RU2168234C2

RU2168234C2 - Microwave device built around virtual cathode

Info

Publication number: RU2168234C2
Application number: RU98113267A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Селемир; А.Е. Дубинов; Н.Н. Макарова; К.В. Шибалко
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: high-power microwave electronics; microwave oscillators. SUBSTANCE: device has voltage supply, cathode electrode, anode electrode including cylindrical part and diaphragm transparent for electrons, as well as radiation output channel with aperture. Novelty is that diaphragm of proposed microwave device has positively curved surface towards radiation output aperture. EFFECT: enhanced efficiency of generated radiation. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к мощной СВЧ электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ излучения. The invention relates to powerful microwave electronics and can be used in the development of microwave generators.

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 [1] (Григорьев В. П. , Жерлицин А.Г., Коваль Г.В. // Физика плазмы, 1990, т. 16, N 11, с. 1353), [2] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д. // Зарубежная радиоэлектроника, 1975, N 4, с.54). Powerful microwave radiation generators based on systems with a virtual cathode (VK) are known, 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 [1] ( Grigoriev V.P., Zherlicin A.G., Koval G.V. // Plasma Physics, 1990, v. 16, No. 11, p. 1353), [2] (A. Dubinov, V. D. Selemir . // 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 a source of powerful oscillations of the electromagnetic field. Electromagnetic oscillations are also emitted by electron oscillations in a potential well with a center located in the injection region (diaphragm) and with the edges: cathode and 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 stream with a current density above a certain value is injected into the equipotential cavity of the microwave device of the electron beam, a space charge begins to accumulate behind the anode diaphragm, which turns the incoming electrons back to the cathode. This space charge is called the virtual cathode (VC).

Недостатком известных конструкций СВЧ приборов является низкий КПД генерируемого излучения, связанный с рядом причин, одна из которых состоит в том, что существует резкая зависимость мощности излучения от условий колебания электронов в потенциальной яме "катод - ВК". Эти условия различны в центре аксиальной системы и на периферии (радиусе), в результате чего спектр излучения электронного потока уширяется и выходная мощность снижается. A disadvantage of the known designs of microwave devices is the low efficiency of the generated radiation, which is associated with a number of reasons, one of which is that there is a sharp dependence of the radiation power on the conditions of electron oscillations in the potential cathode – VC well. These conditions are different in the center of the axial system and on the periphery (radius), as a result of which the emission spectrum of the electron beam broadens and the output power decreases.

За прототип выбран СВЧ-прибор на основе ВК, описанный в [3] (Селемир В. Д. , Алехин Б.В., Ватрунин В.Е. и др. // Физика плазмы, 1994, т. 20, N 7-8, с. 689), в котором размещены аксиально в цилиндрической трубе катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода, канала вывода излучения с окном, причем диафрагма выполнена плоской и изготовлена либо из металлической сетки, либо из тонкой металлической фольги. For the prototype, a microwave device based on VC was described, described in [3] (Selemir V.D., Alekhin B.V., Vatrunin V.E. et al. // Plasma Physics, 1994, v. 20, No. 7- 8, p. 689), in which a cathode electrode is axially placed in a cylindrical tube, an anode electrode consisting of a cylindrical part and a diaphragm transparent to electrons mounted parallel to the end surface of the cathode, a radiation output channel with a window, the diaphragm being made flat or made of either metal mesh, or from thin metal foil.

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 limiting current, a VC is formed behind the anode diaphragm in the system, 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. Electrons oscillating between the real cathode and the VC give their energy to the microwave field and accumulate in the potential well. The magnitude of the electric potential of the VC and its position oscillate in time, contributing to the output microwave radiation. The efficiency of converting the energy of the electron beam into microwave energy determines the efficiency of the device.

Недостатком такого прибора является низкий КПД генерируемого излучения, связанный с тем, что положение минимума потенциала инжектируемого электронного пучка в диодной области имеет сильную зависимость от поперечной координаты (радиуса) цилиндрической части анода. При более детальном рассмотрении суммарных типов колебаний, очевидно, что колебания происходят несинхронно. The disadvantage of this device is the low efficiency of the generated radiation, due to the fact that the position of the minimum potential of the injected electron beam in the diode region has a strong dependence on the transverse coordinate (radius) of the cylindrical part of the anode. With a more detailed examination of the total types of oscillations, it is obvious that the oscillations occur non-synchronously.

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

Техническая задача состоит в разработке мощного СВЧ прибора, для обеспечения возможности его использования в качестве источника мощного СВЧ излучения. Приборы, которые способны генерировать мощные импульсы, рассматриваются в перспективе как устройства для нагрева плазмы в термоядерных исследованиях, для накачки газовых сред мощных эксимерных лазеров, создания областей искусственной ионизации в атмосфере, для космической СВЧ энергетики и т.д. The technical task is to develop a powerful microwave device, to ensure the possibility of its use as a source of powerful microwave radiation. Devices that are capable of generating powerful pulses are considered in the future as devices for heating plasma in thermonuclear research, for pumping gas media of powerful excimer lasers, creating areas of artificial ionization in the atmosphere, for space microwave energy, etc.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения посредством увеличения степени монохроматичности выходного сигнала, получаемой путем повышения эффективности взаимодействия электронов пучка с СВЧ полем. The expected technical result of the proposed solution is to increase the efficiency of the generated radiation by increasing the degree of monochromaticity of the output signal obtained by increasing the efficiency of interaction of the beam electrons with the microwave field.

Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного СВЧ прибора на основе виртуального катода (ВК), содержащего источник напряжения, катодный электрод, анодный электрод, состоящий из цилиндрической части и прозрачной для электронов диафрагмы, а также канал вывода излучения с окном, в предлагаемом устройстве диафрагма выполнена с положительной кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения. The technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the known microwave device based on a virtual cathode (VK), containing a voltage source, a cathode electrode, an anode electrode consisting of a cylindrical part and a diaphragm transparent to electrons, as well as a radiation output channel with a window, in the proposed device, the diaphragm is made with a positive curvature of the surface towards the radiation output window.

В СВЧ приборах, например виркаторах, диодного типа электроны ускоряются в электрическом поле промежутка катод-анодная диафрагма (диодной области), образуя за ней ВК. Далее часть электронов пучка движутся в трубе дрейфа, образованной цилиндрической частью анодного электрода за диафрагмой в сторону окна вывода излучения, а часть электронов отражается от ВК назад к диафрагме, захватываясь в колебания в потенциальной яме "катод - ВК". In microwave devices, such as vircators, of a diode type, electrons are accelerated in the electric field of the cathode-anode diaphragm gap (diode region), forming a VC behind it. Further, a part of the beam electrons move in the drift tube formed by the cylindrical part of the anode electrode behind the diaphragm towards the radiation output window, and part of the electrons are reflected from the VC back to the diaphragm, being trapped in oscillations in the potential cathode – VC well.

Конкретное СВЧ излучение генерируется с помощью инжекции релятивистского электронного пучка, параметры которого в комбинации с геометрией и размерами волновода, образованного цилиндрической частью анодного электрода за диафрагмой в сторону окна вывода излучения (трубы дрейфа), влияют на условия колебаний виртуального катода (ВК). Specific microwave radiation is generated by injection of a relativistic electron beam, the parameters of which, in combination with the geometry and dimensions of the waveguide formed by the cylindrical part of the anode electrode behind the diaphragm towards the radiation output window (drift tube), affect the vibration conditions of the virtual cathode (VC).

После прохождения диафрагмы электроны попадают в резонатор, ограниченный цилиндрической частью анода, прозрачной для электронов диафрагмой и окном вывода излучения, находящийся под потенциалом анода. Осциллирующие между катодом и ВК электроны играют существенную роль. Торможение электронов в области "анодная диафрагма-ВК" и отражение части из них от ВК обратно в сторону катода происходит под действием поля заряда пучка в резонаторе. After passing through the diaphragm, the electrons enter the resonator bounded by the cylindrical part of the anode, the diaphragm transparent to the electrons and the radiation output window, which is under the anode potential. Electrons oscillating between the cathode and VC play a significant role. The deceleration of electrons in the "anode diaphragm-VK" region and the reflection of some of them from the VK back to the cathode side occurs under the influence of the beam charge field in the cavity.

Вследствие колебаний электронного пучка в пространстве "катод-ВК", электроны проходят многократно через диафрагму. Кроме того, осцилляции совершает ВК. Область формирования СВЧ излучения состоит из анода, волновода (трубы дрейфа) и замыкается на катод. Суммарный спектр излучения формируется из взаимодействия электромагнитной энергии этих областей, диодной области и резонатора. Due to oscillations of the electron beam in the cathode-VC space, electrons pass repeatedly through the diaphragm. In addition, the oscillations are performed by the VC. The region of microwave radiation formation consists of an anode, a waveguide (drift tube) and closes to the cathode. The total emission spectrum is formed from the interaction of the electromagnetic energy of these regions, the diode region and the resonator.

В традиционных конструкциях СВЧ прибора кроме осцилляции самого ВК, инжектируемые катодом электроны возвращаются назад к диафрагме, захватываются в колебательное движение в потенциальной яме "катод-ВК". Эти осциллирующие электроны накапливаются в области взаимодействия и генерируют мощное СВЧ излучение. Но приосевые и периферийные электроны попадают в разные условия в диодной области, так как взаимодействуют с ВК на разных расстояниях от анодной диафрагмы по оси симметрии, поскольку ВК представляет из себя объемное образование, которое максимально приближено к катоду в центре, спадает на периферии (зависимость от поперечной координаты-радиуса цилиндрической части системы) и имеет вид линзы с отрицательной кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения по направлению оси системы. In traditional designs of a microwave device, in addition to oscillations of the VC itself, the electrons injected by the cathode return back to the diaphragm and are captured in oscillatory motion in the potential cathode-VC well. These oscillating electrons accumulate in the interaction region and generate powerful microwave radiation. But the axial and peripheral electrons fall under different conditions in the diode region, since they interact with the VC at different distances from the anode diaphragm along the axis of symmetry, since the VC is a volume formation that is as close to the cathode in the center as it falls off at the periphery (depending on transverse coordinate-radius of the cylindrical part of the system) and has the form of a lens with a negative curvature of the surface in the direction of the radiation output window in the direction of the system axis.

Следовательно, ширина потенциальной ямы по оси системы и на периферии (радиусе) пучка различна. Это приводит к тому, что частоты осцилляций в потенциальной яме различны, что ухудшает генерационные характеристики прибора, а спектр излучения уширяется. Consequently, the width of the potential well along the axis of the system and at the periphery (radius) of the beam is different. This leads to the fact that the oscillation frequencies in the potential well are different, which affects the lasing characteristics of the device, and the radiation spectrum broadens.

Предложенная диафрагма выполнена с положительной (выпуклой) кривизной поверхности в сторону окна вывода излучения в соответствии с радиусом цилиндрической части анодного электрода и максимумом выходного излучения. The proposed diaphragm is made with a positive (convex) curvature of the surface toward the radiation output window in accordance with the radius of the cylindrical part of the anode electrode and the maximum output radiation.

Оптимальная кривизна с учетом этих параметров может быть определена путем компьютерного или натурного эксперимента. The optimal curvature taking these parameters into account can be determined by computer or field experiment.

Такая диафрагма выравнивает ширину потенциальной ямы на периферии и оси и создает для осциллирующих электронов равные условия взаимодействия с полем, частоты осцилляции различных групп электронов выравниваются, увеличивается монохроматичность излучения за счет увеличения синхронизации разных типов колебаний, составляющих выходное СВЧ излучение. Such a diaphragm equalizes the width of the potential well at the periphery and axis and creates equal conditions for interacting with the field for oscillating electrons, the oscillation frequencies of various electron groups are aligned, the monochromaticity of radiation increases due to increased synchronization of different types of oscillations that make up the output microwave radiation.

Диафрагма может представлять собой, например, металлическую ленту или ячеистую структуру. The diaphragm may be, for example, a metal tape or a cellular structure.

Своей выпуклой по оси стороной лента или сетчатая структура отдаляют потенциал электронного облака для электронов выбранного уровня. Точное значение радиуса выпуклости аналитически выразить сложно, но в пределах погрешности измерений легко подобрать экспериментально радиус выпуклости. With its convex side along the axis, the tape or net structure moves away the potential of the electron cloud for electrons of the selected level. It is difficult to analytically express the exact value of the convexity radius, but within the limits of the measurement error, it is easy to select experimentally the convexity radius.

Симметрия выпуклости диафрагмы желательна, но для получения положительного эффекта необязательна. Symmetry of the aperture of the diaphragm is desirable, but is optional to obtain a positive effect.

На фиг. 1 изображен виркатор в разрезе, где
1 - источник питания,
2 - катод,
3 - цилиндрическая часть анодного электрода,
4 - диафрагма,
5 - труба дрейфа,
6 - канал вывода излучения с окном,
7 - ВК (показан пунктиром).In FIG. 1 shows a vircator in a section, where
1 - power source
2 - cathode,
3 - cylindrical part of the anode electrode,
4 - aperture
5 - drift pipe,
6 - channel output radiation with a window,
7 - VK (shown by a dotted line).

На фиг 2. изображены варианты исполнения диафрагмы:
а) - зигзагообразная лента (вид сверху, вид сбоку),
в) - ячеистая структура (вид сверху, вид сбоку).In Fig 2. depicts options for aperture:
a) - a zigzag ribbon (top view, side view),
c) - cellular structure (top view, side view).

СВЧ прибор, например виркатор, содержит генератор импульсов высокого напряжения (1), катодный электрод (2), анодный электрод, состоящий из цилиндрической части (3), диафрагмы (4), выполненной, например, в виде зигзагообразной плоской ленты или ячеистой структуры с выпуклыми профилями в плоскостях и трубы дрейфа (5), труба дрейфа плавно переходит в рупорное окно вывода излучения (6), виртуальный катод обозначен пунктиром (7). A microwave device, for example a vircator, contains a high voltage pulse generator (1), a cathode electrode (2), an anode electrode consisting of a cylindrical part (3), a diaphragm (4), made, for example, in the form of a zigzag flat ribbon or a cellular structure with with convex profiles in the planes and the drift pipe (5), the drift pipe smoothly passes into the horn of the radiation output window (6), the virtual cathode is indicated by a dotted line (7).

Анодная диафрагма, может быть выполнена, например, в виде зигзагообразной плоской ленты или ячеистой структуры с выпуклым профилем, так что направление выпуклости совпадает с осью системы в сторону окна вывода излучения. The anode diaphragm can be made, for example, in the form of a zigzag flat ribbon or a cellular structure with a convex profile, so that the convex direction coincides with the axis of the system towards the radiation output window.

Зигзагообразной плоской лентой может быть металлическая фольговая лента, уложенная в виде гармошки в плоскости, параллельной диафрагме, с профилем гармошки, выпуклым по оси системы. Стрелками указано движение эмиссионных электронов. A zigzag flat ribbon can be a metal foil tape laid in the form of an accordion in a plane parallel to the diaphragm, with the accordion profile convex along the axis of the system. Arrows indicate the movement of emission electrons.

Принцип работы СВЧ прибора, например виркатора, заключается в следующем: импульс высокого напряжения отрицательной полярности от генератора высокого напряжения (1) подается на катод виркатора (2), после этого начинается взрывная эмиссия электронов с цилиндрической части катода в диодный промежуток, образованный катодом (2) и анодным электродом, состоящим из цилиндрической части (3), ячеистой анодной диафрагмы (4) и трубы дрейфа (5). Излучение выводится через канал вывода излучения с окном (6) при превышении тока над предельным, когда образуется виртуальный катод (7), который, колеблясь, возбуждает собственные волны резонатора. The principle of operation of a microwave device, such as a vircator, is as follows: a high voltage pulse of negative polarity from a high voltage generator (1) is supplied to the vircator cathode (2), after which explosive emission of electrons from the cylindrical part of the cathode begins to the diode gap formed by the cathode (2) ) and an anode electrode consisting of a cylindrical part (3), a cellular anode diaphragm (4) and a drift pipe (5). The radiation is output through the radiation output channel with the window (6) when the current exceeds the limit when a virtual cathode (7) is formed, which, oscillating, excites the resonator's own waves.

Примерные параметры виркатора:
подаваемое напряжение - 100-120 кВ,
импеданс диода - 10 Ом,
диодный зазор - 1...5 мм,
диаметр катода - 30 мм,
длительность импульса - 50 нс,
длина волны излучения - 3 см,
Характеристики зигзагообразной ленты:
ширина ленты на оси - 3-4 мм, на периферии радиуса цилиндрической части анода - 2 мм,
толщина ленты - 20-100 микрон,
радиус кривизны выпуклого профиля - 80-120 мм,
лента может быть изготовлена из титана, вольфрама, тантала.Approximate parameters of the vircator:
supply voltage - 100-120 kV,
diode impedance - 10 Ohms,
diode gap - 1 ... 5 mm,
cathode diameter 30 mm
pulse duration - 50 ns,
radiation wavelength - 3 cm,
Characteristics of a zigzag ribbon:
the width of the tape on the axis is 3-4 mm, on the periphery of the radius of the cylindrical part of the anode is 2 mm,
tape thickness - 20-100 microns,
the radius of curvature of the convex profile is 80-120 mm,
the tape can be made of titanium, tungsten, tantalum.

Ожидаемое КПД по мощности, предложенной конструктивной схемы примерно 15-18%. The expected power efficiency of the proposed design scheme is approximately 15-18%.

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать СВЧ прибор, например виркатор, в качестве источника мощного СВЧ излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, в физических исследованиях и др. The expected output parameters allow the use of a microwave device, such as a vircator, as a source of powerful microwave radiation in transmission lines of electromagnetic energy over long distances, in physical research, etc.

Claims

1. Microwave device based on a virtual cathode, containing a voltage source, a cathode electrode, an anode electrode consisting of a cylindrical part and a diaphragm transparent to electrons, as well as a radiation output channel with a window, characterized in that the diaphragm having a positive surface curvature towards the window radiation output, made of foil tape laid in the form of an accordion.

2. The microwave instrument according to claim 1, characterized in that the width of the foil tape on the axis is selected 3 to 4 mm, and on the periphery of the radius of the cylindrical part of the anode electrode 2 mm.