RU2127925C1

RU2127925C1 - Vircator

Info

Publication number: RU2127925C1
Application number: RU96123587A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Диденко; М.А. Завьялов; В.И. Переводчиков; А.П. Попов; А.С. Рошаль; А.Л. Шапиро
Original assignee: Московский Инженерно-Физический Институт
Priority date: 1996-12-15
Filing date: 1996-12-15
Publication date: 1999-03-20

Abstract

FIELD: generation of high-power microwave radiation in experimental installations and processes for treatment of organic and inorganic objects, microwave pulse power engineering, radio physics, experimental physics, charged particle accelerators, controlled nuclear fusion. SUBSTANCE: vircator has anode electrode built up of cylindrical cathode portion, diaphragm, cylindrical drift and conical output horn tube with microwave beam output aperture, and cylindrical cathode electrode placed inside cathode portion of anode electrode. Hydrogen generator fills entire inner space with discharged hydrogen whose pressure is maintained constant by means of vacuum pumps installed outside cathode portion and communicating with inner space through ports provided in cathode portion walls. Electron-ion plasma is produced at the instant of voltage pulse origination due to gas ionization by electron beams, and virtual cathode is formed. Background of slow ions partially compensates volumetric charge of beam and maximum beam current; considerable potential well and high concentration of electrons occur in vicinity of virtual cathode because radiation is also generated by plasma electrons. EFFECT: increased power of generated microwave radiation during remaining length of voltage pulse and improved efficiency of vircator. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электронике, в частности к электронике СВЧ больших мощностей, и представляет собой СВЧ-генератор, предназначенный для генерации мощного СВЧ-излучения в экспериментальных установках и технологических процессах обработки органических и неорганических объектов. Преимущественными областями применения изобретения являются импульсная СВЧ-энергетика, радиофизические исследования, экспериментальная физика, ускорители заряженных частиц, управляемый термоядерный синтез. The invention relates to electronics, in particular to microwave electronics of high power, and is a microwave generator designed to generate powerful microwave radiation in experimental installations and technological processes for processing organic and inorganic objects. The main fields of application of the invention are pulsed microwave energy, radiophysical research, experimental physics, charged particle accelerators, controlled thermonuclear fusion.

Известен виркатор (см. Бабкин А.Д., Дубинов А.Е., Корнилов В.Г., Селемир В. Д., Челпанов В.И., "Виркатор", патент Российской Федерации N 2046440, МКИ H 01 J 25/00), 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. The vircator is known (see Babkin A.D., Dubinov A.E., Kornilov V.G., Selemir V.D., Chelpanov V.I., "Vircator", patent of the Russian Federation N 2046440, MKI H 01 J 25 / 00) 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. The 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 decelerated by the field of its own space charge, forming a virtual cathode. In stationary mode, microwave radiation is generated by electron oscillations and virtual cathode oscillations in the drift tube between the cathode and virtual cathode.

Однако плазма в таком приборе существует лишь в узком слое вблизи катода, тогда как в области генерации СВЧ-излучения плазма отсутствует и поэтому не используется для повышения генерируемой мощности. However, the plasma in such a device exists only in a narrow layer near the cathode, while in the region of microwave radiation generation there is no plasma and therefore is not used to increase the generated power.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является 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, эмиттируемые 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. The closest in technical essence and purpose to the proposed invention is the vircator 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, N 4, p. 655-659). This vircator contains an anode electrode consisting of a cylindrical cathode portion in series, a cylindrical drift tube and a conical horn with a microwave output window as well as the diaphragm separating the cathode part and the drift tube, and a cylindrical cathode electrode located coax only 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 gradually slow down by the electric field of its own space charge until it stops completely creating a virtual cathode. Oscillations of the beam electrons between the cathode and the virtual cathode, as well as the vibrations of the virtual cathode itself, create microwave radiation that is output through a conical horn and a ceramic window.

Но поскольку в этом виркаторе отсутствует электрон-ионная плазма, предельный ток электронного пучка, генерируемая мощность и КПД виркатора слишком ограничены для обработки поверхностей материалов, дезинсекции зерна, технологических процессов фармацевтической промышленности и других применений импульсной СВЧ-энергетики, для зондирования атмосферы и передачи мощных импульсов СВЧ-энергии на дальние расстояния. But since there is no electron-ion plasma in this vircator, the limiting electron beam current, generated power, and vircator efficiency are too limited for surface treatment of materials, grain disinfection, pharmaceutical industry processes and other applications of pulsed microwave energy, for sensing the atmosphere and transmitting powerful pulses Microwave energy over long distances.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении генерируемой мощности СВЧ-излучения и КПД виркатора. The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in increasing the generated power of microwave radiation and the efficiency of the vircator.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в конструкцию виркатора, содержащего анодный электрод, который состоит из последовательно расположенных коаксиальных цилиндрической катодной части, диафрагмы, цилиндрической трубы дрейфа и конического выходного рупора с окном вывода СВЧ-излучения, и цилиндрический катодный электрод, помещенный коаксиально внутри катодной части анодного электрода, введены генератор водорода и вакуумные насосы, расположенные снаружи катодной части анодного электрода и сообщающиеся с внутренней областью окнами, выполненными в стенках катодной части. The essence of the invention lies in the fact that the design of the vircator containing the anode electrode, which consists of sequentially arranged coaxial cylindrical cathode parts, a diaphragm, a cylindrical drift tube and a conical output horn with a microwave output window, and a cylindrical cathode electrode placed coaxially inside the cathode part of the anode electrode, a hydrogen generator and vacuum pumps are introduced, located outside the cathode part of the anode electrode and communicating with the internal her area of windows made in the walls of the cathode part.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Устройство содержит анодный электрод 1, состоящий из цилиндрической катодной части 2, сеточной диафрагмы 3, цилиндрической трубы дрейфа 4 и конического выходного рупора 5 с керамическим окном вывода СВЧ-излучения 6, цилиндрический катод с взрывной эмиссией 7, изолятор для крепления прибора 8, генератор водорода 9, магниторазрядный насос 10, сорбционный насос 11, окно 12, соединяющее водородный генератор с внутренним объемом, и окно 13, соединяющее насосы с внутренним объемом. The invention is illustrated in the drawing. The device comprises an anode electrode 1, consisting of a cylindrical cathode part 2, a mesh diaphragm 3, a cylindrical drift tube 4 and a conical output horn 5 with a ceramic microwave radiation output window 6, a cylindrical cathode with explosive emission 7, an insulator for attaching the device 8, a hydrogen generator 9, a magnetic discharge pump 10, a sorption pump 11, a window 12 connecting the hydrogen generator to the internal volume, and a window 13 connecting the pumps to the internal volume.

Устройство работает следующим образом. Водородный генератор 9 через окно 12 заполняет весь внутренний объем разреженным водородом, давление которого поддерживается постоянным насосами 10 и 11, сообщающимися с внутренним объемом через окно 13. При подаче на катодный электрод 7 импульса отрицательного напряжения эмиттируемый электронный пучок ускоряется в пространстве между катодом и сеточной анодной диафрагмой 3, имеющей, как и весь анодный электрод 1, нулевой потенциал. The device operates as follows. The hydrogen generator 9 through the window 12 fills the entire internal volume with rarefied hydrogen, the pressure of which is maintained by constant pumps 10 and 11, which communicate with the internal volume through the window 13. When a negative voltage pulse is applied to the cathode electrode 7, the emitted electron beam is accelerated in the space between the cathode and the grid anode the diaphragm 3, having, like the entire anode electrode 1, zero potential.

Проходя через диафрагму 3 в трубу дрейфа 4, пучок ускоренных электронов ионизует в ней разреженный газ, образуя электрон-ионную плазму (показана пунктиром на чертеже). Вследствие торможения пучка электрическим полем собственного объемного заряда скорость электронов пучка по длине прибора уменьшается, а сечение столкновительной ионизации возрастает, так что наиболее интенсивное образование плазмы происходит в области виртуального катода (показаны на чертеже более плотным пунктиром). Создаваемые пучком вторичные электроны сами могут ионизовать газ, а кроме того, в возникающих интенсивных плазменных колебаниях и электрическом СВЧ-поле электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации газа. В результате процесс ионизации приобретает лавинообразный характер. Давление газа подбирается таким, чтобы время образования плазмы требуемой концентрации составляло не более 1/3 длительности импульса напряжения, и имеет величину от 10^-4 до 0,1 Тор в зависимости от параметров прибора. При этом газ остается слабо ионизованным и концентрация ионов составляет не более 0,01 концентрации нейтральных молекул газа, а образовавшаяся плазма является сильно неоднородной с максимальной плотностью в области виртуального катода.Passing through the diaphragm 3 into the drift tube 4, a beam of accelerated electrons ionizes a rarefied gas in it, forming an electron-ion plasma (shown by a dotted line in the drawing). Due to the deceleration of the beam by the electric field of its own space charge, the electron velocity of the beam decreases along the length of the device, and the collision ionization cross section increases, so that the most intense plasma formation occurs in the virtual cathode region (shown in the drawing by a denser dashed line). Secondary electrons created by the beam can themselves ionize the gas, and in addition, in the intense plasma oscillations that arise and the microwave electric field, the electrons acquire enough energy to ionize the gas. As a result, the ionization process acquires an avalanche-like character. The gas pressure is selected so that the plasma formation time of the required concentration is not more than 1/3 of the voltage pulse duration, and has a value from 10 ^-4 to 0.1 Torr, depending on the parameters of the device. In this case, the gas remains weakly ionized and the ion concentration is not more than 0.01 of the concentration of neutral gas molecules, and the resulting plasma is highly inhomogeneous with a maximum density in the region of the virtual cathode.

Процесс импульсной СВЧ-генерации в таком виркаторе включает три стадии. На первой стадии, в начале импульса напряжения в результате лавинообразной ионизации происходит образование электрон-ионной плазмы и формирование виртуального катода с высокой концентрацией электронов. При этом фон малоподвижных ионов частично компенсирует объемный заряд пучка и предельный ток пучка оказывается выше, чем в отсутствие плазмы. Длительность первой стадии составляет около 1/3 длительности импульса напряжения, генерируемая мощность на этой стадии возрастает. На второй стадии, составляющей остальную часть длительности импульса напряжения, концентрация плазмы имеет стационарное значение, определяемое динамическим равновесием между процессом образования плазмы в результате столкновительной ионизации газа и процессом ее распада вследствие нейтрализации на электродах, ограничивающих область взаимодействия. Плотность виртуального катода и генерируемая мощность на этой стадии также сохраняют стационарные значения, причем СВЧ-излучение генерируется не только колебаниями электронов пучка, но и колебаниями электронов плазмы, плотность которой в области виртуального катода может существенно превышать плотность электронов пучка, в некоторых режимах - на порядок и более. Траектории электронов, колеблющихся между катодом и виртуальным катодом, показаны на чертеже линиями со стрелками. Наконец, на третьей стадии, которая начинается с момента окончания импульса напряжения и тока пучка, происходит распад виртуального катода и генерируемая мощность СВЧ-излучения постепенно уменьшается до уровня собственных шумов. The process of pulsed microwave generation in such a vircator includes three stages. At the first stage, at the beginning of a voltage pulse, avalanche-like ionization results in the formation of an electron-ion plasma and the formation of a virtual cathode with a high electron concentration. In this case, the background of sedentary ions partially compensates for the space charge of the beam and the limiting beam current is higher than in the absence of plasma. The duration of the first stage is about 1/3 of the duration of the voltage pulse, the generated power at this stage increases. In the second stage, which makes up the rest of the voltage pulse duration, the plasma concentration has a stationary value determined by the dynamic equilibrium between the process of plasma formation as a result of collisional ionization of the gas and its decay due to neutralization on the electrodes that limit the interaction region. The density of the virtual cathode and the generated power at this stage also remain stationary, and microwave radiation is generated not only by vibrations of the electron beam, but also by the oscillations of plasma electrons, the density of which in the region of the virtual cathode can significantly exceed the density of the electron beam, in some modes by an order of magnitude and more. The trajectories of the electrons oscillating between the cathode and the virtual cathode are shown in the drawing by arrow lines. Finally, in the third stage, which begins at the end of the voltage pulse and the beam current, the virtual cathode decays and the generated microwave power gradually decreases to the level of intrinsic noise.

Таким образом, эффект, достигаемый в заявленном изобретении благодаря описанным конструктивным изменениям, состоит в частичной нейтрализации пучка малоподвижным фоном положительных ионов, соответствующим увеличению тока пучка, потенциальной ямы и плотности плазмы в области виртуального катода и, как следствие, в повышении генерируемой СВЧ-мощности и КПД генератора. Thus, the effect achieved in the claimed invention due to the described structural changes consists in partial neutralization of the beam by a sedentary background of positive ions, corresponding to an increase in the beam current, potential well and plasma density in the region of the virtual cathode and, as a result, in an increase in the generated microwave power and Generator efficiency.

Итак, технический результат, состоящий в повышении генерируемой мощности СВЧ-излучения и КПД виркатора, обеспечивается в заявляемом изобретении введением в конструкцию виркатора генератора газа и вакуумных насосов. So, the technical result, which consists in increasing the generated power of microwave radiation and the efficiency of the vircator, is provided in the claimed invention by introducing into the design of the vircator a gas generator and vacuum pumps.

Claims

A vircator containing an anode electrode, which consists of a sequentially arranged cylindrical cathode part, a diaphragm, a cylindrical drift tube and a conical output horn with a microwave output window, and a cylindrical cathode electrode placed coaxially inside the cathode part of the anode electrode, characterized in that the vircator is equipped with a hydrogen generator and sediment located outside the cathode part and communicating with the inner region through windows made in the walls of the cathode part.