[1]Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера.
[2]Известно устройство [RU 995648, A1, H01J 25/00, 20.11.1999], содержащее электронную пушку, соосно ей расположенный резонатор и выходной узел, причем резонатор расположен между электронной пушкой и выходным узлом, выполнен в виде отрезка конического волновода кругового сечения, большим основанием обращенного к выходному узлу, и имеет пазы, выполненные в виде периодически расположенных колец или многозаходной спирали.
[3]Недостатком устройства является относительно высокая сложность, обусловленная необходимостью выполнения пазов, выполненных в виде периодически расположенных колец или многозаходной спирали.
[4]Известен также релятивистский СВЧ-генератор [RU 46126, U1, H01J 25/68, 10.06.2005], содержащий вакуумную цилиндрическую камеру с окном для вывода СВЧ энергии, в которой соосно расположены цилиндрический катод и внутри катода полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов, при этом катод установлен с зазором от внутренней поверхности вакуумной камеры и между ними соосно установлен дополнительный полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов.
[5]Недостатком устройства также является относительно высокая сложность, обусловленная наличием дополнительного полого цилиндрического анода, прозрачного для электронов.
[6]Наиболее близким по технической сущности к предложенному является генератор перестраиваемого по частоте излучения мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера СВЧ-диапазона [Стрелков П.С., Ульянов Д.К. Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора // Физика плазмы. 2000. Т. 26. №4. С. 329.] с диапазоном перестройки частоты излучения от 4 до 28 ГГц, содержащий последовательно расположенные элементы в составе диода с взрывоэмиссионным катодом для формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника плазмы с вольфрамовым термокатодом, формирующим поток электронов для создания плазмы трубчатой формы путем ионизации газа, генераторной секции с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучаемого диапазона, и выходного узла, а также охватывающий эти элементы соленоид, создающий однородное магнитное поле для транспортировки электронов из диода и источника плазмы.
[7]Недостатком наиболее близкого технического решения являются чрезмерное энергопотребление, определяемое, главным образом, расходами энергии на создание однородного магнитного поля соленоидом, и низкая надежность, определяемая механическими свойствами вольфрамового термокатода при температуре свыше 3200 градусов, при увеличении длин волн излучения до дециметрового (УВЧ) диапазона и связанного с необходимостью для этого увеличения диаметра генераторной секции (до 15 см для середины УВЧ-диапазона - 1 ГГц) и, как следствие, пропорционального увеличения размеров диода, вольфрамового термокатода в плазменном источнике и соленоида. Работа взрывоэмиссионного катода требует (для однородности образования катодных факелов) магнитного поля с индукцией порядка 1 Тл, а при малых длительностях импульса (до 10 нс) - не менее 2 Тл, при генерации пачек импульсов при таком подходе соленоид потребляет мощность в единицы и даже десятки мегаватт в течение секунд, что трудно реализуемо. Увеличенный в размерах термокатод и, как следствие, с повышенной до ~10 кВт мощностью нагрева и отсутствием теплоотвода в вакууме теряет при температуре 3200 градусов механическую прочность и деформируется силой ампера, при токе плазмы до 100 А в магнитном поле 1 Тл достигающей 10 кГс/м, что приводит к деформации профиля создаваемой плазмы и нарушению условий излучения.
[8]Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение энергопотребления и повышение надежности.
[9]Технический результат, который достигается при реализации изобретения, заключается в снижении энергопотребления и повышении надежности.
[10]Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно установленные элементы в составе диода с взрывоэмиссионным катодом, выполненным с возможностью формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполненным с возможностью формирования потока электронов путем ионизации газа для создания плазмы трубчатой формы, генераторной секции с участком в форме цилиндрической трубы с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучения, и выходной узел, а также охватывающий эти элементы соленоид, создающий однородное магнитное поле для транспортировки электронов из диода и источника плазмы в выходной узел, согласно изобретению, соленоид выполнен двухсекционным, причем первая секция соленоида, охватывающего диод с взрывоэмиссионным катодом и источник плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполнена с условием формирования магнитного поля с большей индукцией, чем индукцией магнитного поля, создаваемой в генераторной секции на участке в форме цилиндрической трубы второй секцией соленоида.
[11]На чертеже представлены:
[12]на фиг. 1 - схема предложенного релятивистского СВЧ-генератора;
[13]на фиг. 2 - схема релятивистского СВЧ-генератора, выбранного в качестве прототипа.
[14]На чертеже обозначены: 1 - диод с взрывоэмиссионным катодом, 2 - источник плазмы с вольфрамовым термокатодом, 3 - релятивистский сильноточный поток электронов, 4 - плазма трубчатой формы, 5 - генераторная секция, 6 - соленоид (6-1 - первая секция соленоида, 6-2 - вторая секция соленоида), 7 - выходной узел.
[15]Релятивистский СВЧ-генератор содержит последовательно установленные элементы в составе диода 1 с взрывоэмиссионным катодом, выполненным с возможностью формирования релятивистского сильноточного потока электронов, источника 2 плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполненным с возможностью формирования потока электронов для ионизации газа и создания плазмы 4 трубчатой формы, генераторной секции 5 в форме цилиндрической трубы с диаметром, вдвое превышающим диаметр плазмы внутри нее и равным половине максимальной длины волны излучения, и выходной узел 7, а также охватывающий эти элементы соленоид 6, создающий неоднородное магнитное поле для транспортировки электронов от диода и источника плазмы до выходного узла.
[16]Кроме того, в релятивистском СВЧ-генераторе соленоид 6 выполнен двухсекционным, причем первая секция 6-1 соленоида, охватывающего диод 1 с взрывоэмиссионным катодом и источник 2 плазмы с вольфрамовым термокатодом, выполнена с возможностью формирования магнитного поля с индукцией большей, чем индукция магнитного поля, создаваемого второй секцией 6-2 соленоида, охватывающего генераторную секцию 5, благодаря чему диаметры трубчатого потока релятивистских электронов 3, распространяющегося вдоль магнитных силовых линий из диода 1, и трубчатой плазмы 4, сформированной распространяющимися вдоль магнитных силовых линий электронами из источника 2, в генераторной секции 5 превышают их диаметры в диоде 1 и источнике 2. Особенностью предложенного генератора является то, что величина индукции магнитного поля, формируемого первой секцией 6-1 соленоида, превышает величину индукции магнитного поля, формируемого второй секцией 6-2 соленоида.
[17]Сопоставительный анализ с наиболее близким техническим решением (в котором используется однородное магнитное поле, формируемое соленоидом) показывает, что в заявленном генераторе магнитное поле создается двумя секциями соленоида так, что в области диода и источника плазмы магнитное поле имеет большую индукцию, а в генераторной секции поле ослабевает, в результате чего магнитные силовые линии расходятся на больший диаметр вместе с траекториями электронов и образующейся плазмой. Технических решений, подобных предложенному, в известной литературе не обнаружено, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
[18]Кроме того, в известных источниках информации не обнаружено сведений о генерации перестраиваемого по частоте излучения УВЧ-диапазона мультимегаваттной мощности с использованием плазменного релятивистского мазера путем использования вновь введенных отличительных признаков. Следовательно, предложение отвечает критерию «изобретательский уровень».
[19]Дополнительно к отмеченному следует указать, что все элементы устройства выполнены из распространенных материалов по известным технологиям, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию «промышленная применимость».
[20]Работает релятивистский СВЧ-генератор следующим образом.
[21]Секции соленоида 6-1 и 6-2 создают неоднородное магнитное поле во всем пространстве СВЧ-генератора от диода 1 до выходного узла 7. В диоде 1 и источнике плазмы 2 создается магнитное поле с большей индукцией, чем в генераторной секции 5. Электроны с катода источника плазмы 2 распространяются вдоль магнитных силовых линий и ионизируют газ (при давлении ~0.1 Па), создавая плазму. Поскольку магнитное поле в источнике 2 сильнее, чем в генераторной секции 5, магнитные силовые линии расходятся по радиусу при переходе от источника 2 к генераторной секции 5. При этом выполняется закон сохранения магнитного потока внутри трубки тока: произведение индукции магнитного поля на площадь потока не меняется. По этому же закону строится и траектория движения релятивистских электронов из диода 1: трубчатый поток электронов расширяется по радиусу при переходе от источника 2 к генераторной секции 5, примерно повторяя форму трубчатой плазмы, но с меньшими радиусами. Близость релятивистского электронного потока к плазме в генераторной секции обеспечивает взаимодействие между ними и генерацию излучения.
[22]Энергия магнитного поля (и энергозатраты на его создание) и механические нагрузки на элементы соленоида пропорциональны квадрату индукции магнитного поля в нем. Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям - существенному снижению индукции магнитного поля в генераторной секции 5 с диаметром, задаваемым необходимой максимальной длиной волны излучения, при сохранении сильного магнитного поля в диоде 1 и плазменном источнике 2, необходимом для стабильной работы катодов - достигается требуемый технический результат, который заключается в снижении энергопотребления и повышении надежности.
