ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемое устройство относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано в мощных генераторах сверхвысокочастотного излучения.

Известны СВЧ генераторы на основе систем с виртуальным катодом с диодным узлом, содержащим связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов металлической сетки (S.A.Kitsanov, A.I.Klimov, S.D.Korovin, I.K.Kurkan, O.P.Kutenkov, I.V.Pegel, S.D.Polevin, V.V.Rostov, V.P.Tarakanov, R.Wioland, "Tunable L-band and S-band Gigawatt Vircators with Feedback" // 12^th Symposium on High Current Electronics, Tomsk, 2000, vol.2, pp.423-428).

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше критического значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Область провисания потенциала называется виртуальным катодом (ВК), а класс СВЧ приборов с ВК - виркаторами. Источником СВЧ колебаний в таких системах являются осцилляции электронов в потенциальной яме, образованной реальным и виртуальным катодами и колебания положения ВК.

Анод диода в СВЧ приборах с виртуальным катодом должен обладать высокой прозрачностью для электронного пучка, поэтому часто анодный узел диода выполняется в виде однорядных сеток из тугоплавкой металлической проволоки. При работе в импульсно-периодическом режиме проволоки сеток подвергаются значительному разогреву электронным пучком, что приводит к их удлинению и изменению геометрии катод-анодного промежутка. Изменение геометрии катод-анодного промежутка влечет за собой возникновение неоднородностей электрического поля в катод-анодном промежутке и снижение мощности СВЧ излучения.

В качестве прототипа выбран диодный узел СВЧ генератора (B.V.Alyokhin, A.E.Dubinov, V.D.Selemir, O.A.Shamro, K.V.Shibaiko, N.V.Stepanov, V.E.Vatrunin, "Theoretical and Experimental Studies of Virtual Cathode Microwave Devices" // IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, Vol.22, №.5, October 1994, pp.945-959).

Прототип содержит источник импульсного напряжения, вакуумную камеру с расположенным в ней катодом и анодным узлом, выполненным в виде прозрачной для электронов проволочной сетки.

Недостатком СВЧ генератора с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, является снижение мощности излучения генератора при работе в импульсно-периодическом режиме в сравнении с мощностью при работе в режиме однократных импульсов. Недостатком является также низкий ресурс анодной сетки при работе в импульсно-периодическом режиме. Перечисленные недостатки во многом обусловлены значительным удлинением проволок сетки в результате их разогрева при работе в импульсно-периодическом режиме. Удлинение и провисание проволок анодной сетки приводит к изменениям геометрии катод-анодного зазора и появлению локальных неоднородностей электрического поля в катод-анодном промежутке. Изменение геометрии катод-анодного промежутка приводит к снижению мощности СВЧ излучения, а контрагирование электронного пучка в местах неоднородности электрического поля снижает ресурс сеток анода.

Техническая задача состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ генераторов с виртуальным катодом, работающих в импульсно-периодическом режиме.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение мощности излучения генератора и увеличение ресурса анодного узла при работе в импульсно-периодическом режиме.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного диодного узла СВЧ генератора, содержащего связанные с источником импульсного напряжения и расположенные в вакуумной камере катод и анод в виде, по меньшей мере, одной прозрачной для электронов проволочной сетки, каждая проволока сетки анода снабжена, по меньшей мере, одним независимым подвижным компенсатором удлинения, вынесенным за пределы зоны прохождения электронного пучка.

Расположение и ориентирование компенсаторов относительно плоскости анодной сетки выбирается, исходя из конструктивных особенностей диодного узла. В качестве компенсатора может служить, например, пружина.

Вызванное разогревом в процессе прохождения электронного пучка удлинение и провисание проволок играет негативную роль в процессе работы генератора в импульсно-периодическом режиме. Это обусловлено изменением геометрии катод-анодного зазора, что влечет за собой появление локальных неоднородностей электрического поля в зазоре и рост неравномерности эмиссии электронного пучка по площади катода. Провисание проволок вследствие их разогрева может быть устранено подтягиванием их в исходное положение компенсирующими удлинение элементами. Эти элементы должны быть вынесены из зоны прохождения электронного пучка, чтобы исключить их разогрев и утрату пружинящих свойств. Поскольку токовая нагрузка на проволоки сетки определяются ее длиной, подвергаемой воздействию электронного пучка, и меняется в зависимости от места расположения проволоки в аноде, то их удлинение не является одинаковым. Это обстоятельство требует применения независимых компенсаторов для каждой проволоки. Очевидно, что компенсатор должен быть подвижным, чтобы преобразовать удлинение проволоки в перемещение элементов компенсатора. Упругие свойства подвижных компенсаторов подбирают в соответствии с параметрами импульсно-переодического режима. Независимая, подвижная компенсация удлинения проволок стабилизирует геометрию анод-катодного промежутка, что приводит к увеличению ресурса сеток анода и повышению мощности СВЧ излучения при работе в импульсно периодическом режиме.

На чертеже приведено схематическое изображение одного из вариантов заявляемого диодного узла для СВЧ генератора,

где:

1 - источник импульсного напряжения;

2 - вакуумная камера;

3 - катод;

4, 5 - анодная сетка;

6 - виртуальный катод;

7 - подвижный компенсатор удлинения в виде пружины (для одной проволоки).

Заявляемый диодный узел, выполненный по схеме, реализован на практике. В состав СВЧ генератора с заявляемым анодным узлом входят: высоковольтный источник импульсного напряжения 1, представляющий собой 12-ти каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, цилиндрическая вакуумная камера 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 40 мм и анод в виде 2-х плоских токопроводящих сеток 4, 5 из вольфрамовых проволок, каждая из которых снабжена одним независимым компенсатором удлинения в виде пружины 7. Для каждой из проволок соответствующий ей компенсатор установлен параллельно оси системы вне зоны прохождения электронного пучка. Зазор катод - первая анодная сетка может меняться от 3 до 6 мм, расстояние между сетками 1,5 мм.

Генератор СВЧ излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1, выполненного в виде ГИН, прикладывается к катоду 3. Анод в виде двух сеток 4, 5 через вакуумную камеру 2 соединен с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный пучок, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует за анодом виртуальный катод 6. Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодами электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну. Часть электронов поглощается проволоками сеток, что приводит к их разогреву и удлинению. Подвижные компенсаторы удлинения в виде пружин, прикрепленных к каждой проволоке сеток, подтягивают проволоки в исходное положение перед следующим импульсом, препятствуя их провисанию и стабилизируя геометрию катод-анодного промежутка.

Для оценки результатов применения предлагаемого диодного узла на этом же генераторе СВЧ излучения проведены эксперименты с диодом, выполненным по схеме прототипа (без компенсаторов). Экспериментально установлено, что предлагаемый диодный узел позволяет в ˜1,5 раза повысить среднюю мощность СВЧ излучения при работе в импульсно-периодическом режиме. При частоте следования импульсов 100 Гц ресурс предлагаемого диодного узла увеличился в три раза по сравнению с прототипом.