RU2195738C2 - Microwave oscillator - Google Patents
Microwave oscillatorInfo
- Publication number
- RU2195738C2 RU2195738C2 RU2000118578A RU2000118578A RU2195738C2 RU 2195738 C2 RU2195738 C2 RU 2195738C2 RU 2000118578 A RU2000118578 A RU 2000118578A RU 2000118578 A RU2000118578 A RU 2000118578A RU 2195738 C2 RU2195738 C2 RU 2195738C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- microwave
- anode
- chamber
- generator
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке мощных широкополосных генераторов СВЧ-излучения. The invention relates to microwave technology and can be used in the development of powerful broadband microwave radiation generators.
Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом, содержащие источник питания, источник электронов, включающий расположенные в вакуумированном корпусе катод и анод, прозрачный для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения. (М. Haworth, В. Anderson, et al., "Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser"// IEEE Trans. on Plasma Science, 1991, vol. 19, 4, pp. 655-659) [I], H.Sze, J. Benford, et al., "Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode"// Phys. Fluids, 29 (11), Nov. 1986, pp.3873-3880)[2]. Microwave generators based on systems with a virtual cathode are known, containing a power source, an electron source, including a cathode and anode located in a vacuum case, transparent to electrons, and a vacuum chamber for generating and outputting radiation that follows the electron source. (M. Haworth, B. Anderson, et al., "Operation of repetitively pulsed virtual cathode oscillators on the TEMPO pulser" // IEEE Trans. On Plasma Science, 1991, vol. 19, 4, pp. 655-659) [ I], H. Sze, J. Benford, et al., "Dynamics of a virtual cathode oscillator driven by a pinched diode" // Phys. Fluids, 29 (11), Nov. 1986, pp. 3873-3880) [2].
При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше некоторого значения за анодом в вакуумной камере формирования и вывода излучения объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Эта область провисания потенциала и называется виртуальным катодом (ВК). Источником СВЧ-колебаний в таких системах являются осцилляции электронов в потенциальной яме, образованной реальным и виртуальным катодом, и колебания положения самого ВК. When a high-current electron beam is injected with a current above a certain value behind the anode in the vacuum chamber for generating and outputting radiation, the space charge of the beam creates a sagging potential, which causes braking and reflection of some electrons towards the real cathode. This area of potential sagging is called the virtual cathode (VC). The source of microwave oscillations in such systems are electron oscillations in a potential well formed by a real and virtual cathode, and oscillations in the position of the VC itself.
Недостатком известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкий уровень эффективности преобразования энергии электронного пучка в излучение (кпд СВЧ-генератора). Указанный недостаток связан с рядом причин, одна из которых состоит в том, что кроме электронов, отражаемых от ВК в сторону реального катода и совершающих множество колебаний, часть электронов покидает область ВК и уходит на стенки вакуумной камеры. Во всех конструкциях виркаторов, известных авторам, вакуумная камера формирования и вывода излучения выполнена из токопроводящего материала, что существенным образом увеличивает количество уходящих из области виртуального катода электронов. A disadvantage of the known designs of microwave generators based on VC systems is the low level of efficiency of converting the energy of an electron beam into radiation (efficiency of a microwave generator). This drawback is associated with a number of reasons, one of which is that in addition to the electrons reflected from the VC towards the real cathode and performing many vibrations, some of the electrons leave the VC region and go to the walls of the vacuum chamber. In all designs of vircators known to the authors, the vacuum chamber for generating and outputting radiation is made of conductive material, which significantly increases the number of electrons leaving the region of the virtual cathode.
Следует отметить, что геометрия и размеры проводящей вакуумной камеры в комбинации с параметрами пучка существенным образом влияют на условия формирования ВК, кпд генератора и параметры излучения, что также можно отнести к недостаткам прототипа. It should be noted that the geometry and dimensions of the conducting vacuum chamber in combination with the beam parameters significantly affect the conditions for the formation of the VC, the efficiency of the generator and the radiation parameters, which can also be attributed to the disadvantages of the prototype.
За прототип выбран СВЧ-генератор (К. Kostov, N. Nikolov, et al., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field"//, Appl. Phys. Lett., 60 (21), 25 May 1992, pp.2598-2600). Прототип состоит из источника питания, источника электронов в виде цилиндрического вакуумированного корпуса, в котором соосно размещены катод и анод, прозрачный для электронов, и следующей за источником электронов вакуумной камеры формирования и вывода СВЧ-излучения. Анод изготовлен из металлической сетки. Эксперименты выполнены как с использованием ведущего магнитного поля, так и без него. A microwave generator was selected for the prototype (K. Kostov, N. Nikolov, et al., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field" //, Appl. Phys. Lett., 60 (21), 25 May 1992, pp. 2598-2600). The prototype consists of a power source, an electron source in the form of a cylindrical evacuated casing, in which a cathode and anode transparent to electrons are coaxially placed, and a microwave chamber for generating and outputting microwave radiation following the electron source. The anode is made of metal mesh. The experiments were performed both with and without a leading magnetic field.
При инжекции электронного пучка в вакуумную камеру за анодом образуется ВК и часть электронов совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. When an electron beam is injected into a vacuum chamber, a VC is formed behind the anode and some of the electrons oscillate between the real and virtual cathodes. The energy of these electrons is transferred to the microwave field. The parameters and position of the VC oscillate in time and also contribute to the radiation energy.
В генераторе, выполненном по схеме прототипа, камера формирования и вывода излучения представляет собой высокодобротный резонатор. В связи с тем, что колебания электронов между реальным и виртуальным катодами осуществляются практически вдоль оси системы, а направление излучения перпендикулярно направлению их движения, то количество отражений излучения от стенок резонатора до выхода из системы велико. Это приводит к большим потерям излучения внутри резонатора, что является одной из причин низкого кпд генератора. In the generator, made according to the prototype scheme, the radiation formation and output chamber is a high-Q resonator. Due to the fact that the electron oscillations between the real and virtual cathodes are carried out practically along the axis of the system, and the radiation direction is perpendicular to the direction of their movement, the number of radiation reflections from the cavity walls to the exit from the system is large. This leads to large losses of radiation inside the resonator, which is one of the reasons for the low efficiency of the generator.
Кроме того, в данном генераторе вакуумная камера формирования и вывода излучения выполнена из металла и граница области ВК располагается достаточно близко к стенке камеры. Поскольку потенциал ВК отрицателен и сравним с потенциалом реального катода, создаются условия быстрого ухода электронов из области ВК (вплоть до пробоя). Это снижает плотность электронов в ВК, что приводит к уменьшению энергии генерации СВЧ-излучения и, следовательно, кпд генератора. In addition, in this generator, the vacuum chamber for generating and outputting radiation is made of metal and the boundary of the VC region is located quite close to the chamber wall. Since the VC potential is negative and comparable with the potential of a real cathode, conditions are created for the fast escape of electrons from the VC region (up to breakdown). This reduces the electron density in the VC, which leads to a decrease in the generation energy of microwave radiation and, consequently, the efficiency of the generator.
Таким образом, недостатком генератора, выполненного по схеме прототипа, является низкий кпд (~1%) из-за быстрого ухода электронов на стенки вакуумной камеры из области ВК и потерь излучения за счет многократного отражения излучения от стенок. Низкий кпд существенным образом ограничивает практическое применение такого генератора. Thus, the disadvantage of the generator, made according to the prototype scheme, is the low efficiency (~ 1%) due to the fast escape of electrons to the walls of the vacuum chamber from the VC region and radiation losses due to multiple reflection of radiation from the walls. Low efficiency significantly limits the practical application of such a generator.
Задача состоит в разработке СВЧ-генератора, который может быть использован в качестве источника мощных импульсов СВЧ-излучения. Приборы, способные генерировать такие импульсы, могут использоваться для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях и т.д. The task is to develop a microwave generator that can be used as a source of powerful pulses of microwave radiation. Devices capable of generating such pulses can be used to pump the working media of gas lasers, radar, plasma heating in thermonuclear research, etc.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение кпд генератора. The expected technical result of the proposed solution is to increase the generator efficiency.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного СВЧ-генератора на основе ВК, содержащего источник питания, источник электронов, включающий расположенные в вакуумированном корпусе катод и анод, прозрачный для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения, в предлагаемом устройстве камера полностью или ее часть, расположенная за анодом в сторону вывода излучения, выполнена из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения. The technical result is achieved in that, in contrast to the well-known VC-based microwave generator containing a power source, an electron source including a cathode and anode located in the evacuated casing, transparent to electrons, and a vacuum chamber for generating and outputting radiation following the electron source, the proposed device, the camera is fully or partially located behind the anode in the direction of radiation output, made of a dielectric transparent to microwave radiation.
Кроме того, камера формирования и вывода излучения может быть выполнена с произвольной формой поверхности. In addition, the camera forming and outputting radiation can be performed with an arbitrary surface shape.
Ток электронов Iе, проходящий через анод, состоит из двух токов: Iе= Iпр+Iотр,
где Iпр - ток, проходящий через камеру формирования и вывода излучения и не участвующий в формировании виртуального катода и, следовательно, СВЧ-излучения.The electron current I e passing through the anode consists of two currents: I e = I pr + I neg ,
where I pr is the current passing through the camera of formation and output of radiation and not participating in the formation of the virtual cathode and, therefore, microwave radiation.
Iотр - отраженный ток, ответственный за формирование ВК и СВЧ-излучения.I neg - reflected current, responsible for the formation of VC and microwave radiation.
Геометрические размеры камеры формирования и вывода излучения и материал, из которого она изготовлена, определяют предельный ток электронов Iпр, который может проходить через данную камеру:
Iпр=k•1/ln(D/d);
D - диаметр камеры формирования и вывода излучения,
d - диаметр электронного пучка,
k - коэффициент пропорциональности.The geometric dimensions of the chamber for generating and outputting radiation and the material from which it is made determine the limiting electron current I pr that can pass through this chamber:
I ol = k • 1 / ln (D / d);
D is the diameter of the camera forming and outputting radiation,
d is the diameter of the electron beam,
k is the coefficient of proportionality.
Из приведенной формулы видно, что при увеличении D предельный ток электронов Iпр уменьшается. В случае изготовления камеры формирования и вывода излучения из диэлектрика, полностью или ее части за анодом в сторону вывода излучения, D стремиться к бесконечности. В этом случае Iпр стремится к нулю, а значит количество электронов, участвующих в генерации Iотр, увеличивается, что приводит к увеличению кпд генератора. Кроме того, СВЧ-излучение будет выводиться через всю поверхность камеры или ее части за анодом без отражения в силу прозрачности диэлектрика для СВЧ-излучения. В предлагаемой конструкции единственным каналом потерь электронов является осаждение их на анод. Так как прозрачность анода ~90%, вероятность преждевременного ухода электронов незначительна.From the above formula it is seen that with increasing D the limiting electron current I pr decreases. In the case of manufacturing a chamber for the formation and output of radiation from a dielectric, in whole or in part, behind the anode towards the output of radiation, D tends to infinity. In this case, I pr tends to zero, which means that the number of electrons involved in the generation of I sp increases, which leads to an increase in the generator efficiency. In addition, microwave radiation will be output through the entire surface of the chamber or its part behind the anode without reflection due to the transparency of the dielectric for microwave radiation. In the proposed design, the only channel for electron loss is their deposition on the anode. Since the anode transparency is ~ 90%, the probability of premature electron escape is negligible.
Важной с точки зрения технического результата является выполнение определенной части заявляемой системы, включающей источник питания, источник электронов, камеру формирования и вывода излучения, из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения, а именно: части системы за анодом в сторону вывода излучения. Здесь возможны варианты, когда камера формирования и вывода излучения полностью либо ее часть, расположенная за анодом в сторону вывода излучения, выполнены из диэлектрика. Эти варианты связаны с различным положением анода относительно камеры. Анод может быть размещен в плоскости соединения камеры формирования и вывода излучения с вакуумируемым объемом источника электронов, включающим катод и анод, а может быть размещен внутри объема камеры формирования и вывода излучения. Первый случай соответствует выполнению камеры полностью из диэлектрика. Во втором случае (представлен на чертеже) принципиальным является выполнение части камеры, расположенной за анодом (чертеж, плоскость А-А) в сторону вывода излучения, из диэлектрика; для части камеры до анода выбор материала несущественен. Она может быть выполнена как из диэлектрика, так и из металла. Important from the point of view of the technical result is the implementation of a certain part of the inventive system, including a power source, an electron source, a camera for generating and outputting radiation, from a dielectric transparent to microwave radiation, namely: the part of the system behind the anode towards the output of radiation. Variants are possible here when the chamber for generating and outputting radiation is completely or part of it located behind the anode in the direction of radiation output is made of a dielectric. These options are associated with different positions of the anode relative to the camera. The anode can be placed in the plane of connection of the camera for generating and outputting radiation with the evacuated volume of the electron source, including the cathode and anode, and can be placed inside the volume of the camera for generating and outputting radiation. The first case corresponds to the implementation of the camera completely from a dielectric. In the second case (shown in the drawing), it is fundamental to perform the part of the chamber located behind the anode (drawing, plane AA) in the direction of radiation output from the dielectric; for the part of the chamber up to the anode, the choice of material is not significant. It can be made of both dielectric and metal.
Все это в совокупности приведет к увеличению кпд генератора. All this together will lead to an increase in the generator efficiency.
Следует отметить, что при изготовлении камеры формирования и вывода излучения из диэлектрика, прозрачного для СВЧ-излучения, форма поверхности камеры не имеет принципиального значения. В дополнение к основному результату заметим, что она может быть выполнена в виде любой поверхности, наиболее удобной с точки зрения технологичности изготовления. Обязательным является обеспечение в камере необходимого вакуума. It should be noted that in the manufacture of a chamber for generating and outputting radiation from an insulator transparent to microwave radiation, the shape of the surface of the chamber is not of fundamental importance. In addition to the main result, we note that it can be made in the form of any surface that is most convenient from the point of view of manufacturability. It is mandatory to provide the necessary vacuum in the chamber.
На чертеже представлено схематичное изображение заявляемого генератора, где:
1 - источник питания,
2 - вакуумированный корпус источника электронов,
3 - катод,
4 - анод,
5 - виртуальный катод,
6 - камера формирования и вывода излучения,
А-А - плоскость анода.The drawing shows a schematic representation of the inventive generator, where:
1 - power source
2 - evacuated casing of the electron source,
3 - cathode,
4 - anode,
5 - virtual cathode,
6 - camera forming and outputting radiation,
AA - the plane of the anode.
Заявляемый СВЧ-генератор, выполненный по схеме чертежа, реализован на практике. Этот генератор содержит высоковольтный источник питания 1, представляющий собой 12 - каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, металлический вакуумированный корпус источника электронов 2, расположенные в нем плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм, анод 4 из сетки, прозрачной для электронов, и следующую за источником электронов вакуумную камеру формирования и вывода излучения 6. Зазор анод - катод равен 3,0 мм. Длина и диаметр камеры формирования и вывода излучения варьировалась соответственно в пределах 7. . ..30 мм и 55....100 мм и изготавливалась камера полностью (до плоскости А-А и после нее) из капролона или оргстекла, прозрачных для СВЧ-излучения. Виртуальный катод 5 образуется в объеме камеры формирования и вывода излучения. Параметры инжектируемого электронного пучка следующие: энергия электронов ~200 кэВ, ток пучка ~6 кА и длительность импульса ~40 нc на полувысоте. The inventive microwave generator, made according to the drawing scheme, is implemented in practice. This generator contains a high-voltage power supply 1, which is a 12-cascade low-inductance Arkadyev-Marx generator, a metal vacuum enclosure of an electron source 2, a flat graphite cathode 3 30 mm in diameter located therein, an anode 4 of a grid transparent to electrons, and the next one after the source electrons vacuum chamber of formation and output of radiation 6. The gap of the anode - cathode is 3.0 mm. The length and diameter of the chamber for generating and outputting radiation varied accordingly within 7.. ..30 mm and 55 .... 100 mm and the camera was made completely (before the plane AA and after it) from caprolon or plexiglass, transparent to microwave radiation. The virtual cathode 5 is formed in the volume of the chamber of formation and output of radiation. The parameters of the injected electron beam are as follows: the electron energy is ~ 200 keV, the beam current is ~ 6 kA, and the pulse duration is ~ 40 ns at half maximum.
Генератор СВЧ-излучения работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от источника питания 1 прикладывается к катоду 3. Корпус источника электронов 2, анод 4 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника питания. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анод и образует в камере формирования и вывода излучения виртуальный катод 5. The microwave radiation generator operates as follows. A high voltage pulse of negative polarity from the power source 1 is applied to the cathode 3. The body of the electron source 2, the anode 4 are electrically connected to each other, grounded and connected to the positive pole of the power source. As a result of explosive emission from the surface of the cathode, an electronic stream is formed, which, accelerating, passes through the anode and forms a virtual cathode 5 in the radiation formation and output chamber.
Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему через поверхность камеры формирования и вывода излучения 6. Длина волны генерируемого излучения 2....5 см, а длительность импульса - 20 нc на полувысоте. Electrons trapped in a potential well between the real and virtual cathode oscillate and emit an electromagnetic wave, which leaves the system through the surface of the radiation generating and output chamber 6. The wavelength of the generated radiation is 2 .... 5 cm, and the pulse duration is 20 ns at half maximum .
В данном случае кпд генератора вырос в 4 раза по сравнению с генератором, выполненным по схеме прототипа. Как показали предварительные эксперименты, данное техническое решение после проведения оптимизации всех параметров заявленного генератора СВЧ-излучения позволит увеличить кпд до 5...10%. In this case, the efficiency of the generator increased 4 times in comparison with the generator made according to the prototype scheme. As preliminary experiments have shown, this technical solution after optimizing all the parameters of the claimed microwave radiation generator will increase the efficiency to 5 ... 10%.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000118578A RU2195738C2 (en) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | Microwave oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000118578A RU2195738C2 (en) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | Microwave oscillator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000118578A RU2000118578A (en) | 2002-08-10 |
| RU2195738C2 true RU2195738C2 (en) | 2002-12-27 |
Family
ID=20237794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000118578A RU2195738C2 (en) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | Microwave oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2195738C2 (en) |
-
2000
- 2000-07-17 RU RU2000118578A patent/RU2195738C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| APPL. PHYS. LETT. 60(21), 25.05.1992, с.2580-2600. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Macheret et al. | Modeling of air plasma generation by repetitive high-voltage nanosecond pulses | |
| Fuks et al. | 70% efficient relativistic magnetron with axial extraction of radiation through a horn antenna | |
| Kovalev et al. | Scenario for output pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams | |
| Choi et al. | High-power microwave generation from an axially extracted virtual cathode oscillator | |
| JPH03501074A (en) | Electromagnetic radiation generator and high current electron gun | |
| Haworth et al. | Improved electrostatic design for MILO cathodes | |
| US4038602A (en) | Automodulated realtivistic electron beam microwave source | |
| US5552672A (en) | Magnetron construction particularly useful as a relativistic magnetron | |
| US5159241A (en) | Single body relativistic magnetron | |
| Dixit et al. | Study on load-side optimization in bifrequency MILO source | |
| RU2387039C1 (en) | High-frequency generator with discharge in hollow cathode | |
| RU2195738C2 (en) | Microwave oscillator | |
| CN110706990B (en) | Waveguide inner filling metal grid array type C-band virtual cathode oscillator | |
| EP0403583B1 (en) | Plasma wave tube and method | |
| Loza et al. | Increase in the average radiation power of a plasma relativistic microwave generator | |
| Majzoobi et al. | Particle-in-cell based parameter study of 12-cavity, 12-cathode rising-sun relativistic magnetrons for improved performance | |
| De Groot et al. | Plasma Cerenkov Maser | |
| RU2239257C1 (en) | Diode assembly for microwave oscillator | |
| Tuan et al. | The eeffects of anode foil transmission ratio on the performance of vircator | |
| RU2163043C2 (en) | Microwave oscillator | |
| JP2021064573A (en) | Virtual cathode oscillator tube and electromagnetic wave generation method using the virtual cathode oscillator tube | |
| RU2395132C1 (en) | Microwave oscillator on basis of virtual cathode with radial beam | |
| RU2297688C1 (en) | Microwave oscillator built around virtual radial-beam cathode | |
| RU2221306C2 (en) | Magnetically isolated vircator | |
| RU2352014C1 (en) | Vircator with radial convergent beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100718 |