RU2058611C1

RU2058611C1 - Magnetron diode base varactor

Info

Publication number: RU2058611C1
Application number: RU93035628A
Authority: RU
Inventors: В.А. Кузнецов; М.И. Кузнецов; В.В. Парамонов; Ю.В. Сеничев; П.И. Рейнгардт-Никулин
Original assignee: Институт ядерных исследований РАН
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: vacuum electronics. SUBSTANCE: heavy-power varactor is, essentially, inverted diode made in the form of grid with permeability of 0.01 to 0.05 and duty cycle of 0.01 to 0.05. EFFECT: reduced cathode heater power. 1 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной электронике большой мощности и может быть использовано в радиотехнических системах, содержащих управляемые реактивные элементы. В частности, предлагаемый вариатор может быть применен в технике ускорителей заряженных частиц для безынерционной перестройки частоты ускоряющих резонаторов. The invention relates to vacuum electronics of high power and can be used in radio systems containing controlled reactive elements. In particular, the proposed variator can be used in the technique of charged particle accelerators for inertialess tuning of the frequency of accelerating resonators.

В настоящее время в радиотехнических системах применяются управляемые реактивные элементы с использованием ферритов, изменение характеристик которых приводит к изменению эквивалентной индуктивности. Применение ферритов для перестройки частоты ускоряющих резонаторов [1] в современных ускорителях заряженных частиц связано с трудностями как в охлаждении, обусловленными низкой теплопроводностью ферритов, так и ограничениями в скорости перестройки частоты из-за возрастания вихревых токов в элементах конструкции. Currently, in radio engineering systems, controlled reactive elements using ferrites are used, the change in the characteristics of which leads to a change in the equivalent inductance. The use of ferrites for tuning the frequency of accelerating cavities [1] in modern charged particle accelerators is associated with difficulties both in cooling due to the low thermal conductivity of ferrites and in limitations in the frequency tuning rate due to an increase in eddy currents in structural elements.

Известен варактор магнетронного типа, механизм работы которого основан на использовании реактивных свойств магнетронного диода в режиме отсечки [2] При ограничении эмиссии катода пространственным зарядом заряд на поверхности анода равен по величине заряду электронного облака. Отношение этого заряда к анодному напряжению, т.е. скорость магнетронного диода, существенно зависит от отношения анодного напряжения к критическому. Благодаря этому она может управляться как постоянной составляющей анодного напряжения, так и напряженностью магнитного поля. На частотах ω << eB/m, где е и m заряд и масса электрона соответственно; В индукция внешнего магнитного поля, высокочастотные потери в приборе малы, и его добротность в диапазоне частот от единиц до сотен мегагерц может достигать несколько тысяч, если напряженность магнитного поля равна нескольким сотням эрстед. Переменная составляющая ограничена критическим анодным напряжением варактора и может быть доведена до сотен киловольт. Переменная величина электронной перестройки емкости варактора равна 1,5 2 величины его холодной емкости и вполне достаточна для большинства устройств, в которых требуется мощная управляемая реактивность. Таким образом, варактор [2] представляет несомненный интерес для радиотехники большой мощности. A magnetron type varactor is known, the mechanism of which is based on the use of the reactive properties of the magnetron diode in the cutoff mode [2] When the cathode emission is limited by the space charge, the charge on the anode surface is equal to the charge of the electron cloud. The ratio of this charge to the anode voltage, i.e. the speed of the magnetron diode, significantly depends on the ratio of the anode voltage to the critical. Due to this, it can be controlled both by the constant component of the anode voltage and by the magnetic field strength. At frequencies ω << eB / m, where e and m are the charge and mass of the electron, respectively; In the induction of an external magnetic field, the high-frequency losses in the device are small, and its quality factor in the frequency range from units to hundreds of megahertz can reach several thousand if the magnetic field strength is several hundred oersteds. The variable component is limited by the critical anode voltage of the varactor and can be brought up to hundreds of kilovolts. The variable magnitude of the electronic tuning of the varactor capacitance is 1.5 2 times its cold capacitance and is quite sufficient for most devices that require powerful controlled reactivity. Thus, the varactor [2] is of undoubted interest for high-power radio engineering.

Однако он имеет весьма существенные недостатки. However, it has very significant drawbacks.

Для накала катода варактора требуется большая мощность, сопоставимая с мощностью перестраиваемого генератора. Это обусловлено следующими причинами. Ток эмиссии катода варактора должен превышать переменную составляющую высокочастотного тока. Но эффективность эмиттеров, пригодных для работы при напряжениях порядка сотен киловольт, не превышает 0,02 А·Вт мощности накала. Поэтому даже при высокочастотном напряжении порядка 100 кВ мощность накала должна быть не менее нескольких сотых процента от реактивной мощности. Следовательно, при добротности выходного контура перестраиваемого генератора Q 1000 мощность источника накала должна быть близка к мощности генератора. Велики габариты и вес варактора. Соленоид варактора потребляет мощность порядка киловатта на 100 пФ перестраиваемой емкости и требует принудительного охлаждения. For the glow of the varactor cathode, a large power is required, comparable to the power of a tunable generator. This is due to the following reasons. The emission current of the varactor cathode must exceed the alternating component of the high-frequency current. But the efficiency of emitters suitable for operation at voltages of the order of hundreds of kilovolts does not exceed 0.02 A · W of glow power. Therefore, even with a high-frequency voltage of the order of 100 kV, the glow power should be at least several hundredths of a percent of the reactive power. Therefore, with the quality factor of the output circuit of the tunable generator Q 1000, the power of the glow source should be close to the power of the generator. The dimensions and weight of the varactor are large. The varactor solenoid consumes power of the order of kilowatts per 100 pF of tunable capacitance and requires forced cooling.

Изобретение имеет целью снижение габаритов и веса варактора, уменьшение мощности, потребляемой соленоидом, и уменьшение мощности накала на порядок при той же реактивной мощности. Цель осуществляется путем следующих изменений конструкции варактора. Варактор выполняется на основе обращенного магнетронного диода, т.е. магнетронного диода, катод которого располагается на внутренней стороне внешнего цилиндра прибора, а анод внутри катодного цилиндра. Это позволяет уменьшить поперечные размеры прибора без увеличения магнитного поля при сохранении емкости прибора на единицу длины, максимального анодного напряжения и реактивной мощности. Сохранение емкости на единицу длины обеспечивается при сохранении величины отношения κ радиуса внешнего цилиндра r_e к радиусу внутреннего r_i ( κ= r_e/r_i). При том же анодном напряжении, что и у варактора-прототипа, и критическом магнитном поле радиус катодного цилиндра обращенного варактора может быть уменьшен в κ раз. Это следует из выражения для критического магнитного поля обычного и обращенного магнетронных диодов:
B_кр=

обычный магнетронный диод
B_кр=

обращенный магнетронный диод
где В_кр критическая магнитная индукция; U_a анодное напряжение; r_a1 радиус анода в обычном магнетронном диоде; r_a2 радиус анода в обращенном магнетронном диоде.The invention aims at reducing the dimensions and weight of the varactor, reducing the power consumed by the solenoid, and reducing the incandescent power by an order of magnitude at the same reactive power. The goal is carried out by the following design changes of the varactor. The varactor is based on a reversed magnetron diode, i.e. magnetron diode, the cathode of which is located on the inner side of the outer cylinder of the device, and the anode inside the cathode cylinder. This allows you to reduce the transverse dimensions of the device without increasing the magnetic field while maintaining the capacity of the device per unit length, maximum anode voltage and reactive power. The storage capacity per unit length is provided while maintaining the ratio κ of the radius of the outer cylinder r _e to the radius of the inner r _i (κ = r _e / r _i ). With the same anode voltage as the prototype varactor and the critical magnetic field, the radius of the cathode cylinder of the inverted varactor can be reduced by κ times. This follows from the expression for the critical magnetic field of ordinary and reversed magnetron diodes:
B _cr =

ordinary magnetron diode
B _cr =

reversed magnetron diode
where In _cr critical magnetic induction; U _a anode voltage; r _a1 radius of the anode in a conventional magnetron diode; r _a2 radius of the anode in a reversed magnetron diode.

Очевидно, что при одинаковом U_a и В_кр
r_a2 r_a1/ κ².Obviously, for the same U _a and B _cr
r _a2 r _a1 / κ ² .

Следовательно, радиус катода предлагаемого варактора меньше радиуса анода варактора-прототипа в κ раз, если в обычном и обращенном варакторах одинаковая емкость на единицу длины, анодное напряжение и магнитное поле. Поскольку в предлагаемом варакторе, как и в варакторе-прототипе, максимальная переменная составляющая анодного напряжения определяется критическим анодным напряжением, она имеет такую же величину, что и в варакторе-прототипе. Следовательно, одинаковы и максимальные значения реактивной мощности на единицу длины. Уменьшение поперечных размеров варактора позволяет уменьшить и диаметр соленоида, т.е. в конечном счете, уменьшить мощность источника питания соленоида, так как число ампер-витков на единицу длины варактора не изменяется. Consequently, the radius of the cathode of the proposed varactor is κ times smaller than the radius of the anode of the prototype varactor if the capacitance per unit length, the anode voltage and the magnetic field are the same in ordinary and reverse varactors. Since in the proposed varactor, as in the varactor prototype, the maximum variable component of the anode voltage is determined by the critical anode voltage, it has the same value as in the varactor prototype. Therefore, the maximum values of reactive power per unit length are the same. Reducing the transverse dimensions of the varactor allows you to reduce the diameter of the solenoid, i.e. ultimately, reduce the power of the solenoid power source, since the number of ampere turns per unit length of the varactor does not change.

С целью уменьшения мощности источника тока накала катод выполняется в виде прямонакальной эквидистантной сетки, расположенной вблизи внутренней поверхности внешнего цилиндра и изолированной от него. Соседние прутики сеточного катода располагаются на расстоянии друг от друга, не превышающем расстояние от внешнего цилиндра, чтобы в подавляющей части пространства между катодом и внешним цилиндром электрическое поле было практически однородным и проницаемость сетки катода была не более нескольких сотых. Коэффициент заполнения сеточного катода не должен превышать нескольких процентов. In order to reduce the power of the glow current source, the cathode is made in the form of a straight-line equidistant grid located near the inner surface of the outer cylinder and isolated from it. The neighboring rods of the grid cathode are located at a distance from each other, not exceeding the distance from the outer cylinder, so that in the overwhelming part of the space between the cathode and the outer cylinder the electric field is almost uniform and the permeability of the cathode grid is not more than a few hundredths. The fill factor of the grid cathode should not exceed a few percent.

Предлагаемая конструкция обеспечивает необходимую величину пространственного заряда в промежутке катод анод при токе эмиссии катода, значительно меньшем, чем переменный ток варактора. Это достигается благодаря тому, что в рабочем режиме при отрицательном напряжении на катоде по отношению к внешнему цилиндру между внешним цилиндром и катодом образуется магнетронный диод, электронное облако которого является дополнительным источником электронов для пространства между катодом и анодом. В режиме ограничения тока эмиссии катода пространственным зарядом плотность электронного облака в этом квазиплоском диоде близка к бриллюэновской, т.е. к той, которая устанавливается в магнетронном диоде между анодом и катодом вблизи последнего в режиме ограничения тока пространственным зарядом при наличии сплошного эмиттирующего катода. Как известно, для поддержания режима с током, ограниченным пространственным зарядом, в магнетронном диоде в режиме отсечки ток эмиссии катода должен быть больше, чем ток электронной бомбардировки катода. В предлагаемой конструкции поверхность катода в десятки раз меньше, чем в магнетроне со сплошным катодом. Поэтому и ток обратной бомбардировки катода в этой конструкции в десятки раз меньше, чем в магнетроне со сплошным катодом. Соответственно в десятки раз меньше и эмиссионная способность катода, которая требуется для поддержания режима ограничения тока пространственным зарядом в предлагаемом варакторе. То же самое имеет место и в динамическом режиме. В положительный полупериод переменного напряжения электроны из пространства между внешним цилиндром и катодом поступают в пространство между катодом и анодом, а в отрицательный полупериод возвращаются обратно. Уходит из межэлектродного пространства только часть потока электронов, которая меньше всего тока в число раз, примерно равное коэффициенту заполнения поверхности катода. Таким образом, для поддержания режима с током, ограниченным пространственным зарядом, в предлагаемом варакторе отношение тока эмиссии к переменной составляющей тока варактора может не превышать коэффициента заполнения сетчатого катода. Иными словами эмиссионная способность катода может быть в десятки раз меньше, чем переменная составляющая тока варактора. Это обуславливается наличием резервуара электронов, магнетронного диода между катодом и внешним электродом. Он поставляет электроны в пространство катод анод варактора в положительный полупериод переменного напряжения и принимает их "на хранение" в отрицательный полупериод. Для нормального функционирования этого механизма необходимо, чтобы объем пространства между сетчатым катодом и внешним электродом был больше переменной составляющей объема части пространства между катодной сеткой и анодом, занятой электронами. Расчеты показывают, что толщина кольца, в котором периодически появляется и исчезает электронный поток, в практически возможных режимах не превышает радиуса анода. Таким образом, расстояние между катодом и внешним цилиндром не должно значительно превышать r_a/ κ.The proposed design provides the necessary value of the space charge in the gap between the cathode and anode at a cathode emission current much lower than the alternating current of the varactor. This is achieved due to the fact that in the operating mode at a negative voltage on the cathode with respect to the outer cylinder, a magnetron diode is formed between the outer cylinder and the cathode, the electron cloud of which is an additional source of electrons for the space between the cathode and anode. In the regime of limiting the cathode emission current by a space charge, the density of the electron cloud in this quasi-plane diode is close to Brillouin, i.e. to the one that is installed in the magnetron diode between the anode and cathode near the latter in the mode of limiting the current by a spatial charge in the presence of a continuous emitting cathode. As is known, in order to maintain the regime with a current limited by the space charge, in the magnetron diode in the cutoff mode, the cathode emission current must be greater than the electron bombardment current of the cathode. In the proposed design, the cathode surface is ten times smaller than in a solid cathode magnetron. Therefore, the current reverse bombardment of the cathode in this design is ten times less than in a magnetron with a solid cathode. Accordingly, the emissivity of the cathode, which is required to maintain the mode of limiting the current by the spatial charge in the proposed varactor, is also ten times less. The same thing happens in dynamic mode. In the positive half-period of alternating voltage, the electrons from the space between the outer cylinder and the cathode enter the space between the cathode and the anode, and return to the negative half-period. Only part of the electron flux, which is the least current by the number of times approximately equal to the fill factor of the cathode surface, leaves the interelectrode space. Thus, in order to maintain a mode with a current limited by a space charge, in the proposed varactor, the ratio of the emission current to the variable component of the varactor current may not exceed the fill factor of the mesh cathode. In other words, the emissivity of the cathode can be tens of times less than the alternating component of the varactor current. This is due to the presence of an electron reservoir, a magnetron diode between the cathode and the external electrode. It delivers the electrons into the cathode space of the varactor anode in the positive half-period of the alternating voltage and takes them "for storage" in the negative half-period. For the normal functioning of this mechanism, it is necessary that the volume of space between the mesh cathode and the external electrode be greater than the variable component of the volume of the part of the space between the cathode network and the anode occupied by electrons. Calculations show that the thickness of the ring, in which the electron flow periodically appears and disappears, in practically possible modes does not exceed the radius of the anode. Thus, the distance between the cathode and the outer cylinder should not significantly exceed r _a / κ.

Предлагаемая конструкция варактора, как очевидно из вышеизложенного, сохраняет принцип работы варактора. Однако функцию катода в предлагаемом варианте выполняет поверхность сетчатого катода. Она поставляет электроны в пространство анод катод как за счет эмиссии из сетчатого катода, так и за счет потока электронов из магнетронного диода между катодом и внешним электродом. Поток электронов из пространства анод катод также состоит не только из электронов, возвращающихся на катод, но и электронов, возвращающихся в магнетронный диод между катодом и внешним электродом. При этом потенциал на поверхности сетчатого катода мал по срав- нению с потенциалом анода. Действительно в пространстве между внешним электродом и сетчатым катодом переменная составляющая потенциала равна Q C $\binom{-1}{1}$ , где C₁ емкость между внешним электродом и анодом. Эффективный потенциал, создаваемый полем в этом пространстве на поверхности сетчатого катода, таким образом, не превышает Q C $\binom{-1}{1}$ D₁, где D проницаемость катода сетки. Переменная составляющая потенциала в пространстве катод анод равна Q C $\binom{-1}{e}$ , где C_e электронная емкость диода между сеткой и катодом на порядок меньше С₁ при указанных выше параметрах прибора, и D < 10^-2. Таким образом, эффективная переменная составляющая потенциала на поверхности катода сетки примерно на три порядка меньше, чем переменная составляющая напряжения на аноде. Следовательно, с точностью порядка 10^-3 эффективный потенциал этой поверхности равен нулю. Максимальная переменная составляющая потока электронов через поверхность катода сетки I больше, чем ΔrS<N>ωΩ $\binom{2}{н}$ ε m/e, где S площадь катодной поверхности; ω частота ВЧ-генератора; Ω_н ларморовская частота (например, при Н 200 В, ω 10³, Δ r 1 см, S 0,3 м² и I > 400 А). Ток эмиссии, необходимый для реализации заданной величины I по крайней мере на порядок меньше, чем в варакторе со сплошным катодом. Соответственно, на порядок меньше и мощность накала.The proposed design of the varactor, as is obvious from the foregoing, preserves the principle of operation of the varactor. However, the cathode function in the proposed embodiment is performed by the surface of the mesh cathode. It delivers electrons to the anode-cathode space both due to emission from the mesh cathode and due to the flow of electrons from the magnetron diode between the cathode and the external electrode. The flow of electrons from the space anode to cathode also consists not only of electrons returning to the cathode, but also electrons returning to the magnetron diode between the cathode and the external electrode. In this case, the potential on the surface of the mesh cathode is small compared to the potential of the anode. Indeed, in the space between the external electrode and the mesh cathode, the variable component of the potential is equal to QC $\binom{-1}{1}$ where C _{1 is the} capacitance between the external electrode and the anode. The effective potential created by the field in this space on the surface of the mesh cathode, therefore, does not exceed QC $\binom{-1}{1}$ D ₁ , where D is the permeability of the grid cathode. The variable component of the potential in the space of the cathode anode is equal to QC $\binom{-1}{e}$ , where C _{e the} electronic capacitance of the diode between the grid and the cathode is an order of magnitude less than C ₁ for the above parameters of the device, and D <10 ^-2 . Thus, the effective variable component of the potential on the surface of the grid cathode is approximately three orders of magnitude smaller than the variable component of the voltage at the anode. Consequently, with an accuracy of the order of 10 ^{−3, the} effective potential of this surface is zero. The maximum variable component of the electron flux through the surface of the grid cathode I is greater than ΔrS <N> ωΩ $\binom{2}{n}$ ε m / e, where S is the cathode surface area; ω frequency of the RF generator; Ω _n Larmor frequency (for example, at Н 200 V, ω 10 ³ , Δ r 1 cm, S 0.3 m ² and I> 400 A). The emission current necessary to realize a given value of I is at least an order of magnitude smaller than in a varactor with a solid cathode. Accordingly, the glow power is an order of magnitude smaller.

На чертеже изображен варактор большой мощности, где 1 анод, 2 внешний цилиндр, 3 катодный цилиндр-сетка. The drawing shows a varactor of high power, where 1 anode, 2 external cylinder, 3 cathode grid cylinder.

Claims

VARACTOR BASED ON A MAGNETRON DIODE, characterized in that it is made in the form of a reversed diode, and the cathode is made in the form of a grid with a permeability of D 0.01 0.05 and a duty cycle of 0.01 0.05.