RU2221306C2

RU2221306C2 - Magnetically isolated vircator

Info

Publication number: RU2221306C2
Application number: RU2001125216/09A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Дубинов; И.А. Ефимова; И.В. Коновалов; Н.Н. Макарова; В.Д. Селемир; В.Г. Суворов; К.В. Шибалко
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2004-01-10

Abstract

FIELD: heavy-power microwave electronics; microwave oscillators. SUBSTANCE: proposed vircator, like that of prior art, has pulse voltage generator, cathode electrode, and anode electrode insulated from the latter, both placed in magnetic field; anode electrode has modulating section in the form of waveguide enclosing cathode electrode and virtual cathode shaping section turning into horn with radiation exit window; novelty is that virtual-cathode shaping waveguide section of proposed vircator is made in the form of sections whose sectional area stepwise increases toward radiation exit and these sections are separated in step plane by means of additional anode diaphragms in the form of grid transparent for electromagnetic wave of type generated by preceding waveguide section. Grids can be made of wire thread in the form of spiral of Archimedes or of wire rings secured on insulating holders. Adjacent waveguide sections may be of adjustable electric length. EFFECT: enhanced radiation efficiency. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к мощной СВЧ-электронике и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ-излучения. The invention relates to powerful microwave electronics and can be used in the development of microwave generators.

Известны устройства для генерации СВЧ-колебаний в виркаторах с магнитной изоляцией (Жерлицын А. Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В., Фоменко Г.П. Генерация СВЧ-колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке. ЖТФ, 1986, т.56, 7, с.1384-1387). Known devices for the generation of microwave oscillations in vircators with magnetic insulation (Zherlitsyn A.G., Kuznetsov S.I., Melnikov G.V., Fomenko G.P. Generation of microwave oscillations during the formation of a virtual cathode in a high-current electron beam. 1986, v. 56, 7, p. 1384-1387).

Физическая сущность явления состоит в следующем: при инжекции замагниченного сильноточного электронного пучка с током выше предельного значения в вакуумное пространство (трубу дрейфа), его движение определяется образованием виртуального катода (ВК). При этом происходит увеличение плотности электронов между катодом и ВК. Часть электронов совершает колебательные движения между реальным и виртуальным катодом. Энергия этих электронов передается СВЧ-полю. Величина и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. The physical essence of the phenomenon is as follows: during the injection of a magnetized high-current electron beam with a current above the limit value into the vacuum space (drift tube), its motion is determined by the formation of a virtual cathode (VC). In this case, an increase in the electron density between the cathode and VC occurs. Some electrons oscillate between the real and virtual cathodes. The energy of these electrons is transferred to the microwave field. The magnitude and position of the VC oscillate in time and also contribute to the radiation energy.

Конструкция этого СВЧ-генератора реализована следующим образом: электронный пучок формируется в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, образованном внутренним катодным и внешним анодным электродами, помещенными в магнитное поле соленоида. Анодный электрод содержит цилиндрическую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и отделенную от нее анодной диафрагмой последующую секцию большего сечения, в которой происходит формирование ВК. Сформированный в диоде сильноточный электронный пучок (СЭП) транспортируется в отрезке трубы, которая является продолжением секции анода, охватывающей катод, и инжектируется в следующую секцию анода - трубу дрейфа (секцию формирования ВК), одновременно служащую волноводом для вывода СВЧ-излучения. После формирования в трубе дрейфа ВК возникает электромагнитное СВЧ-излучение как за счет осцилляторного движения электронов между катодом и ВК, так и за счет колебаний самого ВК. The design of this microwave generator is implemented as follows: an electron beam is formed in a coaxial diode with magnetic insulation formed by the internal cathode and external anode electrodes placed in the magnetic field of the solenoid. The anode electrode contains a cylindrical section in the form of a waveguide, covering the cathode electrode, and the subsequent section of a larger section, which is formed by the VC, separated from it by the anode diaphragm. The high-current electron beam (SEC) formed in the diode is transported in a pipe segment, which is a continuation of the anode section covering the cathode, and injected into the next section of the anode - the drift tube (VC formation section), which simultaneously serves as a waveguide for outputting microwave radiation. After the formation of a VC drift in the tube, electromagnetic microwave radiation arises both due to the oscillatory motion of electrons between the cathode and VC, and due to vibrations of the VC itself.

Основным недостатком аналога является малый коэффициент полезного действия (кпд) этого генератора (<1%), что связано с малой областью взаимодействия электронов с электромагнитным полем (только вблизи стыка волноводов разного диаметра). The main disadvantage of the analogue is the small efficiency (efficiency) of this generator (<1%), which is associated with a small region of interaction of electrons with the electromagnetic field (only near the junction of waveguides of different diameters).

Наиболее близким техническим решением (прототипом), позволяющим получить более мощный импульс СВЧ-излучения и используемым для различных физических исследований, является СВЧ-генератор (Гаркуша О.В., Школьников Э.Я. Генерация длинноимпульсного СВЧ-излучения в виркаторе. Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ 98. М.: МИФИ, 1998, ч.3, с.124-126), где с целью повышения кпд генератора предложена схема с предварительной СВЧ-модуляцией тока СЭП, в которой пучок до поступления в секцию формирования ВК предварительно промодулирован по плотности и энергии, разбит на сгустки (банчи), что увеличивает монохроматичность выходного сигнала, получаемую путем повышения эффекта взаимодействия излучения с полем. The closest technical solution (prototype) that allows you to get a more powerful pulse of microwave radiation and is used for various physical studies is a microwave generator (Garkusha O.V., Shkolnikov E.Ya. Generation of long-pulse microwave radiation in a vircator. Collection of scientific papers MEPhI Scientific Session 98. M.: MEPhI, 1998, part 3, p.124-126), where, in order to increase the generator efficiency, a circuit with preliminary microwave modulation of the SEC current is proposed, in which the beam is premodulated before entering the VC formation section by density and energy ii, divided into clusters (bunches), which increases the monochromaticity of the output signal obtained by increasing the effect of interaction with the radiation field.

Этот СВЧ-генератор также представляет собой устройство, использующее коаксиальный диод с магнитной изоляцией. Катодный электрод и изолированный от него анодный электрод помещены в магнитное поле соленоида. Анодный электрод содержит модулирующую секцию в виде волновода, охватывающую катодный электрод, и отделенную от него анодной диафрагмой секцию формирования виртуального катода (с поперечным сечением больше сечения предыдущей секции) в виде волновода, переходящую в рупор с окном вывода излучения, ограниченную слева плоскостью скачка диаметра трубы дрейфа (секции формирования ВК). This microwave generator is also a device using a coaxial diode with magnetic insulation. The cathode electrode and the anode electrode isolated from it are placed in the magnetic field of the solenoid. The anode electrode contains a modulating section in the form of a waveguide, covering the cathode electrode, and a section for forming a virtual cathode (with a cross section larger than the section of the previous section) separated by an anode diaphragm in the form of a waveguide passing into a horn with a radiation output window bounded to the left by the pipe diameter jump plane drift (section formation VK).

В качестве модулятора излучения использована пассивная структура из двух коаксиальных четвертьволновых резонаторов. С помощью четвертьволновых резонаторов импульсы тока модулируются по частоте с момента начала СВЧ-генерации и до окончания работы генератора. As a radiation modulator, a passive structure of two coaxial quarter-wave resonators is used. With the help of quarter-wave resonators, current pulses are modulated in frequency from the moment of the start of microwave generation until the end of the generator.

Недостатком прототипа также является недостаточно высокий уровень эффекта преобразования энергии электронов пучка в излучение (кпд генерации 1,5-3%). The disadvantage of the prototype is also not a sufficiently high level of the effect of converting the electron energy of the beam into radiation (generation efficiency of 1.5-3%).

Указанный недостаток связан с рядом причин, одна из которых по-прежнему состоит в малой суммарной длине области модуляции СЭП (лишь половина длины волны). The indicated drawback is associated with a number of reasons, one of which still consists in the small total length of the region of BEP modulation (only half the wavelength).

Недостаточно высокий кпд преобразования энергии инжектируемых электронов в энергию СВЧ-излучения существенным образом ограничивает практическое применение СВЧ-генератора данного типа. The insufficiently high efficiency of converting the energy of the injected electrons into the energy of microwave radiation significantly limits the practical application of this type of microwave generator.

Таким образом, задача состоит в повышении кпд прибора, в обеспечении возможности использования его как источника мощного СВЧ-излучения. Thus, the task is to increase the efficiency of the device, to ensure the possibility of using it as a source of powerful microwave radiation.

Приборы, которые способны генерировать мощные импульсы, могут использоваться для накачки рабочих сред газовых лазеров, радиолокации, нагрева плазмы в термоядерных исследованиях. Devices that are capable of generating powerful pulses can be used to pump the working media of gas lasers, radar, and plasma heating in thermonuclear research.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является увеличение мощности выходного сигнала, получаемое путем повышения коэффициента использования СЭП за счет увеличения области взаимодействия его с электромагнитным полем. The expected technical result of the proposed solution is to increase the power of the output signal, obtained by increasing the utilization factor of the BOT due to the increase in the area of its interaction with the electromagnetic field.

Технический результат достигается за счет того, в отличие от известного магнитоизолированного виркатора, включающего установленные вдоль одной оси электрически связанные с источником импульсного напряжения катодный электрод и электрически изолированный от него анодный электрод, помещенные в магнитное поле, причем анодный электрод содержит секцию, охватывающую катодный электрод, и отделенную от нее анодной диафрагмой секцию формирования виртуального катода с поперечным сечением волновода больше поперечного сечения волновода секции, охватывающей катодный электрод, в предлагаемом магнитоизолированном виркаторе волновод секции формирования виртуального катода выполнен в виде участков со скачкообразно увеличивающимся в сторону вывода излучения поперечным сечением, разделенных в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами в форме сетки, прозрачной для того типа электромагнитной волны, который генерируется в предшествующем участке волновода. The technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the known magnetically insulated vircator, which includes a cathode electrode installed electrically connected to a pulse voltage source and an anode electrode electrically isolated from it, placed in a magnetic field, the anode electrode containing a section covering the cathode electrode, and a section for forming a virtual cathode separated from it by the anode diaphragm with a waveguide cross section greater than the waveguide section cross section and, covering the cathode electrode, in the proposed magnetically insulated vircator, the waveguide of the virtual cathode formation section is made in the form of sections with a cross section that increases stepwise towards the output of radiation, separated in the jump plane by additional anode diaphragms in the form of a grid transparent for the type of electromagnetic wave that is generated in the previous section of the waveguide.

Кроме того, предложено выполнение участков волновода секции формирования виртуального катода с регулируемой относительно друг друга электрической длиной. In addition, it is proposed that the sections of the waveguide of the virtual cathode formation section with electric length adjustable relative to each other be proposed.

Также предложены варианты выполнения сеток анодных диафрагм. Сетки анодных диафрагм могут быть выполнены в виде спирали Архимеда или из проволочных колец, закрепленных на диэлектрических держателях. Also proposed options for the implementation of grids of anode diaphragms. Grids of anode diaphragms can be made in the form of a spiral of Archimedes or from wire rings mounted on dielectric holders.

Скачкообразное увеличение на каждом последующем участке сечения волновода секции формирования ВК обеспечивает последовательное образование виртуальных катодов в объеме волновода на соответствующих участках за разделяющими эти участки в плоскости скачка дополнительными анодными диафрагмами, что способствует более полному вовлечению инжектируемых электронов в процесс генерирования СВЧ-излучения. При этом следует учесть, что расположение сеток анодных диафрагм перпендикулярно оси виркатора. Длина каждого последующего участка волновода секции подбирается так, чтобы расстояние между образующимися на этих участках виртуальными катодами было одинаково и кратно длине волны. Это позволяет суммировать излучение от каждого ВК. The jump-like increase in each subsequent section of the waveguide of the VC formation section ensures the sequential formation of virtual cathodes in the volume of the waveguide in the corresponding sections behind the additional anode diaphragms separating these sections in the jump plane, which contributes to a more complete involvement of injected electrons in the process of generating microwave radiation. It should be noted that the location of the grids of the anode diaphragms is perpendicular to the axis of the vircator. The length of each subsequent section of the section waveguide is selected so that the distance between the virtual cathodes formed in these sections is the same and a multiple of the wavelength. This allows you to summarize the radiation from each VC.

Подобное построение генератора возможно потому, что при образовании виртуального катода не весь заряд электронного пучка накапливается в области ВК или отражается от него обратно. Определенная часть тока СЭП инжектируется ВК в пролетный ток. Именно для того чтобы использовать этот уже промодулированный ВК пролетный ток для дополнительной генерации СВЧ-излучения, используется последующий участок волновода секции формирования ВК. Such a construction of the generator is possible because when the virtual cathode is formed, not all of the electron beam charge accumulates in the VC region or is reflected back from it. A certain part of the SES current is injected by the VC into the span current. In order to use this already modulated VC span current for additional generation of microwave radiation, the subsequent section of the waveguide of the VC formation section is used.

За счет увеличения числа участков волновода анодного электрода, в которых формируется ВК, и, следовательно, областей взаимодействия СЭП с высокочастотным излучением, а также за счет суммирования излучения от каждого ВК путем беспрепятственного прохождения электромагнитной волны сквозь анодные диафрагмы (сетки), что обеспечивает их прозрачность для того типа волны, который генерируется в предшествующем участке волновода, осуществляется увеличение кпд прибора. Due to the increase in the number of sections of the waveguide of the anode electrode in which the VC is formed, and, therefore, the areas of interaction between the SEC and high-frequency radiation, as well as by summing the radiation from each VC by unhindered passage of the electromagnetic wave through the anode diaphragms (grids), which ensures their transparency for the type of wave that is generated in the previous section of the waveguide, the efficiency of the device is increased.

Таким образом, предложенный виркатор, имеющий секцию формирования ВК анодного электрода в виде последовательности участков волновода, где сечение каждого участка больше предыдущего в сторону вывода излучения, с геометрией анодных диафрагм такой, что электромагнитное излучение проходит сквозь них беспрепятственно, имеет больше областей взаимодействия инжектируемых электронов с электромагнитным полем в отличие от пары четвертьволновых резонаторов, описанных в прототипе. Thus, the proposed vircator having a section for forming a VC of the anode electrode in the form of a sequence of waveguide sections, where the section of each section is larger than the previous one in the direction of radiation output, with the geometry of the anode diaphragms such that electromagnetic radiation passes through them freely, has more areas of interaction of injected electrons with electromagnetic field in contrast to a pair of quarter-wave resonators described in the prototype.

Кроме того, введение возможности регулирования электрической длины участков волновода анодного электрода позволяет обеспечить суммирование излучения от каждого ВК. In addition, the introduction of the possibility of regulating the electric length of the sections of the waveguide of the anode electrode allows the summation of radiation from each VC.

Как отмечено выше, прозрачность сеток для определенного типа электромагнитных волн является обязательным условием обеспечения СВЧ-генерации. Эта прозрачность может быть достигнута выбором такой геометрии сетки, что у нее отсутствуют радиальные элементы конструкции, примером чего и являются предложенные варианты - спираль Архимеда или проволочные кольца, закрепленные на диэлектрических держателях. As noted above, the transparency of the grids for a certain type of electromagnetic waves is a prerequisite for ensuring microwave generation. This transparency can be achieved by choosing such a mesh geometry that it does not have radial structural elements, an example of which are the proposed options - the Archimedes spiral or wire rings mounted on dielectric holders.

Таким образом, в результате осуществления совокупности предложенных признаков эффективность взаимодействия СЭП с СВЧ-излучением по сравнению с прототипом увеличивается, что существенно сказывается на кпд генерации СВЧ-излучения. Thus, as a result of the implementation of the totality of the proposed features, the efficiency of the interaction of the SES with microwave radiation increases compared with the prototype, which significantly affects the efficiency of generation of microwave radiation.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, где 1 - генератор импульсных напряжений (ГИН); 2 - изолятор; 3 - катодный электрод; 4 - соленоид, создающий магнитное поле; 5 - анодный электрод; 6 - анодные диафрагмы (сетки); 7 - рупор с окном вывода излучения; 8 - секция анодного электрода, охватывающая катодный электрод (область электронного диода); 9 - участки волновода секции формирования ВК. The drawing shows a diagram of the proposed device, where 1 is a pulse voltage generator (GIN); 2 - insulator; 3 - cathode electrode; 4 - a solenoid that creates a magnetic field; 5 - anode electrode; 6 - anode diaphragms (grids); 7 - a horn with a radiation output window; 8 - section of the anode electrode, covering the cathode electrode (region of the electronic diode); 9 - sections of the waveguide section of the formation of VK.

В цилиндрической геометрии устройство содержит ГИН 1, катодный электрод 3 и изолированный от него с помощью полиэтиленового изолятора 2 анодный электрод 5, включающий секцию 8, охватывающую катодный электрод (образующую область электронного диода), и секцию формирования ВК, сформированную участками волновода 9, а также сетки анодных электродов 6 и рупор с окном вывода излучения 7. Вся система помещается в магнитное поле соленоида 4. Секция формирования ВК анодного электрода представляет собой последовательность участков ее волновода, причем каждый последующий участок по диаметру скачкообразно больше предыдущего. В данном случае этих участков два. Дополнительные анодные диафрагмы-сетки однотипны и выполнены из проволочной нити, имеющей форму спирали Архимеда, что обеспечивает их прозрачность для соответствующего электромагнитного излучения. In cylindrical geometry, the device comprises a GIN 1, a cathode electrode 3, and an anode electrode 5 isolated from it using a polyethylene insulator 2, which includes a section 8 that spans the cathode electrode (forming the region of the electronic diode), and a VC forming section formed by sections of the waveguide 9, and the grid of the anode electrodes 6 and the horn with the radiation output window 7. The whole system is placed in the magnetic field of the solenoid 4. The section for the formation of the VC of the anode electrode is a sequence of sections of its waveguide, and each subsequent section in diameter is stepwise larger than the previous one. In this case, there are two of these sites. Additional anode diaphragms-grids are of the same type and are made of wire thread having the shape of an Archimedes spiral, which ensures their transparency for the corresponding electromagnetic radiation.

Предлагаемый магнитоизолированный виркатор работает следующим образом. The proposed magnetically insulated vircator operates as follows.

Перед импульсом подается напряжение на соленоид 4, создающий магнитное поле, а затем, когда магнитное поле в соленоиде достигнет требуемого значения (например, 5 кГс), на катод-анодный промежуток электронного диода 8 подается импульс напряжения от ГИН 1. Before the pulse, voltage is applied to the solenoid 4, which creates a magnetic field, and then, when the magnetic field in the solenoid reaches the desired value (for example, 5 kG), a voltage pulse from GIN 1 is applied to the cathode-anode gap of the electronic diode 8.

СЭП формируется в диодной области и модулируется с помощью последовательности ВК в участках волновода секции формирования ВК 9. The SEC is formed in the diode region and is modulated using the VK sequence in the waveguide sections of the VK 9 formation section.

Сформированный в диоде и промодулированный СЭП транспортируется вдоль оси системы. Сформированный на двух участках волновода секции 9 ВК генерирует мощный импульс СВЧ-излучения. Вывод СВЧ-излучения осуществляется через рупор вывода излучения 7. Formed in the diode and modulated SEC is transported along the axis of the system. Formed in two sections of the waveguide of section 9, the VC generates a powerful microwave pulse. The output of microwave radiation is carried out through a horn output radiation 7.

Инжектированный в трубу дрейфа трубчатый пучок может иметь следующие параметры: энергия электронов 800 КэВ, ток 20 кА, длительность импульса тока 50 нс. Максимальная величина мощности может достигнуть уровня 800 МВт, а длина волны СВЧ-излучения 3 см. The tube beam injected into the drift tube can have the following parameters: electron energy 800 keV, current 20 kA, current pulse duration 50 ns. The maximum power value can reach the level of 800 MW, and the wavelength of microwave radiation is 3 cm.

В проведенных компьютерных исследованиях была показана работоспособность схемы магнитоизолированного виркатора с модуляцией электронного потока в последовательности секций. Схема позволяет получить мощный импульс СВЧ-излучения. Computer tests showed the performance of a magnetically insulated vircator circuit with modulation of the electron beam in a sequence of sections. The circuit allows you to get a powerful pulse of microwave radiation.

Ожидаемый кпд установки 5%, что больше известных. The expected installation efficiency is 5%, which is more known.

Claims

1. Magnetically insulated vircator, comprising a cathode electrode and an anode electrode electrically isolated from an impulse voltage source installed along a single axis thereof, placed in a magnetic field, the anode electrode comprising a section covering the cathode electrode and a virtual formation section separated from it by the anode diaphragm the cathode with the cross section of the waveguide is larger than the cross section of the waveguide section, covering the cathode electrode, characterized in that the waveguide section f The virtual cathode shaping is made in the form of sections with a cross section jumpwise increasing towards the output of radiation, separated in the jump plane by additional anode diaphragms in the form of a grid transparent for the type of electromagnetic wave that is generated in the previous section of the waveguide.

2. The magnetically insulated vircator according to claim 1, characterized in that the adjacent sections of the waveguide of the virtual cathode formation section are made with an electric length that is adjustable relative to each other.

3. Magnetically insulated vircator according to claim 1, characterized in that the grid anode diaphragms are made in the form of a spiral of Archimedes.

4. Magnetically insulated vircator according to claim 1, characterized in that the grid anode diaphragms are made of wire rings mounted on dielectric holders.