Патент на изобретение №2269177

(54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ВИРТУАЛЬНЫМ КАТОДОМ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к СВЧ-электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов. СВЧ-генератор содержит изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, анодные сетки и коллектор. Каждая анодная сетка подключена к своему источнику положительного напряжения относительно катода и у этих источников имеется возможность регулировки величины напряжения. Приводятся математические формулы для установки величины напряжения каждого источника для нерелятивистского случая и для релятивистского случая. Техническим результатом является повышение кпд СВЧ-генератора за счет обеспечения возможности регулировки профиля потенциальной ямы с тем, чтобы колебания электронов в ней были изохронны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сверхвысокочастотной электронике (СВЧ-электронике) и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов.

Известен сверхвысокочастотный генератор с виртуальным катодом (СВЧ-генератор с ВК), содержащий изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, анодную сетку и коллектор, причем катод и коллектор заземлены, а анодная сетка подключена к источнику положительного напряжения [1] (Kapetanakos C.A., Sprangle P.A., Mahaffey R.A., Golden J., «High-power microwaves from a non-isochronous reflecting electron system (NIRES)», US Patent 4150340, H 01 J 25/74, 17.04.79). Часто такой СВЧ-генератор называют отражательным триодом с ВК. Принцип действия СВЧ-генератора основан на возникновении ВК в промежутке между анодной сеткой и коллектором и колебаниях электронов в потенциальной яме «катод – анодная сетка – ВК».

Потенциальная яма «катод – анодная сетка – ВК» в известном СВЧ-генераторе [1] имеет профиль, далекий от параболического. Поэтому колебания электронов, имеющих различную энергию, происходят с разным периодом, то есть неизохронны, что даже отображено в названии СВЧ-генератора [1]. Это приводит к существенному снижению кпд генератора.

Известен также СВЧ-генератор с ВК, содержащий изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, две анодные сетки и коллектор, причем анодные сетки и коллектор заземлены, а катод подключен к источнику отрицательного напряжения [1] (Miner L.M., Voss D.E., Koslover R.A. et al., «High-power microwave test facility based on double-anode relativistic tetrode (DART) oscillators», IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, 1992, v.34, №3, p.229-234). Этот генератор называют тетродом с ВК, и он относится к классу виркаторов. Он выбран нами за прототип. Потенциальная яма в нем также имеет неизохронный профиль, далекий от параболического. Это снижает кпд генератора.

Технической задачей изобретения является повышение кпд СВЧ-генератора с ВК.

Техническим результатом изобретения является повышение кпд СВЧ-генератора с ВК за счет обеспечения возможности установки профиля потенциальной ямы с тем, чтобы колебание электронов в ней были изохронны.

Этот результат достижим за счет того, что в заявляемом СВЧ-генераторе с ВК, содержащем изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, анодные сетки и коллектор, анодные сетки подключены к источнику положительного напряжения относительно катода, в отличие от прототипа каждая анодная сетка подключена к своему источнику положительного напряжения и у этих источников имеется возможность установки величины напряжения. При этом величины напряжения у каждого источника установлены так, для нерелятивистского случая величины напряжения U_i(z_i) на каждой i-ой анодной сетке установлены в соответствии с выражением

где е и m – заряд и масса электрона, Т – требуемый период колебаний СВЧ-волны, z_i – продольная координата i-ой анодной сетки, отсчитываемая от середины промежутка между крайними сетками (1-ый вариант), а для релятивистского случая величины напряжения U_i(z_i) на каждой i-ой анодной сетке установлены в соответствии с выражением

где с – скорость света, =0.3, =0.05 (2-ой вариант).

Известно, что в параболическом профиле потенциальной ямы (1) нерелятивистские электроны совершают гармонические колебания с периодом, не зависящим от энергии электрона (изохронные колебания) – см. стр.365 [3] (Энциклопедия для детей. Т.16. Физика. Ч.2., М.: Аванта, 2001). Для релятивистских электронов согласно [4] (Kim J.-H., Lee S.-W., Maassen H., Lee H.-W., «Relativistic oscillator of constant period», Phys. Rev. A, 1996, v.53, №5, p.2991-2997), аналогичным свойством изохронности обладает профиль потенциальной ямы (2). Таким образом, оба предложенных варианта обеспечивают изохронность потенциальной ямы, поэтому они объединены в одну заявку.

Выполнение СВЧ-генератора с ВК так, чтобы каждая анодная сетка была подключена к своему источнику положительного относительно катода напряжения и у этих источников имелась возможность установки величины напряжения, позволит выставить любой требуемый профиль потенциальной ямы в генераторе, в том числе и изохронный профиль. Таким образом, можно добиться, чтобы все электроны пучка, имеющего энергетический разброс, совершали бы колебание с одним периодом, что приведет к увеличению кпд генератора.

На фиг.1 показан пример выполнения предлагаемого СВЧ-генератора с ВК (1 – катод, 2 – одна из анодных сеток, 3 – коллектор, 4 – источники положительного напряжения, е – траектории электронов, ВК – виртуальный катод).

На фиг.2 показан профиль потенциальной ямы (тонкая линия – параболический профиль, толстая линия – реальный профиль потенциальной ямы в предлагаемом СВЧ-генераторе с ВК с учетом пространственного заряда пучка, пунктир – положение анодных сеток 2).

Катод 1 СВЧ-генератора с ВК, подключенный к источнику отрицательного напряжения, может быть выполнен в виде термоэмиссионного (LaB₆), либо взрывоэмиссионного (графит) катода, анодные сетки 2 могут быть изготовлены из нихромовой проволоки диаметром 10÷100 мкм и иметь итоговую для всех сеток геометрическую прозрачность 70%. Коллектор 3 изготавливается из хорошо отводящего тепло материала, например меди. Электродная система 1, 2, 3 СВЧ-генератора с ВК помещается в герметичную вакуумную камеру (на фиг.1 не показана), в случае же, когда СВЧ-генератор предполагается использовать в условиях разрежения (например, в космических условиях), необходимость в герметичной камере отпадает.

Регулируемые источники напряжения 4, к каждому из которых подключена соответствующая анодная сетка 2, можно выполнить идентичными для каждой анодной сетки 2, в этом случае в цепь питания каждой анодной сетки 2 вводится делитель напряжения для регулировки профиля потенциала.

Перед работой СВЧ-генератора производят его настройку. Для этого устанавливают требуемый профиль потенциальной ямы с помощью регулируемых источников напряжения 4. Если максимальное напряжение на анодной сетке менее +511 кВ относительно катода (нерелятивистский случай), то рекомендуется устанавливать профиль потенциала по 1-ому варианту в соответствии с формулой (1), а если максимальное напряжение более +511 кВ (релятивистский случай), то по 2-ому варианту в соответствии с формулой (2).

Работает СВЧ-генератор с ВК следующим образом. После установления напряжения на анодных сетках 2 требуемого профиля потенциала по оси генератора в результате эмиссии с поверхности катода 1 в генераторе формируется электронный пучок. Электронный пучок ускоряется, проходя последовательно через анодные сетки 2 до тех пор, пока он не пройдет сквозь анодную сетку с максимальным напряжением. После этого пучок замедляется и, попадая в промежуток между последней анодной сеткой и коллектором 3, останавливается и отражается назад. Точка остановки электронов и есть ВК. В дальнейшем электроны начинают осциллировать в потенциальной яме «катод 1 – анодные сетки 2 – ВК». При выборе профиля потенциала в соответствии с формулами (1) или (2) все электроны будут осциллировать с почти одинаковым периодом, чем обеспечивается монохроматичность СВЧ-генерации и его высокий кпд (до 25÷30%).

Таким образом, выполняя СВЧ-генератор с ВК согласно формуле изобретения, можно достичь желаемого технического результата, то есть повышение кпд.

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный генератор с виртуальным катодом, содержащий изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, анодные сетки и коллектор, анодные сетки подключены к источнику положительного напряжения относительно катода, отличающийся тем, что каждая анодная сетка подключена к своему источнику положительного напряжения и у этих источников имеется возможность установки величины напряжения, причем для нерелятивистского случая величины напряжения U_i(z_i) на каждой i-й анодной сетке установлены в соответствии с выражением

где е и m – заряд и масса электрона, Т – требуемый период СВЧ-волны, z_i – продольная координата i-й анодной сетки, отсчитываемая от середины промежутка между крайними сетками.

2. Сверхвысокочастотный генератор с виртуальным катодом, содержащий изолированные друг от друга и установленные последовательно катод, анодные сетки и коллектор, анодные сетки подключены к источнику положительного напряжения относительно катода, отличающийся тем, что каждая анодная сетка подключена к своему источнику положительного напряжения и у этих источников имеется возможность установки величины напряжения, причем для релятивистского случая величины напряжения U_i(z_i) на каждой i-й анодной сетке установлены в соответствии с выражением

где е и m – заряд и масса электрона, Т – требуемый период СВЧ-волны, z_i – продольная координата i-й анодной сетки, отсчитываемая от середины промежутка между крайними сетками, с – скорость света, =0,3, =0,05.

РИСУНКИ