Шумоподобные 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 многоскоростных неламинарных электронных пучков.

Известен генератор шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде (Патент на изобретение №2288519, МПК H01J 25/68). Из этого патента известен способ создания разброса электронов по скоростям, который реализуется следующим образом. В сеточный зазор инжектируется интенсивный электронный пучок, формируемый электронной пушкой с модулирующей сеткой, на которую подается потенциал больше естественного. Модулирующая сетка увеличивает разброс электронов по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. Недостатком указанного способа является то, что разброс электронов по скоростям не превышает 5%.

Известен способ, который описан в патенте РФ на полезную модель №99900, МПК H01J 25/68. Из этого патента известен способ формирования электронного пучка с разбросом электронов по скоростям, который заключается в том, что электронный пучок, эмитируемый с катода, последовательно проходит экранирующую сетку, находящуюся под потенциалом катода и ускоряющую сетку, на которую подается ускоряющее напряжение. Электроны, проходящие через центральные части ячеек ускоряющей сетки и через периферийные, приобретаются разные как по модулю, так и по направлению скорости. Таким образом, ячейки ускоряющей сетки оказываются подобны электронной расфокусирующей линзы. Другими словами, в такой системе совмещены области электронной пушки и формирования пучка с разбросом по скоростям. Недостатком указанного выше способа является то, что приобретаемый разброс электронов по скоростям достаточно мал и не превышает 5%.

Наиболее близкий аналог описан в способе генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний (Патент на изобретение №2420825, МПК H01J 25/38, H03B 29/00, H04K 1/00). Способ генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний включает в себя эмиссию электронов с катода, ускорение электронов с помощью ускоряющего электрода с потенциалом U₀, торможение электронов. Формирование ламинарного электронного потока осуществляется катодом и ускоряющим электродом. Затем за счет воздействия неоднородных электрических и/или магнитных полей в электронном потоке создается разброс электронов по скоростям, за счет чего разные части электронного потока начинают двигаться с различной скоростью, что ведет к формированию в электронном потоке турбулентности. Далее осуществляется усиление хаотических широкополосных ВЧ- и СВЧ-колебаний турбулентного электронного потока и их съем через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии. Недостатками данного способа являются: 1) формирование многоскоростного электронного потока происходит из ламинарного в пространстве взаимодействия, что влечет за собой необходимость больших геометрических размеров устройства; 2) при формировании многоскоростного электронного потока неоднородными магнитными и электрическими полями разброс электронов по скоростям не превышает 15%.

Задачей данного технического решения является создание такого способа формирования неламинарных электронных пучков, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечил бы получение электронных пучков с разбросом электронов по скоростям 50% и более процентов.

Технический результат, достигаемый в предложенном способе, состоит в существенном увеличении разброса электронов по скоростям в области электронной пушки за счет управляемого торможения части электронного пучка, в частности его периферийной части.

Поставленная задача решается тем, что способ формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков характеризуется тем, что включает эмиссию электронов с катода, ускорение электронов с помощью ускоряющего электрода с потенциалом U₀, торможение электронов, причем торможение осуществляют с помощью сетки с потенциалом U₁<U₀, перекрывающей часть электронного пучка, в частности его периферийную часть.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема способа формирования многоскоростных неламинарных электронных пучков, где

1 - катод,

2 - экранирующая сетка,

3 - ускоряющая сетка,

4 - тормозящая сетка.

Способ осуществляется следующим образом.

Электронный пучок эмитируется катодом 1 и ускоряется ускоряющей сеткой 3. Он проходит сквозь экранирующую и ускоряющую сетки. Экранирующая сетка находится под потенциалом катода и защищает ускоряющую сетку от перегрева. Ускоряющая сетка имеет потенциал, равный ускоряющему потенциалу U₀, и она играет роль анода. Действие ячеек ускоряющей сетки на электроны приводит к тому, что электроны, прошедшие через центральную часть ячейки и вблизи краев, приобретают разные как по модулю, так и по направлению скорости. Другими словами, ячейка сетки играет роль своего рода рассеивающей линзы для электронных пучков, проходящих через нее. Разброс электронов по скоростям может достигнуть 2-3%. Далее на часть электронного пучка оказывается тормозящее воздействие за счет того, что электронный пучок проходит через сетку, на которую подается потенциал U₁<U₀. Поскольку тормозящее воздействие оказывается только на часть электронного пучка, то во всем электронном пучке в целом возможно добиться значительного разброса электронов по скоростям. Таким образом, в данном способе можно добиться существенно больших значений разброса электронов по скоростям, причем эти значения будут определяться соотношением потенциалов на ускоряющей и тормозящей сетках.

Было проведено численное моделирование структуры многоскоростных электронных пучков. Расчет проводился по методике работы (Калинин Ю.А., Волкова Л.Н. Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, №14. С.65-72). На Фиг.2 и Фиг.3 представлены результаты исследований зависимости плотности тока j_max/j₀ (где j₀ - среднее значение плотности тока) и числа сгустков N от параметра торможения электронного пучка К, который определяется следующим образом:

K=l-U_col/U₀,

где U_col - потенциал, подаваемый на коллектор, U₀ - ускоряющее напряжение.

Был рассмотрен случай отсутствия магнитного поля. Видно, что плотность тока в электронных сгустках при наличии начального разброса электронов по скоростям (Δν/ν=50%, Фиг.3) возрастает в 70-100 раз, по сравнению со случаем отсутствия начального разброса по скоростям (Δν/ν=0%, Фиг.2).

Методами физического эксперимента с использованием разборной вакуумной установки (Ю.А.Калинин, А.Д.Есин. Методы и средства физического эксперимента в вакуумной СВЧ-электронике. Монография. Саратов: Изд-во СГУ. 1991) и набором соответствующих зондов были проведены исследования структуры многоскоростных турбулентных электронных пучков. На Фиг.4 приведены результаты экспериментальных исследований, отражающие качественную картину части продольной структуры многоскоростного турбулентного электронного пучка. Из полученных результатов следует, что в турбулентном электронном пучке наблюдаются как узкие, но очень плотные электронные сгустки, в которых соотношение j/j₀≈350, так и более протяженные электронные структуры, но с гораздо меньшей плотностью j/j₀≈60.

Было проведено экспериментальное исследование выходных характеристик лабораторного макета генератора широкополосных шумоподобных колебаний, с сеточной структурой у катода, представленной на фиг.1. Питание лабораторного макета осуществлялось в непрерывном режиме. Ускоряющее напряжение варьировалось в диапазоне U₀=100÷800 B. В качестве контрольно-измерительного оборудования были использованы измеритель мощности Agilent Technologies N1912A P-series и спектроанализатор Agilent Technologies ESA-E Series Spectrum Analyzer E4402B.

Зависимость полосы генерации и выходной интегральной мощности от параметра торможения электронного пучка К приведены соответственно на Фиг.5 и Фиг.6. Символами на чертежах обозначены: A - случай отсутствия начального разброса электронов по скоростям, B - случай наличия начального разброса электронов по скоростям. Видно, что наличие начального разброса электронов по скоростям существенно улучшает выходные характеристики СВЧ-излучения.

Таким образом, предложенный способ позволяет формировать многоскоростные электронные пучки с большим разбросом электронов по скоростям - до 50% и более. Эти значения будут определяться соотношением потенциалов на ускоряющей и тормозящей сетках.