Генератор наносекундных импульсов

4.М.ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. К .л Н 01 Т 25/00 с присоединением заявки Йй Государственный номнтет СССР по делам нзобретеннй н открытнйДата опубликования описания 150879(54ГЕНЕРАТОРНАНОСЕКУНДМЩ Ю 1 ПУЛЬСОВ 1Изобретение относится к импульсной технике и сюжет быть использовано для генерации наносекундныхэлектрических импульсов и для генерации и усиления СВЧ"колебаний. 5.Известны различные устройства длягенерации электрических импульсов,,основанные либо на нелинейном преобразовании синусоидального напря,жения в .импульсы, либо на испольэовании ламповых схем (генераторырелаксационных колебаний), либо напринципе трансформации мощности,"однакоиэвестные устройства име ют сравнительно низкую энергию генерируемых импульсовИзвестен генератор наносекунд-ных импульсов, содержащий электроннооптическую систему, группирующий . Орезонатор, пространство дрейфа и выходную коаксиальную линию, служар(ую коллектором электронов (21.В этом приборе электронный пучок пропускают через группирующий резона, тор, в котором возбуждаются колебанйя- СВЧ, В поле резонатора происходит модуляция скорости электронного . пучка. За резонатором, в пространстве дрейфа, осуществляется группи 2ровка пучка на определенном расстоянии от гРуппирующего резонатора возникают импульсы плотности электронов и импульсы .тока. Направляясгруппированный таким образом электронный пучок на внутренний электрод коаксиальной линии, в последней можно возбуждать импульсы напрюкения. Такой генератор также ююеет малую энергио 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 Формулойю фа 1-,ксову 1,.где ( - ток группированного пучкаЯ.Э - входной токх - параметр группнровки, в оптимальном режиме близкий к,единице. Полагая х - 1, оценим заряд электронов в импульсе интеграломСд 11 О,;,) фгде- ток на входе в пространство дрейфа,ы - рабочая частота. Здесь 11 и 1 - время входа элек" тронов в пространетво дрейфа и выхода из него, соответственно. И последнем равенстве использовано известное соотношение выражающее закон сохранения зарядовЭнергия импульсаЕвр 3.Ю, "где 0 - 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 107 Дж, которую следует считать предельной для описанного устройства.Цель изобретения - увеличение энергии иьвульсов.,Для этого в предлагаемом генераторе наносекундных импульсов в пространстве дрейфа расположеныкороткозамкнутые сетчатые электроды, образующие плоский диод.Электронный пучок, образованный в электронно-оптической системе, Еа модулируется так, что величина У-ф(где в-плотность электронов в ф потоке на входе в пространство взаимодействия,и=см ; Ч " скорость электронов на входе в пространство взаимодействия, Р ) см/су й - длина пространства взаимодействия,Г ) см) колеблется в пределах, охватывающих некоторые критические значения, зависящие от напряжения на диоде. Вслучае корЬткозамкнутогое диода этизначения равны 2,7910 и 5,5910 см сф . Указанная модуляция обеспечи-вает смену состояний потока, электронов в пространстве между сетками,при которой и осуществляется,образование токового импульса.На фиг. 1 схематически изображены короткозамкнутйе 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 - зависимостьвремени пролета электронов от парамет РР ера- - в стационарном диоде; наМофиг. 3 - график зависимости плотности тока на выходе из диода , отьевходной плотности тока ), для стацио. нарного диода Виден своеобразныйгистереэис, обусловленный сменойсостояний в таком диоде на фиг, 4приведено изменение времени пролета электронов через диод, пропорциональное О ( 1 ) и изменение плотности тока ( Ф ) на выходе из дио-,да при переходе 1- 0 (в точке);на фиг. 5 приведены графики Ц ( С )и е ( 1 ) при переходе 8 -1 () 1на фиг. 6 схематично показан примерреализации предлагаемого генератора,В предлагаемом генераторе сетчатые электроды 1 и 2 расположены нарасстоянии 3 2,7 мм друг от друга.Перед сетчатым электродом 2 установ 20лена электронная пушка содержащаяФанод 3 и катод 4 и обеспечивающаяпостоянный электронный поток с поперечным сечением Ящ 1 см и током12,5 А при анодном напряжении 1630 В,создаваемом источником 5. Электрон 25 ный поток направляют на последовательно расположенные плоские короткозамкнутые сетчатые электроды2 и 1. К сетчатому электроду 2 и каноду 3 подключен модулятор 6 с вы 30 сокочастотным напряжением 370 В ичастотой 210 мГц,Рассмотрим диод, образованный двумя плоскими сеточными электродами,находящимися под одним и тем же35 потенцилом (р вО) и расположеннымна расстоянии друг от друга (фиг.1).Электроны движутся вдоль направлениях и образуют однородный по у ипоток. В пространстве между сетка 40 ми объемный заряд электронов создаетпотенциальный барьер высотой Яп,. Характер распределения потенциалаР(Х)плотности п(х) и скорости электроновР (х) характеризуется безразмерньмРа . еа45 парамвтроь "- еу- , где,д 4 "фу ач(0) и и ап(О)заряд электрона.аз - масса электрона.0 В диоде возможны два состояния:(когда все электроды проходятя 1 ерез диод) и Д (когда часть электронов отражается потенциальным барьером и возвращается к входному элек 55 троду). Зависимость времени пролета( Т ) электронами рространства дрейфа от параметра ф схематически представлена на фиг. 2. Ветвь АВС, соответствующая состоянию 1, может быть60 представлена в виде, а12 (То)ТВторая ветвь (СВ) соответствует режиму с отражением (11),Ветвь АВС состоит из двух участков: устойчивого (АВ) и неустойчивого и, следовательно, нереализуемого (ВС). В точках,М 6 3возможны переходы между 1 й й состояниями,Как видно,из фиг. 2, движение без отражения электронов ( .1 ) возможно при )( ф с отражением ( 11 ) прн ), ъ з . В интервалес с-а воз 16 можны оба состояния 1 и н. Пои плав" ном увеличении в точкер 1"происходит переход 1 -Ч . Обратный переход Я 3 1) осуществляется в точкее,м при уменьшении, Характер переходов различен, Различие отчетливо про" является в зависимости плотности выходного тока (на 1 см) енеУе от входного ,Репрчр (Фиг, 3) . На фиг. 3 отмечены точки 4 к Ь соответствую-щие критическим значениям. График (р) имеет две ветви, соответствующие состояниям 1 и К . Как видно изФиг. 3, переход 1 -Д сопровождается резким уменьшением выходного тока е, в то время как обратный переход осуществляется без скачка тока: в точке Ь испытывает разрыв лишь производная функцйя Е(яэ)изложенные данные являются результатамихорошо известной статической теории диода, Статическая тео" рия, однако, недостаточна для описания процессов перехода мвкду различными состоянияж. Здесь необходим динамический анализ, т.е. анализ уравнений вида 6ПРиведенные результаты обоСновывают принцип действия предлагаемого генератора наносекундных импульсов. Чтобы импульс появился, пара" метр е , уменьшаясь, должен. пройти через критическую точку з ф . Чтобы возвратить систему из состояния 1 в состояние Я , необходимо параметрувеличить, так чтобы он стал16больше йр. Упомянутым критическим значениям к соответствуют следующие соотношения между плотностью электронного потока ( й ), скоростью электронов ( ч ) и кратчайшим пробегом, электронов между электродами: в,ечФопределение минимальную амплитуду модуляции параметров пучка, необходимую для генерации импульсов,. Чтобы облегчкть сравнение с прототипом, выберем параметры пучка близкиьщ к параметрам генератора импульсов клкстронаого типа. допустим, что мы должны обеспечить дли" цельность импульса М2 10 с.Для оценок, применяя результаты изложенной теории, воспользуемся следующими приближенными выражениями для длктелЬности импульса,атгде в качестве независимых переменных взяты время С и время Евхода электрона в диод,ч ч (й,С),-скорость электронов, Е - полеобъемного заряда, ф ( С ) - полныйтокРезультаты анализа приведенына Фиг. 4 и фиг. 5.На Фиг. 4 представлены временные зависимости времени пБрлетаэлектронов через диод 8- (Т -время пролета, Тр " время йролета в стационарном состоянии 1 )иплотности тока на выходе диода( - плотность входного тока) припереходе 1 - Я,На Фиг. 5 представлены временныезависимости тех же величин при переходе 11 - 1Как видно на фиг. 5 при переходе И - Т на выходе диода образуется импульс тока с характернымвременем, примерно в два разапревышающим время пролета свободного электрона через диод, и с амплитудой, близкой к величине входноготокаеч лр.40 для тока в импульсе ы-О,а 3 рз для энергии импульса ц ыьй 6 аСогласно этим оценкам, длина про" 45 странства взаимодействия 1 должнабыть взята равной 0,27 см,12,5 А/смз, откуда прк 81 сии токв импульсе д 1 а 10 А и й 10 Дк.Таким образом, предлагаемое устрой ство позволяет сформировать электри-ческий импульс, с энергией, на двадорядка превосходящей энергию, достигаемую клкстронным генератором. Полученный результат может быть на 55 несколько порядков улучшен увличенным сечением пучка 8.Сечение 8 ограничено условием:чтобы магнитное поле тока сущест"венно:не влияло на движение злек"тронов, т,е. чтобы ларморовский радиус электронов р значительно превосходил длину пространства взаимодействия 6 , В случае пучкас круговым сечением радиуса 1"магнитное полекмеет наибольшее2 Тузначение на периФерии и равно-ф ф6может играть сетчатый электрод 2диода. Подача отрицательного импульса на катод (прк заземленномдиоде) приведет вначале к установ- лению режима 0 в диоде, затем придостижении напряженйя 2000 В будет 5 осуществлен переход В -1, сопровождающийся образованием одногонаносекундного импульса.Среди достоинств предлагаемогогенератора следует упомянуть и 10 простоту реализации. В рассмотренном примере используется короткийдрейф электронов (2,7 мм вместо400 мм в генераторе клистронного типа). Сокращение дрейфа электронов 15 избавляет от трудностей канализации электронов на значительных расстояниях, которые в конечном счетеи.ограничивают мощность устройствклистронного типа. В частности, 20 отпадает необходимость в магнитныхкатушках для устранения расходимости электронных пучков. Малостьдрейфа обесцечивает возможностьзначительного увеличенйя сеченияпучка, что позволяет сравнительнопростыми средствами получать наносекундные импульсы большой энергии. 646783 Сетчатый электрод 2 и анод 3 обра" зуют модулнрующий резонатор с зазором несколько меньшим, чтобы веЛкчина входного тока не могла изменяться полем объемного заряда в модулирукяцем зазоре. В замедляющей Фазе модулирующего напряжения в диоде устанавливается состояние Я в ускоряющей " состояние, В момент перехода % - 1, когда энергия электронов на входе в диод .30близка 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 40 тем дополнительным преимуществом, . что позволяет получать не тйлько периодические последовательности импульсов, но и любые иные последо" вательностк, а также одиночные йм ПУЛЬСЫ. В последнем сЛУчаЕ устРойство может реализоваться,беэ модулирующего резонатора. Роль анода электронной пушки в этом случае Формула изобретения 7" на осйовайии которого может бытьоценен максимальный радиус пучка.4Полагая, например, - : 5 получимф е -а 20 см. В этЬм случае энергияв импульсе составляет 2,410 Дж,что в 10 ф раз превосходит аналогичную величину в генераторе импульсов клистронного типа. Все вьваекзложенное обеспечивает модуляцию, .электронного потока такую, чтоепХ-юаС 27810 ам с ц15,59 10 аи" еП,Л-аЧ квк Генератор наносекунд:ых импульсов, содержащий электронно-оптическую систему, группирующий резонатор,пространство дрейфа и выходную коаксиальную линию, служащую коллекторомэлектронов, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью увеличения энергии импульсов, в пространстве дрей-фа расположены короткоэамкнутые сетчатые электроды, образующие плоскийдиод.Источники, информации, принятые вовнимание йрк экспертизе1, Патент США 9 3676708,кл. 307-88, 1972,2, Наэрфд В,Ъ, )ЧНбгщеноееесичдь роо фепеюОоп Ьу ап е 8 ееЬ"оо Ьцпсйпф.Ргос. 7 Иць,5 оз./а 1 у Риг. Х Риг, о Составитель Е, Вйтато Е. Мес оюова Тех Э,Чужик о ектоодписное 4 лиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 4817/60 ЦлИИПИ Госуда по делам иэо 113035 Москва Ж