RU2134920C1

RU2134920C1 - Reflecting triode

Info

Publication number: RU2134920C1
Application number: RU97115158A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Селемир; А.Е. Дубинов; И.В. Коновалов; Н.Н. Макарова
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: high-power SHF electronics, generation of powerful SHF radiation in various ranges of long waves. SUBSTANCE: reflecting triode based on virtual cathode has power supply source, vacuum chamber where cathode electrode and anode electrode with flat part in the form of diaphragm are placed axially. Anode electrode is installed in parallel to butt surface of cathode with gap. Radiation output channel has window so that anode electrode is supplemented with hollow conducting cylinder electrically coupled to it which is put on diaphragm uniaxially to cathode embracing it with clearance. EFFECT: increased efficiency of generated radiation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области мощной СВЧ-электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в различных диапазонах длин волн. The invention relates to the field of high-power microwave electronics and can be used to generate high-power microwave radiation in various wavelength ranges.

Известны отражательные триоды на основе виртуального катода, состоящие из камеры, внутри которой располагается катодный электрод (катод), анод в виде сетки [1] (Диденко А.Н. и др.// "Письма в ЖТФ", 1979 г. N 6, с 321). Электроны, пролетая через сетчатый анод, формируют виртуальный катод (ВК), который разворачивает электроны и направляет их вновь на сетку. Для данного триода было замечено, что при изменении геометрической прозрачности сетки изменяется КПД генерации. В условиях описанного эксперимента оптимальной была сетка с геометрической прозрачностью 70%. Known reflective triodes based on a virtual cathode, consisting of a chamber inside which there is a cathode electrode (cathode), an anode in the form of a grid [1] (Didenko A.N. et al. // "Letters to the ZhTF", 1979 N 6 , with 321). Electrons flying through the mesh anode form a virtual cathode (VK), which deploys the electrons and directs them again to the grid. For this triode, it was noticed that when the geometric transparency of the grid changes, the generation efficiency changes. Under the conditions of the described experiment, a mesh with a geometric transparency of 70% was optimal.

Недостатком аналога является низкий КПД выходного излучения. The disadvantage of this analogue is the low efficiency of the output radiation.

За прототип выбран [2] (патент США N 4150340, H 01 J 25/74, 17.04.79). For the prototype selected [2] (US patent N 4150340, H 01 J 25/74, 04.17.79).

Триод представляет собой традиционную конструкцию, в которой диодная область не экранируется от генерируемого излучения, что приводит к возникновению между ними неконтролируемой тормозящей связи, под действием которой пучок начинает рассыпаться. В патенте [2] представлен СВЧ-генератор на основе отражательного триода для выработки мощных высокочастотных импульсов, включающий в себя установленные аксиально внутри камер: катод, параллельно торцевой поверхности сетчатый анод. Анодная сетка (диафрагма) вместе с анододержателем и катод расположены внутри камеры так, что между ними остается зазор меньше характерных размеров катода. Анододержатель подключен к высоковольтному импульсному источнику, расположенному вне камеры. Анод сделан из материала, который прозрачен для электронов с заданной энергией, что позволяет электронам, излучаемым катодом, колебаться, пересекая анод. Электронные колебания в фазе собираются вместе в потенциальной яме и излучают поток СВЧ-излучения. The triode is a traditional design in which the diode region is not shielded from the generated radiation, which leads to the appearance of an uncontrolled inhibitory coupling between them, under the influence of which the beam begins to crumble. The patent [2] presents a microwave generator based on a reflective triode for generating high-power high-frequency pulses, which includes an axially mounted inside the chambers: cathode, mesh anode parallel to the end surface. The anode grid (diaphragm) together with the anode holder and the cathode are located inside the chamber so that between them there is a gap smaller than the characteristic dimensions of the cathode. The anode holder is connected to a high-voltage pulse source located outside the chamber. The anode is made of a material that is transparent to electrons with a given energy, which allows the electrons emitted by the cathode to oscillate, crossing the anode. Electronic oscillations in phase gather together in a potential well and emit a stream of microwave radiation.

Величина КПД генератора по мощности является одним из важнейших критериев, по которому определяется практическая возможность применения отражательного триода в качестве СВЧ-генератора. The value of the generator efficiency in power is one of the most important criteria by which the practical possibility of using a reflective triode as a microwave generator is determined.

Недостатком такого генератора является неконтролируемая связь между диодной областью и областью ВК, что приводит к влиянию СВЧ колебаний на инжекцию электронов в хаотической форме и, как следствие, низкий КПД генерируемого излучения. The disadvantage of this generator is the uncontrolled coupling between the diode region and the VC region, which leads to the influence of microwave oscillations on the injection of electrons in a chaotic form and, as a result, low efficiency of the generated radiation.

Техническая задача состоит в необходимости создания генератора, который можно использовать в качестве источника СВЧ-излучения в беспроводных линиях передачи электромагнитной энергии на расстояние, экологических исследованиях. The technical problem is the need to create a generator that can be used as a source of microwave radiation in wireless transmission lines of electromagnetic energy over a distance, environmental studies.

Ожидаемым техническим результатом предполагаемого решения является повышение КПД генерируемого излучения за счет получения положительной обратной связи между областью формирования ВК и диодной областью. The expected technical result of the proposed solution is to increase the efficiency of the generated radiation by obtaining positive feedback between the VC formation region and the diode region.

Технический результат достижим за счет того, что в предлагаемом отражательном триоде на основе виртуального катода, включающем источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диаграммы (тонкой сетки либо фольги), установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном в отличие от известного, анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диаграмме соосно с катодом, охватывая его с зазором. The technical result is achievable due to the fact that in the proposed reflective triode based on a virtual cathode, including a power source, a vacuum chamber, inside of which are axially placed the cathode electrode and the anode electrode with a flat part in the form of a diagram (thin mesh or foil) mounted parallel to the end surface cathode with a gap, the radiation output channel with a window, in contrast to the known one, the anode electrode is supplemented by a hollow conducting cylinder electrically connected with it, placed on the diagram coaxially with the cathode om, covering it with a gap.

Дополнение диафрагмы анодного электрода полым проводящим цилиндром с обеспечением электрической связи между ними, а также расположение этого цилиндра относительно катода - соосное и с зазором - позволяет создать в системе электрический контур, обеспечивающий изоляцию диодной области системы от генерируемого излучения, с одной стороны, а, с другой стороны, обеспечивающей обратную связь по излучению между областью ВК и диодной областью. Supplementing the diaphragm of the anode electrode with a hollow conducting cylinder to ensure electrical connection between them, as well as the location of this cylinder relative to the cathode — coaxial and with a gap — allows you to create an electrical circuit in the system that provides isolation of the diode region of the system from the generated radiation, on the one hand, and, with on the other hand, providing feedback on the radiation between the VC region and the diode region.

В результате в системе происходят следующие процессы: электроны ускоряются в электрическом поле промежутка катод-анодная диафрагма (диодной области), образуя за ней ВК. Вследствие колебаний электронного пучка в пространстве катод-ВК, электроны проходят многократно через диаграмму. Конкретное СВЧ-излучение генерируется с помощью инжекции релятивистского электронного пучка, параметры которого в комбинации с геометрией и размерами волновода (дрейфовой трубы) влияют на условия колебаний виртуального катода (ВК). As a result, the following processes take place in the system: electrons are accelerated in the electric field of the gap of the cathode-anode diaphragm (diode region), forming a VC behind it. Due to vibrations of the electron beam in the cathode-VC space, electrons pass repeatedly through the diagram. 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 (drift tube) affect the oscillation conditions of the virtual cathode (VC).

Связь между диодной областью и областью виртуального катода осуществляется по коаксиальной линии, образованной катодом и анодным цилиндром. Изменяя конфигурацию линии связи, можно подобрать фазу излучения, вводимую в диодную область таким образом, чтобы возникла положительная обратная связь. С помощью предложенной конструкции осуществляется синхронизация электронного потока за счет выходного сигнала излучения. Подбирая фазу усиления для ускоряющего поля длинной цилиндрической части анода, изменяем глубину положительно обратной связи, которая производит эффект группирующего, модулирующего усиления и, таким образом, увеличивает КПД установки. The connection between the diode region and the region of the virtual cathode is carried out along a coaxial line formed by the cathode and the anode cylinder. By changing the configuration of the communication line, it is possible to select the phase of radiation introduced into the diode region in such a way that a positive feedback occurs. Using the proposed design, the electron beam is synchronized due to the output radiation signal. Selecting the amplification phase for the accelerating field of the long cylindrical part of the anode, we change the depth of the positive feedback, which produces the effect of grouping, modulating amplification and, thus, increases the efficiency of the installation.

На чертеже изображен один из примеров реализации отражательного триода, обладающего положительной обратной связью между областью формирования ВК и диодной областью. Отражательный триод содержит генератор импульсов высокого напряжения 1, катодный электрод 2, анододержатель 3, цилиндрический сетчатый анод 4, установленный соосно с катодом, связанный с анодной диаграммой 5, канал вывода излучения 6, окно вывода излучения 7. The drawing shows one example of the implementation of the reflective triode, which has a positive feedback between the region of the formation of the VC and the diode region. The reflective triode contains a high voltage pulse generator 1, a cathode electrode 2, an anode holder 3, a cylindrical mesh anode 4 mounted coaxially with the cathode, connected to the anode diagram 5, the radiation output channel 6, the radiation output window 7.

Устройство работает следующим образом:
От генератора импульсов (1) высоковольтный импульс положительной полярности подается на анододержатель (3), а катод (2) вместе с корпусом находится под одним потенциалом. С катода начинается инжекция электронов. Электроны, ускоряясь в промежутке анод-катод, пролетают через сетчатый анод (5), попадают в тормозящее поле за счет своего объемного заряда и потенциала корпуса, разворачиваются обратно, возбуждают резонатор на собственных волнах и генерируют СВЧ-излучение, выводимое через канал (6) и окно вывода (7).The device operates as follows:
From the pulse generator (1), a high-voltage pulse of positive polarity is supplied to the anode holder (3), and the cathode (2), together with the housing, is at the same potential. Electron injection begins at the cathode. Electrons, accelerating in the anode-cathode gap, fly through the mesh anode (5), fall into the braking field due to their space charge and body potential, turn around, excite the cavity with their own waves and generate microwave radiation output through the channel (6) and an output window (7).

Примерные параметры отражательного триода:
Подаваемое напряжение - 100 - 120 кВ.Approximate parameters of the reflective triode:
The supplied voltage is 100 - 120 kV.

Импеданс диода - 10 Ом. The impedance of the diode is 10 ohms.

Диодный зазор 7 - 12 мм. Diode gap 7 - 12 mm.

Диаметр катода ~100 мм. The cathode diameter is ~ 100 mm.

Длительность импульса ~160 ... 200 нс. Pulse duration ~ 160 ... 200 ns.

Длина волны излучения ~3 см. The radiation wavelength is ~ 3 cm.

Длина цилиндрической части 1,5 - 3 см. The length of the cylindrical part is 1.5 - 3 cm.

Ожидаемое увеличение КПД по мощности предложенной конструктивной схемы примерно 20% по сравнению с известными конструкциями. The expected increase in efficiency by the power of the proposed structural scheme is approximately 20% compared with the known structures.

Ожидаемые выходные параметры позволяют использовать отражательный триод с положительной обратной связью, например, в качестве источника СВЧ-излучения в линиях передачи электромагнитной энергии на большие расстояния, в исследованиях по экологии и др. The expected output parameters allow the use of a reflective triode with positive feedback, for example, as a source of microwave radiation in transmission lines of electromagnetic energy over long distances, in environmental studies, etc.

Claims

A reflective triode based on a virtual cathode, including a power source, a vacuum chamber, inside of which an axially placed cathode electrode and an anode electrode with a flat part in the form of a diaphragm mounted parallel to the end surface of the cathode with a gap, the radiation output channel with a window, characterized in that the anode electrode supplemented by an electrically connected hollow conductive cylinder placed on the diaphragm coaxially with the cathode, covering it with a gap.