RU201842U1 - Виркатор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использована при разработке генератора СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях, в технологических процессах обработки органических и неорганических объектов, в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, ускорителях заряженных частиц, управляемом термоядерном синтезе, исследовании биологических объектов.Техническая задача полезной модели состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения для различных применений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использована при разработке генератора СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях, в технологических процессах обработки органических и неорганических объектов, в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, ускорителях заряженных частиц, управляемом термоядерном синтезе, исследовании биологических объектов [Gaponov-Grekhov, Andrei V and Granatstein VL. Applications of high-power microwaves. Artech House Publishers; 1994.; Mumtaz S, Bhartiya P, Kaushik N, Adhikari M, Lamichhane P, Lee S-J, et al. Pulsed high-power microwaves do not impair the functions of skin normal and cancer cells in vitro: A short-term biological evaluation. J Adv Res 2020;22:47-55. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jare.2019.11.007. ].

Известны мощные генераторы СВЧ излучения на основе систем с виртуальным катодом (ВК), так называемые виркаторы и отражательные триоды, содержащие катодный электрод, анодный электрод, в свою очередь состоящий из анода, диафрагмы и трубы дрейфа, а также устройство вывода излучения [Григорьев В. П. , Жерлицин А.Г., Коваль Г.В. // Физика плазмы, 1990, т. 16, N 11, с. 1353; Дубинов А.Е., Селемир В.Д. // Зарубежная радиоэлектроника, 1975, N 4, с.54].

Основным требованием к обеспечению работоспособности СВЧ прибора, например, виркатора, является необходимость создания условий формирования ВК, что осуществляется при превышении током пучка критического значения. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, что является источником мощных колебаний электромагнитного поля. Источником электромагнитных колебаний являются также осцилляции электронов в потенциальной яме с центром, приходящимся на область инжекции (диафрагма) и с краями: катод и ВК. Оба типа колебаний нераздельно взаимосвязаны между собой и происходят на одной частоте.

Таким образом, при инжекции в эквипотенциальную полость СВЧ прибора электронного потока с плотностью тока выше некоторого значения за анодной диафрагмой в полости начинает накапливаться пространственный заряд, разворачивающий поступающие электроны назад к катоду. Этот пространственный заряд и называется виртуальным катодом (ВК).

Если ток электронного пучка, инжектируемого в дрейфовую камеру сквозь диафрагму, превышает предельный, в системе за анодной диафрагмой образуется ВК, от которого электроны отражаются в сторону инжектора.

Осциллирующие между реальным катодом и ВК электроны отдают свою энергию СВЧ полю и накапливаются в потенциальной яме. Величина электрического потенциала ВК и его положение осциллируют во времени, внося свой вклад в выходное СВЧ излучение. Эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию СВЧ излучения определяет КПД прибора.

Известен виркатор (патент РФ N 2046440), содержащий цилиндрический катод, цилиндрическую трубу дрейфа, конический выходной рупор с окном вывода СВЧ-излучения и плазменный анод в виде слоя положительных ионов, инжектируемых в трубу дрейфа вблизи катода одним или несколькими внешними инжекторами. Электроны пучка ускоряются в промежутке между катодом и плазменным анодом, проникают через плазменный слой в трубу дрейфа, где постепенно замедляются полем собственного объемного заряда, образуя виртуальный катод. В стационарном режиме СВЧ-излучение генерируется колебаниями электронов и колебаниями виртуального катода в трубе дрейфа между катодом и виртуальным катодом.

Известен виркатор по патенту РФ 2123740, включающий источник питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, и канал вывода излучения с окном.

Известен виркатор, описанный в работе (M.Haworth, B.Anderson, J. Cristofferson et al., Operation of repetitevely pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser // IEEE Trans.on Pl.Sci., 1991, v. PS - 19, N 4, p. 655-659). Этот виркатор содержит анодный электрод, состоящий из последовательно расположенных цилиндрической катодной части, цилиндрической трубы дрейфа и конического рупора с окном вывода СВЧ-излучения, а также диафрагмы, разделяющей катодную часть и трубу дрейфа, и цилиндрический катодный электрод, расположенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода. При подаче на катодный электрод импульса отрицательного напряжения электроны пучка, эмитируемые с катода, ускоряются в промежутке между катодным электродом и анодной диафрагмой, проходят через диафрагму в трубу дрейфа, где постепенно тормозятся электрическим полем собственного объемного заряда до полной остановки, создавая виртуальный катод. Колебания электронов пучка между катодом и виртуальным катодом, а также колебания самого виртуального катода создают СВЧ-излучение, которое выводится через конический рупор и керамическое окно.

Недостатком известных устройств виркатора является низкий КПД генерируемого излучения.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора.

В качестве прототипа выбрано устройство виркатора по работе [Sohail Mumtaz, Jun Sup Lim, Bhagirath Ghimire, Suk Woo Lee, Jin Joo Choi, and Eun Ha Choi. Enhancing the power of high power microwaves by using zone plate and investigations for the position of virtual cathode inside the drift tube // Phys. Plasmas 25, 103113 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5043595], состоящее из источника питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод, установленной параллельно торцевой поверхности катода и канал вывода излучения с окном за которым соосно размещено фокусирующее устройство в виде зонной пластины Сорэ.

Когда микроволны генерируются из виртуального катода и излучаются в атмосферу, они фокусируются в некоторой точке зонной пластиной Сорэ с прозрачной для излучения первой зоной. При использовании зонной пластины максимальное повышение выходной мощности возрастает в 1,91 раза.

Недостатком виркатора является низкий КПД генерируемого излучения, обусловленный неоптимальными фокусирующими свойствами зонной пластины. У зонной пластины амплитудного типа, в области фокуса собирается не более 10% падающего на нее излучения.

Техническая задача полезной модели состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения для различных применений.

Указанная задача достигается тем, что виркатор, состоящий из источника питания, размещенного аксиально в циклической трубе дрейфа катодного электрода, анодного электрода, установленного параллельно торцевой поверхности катода, и канала вывода излучения с окном, за которым соосно размещено фокусирующее устройство, новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в виде мезоразмерной частицы с характерным размером не менее диаметра трубы дрейфа и с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,4 до 1,8, с непосредственным формированием на ее теневой поверхности локальной области фокусировки с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в виде цилиндра при падении излучения на его основание. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена в виде кубоида.

Применение мезоразмерных частиц в качестве фокусирующих устройств позволяет увеличить интенсивность падающего электромагнитного излучения в области фокусировки (фотонной струи), например, Патенты РФ 1617398, 178616, 164738, 191638.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать электромагнитное излучение в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-24].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике и СВЧ-диапазоне можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. [A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)]). Поперечный размер «фотонной» наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема устройства.

На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования по фокусировке электромагнитного излучения мезоразмерными частицами в форме цилиндра и кубоида образованного искусственной среды в виде наклонных металлических пластин с характерным размером 3λ.

Обозначения: 1 - Катод; 2 - Анодная сетка; 3 - Труба дрейфа; 4 - Виртуальный катод; 5 - Окно; 6 - Фокусирующее устройство; 7 - Субволновая область фокусировки излучения (фотонная струя).

В результате проведенных исследований было обнаружено, что мезочастицы произвольной формы, например, в форме куба или цилиндра, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,4 до 1,8, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения.

При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее примерно 1,4 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более примерно 1,8 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что при облучении мезоразмерных частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала не менее 1,8, происходит формирование внутри частицы области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. При этом частицы могут иметь различную форму поверхности: куб, цилиндр, шар, усеченный шар, диск, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V. 105, 084102 (2014)].

При выполнении мезоразмерной частицы с характерным размером менее диаметра трубы дрейфа, часть излучения не участвует в процессе фокусировки излучения и тем самым уменьшает возможную максимальную величину интенсивности электромагнитного поля в области фокуса.

Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.

Создание линз для работы в СВЧ-диапазоне длин волн с мощным электромагнитным излучением затруднено тем обстоятельством, что существует лишь небольшое количество веществ с малыми потерями энергии в материале и с требуемым показателем преломления. Выходом из создавшейся ситуации может быть использование искусственных материалов, например, мезоразмерная частица, образованная из металлических наклонных пластин. Такая искусственная среда имеет эффективный показатель преломления, который зависит только от угла наклона пластин. В искусственных материалах возможно спроектировать любой эффективный показатель преломления как менее 1, так и более 1. Например, для искусственной среды, составленной из решетки параллельных пластин установленных под углом θ к падающему излучению. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сosθ раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве n=1/сosθ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82].

Кубоидная линза из искусственного диэлектрика состоит из решетки пластин расположенных под углом к падающему излучению, выполненных из меди толщиной 0,1 мм и образующих куб с величиной ребра равного 3λ. Расстояние между пластинами выбиралось примерно равным 0,25λ. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» искусственного диэлектрика, но может уменьшаться величина интенсивности поля, проходящая через такую среду. Эффективный показатель преломления линзы изменялся от 1,4 до 1,7.

Заявляемый виркатор работает следующим образом.

В виркаторе электронный пучок испускается с поверхности катода 1 и ускоряется по направлению к сетчатому аноду 2. Когда ток электронного пучка превышает соответствующее значение тока ограничения пространственного заряда, происходит формирование виртуального катода 4 за сетчатым анодом 2 в трубе дрейфа 3. Отражение электронов между реальным 1 и виртуальным 4 катодами и колебание самого виртуального катода 4 вызывают генерацию мощного электромагнитного излучения. Когда электромагнитное излучение генерируются из виртуального катода 4 и излучается в атмосферу, через окно 5 оно облучает фокусирующее устройство в форме мезоразмерной частицы 6. В результате дифракции и интерференции волн, непосредственно на теневой поверхности частицы формируется субволновая область фокусировки излучения (фотонная струя) 7. Таким образом, достигается повышение интенсивности и мощности электромагнитного излучения, сформированного в виркаторе.

Claims (3)

1. Виркатор, состоящий из источника питания, размещенных аксиально в циклической трубе дрейфа катодного электрода, анодного электрода, установленного параллельно торцевой поверхности катода, и канала вывода излучения с окном, за которым соосно размещено фокусирующее устройство, отличающийся тем, что фокусирующее устройство выполнено в виде мезоразмерной частицы с характерным размером не менее диаметра трубы дрейфа и с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,4 до 1,8, с непосредственным формированием на ее теневой поверхности локальной области фокусировки с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4.

2. Виркатор по п.1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в виде цилиндра при падении излучения на его основание.

3. Виркатор по п.1, отличающийся тем, что мезоразмерная частица выполнена в виде кубоида.

Images