Какое устройство является генератором свч энергии

Принципы генерирования сигналов СВЧ

Существующие генераторы сигналов СВЧ построены на различных принципах действия. В генераторе могут быть использованы такие электронные приборы, как клистрон, магнетрон, оптрон, транзистор, лампа бегущей волны (ЛБВ), лампа обратной волны (ЛОВ) и различные типы полупроводниковых диодов: лавинно-пролетные (Л ПД), диоды Ганна, диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Известны и другие типы источников СВЧ-колебаний. Каждый из названных электронных приборов имеет свои области применения, преимущества и недостатки. Например, наибольшую выходную мощность можно получить с помощью магнетронов и мазеров на циклотронном резонансе, которая ограничивается мощностью электрического пробоя используемого тракта. Максимальная выходная мощность измерительных генераторов обычно не превышает 10 -2 —10 Вт, что оказывается достаточным для решения большинства задач измерительной техники. В качестве источников СВЧ-колебаний в измерительных генераторах наибольшее распространение получили клистроны, диоды Ганна, транзисторы и ЛОВ.

Общий принцип действия электровакуумных генераторов и усилителей СВЧ основан на взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем, при котором осуществляется преобразование кинетической энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний. Электроны приобретают кинетическую энергию, получаемую от источников постоянного тока, питающих генератор или усиди гель. Мощность постоянного тока с определенным коэффициентом полезного действия преобразуется в мощность электромагнитных СВЧ-колебаний. С энергетической точки зрения КПД является важной характеристикой генераторного прибора, однако мощность измерительных генераторов мала, а условия применения практически не ограничивают потребляемую мощность, поэтому КПД, распространяемый на измерительные генераторы, не нормируется.

Наибольшее распространение в качестве источников СВЧ- колебаний получили отражательные клистроны (рис. 9.1). Они имеют только один резонатор. Электроны, вылетающие с катода К, ускоряются напряжением сетки С и пролетают резонатор Р, который модулирует их по скорости. Затем они тормозятся отрицательным напряжением отражателя О и возвращаются обратно, группируясь в сгустки. При обратном пролете резонатора Р электроны тормозятся и отдают накопленную энергию его электромагнитному полю, в котором таким образом поддерживаются незатухающие колебания. Из резонатора мощность выводится в выходной тракт через элемент связи. Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению частоты сигнала и его мощности. Последнее обстоятельство широко используется для модуляции и подстройки частоты генератора и для его синхронизации от источника колебаний стабильной частоты.

В современной технике клистроны используются для генерации колебаний с частотой от нескольких гигагерц до 200 ГГц.

Рис. 9.1. Схема отражательного клистрона

В последнее время все большее распространение получают генераторы на диодах Ганна, позволяющие генерировать электромагнитные колебания с частотой от 1 до 150 ГГц при мощности в непрерывном режиме до 1 Вт, а в импульсном — до 1000 Вт. Принцип действия этих диодов основан на эффекте Ганна — генерации СВЧ-колебаний электрического тока в полупроводнике с iV-образной вольт-амперной характеристикой. Эффект впервые был обнаружен в 1963 г. американским физиком Дж. Ганном в кристалле арсенида галлия. Падающий участок вольт-амперной характеристики диода, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно, объясняется квантовой теорией. Электромагнитные колебания в кристалле возникают следующим образом. В объеме полупроводника с отрицательным дифференциальным сопротивлением однородное распределение электрического поля становится неустойчивым. Пусть, например, образовалась случайная неоднородность поля (в виде дипольного слоя). Учитывая, что при отрицательном дифференциальном сопротивлении ток меньше в той области, где поле больше, число электронов, втекающих в область повышенной концентрации, будет превышать число вытекающих из нее. В результате неоднородность поля нарастает и образуется так называемый домен Ганна — область сильного электрического поля. Вне этого домена напряженность поля меньше критической, полупроводник обладает положительным дифференциальным сопротивлением и новые домены в нем не образуются. Домен состоит из электронов проводимости, поэтому движется со скоростью, близкой к дрейфовой скорости электронов v в полупроводнике. Домен возникает вблизи катода и, пройдя всю длину полупроводника /, исчезает на аноде. После этого падение напряжения на полупроводнике возрастает с одновременным увелечением тока, и после превышения критической напряженности поля вблизи катода образуется новый домен. Таким образом, ток в полупроводнике периодически колеблется, период колебаний зависит от времени перемещения домена, а частота определяется по формуле /= v/l. Для арсенида галлия v * 10 7 см/с, и при длине кристалла 50—300 мкм частота колебаний составляет 0,3—2 ГГц.

Преобразование мощности постоянного тока в мощность СВЧ-колебаний происходит во всем объеме полупроводникового диода Ганна, а не в узкой области р-п перехода, что позволяет получить большую по сравнению с другими твердотельными приборами мощность. Диод Ганна устанав- ливается в коаксиальном, волноводном или коаксиальноволноводном резонаторе. Частота генерации изменяется в широком диапазоне механической перестройкой резонатора. Электронная перестройка частоты может быть произведена в небольших пределах путем изменения напряжения питания. Для перестройки частоты на 5—20 МГц необходимо изменить напряжение питания примерно на 1 В.

Электронная перестройка частоты в широком диапазоне может быть осуществлена в генераторах, где источником колебаний является ЛОВ. В ЛБВ и ЛОВ усиление и генерация СВЧ-колебаний так же, как и в клистронах, достигаются за счет преобразования кинетической энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний. Сначала электроны в пучке модулируются по скорости и, пролетая некоторое расстояние, группируются в сгустки, но тормозятся и отдают энергию не один раз, а многократно, так как ЛБВ и ЛОВ содержат не один зазор резонатора, в котором тормозятся электроны при пролете, а множество одинаковых зазоров, включенных в общую передающую линию. Электронные сгустки должны проходить каждый зазор в одной и той же фазе, когда тормозящее электрическое поле максимально, следовательно, скорость волны v, бегущей по линии, и скорость сгустков электронов v₀ должны быть примерно равными. Это условие называют условием синхронизма электронов и бегущей волны. Условие синхронизма является необходимым для усиления или генерации электромагнитных колебаний. Скорость электронов v₀ не может достигать скорости света с, с которой распространяется электромагнитная волна в свободном пространстве. Обычно выбирают v₀« 0,1 с, поэтому для выполнения условия синхронизма передающая линия должна обладать свойствами линии задержки. В качестве такой линии, называемой замедляющей системой, могут быть использованы зигзагообразный волновод, спираль, гребенка и т.д.

Рис. 9.2. Схема устройства:

а — усилительной ЛБВ; б — усилительной ЛОВ

Изображенная на рис. 9.2, а ЛБВ относится к О-типу, для которого направление магнитного поля совпадает с направлением прямолинейного электронного пучка и служит только для его фокусировки. Существуют также ЛБВ и ЛОВ М-типа, в которых магнитное поле является поперечным и электроны в них движутся, как в магнетронах, в скрещенных электрическом и магнитном полях. ЛОВ М-тина иногда называют карцинотронами и используют для генерации большой мощности.

ЛБВ О-типа состоит из подогреваемого катода 1, анода (ускоряющего электрода) 2, коллектора 3, спирали (замедляющей системы) 4. На верху вакуумного баллона лампы размещена фокусирующая магнитная система — соленоид 5. Ввод и вывод СВЧ-мощности осуществляется через коаксиальные вход 7 и выход 6. Работа ЛБВ происходит следующим образом. Приложенное напряжение U обеспечивает ускорение электронов до скорости порядка 0,1 скорости света, постоянное магнитное поле фокусирует электронный пучок. Пролетая начальный участок замедляющей системы (спирали), электроны модулируются по скорости. Продвигаясь далее, они группируются в сгустки, которые наводят в замедляющей системе ток и создают тормозящее их движение СВЧ-поле. Таким образом, кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-колебаний, поступающих через коаксиальный выход в тракт. Электроны, пролетевшие вдоль замедляющей системы, попадают на коллектор и возвращаются в источник питания. Коэффициент усиления ЛБВ может быть достаточно большим 40— 50 дБ. Рассматривая процесс усиления волн в ЛБВ, можно провести аналогию с процессом образования нарастающих волн на поверхности воды, когда скорость ветра превышает фазовую скорость волн.

Принцип действия ЛОВ отличается от описанного для ЛБВ тем, что движения электронов и нарастающей электромагнитной волны противоположны по направлению, отсюда происходит название — лампа обратной волны.

Схема ЛОВ изображена на рис. 9.2, б. Она также содержит подогреваемый катод 1, анод 2, коллектор 3, спираль 4, соленоид 5 и выход 6, но в отличие от ЛБВ, имеет согласованную нагрузку 7, расположенную в конце спирали, вблизи коллектора. Если бы замедляющая система была однородной, то волна, распространяющаяся со стороны коллектора по спирали, не имела бы эффективного взаимодействия с электронным пучком. Однако замедляющая система спирали представляет собой периодическую структуру, т.е. множество периодически повторяющихся неоднородностей. При определенной скорости v₍₎ электроны, движущиеся навстречу распространяющейся от коллектора волне, могут при прохождении неоднородностей спирали встречать одну и ту же фазу электромагнитных колебаний. В этом случае выполняется условие синхронизма и происходит нарастание амплитуды колебаний. Электроны отдают свою кинетическую энергию полю замедляющей системы, а электромагнитная волна, распространяющаяся от согласованной нагрузки, переносит эту энергию на выход ЛОВ, модулируя при этом по скорости другие электроны, влетающие в поле спирали с катода. Таким образом, электронный пучок в ЛОВ представляет собой не только источник энергии для электромагнитных колебаний, но и звено положительной обратной связи, в результате действия которой и возникают колебания. Согласованная нагрузка 7 служит для улучшения согласования ЛОВ с трактом и уменьшения коэффициента отражения выхода генератора.

Характерная особенность и основное преимущество ЛОВ перед другими типами генераторов — возможность плавной электронной перестройки частоты генерируемых колебаний в широком диапазоне. Диапазон перестройки ЛОВ может достигать нескольких октав. ЛОВ чаще всего применяются в генераторах качающейся частоты (свип-генераторах). Частота колебаний, генерируемых ЛОВ, может достигать 1500 ГГц.

Последние достижения в области полупроводниковой технологии позволили создать транзисторы, которые можно использовать в качестве источников СВЧ-колебаний. Принцип действия транзисторов при этом остается таким же, как в диапазоне более низких частот, однако конструктивно элементы схемы СВЧ-генератора отличаются и имеют особенности, характерные для СВЧ-диапазона. Частота колебаний транзисторных генераторов достигает нескольких гегагерц. Принципиально могут быть разработаны генераторы и усилители на полевых транзисторах со структурой металл- окисел—полупроводник и металл—диэлектрик—полупроводник, работающие в диапазоне до 40 ГГц. Преимуществом транзисторных генераторов по сравнению с генераторами на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах является низкий уровень шумов, т.е. более высокая стабильность частоты и выходной мощности. Частотный шум генераторов, основанных на диодах Ганна, того же порядка, что и у генераторов с отражательным клистроном; амплитудные шумы примерно на 30 дБ меньше частотных.

В настоящее время ведутся поиски новых подходов к генерированию электромагнитных колебаний, постоянно расширяются диапазоны частот и уровней выходной мощности генераторов, в разрабатываемые генераторы всех типов вводится автоматизация.

Генератор свч-излучения

Использование: в специальных системах передачи СВЧ-энергии на расстояние, в радиолокации, в системах радиовидения, в системах нагрева плазмы. Сущность изобретения: в генераторе СВЧ-излучения, содержащем модуль, состоящий из анодных резонаторов с щелями связи, образующих анодный резонаторный блок, и катод, щели связи смещены по азимуту относительно середины анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к генерированию СВЧ-колебаний и может найти применение в специальных системах передачи СВЧ-энергии на расстояние, в радиолокации, в системах радиовидения, в системах нагрева плазмы и др.

Известны устройства для генерирования СВЧ-колебаний, содержащие расположенные вдоль прямой линии электрически связанные объемные резонаторы со щелями связи и внешние магнитные системы для создания магнитного поля в рабочем канале. Эти устройства могут быть как генераторами, так и усилителями (ЛБВ и ЛОВ типа М) [1] Недостатками всех этих устройств является то, что преобразование энергии электронных потоков происходит в небольшом объеме внешнего магнитного поля, что не позволяет получить высокую мощность и удельную мощность на единицу массы и единицу объема прибора. Значительные части массы и объема аналогов занимают внешние магнитные системы, которые вносят основное ограничение на относительную величину объема рабочего канала, мощность и удельную мощность прибора.

Известен генератор СВЧ-излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок и катод [2] Прототипу присущи все недостатки, указанные для аналогов. Кроме того, этот генератор имеет сравнительно сложную конструкцию.

Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение выходной мощности.

Цель изобретения достигается тем, что в генераторе СВЧ-излучения, содержащем генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных и объемных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок, и катод, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи.

Дополнительно цель изобретения достигается тем, что генератор СВЧ-излучения содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноводную систему.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 7.

На фиг. 1 показан поперечный разрез одной секции генераторного модуля, где 1 анодная секция, 2 анодная ламель, 3 внутренний объем анодного резонатора, 4 щели связи, 5 выходная щель, 6 катодная секция, 7 — катодная ламель, 8 внутренний объем катодного резонатора, 9 катодные щели, 10 электронные эмиттеры любого известного вида 11, 12 электрические зажимы для подвода электрической энергии от внешнего источника. Анодные и катодные секции расположены вдоль образующей окружности, как показано на фиг. 2 (поперечный разрез), где 13 радиальные токоподводы к катодным ламелям, 14 — корпус коаксиального резонатора волн Н_оп, 15 радиальные токоподводы к анодным секциям, 16 радиальные токоподводы к катодным секциям, 17 прорезь или катодный резонатор длинных волн. Анодные и катодные щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении.

При работе генератора к зажимам 11, 12 каждой секции подают один и тот же высоковольтный импульс напряжения в несколько сотен кВ. Под действием напряжения формируется ток автоэлектронной эмиссии со средней плотностью радиального тока j_r со всех поверхностей эмиттеров 10 (фиг. 1). В анодных и катодных ламелях 2, 7 протекает азимутальная составляющая анодного тока j_a, модуль которого возрастает к точкам крепления ламелей к секциям. Азимутальная составляющая анодного тока создает в рабочем канале поперечное магнитное поле с индукцией В. Под действием этого поля электроны приобретают азимутальную скорость V, значение которой возрастает от 0 у катода до релятивистской у анода.

На фиг. 3 показаны расчетные графики зависимости средней плотности тока и азимутальной скорости V электронов для одного из режимов работы генератора: амплитуда импульса напряжения 500 кВ, длительность импульса 10 -7 c. Графики скорости электронов на половине расстояния межэлектродного зазора (r l/2) и у анода (r l) имеют участок плато, что обеспечивает автоматическое поддержание условия синхронизации с учетом допустимого диапазона на всем протяжении длительности импульса или рабочего промежутка времени t_p. В режиме преобразования энергии импульса напряжения в энергию СВЧ-колебаний работа генератора подобна работе релятивистского магнетрона.

Отсутствие внешнего магнита позволяет расположить соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны любое количество генераторных модулей, заключенных в общую волноводную систему.

На фиг. 4 показан продольный разрез генератора, содержащего четыре генераторных модуля, где 19 анодный резонаторный блок модуля, 20 катодный блок, 21 радиальный токоподвод, 22 связки, которые одновременно выполняют роль токоподводов к анодным секциям, 23 изолирующая втулка, 24 рупор, 25 — конус, 26 проходная диафрагма из диэлектрика, 27 дополнительные формирующие втулки. Генераторные модули расположены в корпусе коаксиального резонатора волн Н_оп, образующие общую волноводную систему для всех генераторных модулей. Для данной схемы подвод первичной энергии осуществляется по коаксиальным электродам 11, 12 с одной стороны генератора. Количество генераторных модулей ограничивается возрастанием плотности мощности излучения на входе излучателя из рупора 24 и конуса 25 и пробоем диафрагмы 26.

При работе генератора по схеме на фиг. 4 СВЧ-энергия из резонатора 14 выводится непосредственно на излучение через рупор 24.

Генераторные модули 30 (фиг. 5) могут быть расположены в тороидальном резонаторе 31 волн Н_оп с радиальными токоподводами 11, 12. Большой радиус тороидального резонатора 31 должен быть значительно больше длины волны колебаний. СВЧ-энергия из резонатора 31 при работе генератора может выводиться через фидерные линии 32 любого известного вида.

На фиг. 6 показан продольный разрез излучающей системы на основе генераторов с тороидальными резонаторами 31, где 33 поверхность решетки. В зависимости от длины волны СВЧ-энергия может выводится к решетке или вибраторами 34, или гибкими прямоугольными волноводами с излучающими рупорами на выходе. Синхронизация колебаний в соседних тороидальных резонаторах осуществляется связками 37. Все генераторные модулей 30 и тороидальных резонаторов 31 можно получить любой требуемый уровень мощности излучения. Мощность излучения ограничивается пробоем среды на поверхности решетки и мощностью источника питания.

На фиг. 7 показана развертка части анодных ламелей 2, на которых изображены мгновенные распределения зарядов q и высокочастного поля Е в одной из плоскостей радиального сечения при возбуждении -колебаний. Токоподводы 12 и связки 22 находятся в точках нулевых потенциалов высокочастотных колебаний. Заряды и поля в анодных резонаторах и на ламелях соседних генераторных модулей колеблются в противофазе. Поперечное магнитное поле В всех генераторных модулей направлено в одну сторону. Расстояния между соседними модулями по плоскостям экваториальных сечений модулей Z_c равны половине рабочей длине волны.

Технико-экономическая эффективность генератора обусловлена новым выполнением конструкции, что исключило необходимость применения внешних магнитов и существенно упростило конструкцию. Отсутствие внешних магнитов позволяет располагать соосно любое количество генераторных модулей, что позволяет увеличить мощность до любого требуемого уровня.

Источники информации 1. Лебедев Н.В. Техника и приборы СВЧ. т. 2, М. Высшая школа, 1972, с. 107, 375.

Диденко А. Н. и др. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М. Энергоатомиздат, 1984, с. 112. 2

1. Генератор СВЧ -излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных объемных резонаторов с щелями связи образующих анодный резонаторный блок и катод, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и увеличения выходной мощности, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноведущую систему.

В микроволновой печи скрывается мощное и опасное СВЧ оружие

Этот пост будет про недокументированные функции микроволновой печи. Я покажу, сколько полезных вещей можно сделать, если использовать слегка доработанную микроволновку нестандартным образом.

В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности

Вскрываю корпус

Сразу хочу предупредить, электромагнитное излучение СВЧ диапазона может нанести вред вашему здоровью, а высокое напряжение вызвать летальный исход. Но меня это не остановит.
Сняв крышку с микроволновки, можно увидеть большой трансформатор: МОТ. Он повышает напряжение сети с 220 вольт до 2000 вольт, что бы питать магнетрон.

В этом видеоролике я хочу показать, на что способно такое напряжение:

Антенна для магнетрона

Сняв магнетрон с микроволновки я понял, что включать просто так его нельзя. Излучение распространится от него во все стороны, поражая всё вокруг. Не долго думая я решил смастерить направленную антенну из кофейной банки. Вот схема:

Теперь всё излучение направленно в нужную сторону. На всякий случай я решил проверить эффективность этой антенны. Взял много маленьких неоновых лампочек и выложил их на плоскости. Когда я поднёс антенну с включенным магнетроном, то увидел, что лампочки загораются как раз там где нужно:

Необычные опыты

Сразу хочу отметить, СВЧ значительно сильнее влияет на технику, чем на людей и животных. Даже в 10 метрах от магнетрона, техника давала сильные сбои: телевизор и муз-центр издавали страшный рычащий звук, мобильный телефон вначале терял сеть, а потом и вовсе завис. Особо сильное влияние магнетрон оказывал на wi-fi. Когда я поднёс магнетрон близко к музыкальному центру, с него посыпались искры и к моему удивлению он взорвался! При детальном осмотре обнаружил, что в нём взорвался сетевой конденсатор. В этом видео я показываю процесс сборки антенны и влияние магнетрона на технику:

Используя не ионизирующее излучение магнетрона можно получить плазму. В лампе накаливания, поднесённой к магнетрону, зажигается ярко светящийся желтый шар, иногда с фиолетовым оттенком, как шаровая молния. Если вовремя не выключить магнетрон, то лампочка взорвётся. Даже обычная скрепка, под воздействием СВЧ превращается в антенну. На ней наводится ЭДС достаточной силы, что бы зажечь дугу и расплавить эту скрепку. Лампы дневного света и «экономки» зажигаются на достаточно большом расстоянии и светятся прямо в руках без проводов! А в неоновой лампе электромагнитные волны становятся видимыми:

Хочу вас успокоить, мои читатели, ни кто из моих соседей не пострадал от моих опытов. Все ближайшие соседи сбежали из города, как только в Луганске начались боевые действия.

Техника безопасности

Я настоятельно не рекомендую повторять описанные мною опыты потому, что при работе с СВЧ требуется соблюдать особые меры предосторожности. Все опыты выполнены исключительно с научной и ознакомительной целью. Вред СВЧ излучения для человека ещё не до конца изучен. Когда я близко подходил к рабочему магнетрону я чувствовал тепло, как от духовки. Только изнутри и как бы точечно, волнами. Больше ни какого вреда я не ощутил. Но всё же настоятельно не рекомендую направлять рабочий магнетрон на людей. Из-за термического воздействия может свернуться белок в глазах и образоваться тромб в крови. Так же ведутся споры о том, что такое излучение может вызвать онкологические и хронические заболевания.

Необычные применения магнетрона

1 — Выжигатель вредителей. СВЧ волны эффективно убивают вредителей, и в деревянных постройках, и на лужайке для загара. У жучков под твёрдым панцирем есть влагосодержащее нутро (какая мерзость!). Волны его в миг превращают в пар, при этом не причиняя вреда дереву. Я пробовал убивать вредителей на живом дереве (тлю, плодожорок), тоже эффективно, но важно не передержать потому, что дерево тоже нагревается, но не так сильно.
2 — Плавка металла. Мощности магнетрона вполне хватает для плавки цветных металлов. Только нужно использовать хорошую термоизоляцию.
3 — Сушка. Можно сушить крупы, зерно и т. п. Преимущество этого метода в стерилизации, убиваются вредители и бактерии.
4 — Зачистка от прослушки. Если обработать магнетроном комнату, то можно убить в ней всю нежелательную электронику: скрытые видеокамеры, электронные жучки, радиомикрофоны, GPS слежение, скрытые чипы и тому подобное.
5 — Глушилка. С помощью магнетрона легко можно успокоить даже самого шумного соседа! СВЧ пробивает до двух стен и «успокаивает» любую звуковую технику.

Это далеко не все возможные применения испытанные мной. Эксперименты продолжаются и вскоре я напишу ещё более необычный пост. Всё же хочу отметить, что использовать так микроволновку опасно! Поэтому лучше так делать в случаях крайней необходимости и при соблюдении правил безопасности при работе с СВЧ.

На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением и микроволнами.

"Есть только МИГ. "

Cуществует отрасль науки и техники, которая занимается всем, что связано с мощными электрическими импульсами. Ученые детально исследовали широкий спектр таких электрофизических процессов, научились их предсказывать и контролировать.И – получать электрические импульсы поистине колоссальной мощности. Термин «сильноточная электроника», введенный академиком Г.А. Месяцем, вобрал в себя обширную тематику научных исследований и технических разработок в области импульсной энергетики и электроники, электрофизики и физики плазмы. Это как раз то, чем и занимаются томские ученые из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск)

К присутствию электричества в нашей жизни мы привыкаем с детства и пользуемся им машинально. Электрическая энергия незаметно протекает по проводам, приводя в движение электродвигатели, оживляя электрические схемы, выделяется в виде тепла в электроплитах и чайниках, создает уют, вселяет в нас ощущение уверенности и стабильности.

Щелкая выключателем, мы не задумываемся, о том, что происходит в нем в этот момент, но недовольны, если выключатель искрит, а лампочка перегорает. Снимая свитер или гладя кошку, вздрагивая от треска искр, думаем: статическое электричество.

Однако это верно лишь наполовину. Статический – значит неподвижный, неизменный. Электрический заряд, накопившийся на свитере или кошачьей шерсти – статический. Само же потрескивание, напротив, – быстропротекающее, нестационарное явление. И маленькая вспышка при перегорании лампочки или предохранителя, и искровые разряды между электризуемыми предметами – все это процессы, имеющие форму коротких импульсов. Как правило, они приводят к переходу электрической цепи из одного состояния в другое: от отсутствия тока в цепи к его протеканию или, наоборот, от разности потенциалов к их выравниванию. Подобные явления так и называют – переходные. Если переходной процесс через короткое время заканчивается, то его называют импульсным.

В системах производства и потреблении электроэнергии неконтролируемые переходные и импульсные процессы вредны. Впрочем, есть немало устройств, действие которых основано на импульсном принципе. Вспомним пьезоэлектрическую зажигалку, фотовспышку, систему зажигания в автомобиле.

С мощнейшими природными импульсными процессами мы сталкиваемся во время грозы.

В повседневной жизни нас мало заботит, какова длительность переходного процесса при включении лампочки или какой длительности искры «генерирует» кот или шерстяной свитер. Мы едва ли задумываемся над тонкостями грозового разряда – молния уж точно у большинства людей вызывает ощущение неконтролируемой силы.

Однако существует отрасль науки и техники, предметом изучения которой является все, что связано с мощными электрическими импульсами. Ученые детально исследовали широкий спектр импульсных электрофизических процессов, научились предсказывать и контролировать их протекание. Кроме того, научились получать электрические импульсы поистине колоссальной мощности.

Наносекунды, мегаамперы, тераватты

Импульсная энергетика решает задачи генерирования и преобразования коротких мощных импульсов электрической энергии. Что касается словосочетания сильноточная электроника, то оно обозначает не электронику «особо точную», а электронику сильных токов. Обе дисциплины органично дополняют друг друга.

В обычной энергетике электрическая энергия вырабатывается и потребляется непрерывно. Импульсная энергетика оперирует с импульсами, длительность которых лежит в нано- или микросекундном диапазоне (миллиардные или миллионные доли секунды). Электрическая энергия сравнительно медленно запасается, а затем освобождается в виде короткого импульса с высоким напряжением и большим током. Мощность крупнейших импульсных генераторов приближается к 10 14 Вт, или 100 ТВт (1 ТВт = 10 12 Вт). Для сравнения: суммарная мощность всех электростанций мира составляет около 2 ТВт.

Токи, создаваемые импульсными генераторами, достигают десятков миллионов ампер, напряжения – нескольких миллионов вольт. Энергия в импульсе может составлять десятки мегаджоулей (для сравнения: кинетическую энергию в 1 МДж набирает тело массой в одну тонну при падении с высоты 100 м).

Для того чтобы представить длительность импульсов, формируемых сильноточными генераторами, достаточно сказать, что за одну наносекунду свет в вакууме проходит всего 30 см, за микросекунду – 300 м. А ведь микросекундные сильноточные генераторы в этой области науки уже считаются «длинноимпульсными»!

По ступеням компрессии энергии

В любом импульсном генераторе присутствуют следующие элементы: накопители энергии, электрические коммутаторы (устройства для включения или прерывания тока), устройства для трансформирования тока или напряжения, линии для передачи импульсов и, наконец, нагрузка.

Первоначально электрическую энергию запасают в конденсаторах. По сравнению с обычными аккумуляторами конденсаторы способны куда более быстро отдавать ее, однако проигрывают по плотности запасаемой энергии: в лучшем случае она не превышает 100 кДж/м 3 . Чтобы быстро «выдать» энергию в несколько мегаджоулей, необходимо иметь уже довольно сложно устроенный конденсатор объемом в кубометры. Крупнейшие современные импульсные генераторы представляют собой установки национального уровня, а их создание требует интеллектуальных и материальных ресурсов в государственных масштабах.

Для получения высокого напряжения применяют различные способы. Можно, например, взять n конденсаторов и зарядить каждый из них до сравнительно низкого напряжения. А затем с помощью специальных коммутаторов включить все конденсаторы последовательно друг с другом. В результате напряжение также возрастет в n раз. Так работают генераторы Маркса. Другая возможность – использование импульсных трансформаторов.

Коммутатор – это выключатель, а точнее, включатель (в импульсной энергетике для замыкания электрической цепи и ее размыкания часто используют принципиально различные устройства). В обычном выключателе мы просто замыкаем металлические контакты. Однако так можно обеспечить, в лучшем случае, микросекундное время коммутации. За наносекунды механически сдвинуть массивные сильноточные электроды невозможно. Поэтому в мощных коммутаторах используется разряд между неподвижными электродами. Сегодня разработаны разрядники, способные надежно коммутировать мегавольтные напряжения и мегаамперные токи.

Два накопителя энергии, связанные друг с другом посредством коммутатора и трансформирующего устройства, называют ступенью компрессии электромагнитной энергии. На каждом шаге компрессии длительность электрического импульса уменьшается, а его мощность возрастает. Различные ступени компрессии энергии в импульсном генераторе могут работать по разным физическим принципам. Например, можно, разрядив батарею конденсаторов, «разогнать» ток в цепи, обладающей определенной индуктивностью, а затем быстро разорвать эту цепь. В соответствии с законом электромагнитной индукции, в месте разрыва возникнет импульс высокого напряжения.

Как теперь доставить сформированный импульс к месту приложения – нагрузке? При сверхвысоких мощностях это превращается в проблему. Обычные провода не годятся – при малой длительности импульса они становятся источником электромагнитного излучения, потерь энергии и сильнейших помех. Для передачи мощных импульсов используют передающие линии закрытого типа. Линии должны выдерживать без пробоя импульсные напряжения до нескольких мегавольт, чтобы понять, как они устроены, можно представить себе коаксиальный телевизионный кабель, увеличенный в поперечном сечении в сотню раз.

При транспортировке короткого электрического импульса важно сохранить как его энергию, так и форму. Поэтому среда, изолирующая линию, с одной стороны, должна быть электропрочной, а с другой – не должна обладать большой дисперсией, т. е. зависимостью скорости электромагнитных волн от их частоты. Малую дисперсию в наносекундном диапазоне времен имеют жидкие диэлектрики, например, трансформаторное масло. Минимальной дисперсией обладают среды с малой плотностью – газ и вакуум. Однако газ является хорошим изолятором лишь под большим давлением. А вот вакуум обладает превосходными изолирующими свойствами. Кроме того, использование вакуума в установках большого объема безопаснее и зачастую технически проще. Поэтому передающие линии с вакуумной изоляцией получили в импульсной энергетике широкое применение.

Однако и вакуум имеет свой предел электрической прочности! Выполненные к середине 1960-х гг. эксперименты по пробою вакуумных промежутков четко указывали на то, что значительную роль в этом явлении играют свойства электродов, ограничивающих промежуток. Тем не менее сам механизм вакуумного электрического пробоя долгое время оставался загадкой. Но об этом немного позже.

В поисках «экстрима»

Сильноточный импульс – желанный инструмент для ученого, исследующего вещество в условиях экстремально высокой плотности вложенной энергии. Знания о свойствах вещества при высокоэнергетических воздействиях стали особенно нужны с развитием атомной энергетики и исследований по управляемому термоядерному синтезу в связи с созданием новых видов вооружений.

Как наиболее просто вложить энергию мощного электрического импульса в вещество? Перемкнем промежуток между двумя электродами тонкостенным металлическим цилиндром или набором тонких проволочек либо просто впрыснем газ. При приложении к промежутку сильноточного импульса протекающий ток испарит вещество, ионизует газ. Образуется так называемый плазменный лайнер, и далее ток будет протекать уже по нему. Сильное магнитное поле тока будет действовать на заряженные частицы, движущиеся в плазменном столбе, заставляя лайнер сжиматься к оси. На оси произойдет столкновение плазменных слоев, и их кинетическая энергия перейдет в тепловую. Явление, которое мы описали, получило название Z-пинч (от англ. pinch – сжимать; а буквой Z обычно обозначают осевое направление в цилиндрически симметричных задачах).

Если в качестве лайнера использовать не широкий пустотелый цилиндрик, а узкий сплошной металлический, то при его сжатии можно получить давление в десятки миллионов атмосфер! При таких давлениях плотность вещества в 3–4 раза превышает плотность исходного твердого тела (которое, согласно школьному курсу физики, считается практически несжимаемым). Теория предсказывает для такого состояния вещества, еще не получившего названия, весьма неожиданные свойства. Добавим, что вне лаборатории единственное место, где материя существует в близком состоянии, – это внутренность ядерного взрыва и ядер некоторых звезд.

Другой областью применения Z-пинчей стала импульсная радиография. В момент наибольшего сжатия вещество лайнера порождает мощную вспышку излучения в мягком рентгеновском диапазоне. Использование таких рентгеновских потоков дает уникальную возможность заглянуть внутрь плотных короткоживущих физических объектов (внутрь того же ядерного взрыва). Еще одно применение мощных рентгеновских импульсов – радиационные испытания различных устройств и аппаратуры.

Исследования Z-пинчей с самого начала проводились с прицелом на решение важнейшей практической задачи, стоящей перед человечеством, – получения термоядерной энергии. Известно, что осуществить управляемый (или, по крайней мере, «дозированный») «термояд» можно двумя различными способами. Первый способ предполагает нагрев и удержание дейтерий-тритиевой плазмы в течение продолжительного времени – десятки секунд. В таком режиме работает, например, токамак – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы (Э. П. Кругляков «Звездные реакторы» //НАУКА из первых рук, 2005. № 2).

Другой подход к получению термоядерной плазмы – импульсный. В миллиметрового размера дейтерий-тритиевую мишень нужно вложить энергию за столь малое время, чтобы термоядерная реакция произошла прежде, чем нагретое до огромной температуры вещество разлетится. Речь идет о периоде порядка 10 нс. Чтобы выделившаяся при реакции энергия значительно превысила вложенную, энерговклад в мишень должен составлять несколько сотен килоджоулей. При этом ввод энергии и сжатие мишени должны быть выполнены сферически симметрично.

Лучше всего нагревать термоядерное горючее мощным импульсом рентгеновского излучения внутри специальной, также миллиметрового размера, полости. В свою очередь, для нагревания стенок полости до «рентгеновских» температур эффективны два способа.

Во-первых, можно использовать мощные лазерные импульсы с мегаджоульной энергией. В мире создается несколько исследовательских лазерных термоядерных комплексов, из которых два наиболее мощных – это NIF в США (на этой установке уже ведутся пусконаладочные работы) и LMJ во Франции. В разработке прототипов импульсных источников питания для оптической накачки лазеров комплекса LMJ принимал участие и Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск).

Другой метод рентгеновского нагрева мишени основан на использовании Z-пинча. В этом случае мишень помещается внутрь лайнера. Этот подход по эффективности использования энергии значительно превосходит лазерный. Впрочем, для его реализации требуется создание не менее масштабной электрофизической установки. По расчетам, ток через Z-пинч должен составлять 60–70 миллионов ампер. Проект такого супергенератора разрабатывается в Национальной лаборатории Сандия (США) при активном участии Института сильноточной электроники. В ИСЭ разработаны LTD-ступени – базовые модули для линейных импульсных трансформаторов, сотни которых лягут в основу установки мощностью 1 петаватт (1 ПВт = 10 15 Вт).

Рожденные микровзрывом

Обратимся к физическому объекту, определившему второе слово в названии «сильноточная электроника», – электрону. Сразу после создания первых мощных импульсных генераторов были предприняты попытки использовать сильноточные высоковольтные импульсы для получения электронных пучков.

Сформировать такой пучок несложно. Достаточно приложить высоковольтный импульс к вакуумному промежутку между двумя электродами, один из которых (катод) испускает электроны, чтобы получить на аноде поток ускоренных электронов с кинетической энергией, соответствующей приложенному напряжению. Однако нетривиальной задачей стало создание эффективных источников электронов – сильноточных эмиттеров. Ни один из известных видов электронной эмиссии, которых немало, не обеспечивал той величины тока, которую были способны выдавать импульсные генераторы – на 4—5 порядков большие!

Способ получения мощных электронных пучков подсказала сама природа, причем там, где разработчики импульсных генераторов боролись с серьезной проблемой – пробоем вакуумной изоляции. Этот способ появился после того, как в середине 1960-х гг. группе исследователей под руководством Г. А. Месяца удалось в уникальных экспериментах однозначно доказать механизм электрического пробоя в вакууме. Обнаруженный новый механизм эмиссии электронов, получивший название взрывной эмиссии, был официально зарегистрирован в 1976 г. как научное открытие.

Суть явления взрывной эмиссии состоит в том, что под действием сильного электрического поля, созданного вблизи металлической поверхности в вакууме, за наносекундные времена происходит термическое взрывное разрушение микроскопических неоднородностей металла. В результате микровзрывов образуется плотная плазма, из которой под действием поля и извлекаются электроны. Плазма – самый совершенный из созданных природой эмиттер. Плотность тока взрывоэмиссионных электронов может быть чрезвычайно высокой.

Взрывоэмиссионные катоды позволили генерировать электронные пучки с недостижимой ранее силой тока, полностью соответствующей возможностям импульсных генераторов. На основе генераторов с такими катодами были созданы мощные импульсные лазеры, рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц.

Сильноточные пучки ускоренных электронов можно использовать для генерации мощного жесткого рентгеновского излучения. Технически это несложно: достаточно затормозить такой пучок на мишени из плотного материала. Рождающееся при этом электромагнитное излучение называют тормозным. Эффективность генерации тормозного излучения тем выше, чем больше заряд ядра атомов мишени и выше энергия электронов в пучке.

На основе сильноточных генераторов со взрывоэмиссионными катодами создано семейство импульсных рентгеновских источников самых разных мощностей и размеров – от переносных аппаратов до стационарных «монстров», позволяющих выполнять радиационные испытания крупных технических объектов.

Наиболее обширная область применения всех электронных пучков – генерация электромагнитных колебаний в радио- и СВЧ-диапазоне. Известно, что чем выше энергия электронов, тем более высоких частот можно достичь благодаря релятивистским эффектам. Использование сильноточных пучков в СВЧ-электронике позволило сразу на несколько порядков увеличить пиковую мощность излучения, при этом перейдя из метрового радиодиапазона в область санти- и миллиметровых длин волн. Возникла новая научная отрасль – релятивистская высокочастотная электроника.

Мощности современных СВЧ-генераторов достигают нескольких гигаватт. Это в миллионы раз больше, чем мощность бытовых микроволновых печей и в десятки тысяч раз больше мощности СВЧ-генераторов непрерывного действия, используемых в системах теле- и радиовещания. Впрочем, запечь курицу с помощью импульсно-периодического релятивистского генератора не так-то просто: его средняя мощность редко более киловатта.

Одним из основных применений импульсно-периодических СВЧ-генераторов стала радиолокация. Малая длительность импульса в сочетании с высокой пиковой мощностью позволила определять расстояние до цели с точностью до метра при дальности обнаружения 100—200 км, а высокая частота повторения импульсов – эффективно отделять мелкие движущиеся объекты от крупных неподвижных.

Другая сфера использования мощных СВЧ-генераторов – тестирование электронной аппаратуры. Не всякое электронное устройство способно сохранить работоспособность при облучении электромагнитной волной, вызываемой пробой воздуха!

С помощью сильноточного электронного пучка удалось разрешить еще одну проблему: в 1970-х гг. произошел прорыв в области лазерной техники – были созданы мощные лазеры на основе объемного электрического разряда в газе повышенного давления. В чем же принципиальная сложность создания таких лазеров? Для осуществления лазерной генерации необходимо иметь неравновесную среду. Такую среду можно было бы создать, реализовав объемное протекание тока в газовом разряде. Увы, эта форма горения разряда устойчиво существовала лишь в длинных трубках при малых давлениях газа. Все попытки увеличить давление приводили к тому, что объемная форма протекания тока сменялась канальной, в которой генерация лазерного излучения невозможна.

Ускоренные электроны способны эффективно ионизовать среду, через которую они проходят, в том числе и газ высокого давления. Чем выше интенсивность электронного пучка, тем выше объемная проводимость получившейся газовой плазмы и тем большую энергию можно ввести в активную среду лазера. В результате многолетних исследований удалось построить системы с рекордными значениями энергии и мощности лазерного излучения.

В заключение кратко коснемся технологических применений мощных импульсных устройств. Количество электронно-ионно-плазменных технологий, реализованных на их основе, в последние годы растет лавинообразно. Важное место среди них занимает производство наноструктурных материалов.

Значительные перспективы связаны с промышленным внедрением технологий электронно-пучковой модификации поверхности металлических изделий. Облучая металл коротким мощным пучком, можно мгновенно отполировать до зеркального блеска поверхность даже очень сложной формы – сделать это механически практически невозможно. Плавясь под пучком и мгновенно остывая, тонкий, в несколько микрон, слой металла очищается от примесей, приобретает нанокристаллическую структуру, обладающую высокой твердостью, коррозионной и износостойкостью. Импульсному электронному пучку подвластны даже капризные в обработке, хрупкие сверхтвердые инструментальные сплавы. Комбинированными пучково-плазменными методами можно создавать поверхностные сплавы с составом и свойствами, невозможными с точки зрения традиционной металлургии.

На основе многолетних исследований газового разряда низкого давления в Институте сильноточной электроники СО РАН разработаны эффективные источники плазмы как газов, так и многих металлов. С помощью таких источников можно с большой скоростью проводить модификацию поверхностного слоя металлических изделий (например, азотирование), а также наносить на поверхность тонкие покрытия с целью придания ей необходимых функциональных свойств. Более того, прочные тонкие пленки оказалось возможным наносить даже на стекло и пластмассу.

Сильноточные импульсные пучки электронов показали свою эффективность в технологических процессах отвердения и модификации лаковых покрытий и рулонных полимеров, стерилизации медицинского инструмента и порошкообразных материалов, в плазмохимии, при обезвреживании дымовых газов. По индивидуальному свечению под действием электронных пучков стало возможно идентифицировать многие поделочные и драгоценные камни. Электрический взрыв проводников позволил получать наноразмерные порошки.

Итак, мы видим, что сильноточные импульсы и электронные пучки являются не только интереснейшим научным объектом и инструментом для фундаментальных исследований, не только служат задачам обороны и мирного «термояда» отдаленного будущего, но и готовы трудиться «на благо народного хозяйства»: незримо, мощно и эффективно.

Бугаев С. П., Крейндель Ю. Е., Щанин П. М. Электронные пучки большого сечения. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Физика импульсного пробоя газов. – М.: Наука, 1991.

Кремнев В. В., Месяц Г. А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987.

Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. – М.: Наука, 2004.

Месяц Г. А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. – М.: Наука, 2000.

Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения / Месяц Г. А., Иванов С. А., Комяк Н. И., Пеликс Е. А. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

Mesyats G. A., Osipov V. V., Tarasenko V. F. Pulsed Gas Lasers. – Bellingham: SPIE Optical Engineering Press, 1995.