ВИРКАТОР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ

ВИРКАТОР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ


RU (11) 2068596 (13) C1

(51) 6 H01J25/68 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4940614/07 
(22) Дата подачи заявки: 1991.05.31 
(45) Опубликовано: 1996.10.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Жерлицын А.Г. Генерация электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом. - Плазменная электроника. Сборник научных трудов, Киев, Наукова думка, 1989. с. 112 - 131. 2. Sze H., Benford T., Woo W., Harteneck B. Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode. Phys. Fluids., v. 29(II), 1986, p. 3873 - 3880. 
(71) Заявитель(и): Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики 
(72) Автор(ы): Дубинов А.Е.; Селемир В.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Всесоюзный научно-исследовательский институт экспериментальной физики 

(54) ВИРКАТОР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ 

Использование: виркатор на циклотронном резонансе (ВЦР) может быть использован в ускорительной технике, в частности, в генераторах мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности. Цель - увеличение КПД виркатора за счет совмещения двух частот генерации (условие циклотронного резонанса). Цель достигается тем, что виркатор, содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также боковое окно для вывода СВЧ излучения, снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси ВЦР и подключенной к источнику тока, два трехиндукторных блока индукционного ускорителя электронов, дополнительный электрод и разделяющий изолятор, два трехиндукторных блока индукционного ускорителя электронов расположены вдоль оси виркатора и соединены с катодом и сеткой-анодом. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке мощных СВЧ генераторов, работающих на релятивистских электронных потоках.

Известны мощные СВЧ генераторы на релятивистских сильноточных электронных потоках, в которых генерация происходит за счет осцилляций электронов в потенциальной яме, образуемой катодом, положительной сеткой-анодом и так называемым виртуальным катодом [1] (Генерация электромагнитный колебаний в системах с виртуальным катодом) (Диденко А.Н. Григорьев В.П. Жерлицын А.Г.// Плазменная электроника: Сб. научн. тр. Киев: Наук. думка, 1989, с. 112-131). Недостатком таких генераторов является широкий спектр генерируемого излучения.

Наиболее близким по технической сущности является так называемый виркатор [2] (Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pihched diode. / Sze H. Benford J. W. Woo, Harteneck B. // Phys. Fluids. vol. 29 (11), 1986, p. 3873-3880), содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также окно для вывода излучения.

В виркаторе отрицательный импульс высокого напряжения прикладывается к катоду, коллектор же и сетка-анод заземлены. В этом случае пространство между сеткой и коллектором свободно от внешнего электрического поля и является, по сути, пространством дрейфа. Виртуальный катод формируется в пространстве дрейфа под влиянием поля пространственного заряда самого пучка, однако в виркаторе присутствуют пролетные электроны [1]

Характерной особенностью такого виркатора является двухчастотный состав спектра генерируемого излучения, причем одна из двух гармоник, обычно низкочастотная, соответствует колебаниям электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод, а высокочастотная составляющая иному механизму генерации. Таким образом, отсутствие у известных виркаторов режимов монохроматичной генерации основной недостаток таких устройств, не позволяющий эффективно использовать затраченную энергию, так как наличие двух, вообще говоря, несоизмеримых частот генерации отрицательно сказывается на фазовой селекции и фазовой фокусировке электронов в потоке, а, следовательно, и на КПД виркаторе.

Целью изобретения является повышение КПД генерации путем предусмотрения возможности управления одной из двух частот спектра излучения, в том числе возможности режима монохроматичной генерации, когда частоты обоих механизмов совпадают. Этот резонанс не будет сводиться только к сумме амплитуд обеих гармоник, а позволит существенно повысить КПД виркатора.

Цель достигается тем, что виркатор, содержащий соосно расположенные катод, сетку-анод и коллектор, а также окно для вывода излучения, снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси виркатора и подключенной к источнику тока.

Общепринято, например в [3] (Численное моделирование инжекции электронного пучка в волновод./ Филиппычев Д.С. Шафер В.Ю.// Физика плазмы.- 1989, т. 15, вып. 2, с. 182-189), что другая, обычно высокочастотная, гармоника связана с колебаниями виртуального катода как целое, однако, как считают авторы, за появление этой частоты ответственен иной, связанный с собственным магнитным полем потока механизм: медленные электроны плотного облака виртуального катода захватываются в циклотронное вращение магнитным полем, возбуждаемым пролетной частью инжектируемого в камеру пространства дрейфа тока. Кроме того, авторы считают, что электроны в потенциальной яме и виртуальный катод как целое колеблются с одной частотой, равной приблизительно удвоенной плазменной частоте пучка.

Тому, что за другую частоту ответственен именно циклотронный механизм излучения, есть целый ряд экспериментальных подтверждений:

отсутствие двухчастотного режима генерации в виркаторах, находящихся в достаточно сильных аксиальных магнитных полях, что объясняется подавлением аксиальным полем циклотронного вращения в собственном азимутальном поле; этот факт подтверждается экспериментальными исследованиями авторов;

в другой разновидности генераторов с виртуальными катодами в отражательных триодах, в которых полностью отсутствуют пролетные электроны, осуществляется режим одночастотной генерации, так как собственное магнитное поле равно нулю, однако при искусственном создании пролетного тока с помощью дополнительного коллектора сразу же возникает режим двухчастотной генерации [4] (К вопросу о механизме генерации СВЧ излучения в системах с виртуальным катодом./ Григорьев В.П. Жерлицын А.Г. Кузнецов С.И. Мельников Г.В.// ЖТФ, 1987, т. 57, вып. 9, с. 1863-1865).

Итак, изменяя величину азимутального магнитного поля в области формирования виртуального катода, можно менять частоту соответствующей гармоники, в том числе можно добиться резонанса, то есть совпадения частот обеих гармоник, что ведет к повышению КПД генерации.

Изменение азимутального магнитного поля осуществляется пропусканием по указанной выше нити тока, причем ток в нити, совпадающий по направлению с пролетным током, увеличивает азимутальное магнитное поле и, следовательно, увеличивает частоту циклотронной гармоники.

Быстрые электроны, находящиеся в области сетки-анода, имеют циклотронный радиус вращения, много больший ширины потенциальной ямы катод-виртуальный катод, поэтому пропускание по нити тока не изменяет частоту первой, связанной с колебаниями электронов в потенциальной яме, гармоники.

Авторами не обнаружено известных технических решений с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, что соответствует критерию "Существенные отличия".

На чертеже изображен виркатор на циклотронном резонансе, разрезе.

Виркатор содержит заземленную сетку-анод 1, заземленный коллектор 2, совместно представляющие вакуумную эквипотенциальную цилиндрическую полость, имеющую боковое окно вывода излучения 3. Напротив анода расположен взрыво-эмиссионный катод 4, формирующий трубчатый пучок электронов 5. Токонесущая нить для управления частотной циклотронной гармоники 6 проходит вдоль оси системы от коллектора сквозь сетку-анод, не имея с ней электрического контакта, до катода, заходя в его внутреннюю полость. Отсутствие контакта между анодом и нитью предусмотрено для предотвращения радиальных токов по поверхности анода, имеющих вредное влияние на генерацию.

Нить подключена к внешнему источнику тока 7 через электрод 8 и отверстие в разделяющем изоляторе 9. Коллектор в свою очередь защищает изолятор от разрушающего воздействия пролетных электронов.

Генератором высокого напряжения, питающим катод-анодный промежуток, является два трехиндукторных блока 10 индукционного ускорителя электронов [5] (Многоэлементные ускорители на радиальных линиях./ Павловский А.И. Босамыкин В. С. Кулешов Г.Д. Герасимов А.И. Тананакин В.А. Клементьев А.П.// Докл. АН СССР, 1975, т. 222, вып. 4, с. 817-820).

Работа виркатора происходит следующим образом: сначала по нити 6 с помощью внешнего источника 7 пропускают импульс тока длительностью, намного превышающей длительность импульса тока электронов ускорителя, и амплитудой, подобранной таким образом, чтобы электроны в суммарном магнитном поле нити и пучка имели частоту циклотронных колебаний, равную частоте колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод. Далее в момент максимума тока в нити срабатывают блоки индукторов 10, и высокое напряжение подается на промежуток между катодом 4 и сеткой-анодом 1. При подаче высоковольтного импульса напряжения на промежуток катод-сетка в результате взрывной эмиссии поток электронов устремляется к сетке-аноду и пронизывает его, попадая в промежуток сетка-коллектор, ширина которого подобрана таким образом, чтобы предельный ток в этом промежутке был меньше тока инжектируемых электронов В этом случае здесь формируется виртуальный катод (ВК). В результате колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод и циклотронного вращения их с той же частотой система генерирует СВЧ излучение, которое выводится через окно 3.

Приведем пример параметров виркатора на циклотронном резонансе:

Энергия ускорения электронов 1-1,2 МэВ

Амплитуда тока пучка 20-25 кА

Длительность импульса тока пучка 20 нс

Диаметр пучка 125 мм

Диаметр камеры дрейфа 360 мм

Длина камеры дрейфа 300 мм

Ширина промежутка катод-анод 10-20 мм

Частота колебаний электронов в потенциальной яме 3,5-7 ГГц

Длительность импульса тока в нити 1-10 мкс

Диапазон изменения амплитуды тока в нити 0-5 кА

Диапазон изменения циклотронной частоты 2,5-8,5 ГГц

Итак, диапазон изменения циклотронной частоты перекрывает возможный диапазон частот колебаний электронов в потенциальной яме и, таким образом, в данной системе возможно осуществление режима циклотронного резонанса. Оценочные расчеты показывают, что возможно повышение КПД в 1,3-1,5 раза по сравнению с виркатором без токонесущей нити.

Значительно эффективная генерация возможна и в режиме, когда частота циклотронных колебаний равна частоте 2-ой, 3-ей и т.д. гармоники колебаний электронов в потенциальной яме катод-виртуальный катод. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Виркатор на циклотронном резонансе, содержащий катод, сетку-анод, коллектор, расположенные соосно, и окно для вывода излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД виркатора, он снабжен токонесущей нитью, расположенной вдоль оси виркатора и подключенной к источнику тока.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru