RU2037905C1

RU2037905C1 - Reflecting triode based on virtual cathode

Info

Publication number: RU2037905C1
Authority: RU
Inventors: В.Д. Селемир; А.Е. Дубинов; В.С. Жданов; Н.В. Степанов; К.В. Шибалко
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: acceleration equipment. SUBSTANCE: reflecting triode is fitted with electron absorber placed on anode. EFFECT: increased generation efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов сильноточным релятивистским пучком. The invention relates to microwave technology and can be used to generate high-power microwave pulses by a high-current relativistic beam.

Известны триоды на основе виртуального катода (ВК), содержащие катод, анод и отражающий электрод [1] и [2] В работе [1] анод выполнен в виде сетки. Для данного триода было замечено, что при изменении геометрической прозрачности сетки изменяется КПД генерации. В условиях данного эксперимента оптимальной была сетка с геометрической прозрачностью 70% В работе Григорьева В.П. и др. Физика плазмы, 1988, N 2, с. 210. делалось предположение, что при большей прозрачности анода уменьшение КПД связано с провисанием потенциала в ячейках сетки. Не оспаривая в целом данного предположения, заметим, что в работе [2] в качестве анода использовалась прозрачная для электронов тонкая фольга. В этом случае нет провисания потенциала, но КПД генератора по-прежнему весьма мал (<1%). Known triodes based on a virtual cathode (VK) containing a cathode, anode, and reflective electrode [1] and [2] In [1], the anode is made in the form of a grid. For this triode, it was noticed that when the geometric transparency of the grid changes, the generation efficiency changes. Under the conditions of this experiment, a mesh with a geometric transparency of 70% was optimal. In the work of Grigoryev V.P. et al. Plasma Physics, 1988, N 2, p. 210. an assumption was made that with greater transparency of the anode, a decrease in efficiency is associated with a sagging potential in the grid cells. Without challenging this assumption as a whole, we note that in [2] a thin foil transparent for electrons was used as an anode. In this case, there is no sagging potential, but the generator efficiency is still very small (<1%).

За прототип выбран отражательный триод на основе ВК, содержащий катод, анод и отражающий электрод, с анодом, выполненным в виде фольги толщиной много меньше длины пробега электронов в материале фольги [2]
Недостатком такого решения является низкий выход генерируемого излучения. КПД генератора составил величину меньше 1%
Величина КПД генератора по мощности является одним из важных критериев, по которому определяется возможность практического применения СВЧ-генератора. Техническая задача состоит в том, чтобы КПД генератора составила величину более 20% что позволяет использовать его, например, в качестве источника СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.For the prototype, a VC-based reflective triode was selected, containing a cathode, anode, and a reflective electrode, with an anode made in the form of a foil with a thickness much less than the mean free path of electrons in the foil material [2]
The disadvantage of this solution is the low output of the generated radiation. The generator efficiency was less than 1%
The value of the generator efficiency in power is one of the important criteria by which the possibility of practical application of a microwave generator is determined. The technical problem is that the generator efficiency should be more than 20%, which allows you to use it, for example, as a source of microwave radiation in wireless transmission lines of electromagnetic energy over long distances.

Целью изобретения является повышение КПД генерируемого излучения. The aim of the invention is to increase the efficiency of the generated radiation.

Сущностью предлагаемого решения является отражательный триод на основе ВК, содержащий катод, анод и отражающий электрод, причем триод дополнительно снабжен поглотителем электронов, расположенным на аноде. The essence of the proposed solution is a VK-based reflective triode containing a cathode, anode and a reflective electrode, the triode being additionally equipped with an electron absorber located on the anode.

Поглотитель электронов уменьшает поток электронов сквозь анод. Коэффициент прозрачности поглотителя Q I/I₀, где I₀ полный поток электронов, падающих с катода на анод; I поток электронов, прошедших в область между анодом и отражающим электродом.An electron absorber reduces the flow of electrons through the anode. Absorber transparency coefficient QI / I ₀ , where I _{0 is the} total flux of electrons incident from the cathode to the anode; I is the flux of electrons passing into the region between the anode and the reflecting electrode.

Очевидно, что коэффициент прозрачности может иметь два крайних значения: Q0 и Q 1. При Q 0 электроны не попадают в область между анодом и отражающим электродом, следовательно, не образуется ВК и нет генерации излучения. При Q 1 отсутствует вывод электронов из пространства взаимодействия, вышедших из синхронизма (Кузнецов С. И. Оптимизация параметров катод-анодной системы триода с виртуальным катодом. Томск, 1988, Деп. ВИНИТИ. N 113-В88). Кроме того, электроны пролетают через анод без поглощения, и электрическая цепь катод анод не замкнута. Мощность электронного пучка в диоде определяется произведением напряжения в диоде и тока. При незамкнутой цепи ток отсутствует, соответственно нет расхода мощности на генерацию СВЧ-излучения. Очевидно, что оптимальный по КПД генерации коэффициент прозрачности находится внутри интервала от 0 до 1. Obviously, the transparency coefficient can have two extreme values: Q0 and Q 1. At Q 0, the electrons do not fall into the region between the anode and the reflecting electrode, therefore, no VC is formed and there is no generation of radiation. At Q 1, there is no removal of electrons from the interaction space that are out of synchronism (S. Kuznetsov. Optimization of the parameters of the cathode-anode system of a triode with a virtual cathode. Tomsk, 1988, Dep. VINITI. N 113-B88). In addition, electrons fly through the anode without absorption, and the cathode’s anode circuit is not shorted. The power of the electron beam in the diode is determined by the product of the voltage in the diode and the current. With an open circuit, there is no current, respectively, there is no power consumption for the generation of microwave radiation. Obviously, the transparency coefficient optimal in terms of generation efficiency is within the interval from 0 to 1.

Обеспечение требуемого соотношения между током в катод-анодном промежутке и током в промежутке между анодом и отражающим электродом необходимо для реализации максимального КПД генерации СВЧ-излучения в триоде. В известных отражательных триодах на основе ВК напряжение, прикладываемое к ускоряющему промежутку, сравнительно невелико (150-450 кВ) для того, чтобы обеспечить необходимую прозрачность сетчатого анода, так как при таких напряжениях обычно геометрическая прозрачность сетки практически равна прозрачности, определяемой отношением прошедшего тока к падающему. В известном релятивистском отражательном триоде (1,2-4,5 МВ) [2] истинная прозрачность анода близка к единице даже при использовании абсолютно геометрически непрозрачного фольгового анода. Поэтому обеспечение оптимального коэффициента прозрачности для электронов на входе их в тормозящее поле триода при помощи поглотителя, установленного на аноде, является важным условием для обеспечения высокого КПД генерации. Ensuring the required ratio between the current in the cathode-anode gap and the current in the gap between the anode and the reflecting electrode is necessary to realize the maximum efficiency of microwave radiation generation in the triode. In known VK reflective triodes, the voltage applied to the accelerating gap is relatively small (150-450 kV) in order to provide the necessary transparency of the mesh anode, since at such voltages the geometric transparency of the grid is usually almost equal to the transparency determined by the ratio of the transmitted current to to falling. In the well-known relativistic reflective triode (1.2–4.5 MV) [2], the true transparency of the anode is close to unity even when using an absolutely geometrically opaque foil anode. Therefore, ensuring the optimum transparency coefficient for electrons at their input into the braking field of the triode using an absorber mounted on the anode is an important condition for ensuring high generation efficiency.

На чертеже изображен пример реализации отражательного триода на основе ВК с поглотителем электронов с фиксированным коэффициентом прозрачности. The drawing shows an example implementation of a reflective triode based on a VC with an electron absorber with a fixed transparency coefficient.

Триод содержит катод 1, прозрачный для электронов анод 2 и отражающий электрод 3. Поглотитель 4 электронов размещен на аноде. Катод, анод и отражающий электрод гальванически развязаны между собой диэлектрическими изоляторами 5. The triode contains a cathode 1, anode 2 transparent to electrons, and a reflective electrode 3. An electron absorber 4 is placed on the anode. The cathode, anode and reflective electrode are galvanically isolated from each other by dielectric insulators 5.

При релятивистских скоростях электронов анод может быть сделан из тонкой фольги, прозрачной для электронов, а поглотитель из проводящего материала толщиной больше длины пробега электронов. В случае равномерного распределения электронов по сечению пучка коэффициент прозрачности определяется через отношение площадей Q 1 S_погл/S_полн, где S_погл площадь, вырезаемая поглотителем в сечении пучка; S_полн площадь сечения пучка.At relativistic electron velocities, the anode can be made of a thin foil transparent to electrons, and the absorber from a conductive material with a thickness greater than the electron mean free path. In the case of a uniform distribution of electrons over the beam cross section, the transparency coefficient is determined through the ratio of the areas Q 1 S _diff / S _full , where S _{diff is the} area cut by the absorber in the beam cross section; S is the _full cross-sectional area of the beam.

Принцип работы отражательного триода на основе ВК с поглотителем электронов заключается в следующем. При подаче высоковольтного напряжения на диод вследствие взрывной эмиссии образуется пучок электронов, двигающийся в направлении с катода 1 на анод 2. Часть электронов пучка поглощается в материале поглотителя 4, оставшиеся электроны попадают в область между анодом и отражающим электродом 3. В этой области формируется виртуальный катод 6. Излучение возникает в результате колебаний электронов между ВК и катодом, а также колебаний самого ВК. The principle of operation of a VC-based reflective triode with an electron absorber is as follows. When a high-voltage voltage is applied to the diode due to explosive emission, an electron beam is formed, moving in the direction from the cathode 1 to the anode 2. Some of the beam electrons are absorbed in the material of the absorber 4, the remaining electrons fall into the region between the anode and the reflecting electrode 3. In this region, a virtual cathode is formed 6. Radiation occurs as a result of electron vibrations between the VC and the cathode, as well as oscillations of the VC itself.

Примерные параметры отражательного триода на основе ВК: импеданс диода 40 Ом; диодный зазор 2 см; диаметр катода 4 см; длительность импульса 20 нс; длина волны излучения 10 см; толщина поглотителя: Al 4 мм; Fe 1,5 мм; Pb 1 мм. Approximate parameters of a VK-based reflective triode: diode impedance 40 Ohm; diode gap 2 cm; cathode diameter 4 cm; pulse duration 20 ns; radiation wavelength 10 cm; absorber thickness: Al 4 mm; Fe 1.5 mm; Pb 1 mm.

Общую формулу для расчета оптимального коэффициента прозрачности поглотителя получить трудно, однако численные оценки для приведенного случая дают значение для оптимального коэффициента прозрачности 0,6-0,8. Более тонкое значение подбирается в эксперименте. Ожидаемая мощность СВЧ-излучения до сотен мегаватт, при этом КПД генерации составит около 30%
Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать отражательный триод на основе ВК для практических целей, например в качестве источника СВЧ-излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния.It is difficult to obtain a general formula for calculating the optimal transparency coefficient of the absorber, however, numerical estimates for the given case give a value for the optimal transparency coefficient of 0.6-0.8. A finer value is selected in the experiment. The expected microwave power is up to hundreds of megawatts, while the generation efficiency will be about 30%
The expected output parameters allow the use of a VC-based reflective triode for practical purposes, for example, as a source of microwave radiation in transmission lines of electromagnetic energy over long distances.

Claims

A REFLECTIVE TRIODE BASED ON A VIRTUAL CATHODE, containing a cathode, anode and a reflecting electrode in series, separated by gaps and galvanically isolated from each other, characterized in that the reflective triode is equipped with an electron absorber located on the anode.