RU2239257C1

RU2239257C1 - Diode assembly for microwave oscillator

Info

Publication number: RU2239257C1
Application number: RU2003101489A
Authority: RU
Inventors: Б.В. Алехин (RU); Б.В. Алехин; В.В. Воронин (RU); В.В. Воронин; О.И. Коваленко (RU); О.И. Коваленко; С.С. Павлов (RU); С.С. Павлов; ков В.Д. Сур (RU); В.Д. Суряков
Original assignee: Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-10-27

Abstract

FIELD: microwave engineering.

SUBSTANCE: proposed diode assembly that can be used in developing microwave oscillators for radars, for pumping working media of gas lasers, and the like has its anode made in the form of at least two electron-transparent current-conducting grids electrically isolated from each other in electron beam passage area. Distance between preceding and next grids is shorter than that to its closest grid. Service life of proposed assembly anode is longer by three or four times.

EFFECT: at least twice as high wave generation efficiency and enhanced service life of anode.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения.The invention relates to microwave technology and can be used in the development of powerful generators of microwave radiation.

Известны СВЧ-генераторы на основе систем с виртуальным катодом с диодным узлом, содержащим вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения.Microwave generators based on systems with a virtual cathode with a diode assembly are known, which contain a vacuum chamber with a cathode located in it and made in the form of at least two transparent conductive meshes for electrons anode connected to a pulse voltage source.

(А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия Высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72 [1], L.Miner, D.Voss, R.Koslover, B.Miera B. et. el. High-Power Microwave Test Facility Based on Double-Anode Relativistic Tetrode (DART) Oscillators //IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, August 1992., vol. 34, №3, pp. 229-234 [2]).(A.E.Dubinov, K.E. Mikheev, V.D. Selemir, A.V. Sudovtsov. Stochatron - a microwave generator with a virtual cathode that implements stochastic resonance mode // Proceedings of Higher Education Institutions, Physics, No. 6, 1999, pp. 67-72 [1], L. Miner, D. Voss, R. Koslover, B. Miera B. et. El. High-Power Microwave Test Facility Based on Double-Anode Relativistic Tetrode (DART) Oscillators // IEEE Trans. On Electromagnetic Compatibility, August 1992., vol. 34, No. 3, pp. 229-234 [2]).

При инжекции сильноточного электронного пучка с током выше некоторого значения за анодом в камере дрейфа объемный заряд пучка создает провисание потенциала, которое обуславливает торможение и отражение части электронов в сторону реального катода. Эта область провисания потенциала называется виртуальным катодом (ВК), а класс СВЧ-приборов с ВК - виркаторами. 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 drift chamber, the space charge of the beam creates a sagging potential, which causes the braking and reflection of part of the electrons towards the real cathode. This area of potential sagging is called the virtual cathode (VK), and the class of microwave devices with VK is called vircators. The source of microwave oscillations in such systems are electron oscillations in the potential well formed by the real and virtual cathode, and oscillations in the position of the VC itself.

В качестве анода в виркаторах используется либо тонкая фольга из легких металлов, либо сетка из тугоплавкой металлической проволоки. Геометрическая прозрачность сетчатого анода должна составлять не менее 70...80%. В приборах, работающих в импульсно-периодическом режиме, применяются исключительно аноды в виде токопроводящих металлических сеток.As an anode, vircators use either a thin foil of light metals or a mesh of refractory metal wire. The geometric transparency of the mesh anode should be at least 70 ... 80%. In devices operating in a pulse-periodic mode, exclusively anodes in the form of conductive metal grids are used.

Основным недостатком известных конструкций СВЧ-генераторов на основе систем с ВК является низкая эффективность преобразования энергии электронного пучка в излучение (кпд генератора). Одной из причин, обуславливающей невысокий кпд виркаторов, является наличие в пучке низкоэнергетичных электронов, которые генерируются на фронте и спаде питающего виркатор высоковольтного импульса, а также образующихся при ударах об анодную сетку либо фольгу. Эта часть электронов, ускоряясь в поле СВЧ-волны, отбирает у последней энергию, снижая, таким образом, эффективность работы виркатора.The main disadvantage of the known designs of microwave generators based on VC systems is the low efficiency of converting the electron beam energy into radiation (generator efficiency). One of the reasons for the low efficiency of vircators is the presence of low-energy electrons in the beam, which are generated at the front and down of the high-voltage pulse supplying the vircator, as well as those generated by impacts on the anode grid or foil. This part of the electrons, accelerating in the field of the microwave wave, takes energy from the latter, thus reducing the efficiency of the vircator.

За прототип выбран диодный узел СВЧ-генератора с двойным анодом (А.Е.Дубинов, К.Е.Михеев, В.Д.Селемир, А.В.Судовцов. Стохатрон - СВЧ-генератор с виртуальным катодом, реализующий режим стохастического резонанса //Известия высших учебных заведений, Физика, №6, 1999 г., с. 67-72), схема которого представлена на фиг.1, где: 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6, 7 - виртуальный катод.For the prototype, a diode assembly of a microwave generator with a double anode was selected (A.E. Dubinov, K.E. Mikheev, V.D. Selemir, A.V. Sudovtsov. Stochatron - a microwave generator with a virtual cathode that implements the stochastic resonance mode / / Izvestia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Physics, No. 6, 1999, pp. 67-72), the circuit of which is presented in Fig. 1, where: 1 - source of pulse voltage; 2 - a vacuum chamber; 3 - cathode; 4, 5 - anode grid; 6, 7 - virtual cathode.

Прототип содержит источник импульсного напряжения 1, вакуумную камеру 2 с расположенными в ней катодом 3 и анодом, выполненным в виде двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток 4, 5. Расстояние между сетками больше расстояния между катодом и ближайшей к нему анодной сеткой. Генератор с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, работает в режиме стохастического резонанса в присутствии ведущего магнитного поля. В рассматриваемом генераторе расстояние между сетками выбрано таким образом, чтобы между ними образовывался виртуальный катод 6, как и в пространстве дрейфа за второй сеткой 7. Только при наличии двух виртуальных катодов реализуется режим стохастического резонанса. Цилиндрический объем между сетками в прототипе играет роль резонатора, и следствием его применения является сужение спектра генерации традиционного односеточного виркатора.The prototype contains a pulse voltage source 1, a vacuum chamber 2 with a cathode 3 located in it and an anode made in the form of two electrically conductive grids 4, 5. The distance between the grids is greater than the distance between the cathode and the anode grid closest to it. A generator with a diode assembly made according to the prototype scheme operates in the stochastic resonance mode in the presence of a leading magnetic field. In the generator under consideration, the distance between the grids is chosen so that a virtual cathode 6 is formed between them, as in the drift space behind the second grid 7. Only with two virtual cathodes is the stochastic resonance mode realized. The cylindrical volume between the grids in the prototype plays the role of a resonator, and the consequence of its application is the narrowing of the generation spectrum of a traditional single-grid vircator.

Недостатком СВЧ-генератора с диодным узлом, выполненным по схеме прототипа, является, как это присуще всем приборам на основе ВК, невысокий кпд. Мощность генерации СВЧ-излучения при использовании такой конструкции диодного узла меньше либо равна мощности генерации с одной анодной сеткой.The disadvantage of a microwave generator with a diode node, made according to the prototype scheme, is, as is inherent in all devices based on VK, low efficiency. The generation power of microwave radiation when using such a design of the diode assembly is less than or equal to the generation power with one anode grid.

Техническая задача состоит в усовершенствовании диодного узла для СВЧ-генераторов с виртуальным катодом.The technical problem is to improve the diode assembly for microwave generators with a virtual cathode.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение кпд генератора.The expected technical result of the proposed solution is to increase the efficiency of the generator.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного диодного узла для СВЧ-генератора, содержащего вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения, в предлагаемом устройстве предыдущая и последующая сетки установлены между собой на расстоянии, меньшем расстояния от катода до ближайшей к нему сетки без электрического контакта в предполагаемой области прохождения электронного пучка. Поскольку виртуальный катод образуется на расстоянии, примерно равном расстоянию между катодом и первой анодной сеткой, предложенная конструкция анодного узла позволяет работать в режиме односеточного виркатора без образования в пространстве между анодными сетками виртуального катода. Малое расстояние L между предыдущей и последующей сетками имеет принципиальное значение - при L, меньшем расстояния катод - ближайшая сетка, за счет сил электростатического расталкивания низкоэнергетичная часть пучка высаживается на сетки и стенки вакуумной камеры. Высокоэнергетичная же часть пучка проходит практически без потерь. Наличие минимального расстояния между сетками обусловлено необходимостью реализации двухсеточного варианта (отсутствия электрического контакта между ними в области прохождения пучка) с обеспечением эффективного удаления низкоэнергетичной части пучка в области между сетками, что приводит к росту кпд. Это расстояние во многом определяется энергией электронов в пучке и геометрической формой катода. Следует отметить, что для приборов с виртуальным катодом предполагаемая область прохождения электронного пучка (поперечное сечение пучка в плоскости анодной сетки) соответствует размерам и форме эмитирующей поверхности катода и может быть определена заранее исходя из геометрии диодного узла.The technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known diode assembly for a microwave generator, comprising a vacuum chamber with a cathode located in it and made in the form of at least two transparent conductive networks for electrons anode connected to a pulse voltage source, in the proposed the device, the previous and subsequent grids are installed at a distance less than the distance from the cathode to the grid closest to it without electrical contact in the assumed region of the electron PFA. Since the virtual cathode is formed at a distance approximately equal to the distance between the cathode and the first anode grid, the proposed design of the anode assembly allows one to operate in a single-grid vircator without forming a virtual cathode in the space between the anode grids. The small distance L between the previous and subsequent grids is of fundamental importance - for L, shorter than the distance, the cathode is the nearest grid, due to the forces of electrostatic repulsion, the low-energy part of the beam is deposited on the grids and walls of the vacuum chamber. The high-energy part of the beam passes almost without loss. The presence of a minimum distance between the grids is due to the need to implement a two-mesh version (the absence of electrical contact between them in the beam propagation region) with effective removal of the low-energy part of the beam in the region between the grids, which leads to an increase in the efficiency. This distance is largely determined by the energy of the electrons in the beam and the geometric shape of the cathode. It should be noted that for instruments with a virtual cathode, the estimated electron beam propagation region (the beam cross section in the plane of the anode grid) corresponds to the size and shape of the emitting cathode surface and can be determined in advance based on the geometry of the diode assembly.

Кроме того, применение анода в виде расположенных на заявленном расстоянии друг от друга нескольких сеток позволяет выравнивать потенциал в ускоряющем промежутке катод - первая сетка.In addition, the use of the anode in the form of several grids located at a stated distance from each other allows equalizing the potential in the accelerating gap of the cathode - the first grid.

Таким образом, предлагаемый диодный узел для генератора СВЧ-излучения содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодом и выполненным в виде, по крайней мере, двух прозрачных для электронов токопроводящих сеток анодом, связанными с источником импульсного напряжения. Расстояние между сетками, следующими друг за другом, меньше расстояния от катода до ближайшей к нему сетки, причем сетки не должны иметь электрического контакта между собой в предполагаемой области прохождения электронного пучка.Thus, the proposed diode assembly for a microwave radiation generator contains a vacuum chamber with a cathode located in it and made in the form of at least two transparent conductive meshes for electrons anode connected to a pulse voltage source. The distance between the grids following each other is less than the distance from the cathode to the grid nearest to it, and the grids should not have electrical contact with each other in the assumed region of the electron beam.

Построение диодного узла генератора СВЧ-излучения по предлагаемой схеме позволит достичь технического результата - повышения кпд генератора.The construction of the diode node of the microwave generator according to the proposed scheme will achieve a technical result - increase the efficiency of the generator.

На фиг.2 приведено схематичное изображение заявляемого диодного узла для СВЧ-генератора, где 1 - источник импульсного напряжения; 2 - вакуумная камера; 3 - катод; 4, 5 - анодная сетка; 6 - виртуальный катод.Figure 2 shows a schematic representation of the inventive diode node for a microwave generator, where 1 is a pulse voltage source; 2 - a vacuum chamber; 3 - cathode; 4, 5 - anode grid; 6 - virtual cathode.

Заявляемый диодный узел, выполненный по схеме фиг.2, реализован на практике. В состав СВЧ-генератора с заявляемым диодным узлом входят: высоковольтный источник импульсного напряжения 1, представляющий собой 12- каскадный низкоиндуктивный генератор Аркадьева-Маркса, цилиндрическая вакуумная камера 2, внутри которой соосно расположены плоский графитовый катод 3 диаметром 30 мм и анод в виде 2-х плоских токопроводящих сеток 4, 5 из танталовой проволоки. Геометрическая прозрачность для электронов каждой из сеток ~90%. Зазор катод - первая анодная сетка равен 2,5...2,9 мм, расстояние между сетками 1,2 мм. Виртуальный катод 6 образуется в объеме вакуумной камеры за плоскостью второй сетки. Параметры инжектируемого в дрейфовую камеру пучка следующие: энергия электронов ~140 кэВ, ток пучка ~7 кА и длительность импульса ~40 нс на полувысоте.The inventive diode node, made according to the scheme of figure 2, is implemented in practice. The microwave generator with the claimed diode assembly includes: a high-voltage source of pulse voltage 1, which is a 12-cascade low-inductance Arkadyev-Marx generator, a cylindrical vacuum chamber 2, inside which a flat graphite cathode 3 with a diameter of 30 mm and an anode in the form of 2- x flat conductive nets 4, 5 of tantalum wire. The geometric transparency for the electrons of each grid is ~ 90%. The cathode gap - the first anode grid is 2.5 ... 2.9 mm, the distance between the grids is 1.2 mm. The virtual cathode 6 is formed in the volume of the vacuum chamber behind the plane of the second grid. The parameters of the beam injected into the drift chamber are as follows: the electron energy is ~ 140 keV, the beam current is ~ 7 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, цилиндрическая вакуумная камера 2, сетки 4, 5 электрически соединены друг с другом, заземлены и соединены с положительным полюсом источника напряжения. В результате взрывной эмиссии с поверхности катода формируется электронный поток, который, ускоряясь, проходит сквозь анодные сетки и образует в вакуумной камере виртуальный катод 6.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 cylindrical vacuum chamber 2, the grids 4, 5 are electrically connected to each other, grounded and connected to the positive pole of the voltage source. As a result of explosive emission from the surface of the cathode, an electronic stream is formed, which, accelerating, passes through the anode grids and forms a virtual cathode 6 in the vacuum chamber.

Захваченные в потенциальную яму между реальным и виртуальным катодом электроны совершают колебательное движение и излучают электромагнитную волну, которая покидает систему. Длина волны генерируемого излучения 3...4 см, а длительность импульса 25 нс на полувысоте.Electrons trapped in a potential well between the real and virtual cathodes oscillate and emit an electromagnetic wave that leaves the system. The wavelength of the generated radiation is 3 ... 4 cm, and the pulse duration is 25 ns at half maximum.

Для оценки результатов применения предлагаемого диодного узла на этом же генераторе СВЧ-излучения были проведены эксперименты с двухсеточным, выполненным по схеме прототипа (расстояние между сетками варьировалось в пределах от 3 до 7 мм), и традиционным односеточным анодом. Экспериментально установлено, что предлагаемый диодный узел позволяет, по крайней мере, вдвое повысить кпд генератора по сравнению как с вариантом прототипа, так и с односеточным вариантом.To evaluate the results of applying the proposed diode assembly on the same microwave radiation generator, experiments were carried out with a two-grid one made according to the prototype scheme (the distance between the grids varied from 3 to 7 mm) and a traditional single-grid anode. It was experimentally established that the proposed diode unit allows at least doubling the efficiency of the generator compared to both the prototype version and the single-grid version.

Claims

A diode assembly for microwave radiation generator, containing a vacuum chamber with a cathode located in it and made in the form of at least two transparent conductive meshes for electrons by an anode connected to a pulse voltage source, characterized in that the previous and subsequent networks are mounted on each other a distance less than the distance from the cathode to the grid closest to it without electrical contact in the region of the electron beam.