RU212755U1

RU212755U1 - VIRCATOR WITH PHASE FOCUSING DEVICE

Info

Publication number: RU212755U1
Application number: RU2021117535U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2022-08-05

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, исследованиях биологических объектов.The utility model relates to the field of high-power microwave electronics and can be used in the development of a microwave radiation generator in wireless lines for transmitting electromagnetic energy over a distance, environmental studies, in technological processes for processing organic and inorganic objects, in pulsed microwave energy, radiophysical research, experimental physics, charged particle accelerators, controlled thermonuclear fusion, research of biological objects.

Техническая задача полезной модели состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения для различных применений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.The technical task of the utility model is to increase the efficiency of the generator to enable the use of the vircator as a source of microwave radiation for various applications. 4 w.p. f-ly, 3 ill.

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, исследованиях 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.].The utility model relates to the field of high-power microwave electronics and can be used in the development of a microwave radiation generator in wireless lines for transmitting electromagnetic energy over a distance, environmental studies, in technological processes for processing organic and inorganic objects, in pulsed microwave energy, radiophysical research, experimental physics, particle accelerators, controlled thermonuclear fusion, studies of biological objects [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. JAdv 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].Powerful generators of microwave radiation based on systems with a virtual cathode (VC), the so-called vircators and reflective triodes, containing a cathode electrode, an anode electrode, which in turn consists of an anode, a diaphragm and a drift tube, as well as a radiation output device, are known [Grigoriev V. P., Zherlitsin A.G., Koval G.V. // Plasma Physics, 1990, v.16, N 11, p. 1353; Dubinov A.E., Selemir V.D. // Foreign radio electronics, 1975, N 4, p. 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.The main requirement for ensuring the operability of a microwave device, such as a vircator, is the need to create conditions for the formation of a VC, which is carried out when the beam current exceeds a critical value. The magnitude of the electric potential of the VC and its position oscillate in time, which is the source of powerful oscillations of the electromagnetic field. The source of electromagnetic oscillations is also the oscillations of electrons in the potential well with the center falling on the injection region (diaphragm) and with the edges: the cathode and the VC. Both types of oscillations are inseparably interconnected and occur at the same frequency.

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).Thus, when an electron beam with a current density above a certain value is injected into the equipotential cavity of a microwave device, a space charge begins to accumulate in the cavity behind the anode diaphragm, turning the incoming electrons back to the cathode. This space charge is called the virtual cathode (VC).

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.If the current of the electron beam injected into the drift chamber through the diaphragm exceeds the limit value, a VC is formed in the system behind the anode diaphragm, from which the electrons are reflected towards the injector.

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.The electrons oscillating between the real cathode and the VC give up their energy to the microwave field and accumulate in the potential well. The value of the electric potential of the VC and its position oscillate in time, making their contribution to the output microwave radiation. The efficiency of converting the energy of the electron beam into the energy of microwave radiation determines the efficiency of the device.

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.A vircator is known (RF patent N 2046440) containing a cylindrical cathode, a cylindrical drift tube, a conical output horn with a microwave output window and a plasma anode in the form of a layer of positive ions injected into the drift tube near the cathode by one or more external injectors. Beam electrons are accelerated in the gap between the cathode and the plasma anode, penetrate through the plasma layer into the drift tube, where they are gradually slowed down by the field of their own space charge, forming a virtual cathode. In the stationary mode, microwave radiation is generated by electron oscillations and oscillations of the virtual cathode in the drift tube between the cathode and the virtual cathode.

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.A vircator is known according to RF patent 2123740, which includes a power source, a cathode electrode placed axially in a cyclic drift tube, an anode electrode with a flat part in the form of a diaphragm installed parallel to the end surface of the cathode, and a radiation output channel with a window.

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.A vircator is known, described in (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, No. 4, pp. 655-659). This vircator contains an anode electrode consisting of a cylindrical cathode part, a cylindrical drift tube and a conical horn with a microwave output window, as well as a diaphragm separating the cathode part and the drift tube, and a cylindrical cathode electrode located coaxially inside the cathode part of the anode electrode . When a negative voltage pulse is applied to the cathode electrode, the beam electrons emitted from the cathode are accelerated in the gap between the cathode electrode and the anode diaphragm, pass through the diaphragm into the drift tube, where they are gradually slowed down by the electric field of their own volume charge until they stop, creating a virtual cathode. Oscillations of beam electrons between the cathode and virtual cathode, as well as oscillations of the virtual cathode itself, create microwave radiation, which is output through a conical horn and a ceramic window.

Недостатком известных устройств виркатора является низкий КПД генерируемого излучения.A disadvantage of the known vircator devices is the low efficiency of the generated radiation.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора.The value of the generator efficiency in terms of power is one of the most important criteria by which the possibility of practical application of a microwave generator is determined.

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/l.50435951, состоящее из источника питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодный электрод, анодной электрод, установленной параллельно торцевой поверхности катода и канал вывод излучения с окном за которым соосно размещено фокусирующее устройство в виде зонной пластины Сорэ (зонная пластина с прозрачной для излучения центральной зоной).As a prototype, a vircator device according to the work of [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/l.50435951, consisting of a power source, a cathode electrode placed axially in a cyclic drift tube, an anode electrode installed parallel to the end surface of the cathode and a radiation output channel with a window behind which a focusing device is coaxially placed in the form Sore zone plate (zone plate with a central zone transparent for radiation).

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.When microwaves are generated from the virtual cathode and radiated into the atmosphere, they are focused at some point by the Soret zone plate with the first zone transparent to the radiation. When using a zone plate, the maximum increase in output power increases by a factor of 1.91.

Недостатком виркатора является низкий КПД генерируемого излучения, обусловленного неоптимальными фокусирующими свойствами зонной пластины. У зонной пластины амплитудного типа, в области фокуса собирается в области фокуса не более 10% падающего на нее излучения.The disadvantage of the vircator is the low efficiency of the generated radiation due to suboptimal focusing properties of the zone plate. For a zone plate of the amplitude type, in the focus region, no more than 10% of the radiation incident on it is collected in the focus region.

Техническая задача полезной модели состоит в повышении КПД генератора для обеспечения возможности использования виркатора в качестве источника СВЧ-излучения для различных применений.The technical task of the utility model is to increase the efficiency of the generator to enable the use of the vircator as a source of microwave radiation for various applications.

Указанная задача достигается тем, что виркатор, состоящий из источника питания, размещенные аксиально в циклической трубе дрейфа катодного электрода, анодного электрода, установленного параллельно торцевой поверхности катода и канал вывода излучения с окном за которым соосно размещено фокусирующее устройство, новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в виде фазового фокусирующего устройства из искусственного диэлектрика. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде фазовой зонной пластины. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде однородной плосковогнутой волноводной линзы. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде неоднородной плосковогнутой волноводной линзы. Кроме того, фазовое фокусирующее устройство выполнено в виде плоской неоднородной волноводной линзы, составленной из круглых волноводов.This task is achieved by the fact that the vircator, consisting of a power source placed axially in a cyclic drift tube of the cathode electrode, an anode electrode installed parallel to the end surface of the cathode and a radiation output channel with a window behind which the focusing device is coaxially placed, the new is that the focusing device made in the form of a phase focusing device made of an artificial dielectric. In addition, the phase focusing device is made in the form of a phase zone plate. In addition, the phase focusing device is made in the form of a uniform plano-concave waveguide lens. In addition, the phase focusing device is made in the form of an inhomogeneous plano-concave waveguide lens. In addition, the phase focusing device is made in the form of a flat inhomogeneous waveguide lens composed of round waveguides.

Известно, что потери энергии в амплитудной зонной пластине складываются из дифракционных потерь и потерь на отражение и поглощение излучения в материале фокусирующего устройства, при этом половина падающей мощности излучения на зонную пластину отражается и поглощается на фазоинверсной зоне [Щукин И.И. О потерях в линзах и зонных пластинках // Твердотельная радиоэлектроника - Воронеж, 1973. - с. 127-130]. При переходе к фазовым зонным пластинам с переменным профилем или с большим числом уровней квантования фазы увеличивается ее энергетическая эффективность [Верещагин В.В., Лопатин А.И. Теория профилированной зонной пластинки // Акустический журнал - 1981 - т. 27, №6. - с. 841-847]. Так для фазовой двухуровневой зонной пластины Релея Вуда максимальная дифракционная эффективность (отношение мощности, дифрагированной в фокус, ко всей падающей мощности) увеличивается до 40%, для четырехуровневой до 81% и т.д.It is known that energy losses in the amplitude zone plate are made up of diffraction losses and losses due to reflection and absorption of radiation in the material of the focusing device, while half of the incident radiation power on the zone plate is reflected and absorbed in the phase-inverted zone [Shchukin I.I. On losses in lenses and zone plates // Solid state radio electronics - Voronezh, 1973. - p. 127-130]. When moving to phase zone plates with a variable profile or with a large number of phase quantization levels, its energy efficiency increases [Vereshchagin V.V., Lopatin A.I. Theory of a profiled zone plate // Acoustic journal - 1981 - vol. 27, no. 6. - With. 841-847]. Thus, for a phase two-level Rayleigh-Wood zone plate, the maximum diffraction efficiency (the ratio of the power diffracted into the focus to the total incident power) increases to 40%, for a four-level one to 81%, etc.

Применение фазовых фокусирующих устройств в устройстве виркатора не известно.The use of phase focusing devices in the vircator device is not known.

Известны фазовые зонные пластины из искусственного материала [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]. В фазовой зонной пластинке четные зоны покрыты металлопластинчатой структурой или выполнены из прямоугольных волноводов или круглых волноводов. В фазовой зонной пластине фазы четных зон изменяются слоем диэлектрика на четное число π, а фазы нечетных зон изменяются на нечетное число π. При переходе к непрерывному профилю зонной пластины эффективность фокусировки излучения возрастает еще больше.Known phase zone plates made of artificial material [Molotkov N.Ya., Lomakina O.V., Egorov A.A. Microwave optics and quasi-optics - Tambov: Tambov Publishing House. State. Tech. University, 2009. - 380 p.]. In the phase zone plate, the even zones are covered with a metal-plate structure or made of rectangular waveguides or round waveguides. In a phase zone plate, the phases of the even zones are changed by the dielectric layer by an even number π, and the phases of the odd zones are changed by an odd number π. In the transition to a continuous profile of the zone plate, the efficiency of radiation focusing increases even more.

Фазовая скорость волн V в волноводной или металлоленточной структуре зависит от сечения а волноводов или от расстояния а между лентами:The phase velocity of waves V in a waveguide or metal tape structure depends on the section a of the waveguides or on the distance a between the tapes:

где с - скорость света в вакууме, λ - длина волны в свободном пространстве. Так как λ/2<а<λ, то V>c, то есть фазовая скорость в искусственной среде больше, чем в воздухе. Следовательно, эквивалентный показатель преломления волноводной или металлоленточной структуры меньше единицы:where c is the speed of light in vacuum, λ is the wavelength in free space. Since λ / 2 < a < λ, then V> c, that is, the phase velocity in an artificial environment is greater than in air. Therefore, the equivalent refractive index of a waveguide or metal strip structure is less than unity:

При этом необходимо, чтобы электрический вектор

волны был параллелен лентам металлоленточной структуры, которые являются «оптически» менее плотными, чем воздух. Если расстояние между пластинами металлоленточной структуры меньше, чем λ/2, то показатель преломления для нее окажется мнимой величиной и распространение волн будет невозможным. Показатель преломления металлолетночной структуры оказывается меньше единицы лишь для электромгнитных волн, электрический вектор

которой параллелен пластинам искусственной среды. Если же вектор

перпендикулярен им, то показатель преломления оказывается равным единице.In this case, it is necessary that the electric vector

the wave was parallel to the ribbons of the metal-ribbon structure, which are "optically" less dense than air. If the distance between the plates of the metal tape structure is less than λ/2, then the refractive index for it will turn out to be an imaginary value and wave propagation will be impossible. The refractive index of the metallet structure turns out to be less than unity only for electromagnetic waves, the electric vector

which is parallel to the plates of the artificial environment. If the vector

perpendicular to them, the refractive index is equal to unity.

Коэффициент преломления искусственного диэлектрика из круглых волноводов равняетсяThe refractive index of an artificial dielectric from round waveguides is equal to

где должно выполняться условие λ<3/42а.where the condition λ<3/42 a must be satisfied.

Применение фазовых фокусирующих устройств - зонных пластин и линз, выполненных из искусственной среды в качестве фокусирующих устройств для виркатора, позволяет увеличить интенсивность падающего электромагнитного излучения в области фокусировки.The use of phase focusing devices - zone plates and lenses made of an artificial environment as focusing devices for the vircator, allows you to increase the intensity of the incident electromagnetic radiation in the focus area.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».The applicant has not identified any technical solutions identical to those claimed, which allows us to conclude that the present utility model meets the criterion of "novelty".

Полезная модель поясняется чертежом.The utility model is illustrated by a drawing.

На Фиг. 1 приведена схема устройства.On FIG. 1 shows a diagram of the device.

На Фиг. 2 приведены примеры сечений фазовых фокусирующих устройств из искусственного диэлектрика: а - фазовая зонная пластина из металлопластинчатой структурой, б - оптически неоднородная фазовая линза из круглых волноводов постоянной толщины; в - оптически однородная фазовая линза из круглых волноводов; г - неоднородная плосковыпуклая фазовая волноводная линза.On FIG. Figure 2 shows examples of sections of phase focusing devices made of an artificial dielectric: a - phase zone plate made of a metal-plate structure, b - optically inhomogeneous phase lens made of round waveguides of constant thickness; c - optically homogeneous phase lens from round waveguides; d - inhomogeneous plano-convex phase waveguide lens.

На Фиг. 3 приведены изображения моделей фазовых фокусирующих устройств из искусственного диэлектрика: а - фазовая зонная пластина из металлопластинчатой структурой, б - оптически неоднородная фазовая линза из круглых волноводов постоянной толщины; в - оптически однородная фазовая линза из круглых волноводов; г - неоднородная плосковыпуклая фазовая волноводная линза.On FIG. Figure 3 shows images of models of phase focusing devices made of an artificial dielectric: a - a phase zone plate made of a metal-plate structure, b - an optically inhomogeneous phase lens made of round waveguides of constant thickness; c - optically homogeneous phase lens from round waveguides; d - inhomogeneous plano-convex phase waveguide lens.

Обозначения: 1 - Катод; 2 - Анодная сетка; 3 - Труба дрейфа; 4 - Виртуальный катод; 5 - Окно; 6 - Фокусирующее устройство; 7 - Область фокусировки излучения.Designations: 1 - Cathode; 2 - Anode grid; 3 - Drift pipe; 4 - Virtual cathode; 5 - Window; 6 - Focusing device; 7 - Radiation focus area.

Заявляемый виркатор работает следующим образом.The claimed vircator works as follows.

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 генерируется из виртуального катода 4 и излучается в атмосферу, через окно 5 оно облучает фокусирующее устройство 6. В результате дифракции и интерференции волн, непосредственно на фокусирующем устройстве 6 формируется область фокусировки излучения 7.In the vircator, an electron beam is emitted from the surface of cathode 1 and accelerates towards mesh anode 2. When the electron beam current exceeds the corresponding value of the space charge limiting current, a virtual cathode 4 is formed behind mesh anode 2 in drift tube 3. Reflection of electrons between real 1 and virtual 4 cathodes and the vibration of the virtual cathode 4 itself cause the generation of powerful electromagnetic radiation. When electromagnetic radiation is generated from the virtual cathode 4 and radiated into the atmosphere, it irradiates the focusing device 6 through the window 5. As a result of diffraction and interference of waves, the radiation focusing area 7 is formed directly on the focusing device 6.

Экспериментально установлено, что интенсивность волны, приходящей от фазовой зонной пластины, больше, чем в случае эквивалентной амплитудной зонной пластины. Фазовая зонная пластина выполняется из чередующихся кольцевых зон: открытых для излучения и изменяющих фазу падающей волны. Если центральная зона фазовой зонной пластины открыта, то вторая зона выполняется из искусственного диэлектрика толщиной и показателем преломления, обеспечивающим синфазность волн в области фокуса. При переходе к непрерывному профилю фазового фокусирующего устройства интенсивность излучения в области фокуса еще возрастает.It has been experimentally established that the intensity of the wave coming from the phase zone plate is greater than in the case of an equivalent amplitude zone plate. The phase zone plate is made of alternating annular zones: open for radiation and changing the phase of the incident wave. If the central zone of the phase zone plate is open, then the second zone is made of an artificial dielectric with a thickness and a refractive index that ensures that the waves are in phase in the focus area. Upon transition to a continuous profile of the phase focusing device, the radiation intensity in the focus region still increases.

В оптически однородных и неоднородных линзах волны, собираемые в фокусе, несмотря на различие геометрических путей, имеют одинаковый оптический путь. Происходит фокусировка излучения. В оптически неоднородных линзах, постоянство оптических путей для волн, собираемых в фокусе, достигается соответствующим изменением показателя преломления в фокусирующем устройстве одинаковой толщины. Закон изменения показателя преломления вдоль радиального направления такой фазовой линзы может быть определен по выражению [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]:In optically homogeneous and inhomogeneous lenses, the waves collected at the focus, despite the difference in geometric paths, have the same optical path. Radiation is focused. In optically inhomogeneous lenses, the constancy of the optical paths for the waves collected at the focus is achieved by a corresponding change in the refractive index in a focusing device of the same thickness. The law of change in the refractive index along the radial direction of such a phase lens can be determined by the expression [Molotkov N.Ya., Lomakina O.V., Egorov A.A. Microwave optics and quasi-optics - Tambov: Tambov Publishing House. State. Tech. University, 2009. - 380 p.]:

где n₀ и n_r - показатели преломления, соответственно, в центре фазовой линзы постоянной толщины на расстоянии г от ее центра, d - толщина линзы, f - фокусное расстояние линзы. Фазовая линза может быть выполнена из круглых волноводов различного поперечного сечения.where n ₀ and n _r are the refractive indices, respectively, at the center of a phase lens of constant thickness at a distance r from its center, d is the thickness of the lens, f is the focal length of the lens. The phase lens can be made of round waveguides of various cross sections.

Для оптически неоднородной фазовой волноводной линзы, закон изменения показателя преломления вдоль радиального направления может быть определен по выражению [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.]:For an optically inhomogeneous phase waveguide lens, the law of change in the refractive index along the radial direction can be determined by the expression [Molotkov N.Ya., Lomakina O.V., Egorov A.A. Microwave optics and quasi-optics - Tambov: Tambov Publishing House. State. Tech. University, 2009. - 380 p.]:

где n₀ и n - показатели преломления, соответственно, в центре линзы и на расстоянии г от него; d₀ и d - толщины линзы в рассматриваемых точках.where n ₀ and n are the refractive indices, respectively, at the center of the lens and at a distance r from it; d ₀ and d are the thicknesses of the lens at the considered points.

Например, для однородной плосковыпуклой фазовой волноводной линзы с радиусом кривизны сферической поверхности и состоящей из цилиндрических волноводов одинакового радиуса поперечного сечения а=0,3λ и показателем преломления n₀=0,37, на длине волны λ=32 мм, радиусом кривизны сферической поверхности R=9,8λ обеспечивает фокусировку излучения на расстоянии J=15,6λ и при этом увеличивается интенсивность излучения в фокусе более чем в 2 раза.For example, for a homogeneous plano-convex phase waveguide lens with a radius of curvature of a spherical surface and consisting of cylindrical waveguides of the same cross-sectional radius a \u003d 0.3λ and a refractive index n ₀ \u003d 0.37, at a wavelength of λ \u003d 32 mm, the radius of curvature of the spherical surface R =9.8λ provides focusing of radiation at a distance J=15.6λ and at the same time the intensity of radiation at the focus increases by more than 2 times.

Таким образом, достигается повышение интенсивности и мощности электромагнитного излучения, сформированного в виркаторе. Использование металловоздушной среды в качестве материала фокусирующего элемента позволяет использовать большие мощности электромагнитного излучения по сравнению с диэлектрическими материалами.Thus, an increase in the intensity and power of the electromagnetic radiation generated in the vircator is achieved. The use of a metal-air medium as a material for a focusing element makes it possible to use high powers of electromagnetic radiation compared to dielectric materials.

Claims

1. A vircator consisting of a power source placed axially in a cyclic drift tube of the cathode electrode, an anode electrode mounted parallel to the end surface of the cathode, and a radiation output channel with a window, behind which a focusing device is coaxially placed, characterized in that the focusing device is made in the form phase focusing device made of artificial dielectric.

2. Vircator according to claim 1, characterized in that the phase focusing device is made in the form of a phase zone plate.

3. Vircator according to claim 1, characterized in that the phase focusing device is made in the form of a uniform plano-concave waveguide lens.

4. Vircator according to claim 1, characterized in that the phase focusing device is made in the form of a non-uniform plano-concave waveguide lens.

5. Vircator according to claim 1, characterized in that the phase focusing device is made in the form of a flat inhomogeneous waveguide lens composed of round waveguides.