RU2040064C1

RU2040064C1 - Relativistic coaxial-type microwave oscillator built around virtual cathode system

Info

Publication number: RU2040064C1
Authority: RU
Inventors: В.Д. Селемир; А.Е. Дубинов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: acceleration engineering. SUBSTANCE: oscillator has additional collector electrode electrically coupled with anode for taking incorrect-phase electrons from interaction region to provide for phase separation mode. EFFECT: improved oscillator efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для генерации мощных СВЧ-импульсов сильноточными электронными пучками. The invention relates to accelerator technology and can be used to generate high-power microwave pulses by high-current electron beams.

Известны релятивистские СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом, содержащие катод, анод, который отделяет диодный промежуток от пространства дрейфа, а также окно для вывода излучения, причем электродная система (система катод сетка-анод) в таких генераторах плоскопараллельная (Диденко А.Н. Григорьев В.П. Жерлицын Р.Г. Генерация электромагнитных колебаний в системах с виртуальным катодом. Плазменная электроника: Сб. науч. тр. Киев: Наукова думка, 1989, с. 112-131). Общепринятое название генераторов такого типа виркатор. Гигаваттный уровень излучаемой мощности при 25-30%-ном электронном КПД в виркаторах уже достаточно освоен. Relativistic microwave generators based on systems with a virtual cathode are known, containing a cathode, an anode that separates the diode gap from the drift space, and also a window for outputting radiation, and the electrode system (grid-anode cathode system) in such generators is plane-parallel (A. Didenko N. Grigoryev V.P. Zherlitsyn R.G. Generation of electromagnetic waves in systems with a virtual cathode.Plasma electronics: Collected scientific papers Kiev: Naukova Dumka, 1989, p. 112-131). The common name for this type of vircator generators. The gigawatt level of radiated power at 25-30% electronic efficiency in vircators is already quite mastered.

Наиболее близким по технической сущности и с улучшенными массогабаритными характеристиками по сравнению с известными релятивистскими СВЧ-генераторами на основе систем с виртуальным катодом является релятивистский СВЧ-генератор на основе системы с виртуальным катодом коаксиального типа (авт. св. СССР N 1522317, кл. Н 01 J 25/68, 1989). Этот генератор содержит цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анод, прозрачный для электронов, который выполнен в виде полого цилиндра и расположен соосно с вакуумной камерой внутри нее, а также окно вывода излучения, расположенное в торце вакуумной камеры. The closest in technical essence and with improved weight and size characteristics compared to the known relativistic microwave generators based on systems with a virtual cathode is a relativistic microwave generator based on a system with a virtual cathode of coaxial type (ed. St. USSR N 1522317, class H 01 J 25/68, 1989). This generator contains a cylindrical vacuum chamber with a cathode located on its inner surface, an anode transparent for electrons, which is made in the form of a hollow cylinder and is located coaxially with the vacuum chamber inside it, as well as a radiation output window located at the end of the vacuum chamber.

Параметры этого генератора следующие:
Ускоряющее напряже- ние, кВ 600
Ток в катод-анодном проме- жутке, кА 62
Длительность импульса напряжения, нс 80 Длина волны излучения, см 10,7
Амплитуда мощности СВЧ-излучения, МВт 100-120
Таким образом, основным недостатком известного генератора коаксиального типа является малое значение электронного КПД (около 0,3%) по сравнению с плоскопараллельными системами.The parameters of this generator are as follows:
Accelerating voltage, kV 600
Current in the cathode-anode gap, kA 62
The duration of the voltage pulse, ns 80 The wavelength of radiation, cm 10.7
The amplitude of the power of microwave radiation, MW 100-120
Thus, the main disadvantage of the known coaxial type generator is the low value of electronic efficiency (about 0.3%) compared with plane-parallel systems.

Вместе с тем задача создания релятивистских СВЧ-генераторов на основе систем с виртуальным катодом именно коаксиального типа, как наиболее легких и компактных, с электронным КПД, сравнимых с КПД плоскопараллельных генераторов, имеет важное значение, например, для создания компактных СВЧ-генераторов для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния. At the same time, the task of creating relativistic microwave generators based on systems with a virtual cathode of precisely the coaxial type, as the lightest and most compact, with electronic efficiency comparable to the efficiency of plane-parallel generators, is important, for example, to create compact microwave generators for transmitting electromagnetic energy over long distances.

Данный технический результат достигается тем, что релятивистский СВЧ-генератор коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом, содержащий цилиндрическую вакуумную камеру с катодом, расположенным на ее внутренней поверхности, анод, прозрачный для электронов, который выполнен в виде полого цилиндра и расположен соосно с вакуумной камерой внутри нее, а также окно вывода излучения в торце вакуумной камеры, снабжен дополнительным электродом-коллектором, представляющим собой цилиндр, расположенный внутри анодной полости вдоль оси анода и электрически соединенный с анодом. This technical result is achieved in that a relativistic microwave generator of a coaxial type based on a system with a virtual cathode, containing a cylindrical vacuum chamber with a cathode located on its inner surface, an anode transparent to electrons, which is made in the form of a hollow cylinder and is aligned with the vacuum the chamber inside it, as well as the radiation output window at the end of the vacuum chamber, is equipped with an additional collector electrode, which is a cylinder located inside the anode cavity along si anode and electrically connected to the anode.

Чтобы проследить, что результат достигается с помощью введения электрода-коллектора, подробно рассмотрим, во-первых, чем обусловлен высокий КПД (около 25% ) плоскопараллельного генератора, а во-вторых, какова причина низкого КПД (около 0,3% ) в генераторе коаксиального типа на примере его экспериментального опробирования. In order to see that the result is achieved by introducing a collector electrode, we consider in detail, firstly, what determines the high efficiency (about 25%) of a plane-parallel generator, and secondly, what is the reason for the low efficiency (about 0.3%) in the generator coaxial type as an example of its experimental testing.

В плоскопараллельном генераторе высокий КПД обусловлен фазовой селекцией электронного потока, когда правильнофазные электроны, отдающие свою энергию СВЧ-полю, захватываются в колебательное движение в потенциальной яме катод-виртуальный катод и накапливаются там, а неправильнофазные электроны, ускоряясь, то есть отбирая энергию у СВЧ-поля, сразу же покидают пространство взаимодействия, оседая на стенках, ограничивающих пространство дрейфа. Эмиссия же новых порций заряда с катода происходит под действием ускоряющего напряжения с учетом СВЧ-поля. Таким образом, в пространстве взаимодействия устанавливается преобладание излучающих правильнофазных электронов, кроме того, происходит их фазовая фокусировка, что также повышает КПД. Подобный механизм излучения в генераторах на основе виртуальных катодов является общепринятым (см. например, Диденко А.Н. Жерлицын А.Г, Кузнецов С.И. Мельников Г.В. Филипенко Н.М. Фоменко Г.П. Исследование механизма группировки в СВЧ-триоде с виртуальным катодом. "Радиотехн. и электроника", 1987, т. 32, вып. 4, с. 837-840). In a plane-parallel generator, high efficiency is caused by phase selection of the electron beam, when the right-phase electrons that give their energy to the microwave field are captured into vibrational motion in the potential well by the cathode-virtual cathode and accumulate there, and the wrong-phase electrons are accelerated, that is, taking energy from the microwave fields immediately leave the interaction space, settling on the walls that limit the drift space. The emission of new portions of charge from the cathode occurs under the action of an accelerating voltage, taking into account the microwave field. Thus, the dominance of emitting regular-phase electrons is established in the interaction space, in addition, their phase focusing occurs, which also increases the efficiency. A similar radiation mechanism in virtual cathode-based generators is generally accepted (see, for example, Didenko A.N. Zherlitsyn A.G., Kuznetsov S.I. Melnikov G.V. Filipenko N.M. Fomenko G.P. Study of the grouping mechanism in Microwave triode with a virtual cathode. "Radioengineering and Electronics", 1987, v. 32, issue 4, p. 837-840).

Иначе обстоит дело в генераторе коаксиального типа при эмиссии электронов внутрь анодной полости: правильнофазные электроны тормозятся полем пространственного заряда пучка и отражаются от виртуального катода, в то время как неправильнофазные электроны летят дальше к оси системы до тех пор, пока кулоновское расталкивание не завернет их назад к аноду. The situation is different in the coaxial type generator when electrons are emitted into the anode cavity: the right-phase electrons are inhibited by the space charge field of the beam and reflected from the virtual cathode, while the wrong-phase electrons fly further to the axis of the system until the Coulomb repulsion wraps them back to anode.

Таким образом, неправильнофазные электроны также захватываются в пространстве взаимодействия, накапливаются там и излучают свое СВЧ-поле, то есть в анодной полости образуются два виртуальных катода, причем неправильнофазный виртуальный катод располагается ближе к оси анодной полости (внутри правильнофазного виртуального катода и соосно с ним). Электроны, захваченные в колебательное движение между катодом и внутренним виртуальным катодом, находятся всегда в противофазе с электронами, колеблющимися между катодом и внешним виртуальным катодом, поэтому происходит практически полная компенсация СВЧ-поля в зазоре между катодом и анодом, а в анодной полости мощность скомпенсирована не полностью и пропорциональна величине зазора между обоими виртуальными катодами. В этом случае нет особых различий между правильнофазными и неправильнофазными электронами, поэтому зазор между обоими виртуальными катодами, а следовательно, и генерируемая мощность малы. Thus, wrong-phase electrons are also captured in the interaction space, accumulate there and emit their microwave field, that is, two virtual cathodes are formed in the anode cavity, and the wrong-phase virtual cathode is closer to the axis of the anode cavity (inside and in alignment with the virtual-phase cathode) . The electrons trapped in the vibrational motion between the cathode and the internal virtual cathode are always out of phase with the electrons oscillating between the cathode and the external virtual cathode, therefore, the microwave field is almost completely compensated in the gap between the cathode and anode, and the power in the anode cavity is not compensated completely and proportional to the gap between the two virtual cathodes. In this case, there are no special differences between regular-phase and wrong-phase electrons, therefore, the gap between both virtual cathodes and, therefore, the generated power are small.

Известно, что за время одного периода колебания СВЧ-поля величина концентраций электронов в районе виртуального катода совершает одно колебание. В известном коаксиальном генераторе оба виртуальных катода колеблются в противофазе, то есть когда в одном виртуальном катоде концентрация электронов растет, то в другом падает, и наоборот. В этом случае у наблюдателя создается впечатление, что генерация СВЧ происходит не за счет колебаний электронов в потенциальной яме, а за счет колебаний единственного виртуального катода. It is known that during one period of the oscillation of the microwave field, the electron concentration in the region of the virtual cathode performs one oscillation. In the well-known coaxial generator, both virtual cathodes oscillate in antiphase, that is, when the concentration of electrons increases in one virtual cathode, it drops in the other, and vice versa. In this case, the observer has the impression that microwave generation does not occur due to electron vibrations in the potential well, but due to oscillations of a single virtual cathode.

Кроме того, при внесении в анодную полость электрода, находящего под потенциалом катода, происходит уменьшение выводимой мощности, что объясняется тем, что этот электрод отталкивает от себя электроны и поэтому зазор между обоими виртуальными катодами уменьшается. In addition, when an electrode located under the cathode potential is introduced into the anode cavity, the output power decreases, which is explained by the fact that this electrode repels electrons from itself and therefore the gap between both virtual cathodes decreases.

Все перечисленные обстоятельства: отсутствие СВЧ-поля в зазоре катод-анод; кажущиеся колебания единственного виртуального катода; уменьшение выводимой мощности при внесении в анодную полость электрода, отталкивающего электроны, наблюдались в эксперименте и подтверждают, что представление об электронных процессах в коаксиальном генераторе у нас правильно. All these circumstances: the absence of a microwave field in the cathode-anode gap; apparent vibrations of a single virtual cathode; a decrease in the output power when an electrode repelling electrons was introduced into the anode cavity was observed in the experiment and confirm that we have a correct idea of the electronic processes in the coaxial generator.

Отсутствие фазовой сепарации электронного потока в известном релятивистском СВЧ-генераторе коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом причина низкого КПД генерации, а повысить КПД генератора можно введением в анодную полость цилиндрического электрода-коллектора, находящегося под потенциалом анода. Этот электрод сможет отводить поток неправильнофазных электронов и тем самым осуществлять режим фазовой сепарации. The absence of phase separation of the electron flow in the well-known coaxial relativistic microwave generator based on a system with a virtual cathode is the reason for the low generation efficiency, and the generator's efficiency can be increased by introducing a cylindrical collector electrode under the anode potential into the anode cavity. This electrode will be able to divert the flow of wrong-phase electrons and thereby carry out the phase separation mode.

На чертеже схематически изображен предлагаемый генератор. The drawing schematically shows the proposed generator.

Релятивистский СВЧ-генератор коаксиального типа на основе системы с виртуальным катодом содержит цилиндрическую вакуумную камеру 1 с катодом 2, расположенным на ее внутренней поверхности. Катод многоострийный, взрывоэмиссионный. Внутри камеры соосно с ней расположен анод 3, имеющий вид полого цилиндра и выполненный из металлической сетки с геометрической прозрачностью 60-80%
К аноду подключен высоковольтный импульсный генератор 4 через изолятор 5, находящийся на одном из торцов вакуумной камеры. На противоположном торце камеры расположено окно 6 вывода СВЧ-излучения. Цилиндрический электрод-коллектор 7 расположен внутри анодной полости соосно с ней и электрически связан с анодом с помощью торцовой проводящей перемычки 8. Диаметр D_э электрода-коллектора выбирают из условия
D_э < 3D_a 2D_к, где D_a диаметр анодной полости; D_к диаметр эмиттирующей поверхности катода. Это условие является достаточным для возникновения виртуального катода 9.A coaxial relativistic microwave generator based on a system with a virtual cathode contains a cylindrical vacuum chamber 1 with a cathode 2 located on its inner surface. The cathode is multi-point, explosive. Anode 3 is arranged coaxially with the inside of the chamber, having the form of a hollow cylinder and made of a metal mesh with a geometric transparency of 60-80%
A high-voltage pulse generator 4 is connected to the anode through an insulator 5 located at one of the ends of the vacuum chamber. At the opposite end of the camera is a window 6 output microwave radiation. A cylindrical collector electrode 7 is located coaxially with the inside of the anode cavity and is electrically connected to the anode using an end conducting jumper 8. The diameter D _{e of} the collector electrode is selected from the condition
D _e <3D _a 2D _k , where D _{a the} diameter of the anode cavity; D _{to the} diameter of the emitting surface of the cathode. This condition is sufficient for the emergence of a virtual cathode 9.

Работа генератора происходит следующим образом. При подаче на анод 3 высоковольтного импульса положительной полярности в результате взрывной эмиссии на катоде 2 электронный поток устремляется к оси системы сквозь анод 3. В пространстве между поверхностью анодного цилиндра и электродом-коллектором 7 формируется виртуальный катод 9. В образуемой таким образом потенциальной яме происходят осцилляции правильнофазных электронов и развивается неустойчивость, являющаяся источником мощного СВЧ-излучения, а неправильнофазные электроны собираются электродом-коллектором 7 и выводятся из пространства взаимодействия. The operation of the generator is as follows. When a high-voltage pulse of positive polarity is applied to anode 3 as a result of explosive emission at cathode 2, the electron stream rushes to the axis of the system through anode 3. A virtual cathode 9 is formed in the space between the surface of the anode cylinder and collector electrode 7. Oscillations form in the potential well thus formed regular-phase electrons and instability develops, which is a source of high-power microwave radiation, and incorrect-phase electrons are collected by the collector electrode 7 and removed from transtva interaction.

Мощность СВЧ-излучения амплитудой в 100-120 МВт, равная выходной мощности, может быть получена в предложенном генераторе при значительно меньших величинах напряжения (100 кВ) и тока ( ≈3,5 кА) в катод-анодном промежутке, что соответствует КПД ≈30%
С такими выходными характеристиками генератор может быть применен в качестве компактного источника для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния. Такой генератор может служить также для нагрева плазмы в импульсных установках термоядерного синтеза.The power of microwave radiation with an amplitude of 100-120 MW, equal to the output power, can be obtained in the proposed generator with much lower values of voltage (100 kV) and current (≈3.5 kA) in the cathode-anode gap, which corresponds to an efficiency of ≈30 %
With these output characteristics, the generator can be used as a compact source for transmitting electromagnetic energy over long distances. Such a generator can also serve for plasma heating in pulsed fusion plants.

Claims

RELATIVISTIC MICROWAVE COAXIAL TYPE GENERATOR BASED ON A SYSTEM WITH A VIRTUAL CATHODE, containing a cylindrical vacuum chamber with a cathode located on its inner surface, an anode transparent for electrons, made in the form of a hollow cylinder and aligned with the vacuum chamber inside it, as well as an output window radiation at the end of the vacuum chamber, characterized in that the generator is equipped with an additional collector electrode, which is a cylinder located inside the anode cavity along the axis of the cathode and Eski connected to the anode.