RU2328062C1

RU2328062C1 - Interference switch of resonance microwave-compressor

Info

Publication number: RU2328062C1
Application number: RU2006134746/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Андреевич Августинович (RU); Владимир Андреевич Августинович; Сергей Николаевич Артёменко (RU); Сергей Николаевич Артёменко; Юрий Георгиевич Юшков (RU); Юрий Георгиевич Юшков
Original assignee: Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики"
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-06-27
Also published as: RU2006134746A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in interference switch of resonance microwave compressor, which contains wave conducting T-shaped H-junction box with rectangular semi-wave short-circuited side shoulder and electric igniter discharger, which is installed in short-circuited shoulder, according to invention, electric igniter discharger is installed in the centre of shorting device, and on narrow walls of short-circuited shoulder wave conductor, in full height of these walls, at the distance of λ_W/4 from shorting device, one vertical slot-like opening is made with the width of c≤5-10^-2 a " λ_W, where λ_W - is wave length in wave conductor, a - wave conductor width, at that in the centre of working surface of one of broad walls of wave conductor of short-circuited shoulder, at the distance of λ_W/4 from shorting device, obstacle is installed electrically tight, which is made of refractory metal in the form of truncated cone with diameters of D≤2c in foundation, diameter on the top d≤c and height of h≤0.1c.

EFFECT: increase of commutated power level and stability of switch actuation; increase of its working resource.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в резонансных СВЧ-компрессорах для формирования мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с высокой частотой повторения.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in resonant microwave compressors for the formation of powerful microwave pulses of nanosecond duration with a high repetition rate.

Известен интерференционный переключатель резонансного СВЧ компрессора, содержащий Т-образный волноводный Н-тройник с закороченным полуволновым прямым плечом и СВЧ-разрядником тригатронного типа, расположенным в закороченном плече на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя [1]. Однако такой переключатель имеет относительно низкую электрическую прочность и, соответственно, низкий уровень коммутируемой мощности из-за того, что в нем электроды поджигающего разрядника расположены в отверстии, которое выполнено в широкой стенке волновода в максимуме электрической составляющей ВЧ-поля. Наличие отверстия приводит к локальному увеличению напряженности ВЧ поля в этом месте и, соответственно, к снижению электрической прочности переключателя. Кроме того, в разрядном промежутке переключателя всегда присутствуют остаточные продукты предыдущего разряда, также понижающие электрическую прочность волновода. Отмеченные факторы являются причиной и невысокой стабильности работы переключателя, т.к. способствуют переходу переключателя в режиме неуправляемого разряда (самопробоя) и вызывают увеличение области «блуждания» искры разряда по поверхности волновода. Все это приводит к росту флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы СВЧ-разряда и, как следствие, к нестабильности амплитуды и длительности сигналов на выходе компрессора. К тому же, известный переключатель имеет сравнительно малый рабочий ресурс из-за быстрой деградации поверхности стенки медного волновода в районе отверстия, где размещены электроды поджигающего разрядника и формируется СВЧ-разряд.Known interference switch of a resonant microwave compressor containing a T-shaped waveguide H-tee with a shorted half-wave straight arm and a trigatron-type microwave spark gap, located in the shorted arm at a distance of λ _in / 4 from the short circuit [1]. However, such a switch has a relatively low dielectric strength and, accordingly, a low level of switching power due to the fact that the electrodes of the igniting spark gap are located in the hole, which is made in the wide wall of the waveguide at the maximum of the electric component of the RF field. The presence of the hole leads to a local increase in the RF field strength at this place and, accordingly, to a decrease in the dielectric strength of the switch. In addition, residual products of the previous discharge are always present in the discharge gap of the switch, which also reduces the electric strength of the waveguide. The noted factors are the reason for the low stability of the switch, as they facilitate the transition of the switch in an uncontrolled discharge (self-breakdown) mode and cause an increase in the region of “wandering” of the discharge spark over the surface of the waveguide. All this leads to an increase in fluctuations in the amplitude and phase of the wave reflected from the plasma of the microwave discharge and, as a result, to instability of the amplitude and duration of the signals at the compressor output. In addition, the known switch has a relatively small operating resource due to the rapid degradation of the wall surface of the copper waveguide in the region of the hole where the electrodes of the ignition arrester are located and a microwave discharge is formed.

Известен еще ряд аналогичных переключателей [2, 3], имеющих те же недостатки, что и переключатель, рассмотренный выше.A number of similar switches are also known [2, 3], which have the same drawbacks as the switch discussed above.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является переключатель, содержащий волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным закороченным полуволновым боковым плечом и поджигающим разрядником, расположенным на одной из широких стенок этого плеча на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя в плоскости симметрии волновода плеча, параллельной узким стенкам волновода [4]. Этот переключатель также обладает отмеченными выше недостатками.The closest in technical essence to the proposed device is a switch containing a waveguide T-shaped H-tee with a rectangular shorted half-wave side arm and an arrester, located on one of the wide walls of this arm at a distance of λ _in / 4 from the short circuit in the plane of symmetry of the shoulder waveguide parallel to the narrow walls of the waveguide [4]. This switch also has the disadvantages noted above.

Задачей изобретения является создание интерференционного переключателя резонансного СВЧ-компрессора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой мощности, достижение более высокой стабильности срабатывания переключателя и увеличение рабочего ресурса переключателя.The objective of the invention is the creation of an interference switch of a resonant microwave compressor, providing an increase in the level of switched power, achieving higher stability of operation of the switch and increasing the operating life of the switch.

Поставленная задача достигается тем, что в интерференционном переключателе резонансного СВЧ-компрессора, содержащем, как и прототип, волноводный Т-образный Н-тройник с прямоугольным полуволновым короткозамкнутым боковым плечом и электрический поджигающий разрядник, расположенный на короткозамкнутом плече, согласно изобретению, электрический поджигающий разрядник расположен в центре короткозамыкателя, а на узких стенках волновода короткозамкнутого плеча, в полную высоту этих стенок, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, выполнено по одном вертикальному щелевидному отверстию шириной с≤5·10^-2а«λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода, при этом в центр рабочей поверхности одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча, на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя, электрически плотно вмонтирована неоднородность, выполненная из тугоплавкого металла в виде усеченного конуса с диаметрами D≤2с в основании, диаметром на вершине d≤с на вершине и высотой h≤0.1с.The problem is achieved in that in the interference switch of the resonant microwave compressor, containing, like the prototype, a waveguide T-shaped H-tee with a rectangular half-wave short-circuited side arm and an electric igniter, located on the short-circuited arm, according to the invention, an electric ignition arrester is located for short in the center, and in the narrow walls of the waveguide short-circuited arm in the full height of the wall, at a distance of λ _in / 4 of the short-Run for about one vertical slot-like opening width s≤5 · 10 ^-2 and «λ _a where λ _a - wavelength in the waveguide, and - the width of the waveguide, while in the center of the working surface of one of the broad walls of the waveguide short-circuited arm, at a distance λ _in / 4 from the short circuit, an inhomogeneity made of a refractory metal in the form of a truncated cone with diameters D≤2s at the base, diameter at the top d≤s at the top and height h≤0.1s is electrically tightly mounted.

Размеры щелевидных отверстий и неоднородности выбраны так, чтобы отражение электромагнитной волны от отверстий и неоднородности не приводило к уменьшению переходного ослабления переключателя в режиме «закрыто».The sizes of the slit-like openings and the inhomogeneity are chosen so that the reflection of the electromagnetic wave from the holes and the inhomogeneity does not lead to a decrease in the transient attenuation of the switch in the closed mode.

Устройство иллюстрируется чертежами, на которых представлено:The device is illustrated by drawings, which show:

на фиг.1 - схема интерференционного переключателя резонансного СВЧ-компрессора; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - поперечный разрез короткозамкнутого бокового плеча.figure 1 - diagram of the interference switch of a resonant microwave compressor; figure 2 is the same side view; figure 3 is a transverse section of a short-circuited lateral shoulder.

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора содержит волноводный Н-тройник 1 с полуволновым боковым плечом 2 и короткозамыкателем 3 плеча. На короткозамыкателе 3 расположен поджигающий электрический разрядник 4. В узких стенках бокового плеча 2 прямоугольного волновода, в полную их высоту на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя 3 вырезаны вертикальные щелевидные отверстия 5, ширина которых составляет с≈5·10^-2а«λ_в, где λ_в - длина волны в волноводе, а - ширина волновода. В рабочую поверхность одной из широких стенок волновода короткозамкнутого плеча на расстоянии λ_в/4 от короткозамыкателя электрически плотно вмонтирована неоднородность 6, выполненная, например, из нержавеющей стали или молибдена.The interference switch of the resonant microwave compressor contains a waveguide H-tee 1 with a half-wave side arm 2 and a short circuit 3 of the arm. A firing electric arrester 4 is located on the short-circuiting device 4. In the narrow walls of the lateral shoulder 2 of a rectangular waveguide, vertical slit-like openings 5 are cut out to their full height at a distance of λ _in / 4 from the short-circuiting device 3, the width of which is from ≈5 · 10 ^-2 a «λ _in , where λ _in is the wavelength in the waveguide, and is the width of the waveguide. In the working surface of one of the wide walls of the waveguide of the short-circuited arm at a distance of λ _in / 4 from the short-circuit, an inhomogeneity 6 is made tightly mounted, for example, made of stainless steel or molybdenum.

Интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора работает следующим образом. Электромагнитная волна, подаваемая на вход переключателя, делится тройником 1 на волну, идущую в боковое плечо 2, и волны, следующие к входу и выходу переключателя. Волна, поступающая в боковое плечо 2, отражается от короткозамыкателя 3, меняет фазу на противоположную, возвращается к тройнику 1 и делится им на две, одна из которых идет к входу, а вторая к выходу. В силу выбора длины бокового плеча, равной половине длины волны в волноводе, и в силу известных свойств волноводного Н-тройника, волны, поступающие на выход устройства из бокового плеча 2 и со стороны входа переключателя, имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы. Поэтому они компенсируют друг друга, и это исключает излучение СВЧ-энергии в нагрузку через переключатель в режиме «закрыто». После подачи на электрический разрядник 4 импульса высокого напряжения происходит пробой между высоковольтным электродом разрядника и короткозамыкателем 3 бокового плеча 2, находящегося под нулевым (земляным) потенциалом. Искра разряда осуществляет ультрафиолетовую подсветку волноводного разрядного промежутка в месте неоднородности 6, инициируя в промежутке свободные электроны и провоцируя, таким образом, развитие СВЧ-разряда в электрически наиболее слабом месте промежутка - месте расположения неоднородности 6. СВЧ-разряд приводит к образованию в этом месте плазменного канала, который быстро «переносит» положение короткозамыкателя 3 бокового плеча 2 на λ_в/4 и, соответственно, обеспечивает изменение фазы волны, поступающей из плеча на выход переключателя, на противоположную. Это приводит к синфазному суммированию волн на выходе переключателя, излучаемых из бокового плеча и со стороны входа устройства, и, следовательно, переходу переключателя в режим «открыто», т.е. в режим прохода волны через переключатель без отражений. В месте неоднородности 6 волноводный разрядный промежуток непрерывно продувается потоком газа через отверстия 5, одно из которых является входным, а другое выходным. Поток удаляет продукты разряда из промежутка и восстанавливает электрическую прочность промежутка. После этого цикл повторяется.The interference switch of the resonant microwave compressor operates as follows. The electromagnetic wave supplied to the input of the switch is divided by a tee 1 into a wave going to the side arm 2, and the waves following to the input and output of the switch. The wave entering the lateral shoulder 2 is reflected from the short circuit 3, changes the phase to the opposite, returns to the tee 1 and is divided into two, one of which goes to the entrance and the second to the exit. Due to the choice of the side arm length equal to half the wavelength in the waveguide, and due to the known properties of the waveguide H-tee, the waves arriving at the output of the device from the side arm 2 and from the input side of the switch have the same amplitudes and opposite phases. Therefore, they cancel each other, and this eliminates the emission of microwave energy into the load through the switch in the "closed" mode. After applying a high voltage pulse to the electric spark gap 4, a breakdown occurs between the high voltage electrode of the spark gap and short circuit 3 of the side arm 2, which is under zero (earth) potential. The spark spark carries out ultraviolet illumination of the waveguide discharge gap at the site of inhomogeneity 6, initiating free electrons in the gap and thus provoking the development of a microwave discharge in the electrically weakest point of the gap — the location of inhomogeneity 6. The microwave discharge leads to the formation of a plasma channel, which quickly “transfers” the position of the short-circuit 3 of the side shoulder 2 to λ _in / 4 and, accordingly, provides a change in the phase of the wave coming from the shoulder to the switch output I, on the opposite. This leads to in-phase summation of the waves at the output of the switch emitted from the side shoulder and from the input side of the device, and, therefore, the switch switches to the “open” mode, i.e. into the mode of wave passage through the switch without reflections. In the place of heterogeneity 6, the waveguide discharge gap is continuously blown through a gas stream through openings 5, one of which is the input and the other output. The flow removes discharge products from the gap and restores the dielectric strength of the gap. After that, the cycle repeats.

Повышение уровня коммутируемой мощности достигается за счет увеличения электрической прочности разрядного промежутка, которое обеспечивается размещением поджигающего разрядника не в максимуме электрической составляющей ВЧ-поля, а в минимуме - в центре короткозамыкателя 3 бокового плеча 2. Кроме того, увеличение прочности обеспечивается непрерывным удалением продуктов СВЧ-разряда из разрядного промежутка продувом промежутка потоком газа через щелевидные отверстия 5, выполненные в боковых (узких) стенках, а также выполнением (лучше наличием) неоднородности 6, локализующей место пробоя, достаточно слабой по сравнению с неоднородностью в виде отверстия в стенке волновода. Более высокая прочность промежутка обеспечивает и повышение стабильности срабатывания переключателя, так как приводит к снижению количества самопроизвольных срабатываний переключателя. Сохранение электрической прочности промежутка на уровне, сопоставимом с уровнем прочности без неоднородности и одновременное обеспечение жесткой локализации места возникновения искры СВЧ-разряда в пределах неоднородности достигается соответствующим выбором размеров и профиля неоднородности. Локализация искры устраняет значительные флуктуации амплитуды и фазы волны, отраженной от плазмы искры, и, как следствие, снижает нестабильность амплитуды и длительности выходного сигнала компрессора. Увеличение рабочего ресурса переключателя обеспечивается выполнением одного из электродов СВЧ-разрядника (неоднородности поверхности волновода) из более тугоплавкого, чем стенки волновода, металла, а также за счет охлаждения поверхности электродов разрядника потоком продуваемого газа.An increase in the switched power level is achieved by increasing the electric strength of the discharge gap, which is ensured by placing the ignition arrester not at the maximum electric component of the RF field, but at the minimum in the center of the short circuit 3 of the side arm 2. In addition, the increase in strength is ensured by the continuous removal of microwave products discharge from the discharge gap by blowing the gap with a gas stream through slit-like openings 5 made in the side (narrow) walls, as well as by performing (preferably In other words, the inhomogeneity 6 localizing the breakdown location is rather weak compared to the inhomogeneity in the form of an aperture in the waveguide wall. Higher strength of the gap provides an increase in the stability of the operation of the switch, as it reduces the number of spontaneous operations of the switch. Maintaining the electric strength of the gap at a level comparable to the level of strength without heterogeneity and at the same time ensuring rigid localization of the place of occurrence of the microwave spark spark within the heterogeneity is achieved by an appropriate choice of the size and profile of the heterogeneity. The localization of the spark eliminates significant fluctuations in the amplitude and phase of the wave reflected from the plasma of the spark, and, as a result, reduces the instability of the amplitude and duration of the compressor output signal. An increase in the operating life of the switch is ensured by the implementation of one of the electrodes of the microwave discharge device (inhomogeneity of the surface of the waveguide) of a more refractory metal than the walls of the waveguide, as well as by cooling the surface of the electrodes of the spark gap with a flow of purged gas.

Таким образом, предлагаемый интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора обеспечивает повышение уровня коммутируемой мощности, повышение стабильности срабатывания переключателя и увеличение рабочего ресурса переключателя.Thus, the proposed interference switch of the resonant microwave compressor provides an increase in the level of switched power, increase the stability of the operation of the switch and increase the operating life of the switch.

В качестве примера рассмотрим интерференционный переключатель резонансного СВЧ-компрессора 10-см диапазона длин волн, который был выполнен в виде волноводного Н-тройника из круглого волновода диаметром 90 мм. К круглому боковому плечу тройника длиной 25 мм подсоединялся плавный переход с круглого волновода на прямоугольный сечением 72×38 мм. Длина перехода составляла 100 мм. Таким образом, полная длина бокового плеча тройника равнялась 125 мм. Прямоугольный участок волновода бокового плеча составлял 40 мм, что на рабочей частоте СВЧ-компрессора 2800 МГц соответствовало четверти длины волны в прямоугольном волноводе. Заканчивалось боковое плечо короткозамыкателем, выполненным в виде подвижной мембраны.As an example, we consider the interference switch of a resonant microwave compressor of a 10-cm wavelength range, which was made in the form of a waveguide H-tee from a circular waveguide with a diameter of 90 mm. A smooth transition from a circular waveguide to a rectangular section of 72 × 38 mm was connected to the round lateral shoulder of a 25 mm long tee. The transition length was 100 mm. Thus, the total length of the lateral shoulder of the tee was 125 mm. The rectangular portion of the side arm waveguide was 40 mm, which at the operating frequency of the 2800 MHz microwave compressor corresponded to a quarter of the wavelength in the rectangular waveguide. The lateral shoulder ended with a short-circuit made in the form of a movable membrane.

На короткозамыкателе был смонтирован поджигающий электрический разрядник, осуществлявший ультрафиолетовую подсветку разрядного промежутка волновода бокового плеча. Разрядник срабатывал после подачи на него импульсов высокого напряжения амплитудой 16 кВ. На узких стенках прямоугольной части бокового плеча параллельно короткозамыкателю на расстоянии 40 мм от него были изготовлены два щелевидных отверстия шириной 3.5 мм и длиной 38 мм. К щелям через конические переходы подсоединялись трубопроводы системы продува.A firing electric arrester was mounted on the short circuit, which provided ultraviolet illumination of the discharge gap of the side shoulder waveguide. The arrester was triggered after the supply of high voltage pulses with an amplitude of 16 kV. On the narrow walls of the rectangular part of the side shoulder parallel to the short-circuit breaker at a distance of 40 mm from it, two slit-shaped holes were made with a width of 3.5 mm and a length of 38 mm. Pipes of the blowing system were connected to the slots through conical passages.

Неоднородность рабочей поверхности бокового плеча была выполнена из нержавеющей стали в виде усеченного конуса диаметром 6 мм в основании, 4 мм на вершине и высотой 0.3 мм. Через отверстие в широкой стенке прямоугольной части волновода бокового плеча неоднородность электрически плотно монтировалась на рабочей поверхности одной из широких стенок волновода на расстоянии 40 мм от короткозамыкателя и 36 мм от узких стенок волновода плеча.The heterogeneity of the working surface of the lateral shoulder was made of stainless steel in the form of a truncated cone with a diameter of 6 mm at the base, 4 mm at the apex, and a height of 0.3 mm. Through the hole in the wide wall of the rectangular part of the side shoulder waveguide, the heterogeneity was electrically tightly mounted on the working surface of one of the wide walls of the waveguide at a distance of 40 mm from the short circuit and 36 mm from the narrow walls of the shoulder waveguide.

Такой переключатель был испытан на высоком уровне мощности в СВЧ-компрессоре с уровнем коммутируемой мощности 200 МВт. Переключатель обеспечивал среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов 3-5% при частоте следования импульсов СВЧ до 200 Гц. Аналогичный переключатель, но без системы продува и с поджигающим разрядником, расположенным на широкой стенке волновода закороченного плеча в месте максимума электрической составляющей ВЧ-поля, имел уровень коммутируемой мощности не более 150 МВт и среднеквадратичное отклонение амплитуды выходных сигналов 15-20%. Ресурс такого переключателя не превышал нескольких часов, тогда как ресурс предлагаемого переключателя составлял не менее ста часов.Such a switch was tested at a high power level in a microwave compressor with a switching power level of 200 MW. The switch provided a standard deviation of the amplitude of the output signals of 3-5% at a microwave pulse repetition rate of up to 200 Hz. A similar switch, but without a blowing system and with an ignition arrester located on a wide wall of the shorted arm waveguide at the maximum electric field component of the RF field, had a switched power level of not more than 150 MW and a standard deviation of the output signal amplitude of 15-20%. The resource of such a switch did not exceed several hours, while the resource of the proposed switch was at least one hundred hours.

Источники информацииInformation sources

1. Альварец Р., Бирке Д., Берн Д., Лауэр Е., Скалапино Д. Сжатие СВЧ-энергии во времени для использования в ускорителях заряженных частиц. - Атомная техника за рубежом, 1982, № 11, С.36-391. Alvarets R., Birke D., Bern D., Lauer E., Scalapino D. Compression of microwave energy in time for use in charged particle accelerators. - Nuclear technology abroad, 1982, No. 11, S.36-39

2. R.R.Alvarez, D.P.Byrne, R.M.Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. - Review of scientific instruments, 1986, № 10, P.2475-24802. R.R. Alvarez, D.P. Byrne, R. M. Johnson. Prepulse suppression in microwave pulse-compression cavities. - Review of scientific instruments, 1986, No. 10, P.2475-2480

3. D.L.Birx, D.J.Scalapino. A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetics, 1979, V. MAG-15, № 1, P.33-353. D.L. Birx, D.J. Scalapino. A cryogenic microwave switch. - IEEE Transactions on magnetics, 1979, V. MAG-15, No. 1, P.33-35

4. C.A.Новиков, C.B.Разин, Ю.Г.Юшков A.C. SU 1228256 A1, H03K 12/00, H01P 7/04.4. C.A. Novikov, C. B. Razin, Yu.G. Yushkov A.C. SU 1228256 A1, H03K 12/00, H01P 7/04.

Claims

The interference switch of a resonant microwave compressor, comprising a waveguide T-shaped H-tee with a rectangular half-wave short-circuited side arm and an electric spark gap located on the short-circuited shoulder, characterized in that the electric ignition spark gap is located in the center of the short-circuit arm and on the narrow walls of the short-wave arm waveguide the full height of these walls at a distance of λ _in / 4 from the short-circuit, made one vertical slit hole with a width of ≤5 · 10 ^-2 a "λ _in where λ _in is the wavelength in the waveguide, and is the width of the waveguide, while in the center of the surface of one of the wide walls of the short-circuited shoulder waveguide at a distance λ _in / 4 from the short-circuit, an inhomogeneity made of a refractory metal in the form of a truncated cone with a diameter of the base D≤2c, with a diameter at the apex d≤c and a height h≤0.1c, and pipelines of the blowing system are connected to the slit-like openings through conical transitions.