виркатор
Классы МПК: | H01J25/68 лампы, специально предназначенные для работы в качестве генераторов, с положительной сеткой и тормозящим полем, например для генераторов Баркгаузена - Курца |
Автор(ы): | Булычев С.В., Дубинов А.Е., Дубинов Е.Е., Макарова Н.Н., Селемир В.Д. |
Патентообладатель(и): | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-08-27 публикация патента:
27.03.2002 |
Изобретение относится к релятивистской СВЧ электронике, может быть использовано при создании мощных импульсных или импульсно-периодических источников СВЧ излучения. Техническим результатом является возможность оперативной перестройки антенной системы виркатора при изменении режима его работы, а при использовании виркатора в фазированной решетке - уменьшение времени установления фазировки и увеличение времени удержания фазировки. В виркаторе, содержащем последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов, анодный электрод, имеющий диафрагму, и коллектор электронов, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор, и устройство вывода СВЧ излучения, в отличие от известного в качестве обратного токопровода и одновременно в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется по меньшей мере один гибкий провод, соединяющий анодный электрод и коллектор. Гибкие провода могут быть выполнены в виде простых петель, спиралей с сердечником внутри или без него могут быть нагружены на директорные антенны. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12
Формула изобретения
1. Виркатор, содержащий последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов, анодный электрод, имеющий диафрагму, и коллектор электронов, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор, и устройство вывода СВЧ излучения, отличающийся тем, что в качестве обратного токопровода и одновременно в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется по меньшей мере один гибкий провод, соединяющий анодный электрод и коллектор и являющийся антенной бегущей волны. 2. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что расстояние l между диафрагмой анодного электрода и коллектором выбирают из соотношения![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-7t.gif)
где
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180472/967.gif)
d - расстояние между эмиттером электронов и диафрагмой. 3. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что место контакта провода с коллектором и место контакта провода с анодным электродом разнесены друг от друга по азимуту относительно направления движения электронов. 4. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном проводе, соединяющем анодный электрод и коллектор, размещена по меньшей мере одна директорная антенна. 5. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один провод, соединяющий анодный электрод и коллектор, свернут в спираль. 6. Виркатор по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере внутри одной спирали расположен по меньшей мере один сердечник. 7. Виркатор по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере один сердечник выполнен из ферромагнитного материала.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к релятивистской СВЧ электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных или импульсно-периодических источников СВЧ излучения. Известен СВЧ генератор на основе виртуального катода (ВК)-виркатор [1] (Kostov K. G. , Nikolov N.A., Spassovsky I.P., Spassov V.A., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field", Appl. Phys. Lett., 1992, v. 60, 21, p. 2598), содержащий последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов и анодный электрод, имеющий диафрагму, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, и устройство вывода излучения, причем в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода в нем служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения служит коническая рупорная антенна. В известном виркаторе [1] диафрагма может быть выполнена в виде металлической сетки либо фольги. Известен также виркатор [2] (Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Корнилов В.Г. и др. , "Виркатор", патент РФ 2046440 с приоритетом от 08.06.93, Н 01 J 25/00, опубл. БИ 29, 1995), в котором на анодном электроде установлены плазменные инжекторы, создающие тонкий плазменный слой, играющий роль диафрагмы. Известен магнитоизолированный виркатор [3] (Жерлицын А.Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В., Фоменко Г.П., "Генерация СВЧ колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке", ЖТФ, 1986, т. 56, 7, с. 1384), в котором роль диафрагмы играет апертура волновода в районе скачка его диаметра. В виркаторах [2, 3] так же, как и в [1], в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения служит рупорная антенна. В виркаторе [3] обязательно имеется соленоид для возбуждения продольного магнитного поля, в то время как в виркаторах [1, 2] в этом нет необходимости. Недостатком виркаторов [1-3] является невозможность настройки устройства вывода СВЧ излучения путем варьирования угла раствора рупорной антенны, ее длины и диаметров оснований конуса рупора с учетом того, что внутренность рупора обычно вакуумирована и закрыта со стороны большего диаметра диэлектрическим окном. Этот недостаток на практике приводит к тому, что для разных режимов работы виркатора приходится иметь несколько сменных рупоров. Наиболее близким к предлагаемому виркатору является виркатор [4] (Brandt H. E. , "High power millimeter-wave source", USA Patent 4553068, date of priority 12.11.85, Н 01 J 25/00). Он содержит последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов и анодный электрод, имеющий сетчатую или фольговую диафрагму, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, и устройство вывода излучения, причем в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода в нем служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется система диэлектрических окон, расположенных на боковой поверхности анодного электрода, и параболическая антенна, внутри которой расположен анодный электрод. Недостатком [4] является то обстоятельство, что для настройки антенной системы при изменении режима работы виркатора необходимо изменение геометрии параболоида, что влечет за собой его замену и необходимость иметь несколько сменных антенн. При выходной СВЧ мощности излучения, генерируемого виркатором, величиной![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180018/8805.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180039/964.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180039/964.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180729/8811.gif)
- провод в виде простой петли;
- провод, место контакта которого с коллектором и место контакта которого с анодным электродом разнесены друг от друга по азимуту относительно направления движения электронов;
- провод, на котором размещена по меньшей мере одна директорная антенна;
- провод, свернутый в спираль;
- спиральный провод, внутри которого расположен по меньшей мере один сердечник;
- спиральный провод с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала. Для обеспечения наибольшего кпд в предлагаемом виркаторе необходимо, чтобы расстояние l между диафрагмой анодного электрода и коллектором было выбрано из соотношения:
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-2t.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180472/967.gif)
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной в качестве устройств связи в ней используются провода обратных токопроводов, расположенные так, чтобы по меньшей мере по одному проводу двух смежных виркаторов были охвачены друг другом;
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной устройства связи в ней выполнены в виде по меньшей мере одной директорией антенны, к которой подключены провода обратного токопровода виркаторов;
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора со спиральными виркаторами, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной устройства связи в ней выполнены в виде по меньшей мере одного сердечника, который охватывается спиралями виркаторов. Объединение виркатора и ФАР на его основе в одно изобретение обусловлено тем, что предлагаемые ФАР можно создать только при условии использования предлагаемых виркаторов в качестве своих элементов. Но предлагаемый виркатор можно использовать как в составе ФАР, так и отдельно, поэтому виркатор является первичным объектом изобретения, а предлагаемая ФАР - зависимsм объектом. Решение технической задачи по обеспечению возможности оперативной перестройки антенной системы виркатора при изменении режимов его работы основано на гибкости и быстрой сменяемости проводов, когда возможно быстрое изменение геометрии антенной системы либо путем изгиба проводов с приданием им требуемой формы, либо изменением их длины. Предлагаемый виркатор существенно отличается от известных и по принципу генерации СВЧ излучения. Рассмотрим это более подробно. Прежде всего отметим, что в известных виркаторах [1-4], а также в виркаторах известных ФАР [5, 6] использован электродипольный принцип СВЧ генерации излучения, когда генерация осуществляется за счет колебаний электрического диполя "ВК-изображение ВК на диафрагме". Ясно, что в этом случае для увеличения мощности генерации необходимо стремиться к тому, чтобы большая часть электронного потока отражалась ВК назад к месту инжекции (т.е. диафрагме), чем достигается наибольший заряд в электрическом диполе. Этого добиваются путем обеспечения условия I/Iпред-->
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180152/8734.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-3t.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180333/8801.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/8733.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-4t.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-5t.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180004/955.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180004/955.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180975/2180975-6t.gif)
![виркатор, патент № 2180975](/images/patents/290/2180472/967.gif)
- фиг. 2 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами обратного токопровода в виде обычных петель;
- фиг.3 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами в виде петель, места контакта которых с коллектором и места контакта которых с анодным электродом разнесены по азимуту;
- фиг.4 - виркатор с плазменной диафрагмой и с проводами в виде петель, места контакта которых с коллектором и места контакта которых с анодным электродом разнесены по азимуту;
- фиг.5 - магнитоизолированный безфольговый виркатор с проводами в виде петель;
- фиг. 6 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами обратного токопровода в виде обычных петель, нагруженных на директорные антенны типа Уда-Яги [8] (Харвей А.Ф., "Техника сверхвысоких частот", М.: Сов. радио, 1965, т. 2, с. 24);
- фиг. 7 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с азимутальной осью;
- фиг. 8 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с продольной осью;
- фиг. 9 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с сердечниками внутри;
- фиг. 10 - ФАР из двух виркаторов типа фиг.2 с зацепленными проводами обратного токопровода;
- фиг.11 - ФАР из трех виркаторов типа фиг.6 с общими директорными антеннами типа Уда-Яги;
- фиг.12 - ФАР из четырех виркаторов типа фиг.9 с общим сердечником. На фигурах обозначено: 1 - источник питания; 2 - эмиттер электронов; 3 - изолятор; 4 - анодный электрод; 5 - анодная диафрагма; 6 - коллектор электронов; 7 - гибкий провод обратного токопровода; 8 - плазменный инжектор; 9 - соленоид магнитного поля; 10 - стержень директорией антенны типа Уда-Яги; 11 - сердечник. Для работы виркатора в воздушном пространстве необходимы диэлектрические окна 12, отделяющие вакуумированные внутренние полости виркатора от внешнего пространства; в случае же использования виркатора в космических условиях или в условиях сильного разрежения необходимость окон 12 отпадает. В качестве источника питания 1 возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [9] (Месяц Г.А., "Генерирование мощных наносекундных импульсов", М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [10] (Азаркевич Е.И., Диденко А.Н., Жерлицын А.Г. и др., "Получение импульсов СВЧ-излучения с помощью энергии химических взрывчатых веществ", Препринт, Ин-т хим. физ. РАН, Черноголовка, 1992). В качестве эмиттера электронов 2 может быть использован взрывоэмиссионный или термоэмиссионный катод. Возможно также применение плазменных эмиттеров на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда типа [11] (Бугаев С.П., Месяц Г.А., "Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме", ДАН СССР, 1971, т. 196, 2, с. 324). Изолятор 3 можно выполнить из полиэтилена, фторопласта, капролона или других диэлектрических материалов, способных работать в высоком вакууме. Анодная диафрагма 5, расположенная на анодном электроде 4, изготавливается из тонкой проводящей фольги из металла с малым атомным номером, например титана, либо из проволочной сетки из тугоплавкого металла, например вольфрама или тантала. В случае виркатора с плазменной диафрагмой возможно использование нескольких радиально установленных плазменных инжекторов 8, подобных описанным в [12] (Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др. "Теоретическое и экспериментальное исследование виркатора с плазменным анодом". Физика плазмы, 1997, т. 23, 4, с. 343), которые создают тонкий плазменный слой, играющий роль диафрагмы 5. Коллектор электронов 6 может быть изготовлен из любого конструктивного металла, например нержавеющей стали. Гибкие провода 7 обратного токопровода можно изготовить из медной изолированной или неизолированной проволоки произвольного профиля поперечного сечения. Директорные антенны 10 также выполняются из проводников, например из меди. Сердечники 11 внутри спиралей, свернутых из проводов 7 обратного токопровода, выполняются из ферромагнитного материала с временем релаксации много меньшим, чем период модуляции электронного тока в ВК (так называемые СВЧ-ферриты). В случае необходимости виркатор помещают в соленоид 9 магнитного поля, запитываемый от своего источника тока. Внутренние полости виркатора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10-4 Тор. Работает виркатор следующим образом. При подаче импульса высокого напряжения на промежуток "эмиттер - диафрагма" с эмиттера 2 по направлению к диафрагме 5 устремляется электронный пучок, ускоряясь в этом промежутке. Пройдя сквозь диафрагму 5, пучок замедляется и примерно в середине промежутка "диафрагма - коллектор" формируется ВК. ВК, осциллируя по величине заряда и по местоположению, то пропускает электронный поток к коллектору 6, то отражает их назад к диафрагме 5. Таким образом, на коллектор 6 падает промодулированный ток электронов с частотой модуляции, равной частоте осцилляции ВК. Этот модулированный ток в дальнейшем протекает по проводам 7 обратного токопровода и замыкается на анодной диафрагме 5. Протекание модулированного тока по проводам 7 вызывает излучение антенных систем петлевого, спирального или директорного типа. При использовании предлагаемых виркаторов в составе ФАР типа фиг.10-12 часть промодулированного тока ответвляется для осуществления связи виркаторов и их взаимной синхронизации и фазировки. Ожидаемые время установления фазировки и время ее удержания в паре виркаторов, связанных согласно фиг.10-12, составят 2-5 нс и 200 нс соответственно.
Класс H01J25/68 лампы, специально предназначенные для работы в качестве генераторов, с положительной сеткой и тормозящим полем, например для генераторов Баркгаузена - Курца
сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода - патент 2444805 (10.03.2012) | ![]() |
генератор свч сигналов на виртуальном катоде - патент 2444082 (27.02.2012) | ![]() |
генератор на виртуальном катоде - патент 2431902 (20.10.2011) | ![]() |
генератор хаотических радиоимпульсов на виртуальном катоде - патент 2431901 (20.10.2011) | ![]() |
клистронный генератор - патент 2396632 (10.08.2010) | ![]() |
виркатор на основе радиального пучка - патент 2387040 (20.04.2010) | ![]() |
генератор электрического тока на потоке плазмы - патент 2349984 (20.03.2009) | ![]() |
магнетрон - патент 2334301 (20.09.2008) | ![]() |
свч-генератор на виртуальных катодах - патент 2325724 (27.05.2008) | ![]() |
свч-генератор - патент 2321099 (27.03.2008) | ![]() |