Генератор наносекундных импульсов

 

4 ..

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик оо 646783 (б3) Дополнительное к ает.. свид-ву (22) Заявлено 090L74(21) 2050179 /18-.25 (Sije. Кл.

Н 01 J 25/00 с присоединением заявки ЙЮ

Государственный комнтет

СССР по делам нзобретеннй н открытнй

l (23) Приоритет

Опубликовано 150879. бюлднвтеиь т49 30 (53) УДК 621.385 ° . 6 (088. 8) .

Дата опубликования описания 150879 (72) Авторы изобретения

А. В. Пащенко и Б. Н. Руткевич (71) Заявитель (54 ) ГЕНЕРАТОР: НАНОСШУНДМЖ Ю1ПУЛЬСОВ.1

Изобретение относится к импульсутой технике и у южет быть использовано для генерации !наносекундных электрических импульсов и для генерации и усиления СВЧ-колебаний. 5Известны различные устройства для генерации электрических импульсов,,основанные либо на нелинейном пре образовании синусоидального напря,жения в .импульсы, либо на исполь- . 1© эовании ламповых схем (генераторы релаксационных колебаний), либо на принципе трансформации мощности (искусственные линии) flj,," однако известные устройства име- 15 ют сравнительно низкую энергию ге нерируемых импульсов..

Известен генератор наносекунд- ных импульсов, содержащий электронно оптическую систему, группирующий . 20 резонатор, пространство дрейфа и вы.ходную коаксиальную линию, служак(ую коллектором электронов (2)..

В этом приборе электронный пучок пропускают через группирующий резона-25, тор, в котором возбуждаются колебанйяСВЧ. В поле резонатора происходит модуляция скорости электронного . пучка. 3а резонатором, в пространстве дрейфа, осуществляется группи- 30

2 ровка пучка s на определенном расстоянии от гРУппирующего резонатора возникают импульсы плотности электронов и импульсы .тока. Направляя сгруппированный таким образом электронный пучок на внутренний электрод коаксиальной линии, в последней можно возбуждать импульсы напрюкения.

Такой генератор также ю еет малую энерги|о импульсов, которые могут быть получены путем группировки пучка данной средней скорости. Увеличение, энергии при данной средней скорости требует повышения тока в пучке,-однако, при этом возникают трудности канализации плотных электронных пучков на достаточно больших расстояниях, необходимых для осуществления группировки.

Как известно, группировка пучка электронов в конце пространства дрейфа определяется формулой

i m O у-.нсов >1, где i - ток группированного пучка у

Я.

3 - входной току

3 646783 х - параметр группировки, в оптимальном режиме близкий к,единице.

Полагая х - 1, оценим заряд элек тронов в импульсе интегралом

IK

jilt 1 (" <,) >o )

1 где ig - ток на входе в пространство дрейфа ,ы - рабочая частота.

Здесь t и t - время входа электронов в пространство дрейфа и выхода из него, соответственно. И последнем равенстве использовано известное соотношение

13adt2 idtl У выражающее закон сохранения зарядов ° Энергия импульса жую,Ю

"где П„ - ускоряющее напряжение.

Возможно, что современная техника клистронных усилителей, отли- чающихся на порядок большим первеансом, позволила бы при той же скорости пучка увеличить энергию в импульсе до величины 10 7 Дж, которую следует считать предельной для описанного устройства.

Цель изобретения - увеличение энергии иьатульсов. ,Для этого в предлагаемом генераторе наносекундных импульсов в пространстве дрейфа расположены короткозамкнутые сетчатые электроды, образующие плоский диод.

Электронный пучок, образованный в электронно-оптической системе, модулируется так, что величина -p (где п -плотность электронов в . потоке на входе в пространство взаимодействия, (и ) =см з; Ч скорость электронов на входе в пространство взаимодействия, (V ) cM/cg Й - длина пространства взаимодействия, (6 ) см) колеблется в пределах, охватывающих некоторые критические значения, зависящие от напряжения на диоде. В случае корЬткозамкнутого диода эти значения равны 2, 19 ° 10 и 5,59 ° 10 см с . Указанная модуляция обеспечи- вает смену состояний потока, электронов в пространстве между сетками, при которой и осуществляется,образование токового импульса.

На фиг. 1 схематически изображены короткоздмкнутйе сетчатые, электроды, пронизываемые однородным по Ч и 2 направлениям электронным потоком. Кривая с максимумом представляет распределение потенциальнрй энергии. электронов в поле, объем ного заряда на .фиг. 2 — зависимость времени пролета электронов от парамет

Z 2

Ра * — ъ — B стационарном диоде1 на

Vo фиг. 3 график зависимости плотнос ти тока на выходе из диода . от а е входной плотности тока ), для стацио. нарного диода.. Виден своеобразный гистереэис, обусловленный сменой состояний в таком диоде на фиг. 4 приведено изменение времени пролета электронов через диод, пропорциональное О (t ) и изменение плотности тока е(t ) на выходе из дио-, да при переходе 1- П (в точке -- ); на фиг. 5 приведены графики 8 (t ) и je (1 ) при переходе LI -r (i} $ ) на фиг. 6 схематично показан пример реализации предлагаемого генератора. В предлагаемом генераторе сетчатые электроды 1 и 2 расположены на расстоянии 3 2,7 мм друг от друга.

Перед сетчатым электродом 2 установ20 лена электронна я пушка содержаща я

I анод 3 и катод 4 и обеспечивающая постоянный электронный п9ток с поперечным сечением S l см и током

12,5 А при анодном напряжении 1630 В, создаваемом источником 5. Электрон25 ный поток направляют на последовательно расположенные плоские короткозамкнутые сетчатые электроды

2 и 1. К сетчатому электроду 2 и к аноду 3 подключен модулятор 6 с выЗр сокочастотным напряжением 370 В и частотой 210 мГц.

Рассмотрим диод, образованный двумя плоскими сеточными электродами, находящимися под одним и тем же

35 потенцилом (qi 0} и расположенным на расстоянии друг от друга (фиг.l).

Электроны движутся вдоль направления х и образуют однородный по ц и поток. В пространстве между сетка40 ми объемный заряд электронов создает потенциальный барьер высотой(p Характер распределения потенциала Р(Х), плотности n(x) и скорости электронов

V (x) характеризуется безразмерньм Z <2

45 нараметрощ - -+ . где „,2 4 е

"Ф

v, iv(O)-u и ап (0)

8 - заряд электрона. а — масса электрона.

)p В диоде возможны два состояния: (когда все электроды проходят я ерез диод) и Д (когда часть электронов отражается потенциальным барьером и возвращается к входному элек55 троду). Зависимость времени пролета (To ) электронами рространства дрейфа от параметра ф схематически представлена на фиг . 2. Ветвь АВС, соответствующая состоянию "I, может быть представлена в виде

12 (To 1} т.

Вторая ветвь (СВ) соответствует ре-жиму с отражением (II) Ветвь ABC состоит из двух участков: устойчивого (АВ) и неустойчивого и, следовательно, нереализуемого (ВС). В точках

646783

В ((g*g о ф ) ) и С (p » 1 Тф5)) ,(6 3 возможны переходы между I и 11 состояниями.

Как видно,из фиг. 2, движение без отражения электронов (.1 ) возможно nba q (ф с отражением (11 ) прн q, ъ з . В интервале с с > возl6 можны оба состояния I и н ° 11ои плавном увеличении в точкер происходит переход I --Ч . Обратный переход Я3

I) осуществляется в точкее, при уменьшении q . Характер переходов различен. Различие отчетливо проявляется в зависимости плотности выходного тока (на 1 см ) *енеУе от входного j,;-еп (фиг. 3) . На фиг. 3 отмечены точки 4 и Ь соответствую- г щие критическим значениям е.. График (,) имеет две ветви, соответствующие состояниям I и М . Как видно из фиг. 3, переход I -Д сопровождается резким уменьшением выходного тока е, в то время как обратный переход осуществляется без скачка тока: в точке Ь испытывает разрыв лишь производная функп l Ee(Jd изложенные данные являются результатами хорошо известной статической теории диода. Статическая теория, однако, недостаточна для описания процессов перехода мвкду различными cocToHHHRMR Здесь необходим динамический анализ, т.е. анализ уравнений вида

15 в

2 — g 79 1Я йм с м

-Ю д а о

30 дч е

a- — Я а

ht*2 у ч >

40

Согласно этим оценкам, длина про45 странства взаимодействия 1 должна быть взята равной 0,27 см, 12,5 A/ñì, откуда при SI1 си ток в импульсе д1.е 10 А и В - 2 10 Дк.

Таким образом, предлагаемое устрой5Р ство позволяет сформировать электри- ческий импульс, с энергией, на два лорядка превосходящей энергию, достигаемую клистронным генератором. Полученный результат может быть на

55 несколько порядков улу ааен увеличенным сечением пучка S, Сечение 3 ограничено условием: чтобы магнитное поле тока сущест" венно:не влияло на движение злек60 тРонов, т.е. чтобы ларморовский радиус электронов р значительно превосходил длину пространства взаимодействия е . В случае пучка с круговым сечением радиуса 1" магнитное поле имеет наибольшее

2 Т значение на периФерии и равно-ф ак,,„(„ ,д1 0Š— 4ке п,ч,,ат где в качестве независим1х переменных взяты время t и время входа электрона в диод,yv (t,O),». скорость электронов, Е - поле объемного заряда, Я (t ) - полный ток ° Результаты анализа приведены на фиг. 4 и фиг. 5.

На Фиг. 4 представлены временные зависимости времени пррлета электронов через диод 8 (Т время пролета, Т " время пролета в стационарном состоянии I ) и плотности тока на выходе диода (j - плотность входного тока) при

Переходе I -11

На фиг. 5 представлены временные зависимости тех же величин при переходе 11 — I

Как видно на фиг. 5 при переходе Ц вЂ” Т на выходе диода образуется импульс тока с характерным временем, примерно в два раза превышающим время пролета свободного электрона через диод, и с амплитудой, близкой к величине входного тока j еч л„.

Приведенные результаты обоСновывают принцип действия предлагаемого генератора наносекундных импульсов. Чтобы импульс появился, параметр е., уменьшаясь, должен пройти через критическую точку Ч . Чтобы возвратить систему из состояния I в состояние Я, необходимо параметр увеличить, так чтобы он стал

« l& больше g = + . Упомянутым критическим значениям соответствуют следующие соотношения между плотностью электронного потока (и ), скоростью электронов (v ) и кратчайшим пробегом .электронов между электродами:

? — *5 59.9 ем е .е ч

Ф определяющие минимальную амплитуду модуляции параметров пучка, необходимую для генерацмк импульсов. . Чтобы облегчить сравнение с прототипом, выберем параметры пучка близкими к параметрам генератора импульсов клистронаого типа. допустим, что аа должны обеспечить длительность импульса дФ 2 .10 с.

Для оценок, применяя результаты изложенной теории, воспользуемся следующими приближенными выражениями для длителЬности импульса для тока в импульсе а(-0,а) S для энергии импульса

Ц-ы- ь е а

646783

Формула изобретения

Прк этом уйомянутое,:условие представляется неравенством у rn eev

<<1 о на осйовайии которого может .быть оценен максимальный радиус пучка.

1

Полагая, например, — = 5 получим е— ю 20 см. В этЬм случае энергия в импульсе составляет 2,4 ° 10 Дж, что в 10 раз превосходит аналогичную величину в генераторе импульсов клистронного типа. Все вышеизложенное обеспечивает модуляцию, .электронного потока такую, что ()„

/ . 4279 fO ам с и сия

>5,59 (О аи" с

ПО 1 -а . ч 1.

Сетчатый электрод 2 и анод 3 образуют модулнрующий резонатор с зазором несколько меньшим, чтобы веЛИчина входного тока не могла изменяться полем объемного заряда s модулирукяцем зазоре..В замедляющей

Фазе модулирующего напряжения в диоде устанавливается состояние д, в ускоряющей " состояние 1 . В момент перехода % 9- I когда энергия электронов на входе в диод . близка к 2000 эВ, через сетчатый электрод 1 выходит электронный пакет — импульс тока;Направляя этот электронный пакет на коаксиальную линию, содержащую внутренний электрод

7 и наружный электрод 8, получают импульс напряжения.

По сравнению с генератором, использующим клистронную группировку, предлагаемое устройство обладает тем дополнительным преимуществом, . что позволяет получать не только периодические последовательности импульсов, но и любые иные последовательности, а также одиночные йм -ПУЛЬСЫ. В последнем сЛУчаЕ устРойство может реализоваться,беэ модулирующего резонатора. Роль анода электронной пушки в этом случае

6 может играть сетчатый электрод 2 диода. Подача отрицательного импульса на катод (прн заземленном диоде) приведет вначале к установ лению режима j в диоде, затем при достижении напряжения 2000 В будет

5 осуществлен переход В -Т, сопровождающийся образованием одного наносекундного импульса.

Среди достоинств предлагаемого

1 генератора следует упомянуть и

0 простоту реализации. В рассмотренном примере используется короткий дрейф электронов (2,7 мм вместо

400 мм в генераторе клистронного типа). Сокращение дрейфа электронов 5 избавляет от трудноЧтей канализации электронов на значительных расстояниях, которые в конечном счете и ограничивают мощность устройств клистронного типа. В частности, 20 отпадает необходимость в магнитных катушках для устранения расходимости электронных пучков. Малость дрейфа обесцечивает возможность значительного увеличенйя сечения пучка, что позволяет сравнительно простыми средствами получать наносекундные импульсы большой энер- . гии.

Генератор наносекунд: ых импульсов, содержащий электронно-оптическую систему, группирующий резонатор, пространство дрейфа и выходную коаксиальную линию, служащую коллектором электронов, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии импульсов, s пространстве дрей-

40 фа расположены короткоэамкнутые сетчатые электроды, образующие плоский диод.

Источники, информации, принятые во внимание йрк экспертизе

1. Патент США 9 3676708, кл. 307-88, 1972.

2. Haiti@ В 3. thtfimiñ îüåeonñÜ рооЕ фепемtion Ьу an Юэсэй"ои Ьипсй пф. Proc. Phys. &оъ. . v.60; ЮЬ, НЬ,(З97.

Г о

646783

Риг.3

t leap

Puz. o

Сост авит ель Е. 1Жтава

Ре акто Е. Мес ойова Тех Э.Чужик Ко екто

Заказ 4817/б 0 ., Тираж 923 Подписное

ЦлИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Ра ская наб. . 4 5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4