ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2239257 (13) C1

(51) 7 H01J25/68 

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

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

(21) Заявка: 2003101489/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.01.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.01.20 
(45) Опубликовано: 2004.10.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ, Физика, 1999, №6, с. 67- 72. RU 2037905 С1, 19.06.1995. RU 2068596 С1, 27.10.1996. US 5113154 A, 12.05.1992. US 5164634 A, 17.11.1992. 
(72) Автор(ы): Алехин Б.В. (RU); Воронин В.В. (RU); Коваленко О.И. (RU); Павлов С.С. (RU); Суряков В.Д. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии (RU); Российская Федерация в лице Федерального государственного унитарного предприятия - Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (RU) 
Адрес для переписки: 607190, Нижегородская обл., г. Саров, пр-т Мира, 37, ФГУП РФЯЦ - ВНИИЭФ, ОПИНТИ 

(54) ДИОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
Применение: техника СВЧ, может быть использован при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для целей радиолокации, накачки рабочих сред газовых лазеров и т.д. Сущность: выполнение анода диодного узла в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток, не имеющих электрического контакта между собой в области прохождения электронного пучка. Расстояние между предыдущей и последующей сетками меньше расстояния от катода до ближайшей к нему сетки. Технический результат: повышение эффективности генерации излучения по крайней мере вдвое с одновременным увеличением ресурса анода в 3...4 раза. 2 ил.





ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения.

Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом с диодным узлом, содержащим вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения.

(А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия Высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72 [1], L.Miner, D.Voss, R.Koslover, B.Miera B. et. el. High-Power Microwave Test Facility Based on Double-Anode Relativistic Tetrode (DART) Oscillators //IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, August 1992., vol. 34, №3, pp. 229-234 [2]).

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше некоторого значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Эта 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 катодом, и колебания положения самого ВК.

В качестве анода в виркаторах используется либо тонкая фольга из легких металлов, либо сетка из тугоплавкой металлической проволоки. Геометрическая прозрачность сетчатого анода должна составлять не менее 70...80%. В приборах, работающих в импульсно-периодическом режиме, применяются исключительно аноды в виде токопроводящих металлических сеток.

Основным недостатком известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкая эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (кпд генератора). Одной из причин, обуславливающей невысокий кпд виркаторов, является наличие в пучке низкоэнергетичных электронов, которые генерируются на фронте и спаде питающего виркатор высоковольтного импульса, а также образующихся при ударах об анодную сетку либо фольгу. Эта часть электронов, ускоряясь в поле СВЧ-волны, отбирает у последней энергию, снижая, таким образом, эффективность работы виркатора.

За прототип выбран диодный узел СВЧ-генератора с двойным анодом (А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72), схема которого представлена на фиг.1, где: 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6, 7 - виртуальный катод.

Прототип содержит источник импульсного напряжения 1, вакуумную камеру 2 с расположенными в ней катодом 3 и анодом, выполненным в виде двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток 4, 5. Расстояние между сетками больше расстояния между катодом и ближайшей к нему анодной сеткой. Генератор с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, работает в режиме стохастического резонанса в присутствии ведущего магнитного поля. В рассматриваемом генераторе расстояние между сетками выбрано таким образом, чтобы между ними образовывался виртуальный катод 6, как и в пространстве дрейфа за второй сеткой 7. Только при наличии двух виртуальных катодов реализуется режим стохастического резонанса. Цилиндрический объем между сетками в прототипе играет роль резонатора, и следствием его применения является сужение спектра генерации традиционного односеточного виркатора.

Недостатком СВЧ-генератора с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, является, как это присуще всем приборам на основе ВК, невысокий кпд. Мощность генерации СВЧ-излучения при использовании такой конструкции диодного узла меньше либо равна мощности генерации с одной анодной сеткой.

Техническая задача состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ-генераторов с виртуальным катодом.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение кпд генератора.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного диодного узла для СВЧ-генератора, содержащего вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения, в предлагаемом устройстве предыдущая и последующая сетки установлены между собой на расстоянии, меньшем расстояния от катода до ближайшей к нему сетки без электрического контакта в предполагаемой области прохождения электронного пучка. Поскольку виртуальный катод образуется на расстоянии, примерно равном расстоянию между катодом и первой анодной сеткой, предложенная конструкция анодного узла позволяет работать в режиме односеточного виркатора без образования в пространстве между анодными сетками виртуального катода. Малое расстояние L между предыдущей и последующей сетками имеет принципиальное значение - при L, меньшем расстояния катод - ближайшая сетка, за счет сил электростатического расталкивания низкоэнергетичная часть пучка высаживается на сетки и стенки вакуумной камеры. Высокоэнергетичная же часть пучка проходит практически без потерь. Наличие минимального расстояния между сетками обусловлено необходимостью реализации двухсеточного варианта (отсутствия электрического контакта между ними в области прохождения пучка) с обеспечением эффективного удаления низкоэнергетичной части пучка в области между сетками, что приводит к росту кпд. Это расстояние во многом определяется энергией электронов в пучке и геометрической формой катода. Следует отметить, что для приборов с виртуальным катодом предполагаемая область прохождения электронного пучка (поперечное сечение пучка в плоскости анодной сетки) соответствует размерам и форме эмитирующей поверхности катода и может быть определена заранее исходя из геометрии диодного узла.

Кроме того, применение анода в виде расположенных на заявленном расстоянии друг от друга нескольких сеток позволяет выравнивать потенциал в ускоряющем промежутке катод - первая сетка.

Таким образом, предлагаемый диодный узел для генератора СВЧ-излучения содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения. Расстояние между сетками, следующими друг за другом, меньше расстояния от катода до ближайшей к нему сетки, причем сетки не должны иметь электрического контакта между собой в предполагаемой области прохождения электронного пучка.

Построение диодного узла генератора СВЧ-излучения по предлагаемой схеме позволит достичь технического результата - повышения кпд генератора.

На фиг.2 приведено схематичное изображение заявляемого диодного узла для СВЧ-генератора, где 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6 - виртуальный катод.

Заявляемый диодный узел, выполненный по схеме фиг.2, реализован на практике. В состав СВЧ-генератора с заявляемым диодным узлом входят: высоковольтный источник импульсного напряжения 1, представляющий собой 12- каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, цилиндрическая вакуумная камера 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм и анод в виде 2-х плоских токопроводящих сеток 4, 5 из танталовой проволоки. Геометрическая прозрачность для электронов каждой из сеток ~90%. Зазор катод - первая анодная сетка равен 2,5...2,9 мм, расстояние между сетками 1,2 мм. Виртуальный катод 6 образуется в объеме вакуумной камеры за плоскостью второй сетки. Параметры инжектируемого в дрейфовую камеру пучка следующие: энергия электронов ~140 кэВ, ток пучка ~7 кА и длительность импульса ~40 нс на полувысоте.

Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1 прикладывается к катоду 3, цилиндрическая вакуумная камера 2, сетки 4, 5 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника напряжения. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анодные сетки и образует в вакуумной камере виртуальный катод 6.

Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему. Длина волны генерируемого излучения 3...4 см, а длительность импульса 25 нс на полувысоте.

Для оценки результатов применения предлагаемого диодного узла на этом же генераторе СВЧ-излучения были проведены эксперименты с двухсеточным, выполненным по схеме прототипа (расстояние между сетками варьировалось в пределах от 3 до 7 мм), и традиционным односеточным анодом. Экспериментально установлено, что предлагаемый диодный узел позволяет, по крайней мере, вдвое повысить кпд генератора по сравнению как с вариантом прототипа, так и с односеточным вариантом. 



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Диодный узел для генератора сверхвысокочастотного излучения, содержащий вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения, отличающийся тем, что предыдущая и последующая сетки установлены между собой на расстоянии, меньшем расстояния от катода до ближайшей к нему сетки без электрического контакта в области прохождения электронного пучка.



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