СВЧ ГЕНЕРАТОР С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками.

Генерация импульсов электромагнитного излучения, получаемого с помощью сильноточных электронных пучков, представляет большой интерес в связи с перспективами их использования как в научных, так и в технологических целях. В частности, выведенный в атмосферу импульс СВЧ-излучения может использоваться для инициирования ряда биохимических процессов, модификации материалов и других применений, число которых растет по мере понимания физики процессов генерации этих импульсов и совершенствования техники получения мощного электромагнитного излучения. Таким образом, подтверждается актуальность исследований и разработки устройств по генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками.

Известно устройство для генерации электромагнитного излучения сильноточным электронным пучком [А.Н. Диденко и др. Релятивистские триодные СВЧ-генераторы // Релятивистская высокочастотная электроника. Изд-во Института прикладной физики АН СССР, г. Горький. - 1984. - вып.4. - с.104-117]. Устройство содержит источник импульсного высокого напряжения, плоский катод, находящийся под потенциалом земли, и плоский сеточный анод, находящийся под высоким положительным потенциалом, вакуумную камеру, являющуюся одновременно электродинамической системой генератора и окно для вывода СВЧ-энергии. В отличие от известных СВЧ-генераторов, работающих на сильноточных пучках, в данном устройстве генерация СВЧ-излучения осуществляется при формировании виртуального катода за сеточным анодом. С формированием виртуального катода (ВК) электроны, эмитированные с катода, начинают осуществлять осцилляторное движение вокруг сеточного анода и между реальным и виртуальным катодом, в результате чего возникает мощное СВЧ-излучение. Электромагнитное излучение из вакуумной камеры выводится в свободное пространство через выходное окно. Достоинством этого генератора является то, что он прост в конструктивном исполнении, компактен, не требует дополнительного оборудования для создания магнитных полей и транспортировки в них электронного пучка. Недостатком является многомодовая генерация в этом устройстве, связанная с геометрией системы: геометрические размеры электродинамической системы (вакуумной камеры) генератора во много раз больше длины волны генерируемого излучения.

Известно устройство [Релятивистский СВЧ-генератор. Авторское свидетельство СССР №1522317, H01J 25/68, Бюл. №42, 1989], которое позволяет улучшить массогабаритные характеристики генератора. СВЧ- генератор содержит источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом торце расположено окно для вывода СВЧ-излучения в свободное пространство. Цилиндрический катод расположен на внутренней поверхности вакуумной камеры. Внутри вакуумной камеры соосно с ней установлен цилиндрический сеточный анод, который с помощью анододержателя соединен с высоковольтным электродом положительной полярности источника питания. Внутри анода потоком электронов, эмитируемых с катода и прошедших через анод, образуется виртуальный катод. За счет осцилляции электронов между реальным и виртуальным катодами в устройстве возникает одномодовое электромагнитное излучение на волне типа ТМ₀₁ , которое в свободном пространстве формирует диаграмму направленности излучения с минимальной мощностью излучения на ее оси [А.Г. Жерлицын. Генерация СВЧ-излучения в триоде с виртуальным катодом коаксиального типа // Письма в ЖТФ. - 1990. - т.16. - вып.22. - С.78-80].

Недостатком этого устройства является ограничение функциональных возможностей СВЧ- генератора, связанное с формированием диаграммы направленности излучения, имеющей минимум мощности излучения на ее оси, что ограничивает использование этого генератора для практических целей.

Известно устройство коаксиального типа [А.Г. Жерлицын и др. Исследование возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Известия вузов. Физика. - 2011. - Т.54. - №11/2. - С.209-214], в котором возбуждается электромагнитное излучение на волне типа ТЕ₁₁ в круглом волноводе, что позволяет формировать диаграмму направленности излучения с максимальной мощностью излучения на ее оси. По совокупности технических признаков данный аналог выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Устройство содержит источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом торце расположено выходное окно, выполненное в виде рупорной антенны для вывода СВЧ-излучения. Внутри вакуумной камеры вдоль ее оси расположен сеточный анод, имеющий форму прямоугольного цилиндра, соединенный через анододержатель и вакуумный изолятор с положительным электродом источника высокого напряжения. Внутри анода вдоль его оси расположен катодный узел. Катодный узел соединен с заземленной вакуумной камерой четырьмя электродами, являющимися одновременно опорами узла, которые проходят через отверстия анододержателя. Величина диаметра отверстий обеспечивает электрическую изоляцию вакуумных промежутков между электродами и отверстиями в корпусе анододержателя. В катодном узле установлены четыре плоских катода. Прямоугольный цилиндрический анод образован четырьмя сетками, соединенными в квадратную прямую призму с закругленными ребрами, которая плавно переходит в полый цилиндр, на конце которого установлен конус. Четыре плоских катода и четыре анодных сетки образуют четыре плоских катод-анодных промежутка. В пространстве между анодом и стенкой вакуумной камеры потоком прошедших через анод электронов образуется виртуальный катод.

Устройство-прототип работает следующим образом. При подаче на анод импульса высокого напряжения положительной полярности в катод-анодных промежутках возникают электронные потоки, которые, проходя через сетки анода в пространстве между анодом и стенкой вакуумной камеры, создают виртуальные катоды. При формировании виртуальных катодов в электронных потоках возникает осцилляторное движение электронов между реальными и виртуальными катодами, которое сопровождается мощным электромагнитным излучением, и в вакуумной камере возбуждаются электромагнитные волны СВЧ-диапазона длин волн. Вакуумная камера вместе с электродной системой, расположенной внутри камеры, образуют электродинамическую систему генератора, которая является неодносвязной в области взаимодействия пучка с полями электродинамической системы (резонатора). Она не является однородной вдоль оси камеры и состоит из отрезков волноводных линий:

коаксиальной, планарно-коаксиальной и цилиндрической. В ней могут возбуждаться волны типа ТЕМ, ТЕ, ТМ. Низшим типом колебаний в этой системе являются волны типа ТЕМ. Первым высшим типом волн являются волны типа ТЕ₁₁. Поэтому наиболее эффективное возбуждение и передача энергии будет осуществляться волнами ТЕМ и ТЕ₁₁ типа. При этом, для того чтобы возбуждение было на одном типе, а именно на ТЕ₁₁ типе, необходимо иметь аксиально-несимметричный электронный поток. Это достигается в устройстве за счет несимметричного расположения плоских катодов. Проведенные на устройстве-прототипе экспериментальные исследования показали, что при формировании аксиально-несимметричных электронных потоков в генераторе генерация СВЧ-излучения осуществляется на ТЕ₁₁ типе, при котором в свободном пространстве формируется диаграмма направленности излучения с максимальной мощностью на оси. При формировании аксиально-симметричного расходящегося от оси камеры электронного потока в этой системе возбуждается ТЕМ волна, которая в отрезке цилиндрической линии трансформируется в волну TM₀₁ и в свободном пространстве формируется диаграмма направленности излучения с минимальной мощностью на оси [А.Г. Жерлицын и др. Генерация СВЧ-колебаний в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т.21. - №2. - С.31-35]. Аксиальная симметрия электронного потока достигалась в устройстве за счет замены прямоугольного цилиндрического сеточного анода на круглый цилиндрический сеточный анод и замены плоских катодов в катодном узле на круглый цилиндрический катод.

Недостатком устройства-прототипа является ограничение его функциональных возможностей, невысокая надежность работы устройства, связанная с электрической прочностью вакуумных промежутков в области подсоединения катодного узла с вакуумной камерой. А именно при увеличении мощности СВЧ-излучения необходимо увеличивать высокое напряжение, что влечет за собой увеличение вакуумных промежутков в области соединения катодного узла с вакуумной камерой и, как следствие этого, к увеличению геометрических размеров весогабаритных характеристик генератора, а также к увеличению вероятности перехода генерации из одномодового режима, к многомодовому режиму генерации.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей СВЧ-генератора с виртуальным катодом коаксиального типа, повышении надежности работы устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ- генераторе с виртуальным катодом коаксиального типа, содержащим, как и прототип, источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, высоковольтный изолятор, установленный в торце камеры, цилиндрический сеточный анод, расположенный вдоль оси камеры, соединенный с положительным электродом источника высокого напряжения через анододержатель и высоковольтный изолятор, катодный узел с цилиндрическим катодом, расположенный внутри анода на его оси и соединенный с вакуумной камерой, антенну для вывода СВЧ-излучения, в отличие от прототипа катодный узел соединен с вакуумной камерой через коаксиальную конусную линию, широким концом подсоединенную к свободному торцу камеры, а узким концом к коаксиально-волноводному переходу, к которому подсоединены антенна и согласующий элемент.

Целесообразно, чтобы коаксиально-волноводный переход был выполнен в виде коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа.

Целесообразно, чтобы коаксиальная конусная линия была соединена с коаксиально-волноводным переходом через заземленный излучатель.

Целесообразно, чтобы согласующий элемент был выполнен в виде короткозамкнутого высокочастотного поршня и соединен с коаксиально-волноводным переходом через вакуумно-плотное радиопрозрачное окно.

Целесообразно, чтобы на выходе антенны было установлено радиопрозрачное вакуумно-плотное окно.

Поскольку коаксиально-волноводные переходы пуговичных типов могут быть электрически пробиты только при СВЧ-мощности, равной СВЧ-мощности электрического пробоя коаксиальной линии [Линии передачи сантиметровых волн / под редакцией Г.А. Ремеза. - М.: Советское радио. 1951. - т.1-415. - С.357], то для повышения надежности работы устройства при высоких уровнях мощности излучения, генерируемой в генераторе, целесообразно использовать переход пуговичного типа.

На Фиг.1 схематически представлена конструкция заявляемого устройства. Фиг.2 иллюстрирует использование в устройстве коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа.

СВЧ-генератор с виртуальным катодом коаксиального типа содержит источник высокого напряжения 1, в котором отрицательный электрод заземлен; заземленную цилиндрическую вакуумную камеру 2, в торце которой установлен высоковольтный изолятор 3. Другой торец камеры соединен с коаксиальной конусной линией 4, к которой подсоединен коаксиально-волноводный переход 5 с прямоугольной антенной 6 для вывода СВЧ излучения. Внутри вакуумной камеры вдоль ее оси установлен цилиндрический сеточный анод 7, который с помощью анододержателя 8 соединен с высоковольтным электродом положительной полярности 9 источника высокого напряжения 1. Внутри анода вдоль его оси установлен катододержатель 10 с цилиндрическим катодом 11. Катододержатель 10, сеточный анод 7, анододержатель 8 и вакуумная камера 2 образуют две взаимосвязанные коаксиальные линии. Катододержатель 10, являющийся внутренним проводником коаксиальной линии, соединен через внутренний проводник 12 коаксиальной конусной линии 4 с заземленным излучателем 13 коаксиально-волноводного перехода (Фиг.1, вид A-A). Излучатель 13 служит элементом связи между коаксиальной конусной линией 4 и прямоугольным волноводом коаксиально-волноводного перехода. Для согласования коаксиальной линии и коаксиально-волноводного перехода, к переходу подключен согласующий элемент 14 в виде настраиваемого с помощью короткозамыкающего поршня отрезка волноводной линии. Для сохранения вакуума в коаксиально-волноводном переходе и внутри устройства согласующий элемент 14 соединен с коаксиально-волноводным переходом радиопрозрачным вакуумно-плотным окном 15, а на выходе антенны установлено радиопрозрачное вакуумно-плотное окно 16. Внутри вакуумной камеры 2, напротив катод-анодного промежутка 17, за сеточным анодом потоком электронов, прошедших через анод, образуется виртуальный катод 18.

В другом варианте (Фиг.2) катододержатель 10 соединен через внутренний проводник 12 коаксиальной конусной линии 4 с заземленным излучателем 13 коаксиально-волноводного перехода 5 пуговичного типа.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Высоковольтный импульс положительной полярности от источника высокого напряжения 1 через высоковольтный электрод 9, изолятор 3 и анододержатель 8 прикладывается к сеточному аноду 7. Под действием разности потенциалов между катодом 11 и анодом 7 электроны, эмитируемые с поверхности цилиндрического катода, ускоряются в промежутке катод-анод 17, образуя радиально-расходящийся поток электронов, которые после пролета через сетку анода образуют за анодом виртуальный катод 18. В потенциальной яме в области катод - анод - виртуальный катод образуется радиально-симметричный поток электронов, осциллирующий между реальным и виртуальным катодами, являющийся источником мощного СВЧ-излучения, которое при радиально-симметричном электронном потоке в коаксиальной резонансной системе возбуждает волны типа ТЕМ. Возбуждаемая ТЕМ волна через коаксиальную конусную линию передается в коаксиально-волноводный переход. В коаксиально-волноводном переходе волна ТЕМ трансформируется в волну типа ТЕ₁₀ в прямоугольном волноводе. Для обеспечения минимальных потерь энергии электромагнитного излучения при трансформации волн в коаксиально-волноводном устройстве используется настраиваемый согласующий элемент 14, выполненный в виде короткозамкнутого высокочастотного поршня. Этот элемент соединен с коаксиально-волноводным переходом через вакуумно-плотное радиопрозрачное окно 15. Сформированная в коаксиально-волноводном переходе волна ТЕ10 через прямоугольную рупорную антенну 6 излучается в свободное пространство и в дальней зоне от окна 16 антенны формируется диаграмма направленности СВЧ-излучения с максимальной мощностью на оси антенны.

Таким образом, за счет подключения катода к заземленной вакуумной камере через коаксиальную линию и коаксиально-волноводный переход, реализация предлагаемого устройства позволяет расширить функциональные возможности СВЧ- генератора, повысить надежность его работы.

В конкретном примере реализации предложенного СВЧ-генератора с виртуальным катодом геометрические размеры вакуумной камеры 2, катодного узла с катодом, анода с анододержателем, параметры источника питания такие же, как и в прототипе, а именно: вакуумная камера 2 имеет диаметр 35 см, длину 52 см, катод 11 выполнен в виде диска из нержавеющей стали диаметром 11 см и крепится к катододержателю 10 из нержавеющей стали диаметром 10 см; цилиндрический сеточный анод 7 диаметром 13,4 см, выполненном из стальной сетки с геометрической прозрачностью 0,7, и крепится на анододержателе 8, выполнен из трубы из нержавеющей стали диаметром, равным диаметру анода; источник питания 1 формирует импульс напряжения положительной полярности амплитудой 450-500 кВ, длительностью ~120 нсек и обеспечивает ток в катод-анодном промежутке, равном 45-50 кА.

Как следует из полученных результатов исследований, проведенных на СВЧ-генераторе - прототипе, в такой геометрии формируется радиальный аксиально-симметричный осциллирующий поток электронов, возбуждающий в вакуумной камере с электродными системами анода и катода волны типа ТЕМ [А.Г. Жерлицын и др. Генерация СВЧ-колебаний в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - т.21. - №2. - С.31-35].

В предлагаемом устройстве катододержатель 10 соединяется с внутренним проводником 12 коаксиальной конусной линии 4 с помощью резьбовых соединений. Внешний проводник коаксиальной конусной линии 4 через фланцевое вакуумно-плотное соединение крепится широким концом к вакуумной камере. Геометрические размеры коаксиальной конусной линии 4 выбираются из условий: во-первых, волновое сопротивление коаксиальной линии, образованной катододержателем 10 и вакуумной камерой 2 и коаксиальной конусной линией 4, должны быть равны; во-вторых, длина конусной линии ℓ_к.л.>2λ, где λ - длина волны излучения. В этом случае коэффициент стоячей волны (КСВ) линии близок к единице [Линии передачи сантиметровых волн / под редакцией Г.А. Ремеза. - М.: Советское радио. - 1959. - Т.1. - 415 с.].

Волновое сопротивление коаксиальной линии с диаметром внешнего проводника, равного диаметру катододержателя d_катод=10 см, согласно формуле равно Z_л=75 Ом. Тогда для конусной линии с волновым сопротивлением Z_к.л.=Z_л=75 Ом углы, образованные осью конусной линии и образующими конусов внутреннего и внешнего проводников конусной линии, соответственно будут равны θ₁=5° и θ₁=17° [Х. Мейнке и Ф.В. Гундлах радиотехнический справочник. - М.: Государственное энергетическое издание. - 1960. - т.1. - 516 с.]. С учетом полученных углов длина конусной линии ℓ_к.л. будет равна ℓ_к.л.≈57 см. Эта длина достаточна для того, чтобы выполнялось второе условие согласования коаксиальных линий, при котором КСВ≈1, а именно ℓ_к.л.>2λ для длины волны излучения λ=10 см.

В примере конкретного исполнения для соединения коаксиальной конусной линии с коаксиально-волноводным переходом используется цанговое соединение внутренних проводников 12 и 13 и фланцевое соединение внешних проводников. Волновое сопротивление отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода равно волновому сопротивлению конусной линии: Z_к.в.n.=Z_к.л.=75 Ом. Как было отмечено ранее, для повышения надежности работы устройства при высоких уровнях мощности излучения целесообразно использовать коаксиально-волноводный переход пуговичного типа. В этом переходе пробивная напряженность электрического поля равна пробивной напряженности в коаксиальных линиях. В примере конкретного исполнения предлагается использовать коаксиально-волноводный переход пуговичного типа с прямоугольным волноводом сечением 45×90 мм². Величина диаметров внутреннего и внешнего проводников отрезка коаксиальной линии перехода определяются из условия электрической прочности вакуумной коаксиальной линии. Для импульсов наносекундной длительности пробивная напряженность электрического поля в вакууме равна E_пр.≥600 кВ/см [В.Я. Ушаков. Изоляция установок высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат. - 1994. - 466 с.]. При этом предельная СВЧ- мощность, передаваемая по вакуумной коаксиальной линии, связана с пробивной напряженностью электрического поля следующей формулой [Конструкция СВЧ-устройств и экранов: Учеб. Пособие для вузов / A.M. Чернушенко, Н.Е. Меланченко, Л.Г. Манорацкий, Б.В. Петров / Под ред. A.M. Чернушенко. - М.: Радио и связь. - 1983. - 400 с.]:

,

где P_пр. - предельная СВЧ-мощность,

E_пр. - напряженность пробоя электрического поля в линии,

d - диаметр внутреннего проводника линии,

D - диаметр внешнего проводника линии.

Для линии с волновым сопротивлением Z_к.л.=75 Ом, , тогда предельная СВЧ-мощность, передаваемая по вакуумной коаксиальной линии, будет равна:

и диаметр внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода можно определить из выражения:

.

Для генерируемой мощности P≥10⁹ Вт и E_пр=6·10⁵ В/см, d≥1 см.

Из конструктивных соображений выбираем d=1,6 см, тогда диаметр внешнего проводника отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода, с учетом волнового сопротивления линии Z_к.л.=75 Ом, будет равен D=5,5 см.

Предельная СВЧ-мощность, передаваемая по вакуумному волноводу коаксиально-волноводного перехода сечением 45×90 мм к антенне на бегущей волне типа ТЕ_10, определяется по формуле:

,

где - предельная СВЧ-мощность в волноводе на волне типа ТЕ₁₀, Вт;

a и b - внутренний размер волновода, см;

E_пр - напряженность пробоя электрического поля в вакуумном волноводе, В/см;

Z_c=376,7 Ом - характеристическое сопротивление плоской волны в вакууме;

λ₀ и - длина волны колебаний в волноводе и критическая длина волны типа ТЕ₁₀ в волноводе [Конструкция СВЧ- устройств и электронов: Учеб. пособие для Вузов / А.М. Чернушенко, Н.Е. Меланченко, Л.Г. Малорацкий, Б.В. Петров / Под ред. А.М. Чернушенко. - М.: Радио и связь. - 1983. - 400 с.]. Тогда согласно этой формуле при a=9 см; b=4,5 см; E_пр=6·10⁵ В/см; Z_c=376,7 Ом; λ₀=10 см; см; Вт.

Таким образом, как показывает пример конкретного исполнения, использование заявляемого устройства позволяет при генерации СВЧ- излучения гигаваттного уровня мощности в десятисантиметровом диапазоне длин волн в СВЧ-генераторе с виртуальным катодом трансформировать волны ТЕМ типа в волну типа ТЕ₁₀ в прямоугольном волноводе и расширить функциональные возможности СВЧ-генератора, повысить надежность его работы.