RU2352014C1 - Vircator with radial convergent beam - Google Patents
Vircator with radial convergent beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2352014C1 RU2352014C1 RU2007128273/09A RU2007128273A RU2352014C1 RU 2352014 C1 RU2352014 C1 RU 2352014C1 RU 2007128273/09 A RU2007128273/09 A RU 2007128273/09A RU 2007128273 A RU2007128273 A RU 2007128273A RU 2352014 C1 RU2352014 C1 RU 2352014C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- grids
- cathode
- generator
- anode
- diode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно к области генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК), и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения.The invention relates to microwave technology, and in particular to the field of electromagnetic radiation generation based on vibrations of a virtual cathode (VC), and can be used to create high-power microwave radiation generators.
Известен СВЧ-генератор, реализующий режим стохастического резонанса на основе диода с двумя анодными сетками [1] (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, Июнь 1999, Т.42, №6, с.67). Диод образован плоскими катодом и двумя анодными сетками, расположенными вдоль оси системы на некотором расстоянии друг от друга. Высоковольтное импульсное напряжение прикладывается к катод-анодному промежутку, при этом поток электронов, пройдя анодные сетки, образует ВК, генерирующий СВЧ-излучение. Вторая сетка в данной системе обеспечивает бистабильный профиль потенциала между реальным катодом и ВК.A known microwave generator that implements a stochastic resonance mode based on a diode with two anode grids [1] (A.E. Dubinov, K.E. Mikheev, V.D.Selemir, A.V. Sudovtsov, "Stochatron - microwave generator with a virtual cathode, realizing the stochastic resonance mode. "Proceedings of higher educational institutions. Physics, June 1999, Vol. 42, No. 6, p. 67). The diode is formed by a flat cathode and two anode grids located along the axis of the system at some distance from each other. A high-voltage pulse voltage is applied to the cathode-anode gap, while the electron flow, having passed through the anode grids, forms a VC generating microwave radiation. The second grid in this system provides a bistable potential profile between the real cathode and VC.
Недостатком данной конструкции является малый КПД генерации излучения.The disadvantage of this design is the low efficiency of radiation generation.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является СВЧ-генератор (виркатор) на основе коаксиального диода [2] (Weihua Jiang, Kevin Woolverton, James Dickens and Magne Kristiansen, "High Power Microwave Generation by a Coaxial Virtual Cathode Oscillator", IEEE Trans. on Plasma Science, October 1999, Vol.27, №5, p.1538). Система представляет собой размещенный в волноводе вакуумной камеры коаксиальный диод, образованный цилиндрическим катодом и цилиндрическим анодом, установленным посредством держателя (анодного электрода), электрически связанного с волноводом. Катод представляет собой полый цилиндр с внутренней эмиссионной поверхностью, внутри которого соосно с ним расположен анод, представляющий собой сетку в форме цилиндра. При подаче на диод высоковольтного импульсного напряжения происходит инжекция электронов с внутренней поверхности катода к оси системы. Электроны, пройдя через сетку, формируют ВК, являющийся причиной возникновения микроволнового (СВЧ) излучения, которое выводится через волновод.The closest technical solution to the proposed device is a microwave generator (vircator) based on a coaxial diode [2] (Weihua Jiang, Kevin Woolverton, James Dickens and Magne Kristiansen, "High Power Microwave Generation by a Coaxial Virtual Cathode Oscillator", IEEE Trans . on Plasma Science, October 1999, Vol. 27, No. 5, p. 1538). The system is a coaxial diode located in the waveguide of a vacuum chamber, formed by a cylindrical cathode and a cylindrical anode mounted by a holder (anode electrode) electrically connected to the waveguide. The cathode is a hollow cylinder with an internal emission surface, inside of which an anode is located coaxially with it, which is a grid in the form of a cylinder. When a high voltage pulse voltage is applied to the diode, electrons are injected from the inner surface of the cathode to the axis of the system. Electrons passing through the grid form a VC, which is the cause of the occurrence of microwave (microwave) radiation, which is output through the waveguide.
Основной недостаток данного генератора заключается в малом КПД генерации излучения, обусловленном низкой эффективностью преобразования энергии пучка электронов в СВЧ-излучение.The main disadvantage of this generator is the low efficiency of radiation generation due to the low efficiency of converting the energy of the electron beam into microwave radiation.
Задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с повышенным КПД генерации излучения.The objective of the invention is the creation of an improved microwave generator with increased efficiency of radiation generation.
Техническим результатом данного решения является увеличения эффективности использования энергии пучка электронов.The technical result of this solution is to increase the energy efficiency of the electron beam.
Технический результат в заявляемом виркаторе достигается за счет того, что в отличие от известного виркатора с радиальным сходящимся пучком, содержащего установленный в волноводе вакуумной камеры и подключенный к внешнему источнику питания коаксиальный диод, образованный цилиндрическими катодом и анодом, представляющим собой сетку в форме цилиндра, связанным с волноводом анодным электродом, а также систему вывода излучения, в предлагаемом виркаторе анод дополнен, по крайней мере, одной сеткой в форме цилиндра, соосного катоду, сетки имеют различные диаметры и установлены с возможностью образования ВК между ними.The technical result in the claimed vircator is achieved due to the fact that, in contrast to the known vircator with a radial converging beam, containing a coaxial diode installed in the waveguide of the vacuum chamber and connected to an external power source, formed by a cylindrical cathode and an anode, which is a grid in the form of a cylinder, connected with a waveguide anode electrode, as well as a radiation output system, in the proposed vircator, the anode is supplemented with at least one grid in the form of a cylinder, a coaxial cathode, a grid and eyut different diameters and are mounted to form a VC therebetween.
За счет этого возникает несколько ВК, что позволяет благодаря суммированию их излучательных способностей увеличить эффективность использования энергии электронного пучка, за счет чего увеличивается мощность СВЧ-излучения.Due to this, several VCs arise, which allows, due to the summation of their emissivity, to increase the energy efficiency of the electron beam, which increases the power of microwave radiation.
Посредством сравнения аналога и прототипа с заявляемым устанавливаем, что принцип действия устройства основан на следующем. Потенциал ВК равен потенциалу катода. За ВК существует пролетный ток, который в несколько раз меньше диодного тока. Поэтому при плоской геометрии диода (аналог) второй ВК не должен образовываться за второй сеткой из-за малой концентрации электронов, так как потенциал второго ВК также должен быть равен потенциалу катода. В аналоге вторая сетка расположена на близком расстоянии от первой, поэтому ВК образуется не между сетками, а после них. При сравнении заявляемого генератора с прототипом очевидно, что возможности прототипа ограничены энергетикой одного ВК.By comparing the analogue and prototype with the claimed we establish that the principle of operation of the device is based on the following. The potential of VC is equal to the potential of the cathode. For VC there is a span current, which is several times less than the diode current. Therefore, with the flat geometry of the diode (analog), a second VC should not form behind the second grid due to the low electron concentration, since the potential of the second VC should also be equal to the potential of the cathode. In analogue, the second grid is located at a close distance from the first, therefore, a VC is formed not between the grids, but after them. When comparing the inventive generator with the prototype, it is obvious that the capabilities of the prototype are limited by the energy of one VK.
В заявляемом же устройстве в связи с геометрическими особенностями диода, установленного в волноводе вакуумной камеры и подключенного к внешнему источнику питания, концентрация электронов увеличивается при движении к центру, благодаря чему возникает второй ВК. За вторым ВК также существует пролетный ток, поэтому если за второй сеткой установить третью, меньшую по диаметру, то за ней может образоваться третий ВК и так далее. Расстояние между сетками задается из условия формирования ВК между ними. Оно рассчитывается теоретически с учетом таких параметров системы, как мощность источника питания и геометрия диодного узла виркатора, и экспериментально оптимизируется. Благодаря возникновению нескольких ВК увеличивается мощность выходного излучения из-за суммарного вклада ВК.In the inventive device, due to the geometric features of the diode installed in the waveguide of the vacuum chamber and connected to an external power source, the electron concentration increases when moving to the center, due to which a second VC arises. There is also a passing current behind the second VC, therefore, if a third smaller diameter is installed behind the second grid, then a third VC can form behind it and so on. The distance between the grids is set from the conditions for the formation of VC between them. It is calculated theoretically taking into account such system parameters as the power source power and the geometry of the vircator diode assembly, and is experimentally optimized. Due to the appearance of several VCs, the output radiation power increases due to the total contribution of the VCs.
Таким образом, за счет образования нескольких ВК более эффективно используется энергия пучка электронов и поэтому повышается КПД генерации СВЧ-излучения.Thus, due to the formation of several VCs, the energy of the electron beam is used more efficiently and, therefore, the generation efficiency of microwave radiation is increased.
На фиг.1 схематически изображены многосеточный виркатор с радиальным сходящимся пучком и подключение питания к устройству, на фиг.2 изображен соответствующий разрез.Figure 1 schematically depicts a multigrid vircator with a radial converging beam and connecting power to the device, figure 2 shows a corresponding section.
Заявляемый генератор представляет собой расположенный в волноводе 2 вакуумной камеры коаксиальный диод, состоящий из цилиндрического катода с внутренней эмиссионной поверхностью 3 и анода в виде, по крайней мере, двух сеток в форме цилиндра 4 и анодного электрода 6. Сетки расположены внутри катода соосно с ним. Сетки установлены таким образом, чтобы между ними образовывались ВК. Из генератора в свободное пространство микроволновое излучение выводится с помощью системы вывода излучения в виде рупорной антенны 7. Сетки электрически связаны с рупором посредством анодного электрода. Внутренние вакуумируемые полости генератора (вакуумная камера) отделены от внешнего пространства диэлектрическим вакуумплотным окном 8. К диоду прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 1.The inventive generator is a coaxial diode located in the waveguide 2 of the vacuum chamber, consisting of a cylindrical cathode with an internal emission surface 3 and an anode in the form of at least two grids in the form of a cylinder 4 and an anode electrode 6. The grids are located coaxially with it inside the cathode. The grids are installed in such a way that a VC is formed between them. From the generator into the free space, the microwave radiation is output using the radiation output system in the form of a horn antenna 7. The grids are electrically connected to the horn by means of an anode electrode. The internal evacuated cavity of the generator (vacuum chamber) is separated from the external space by a dielectric vacuum-tight window 8. A high-voltage voltage is applied to the diode from an external power source 1.
В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения, выполненный, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов" М.: Атомиздат, 1972).As a power source, you can use the pulse voltage generator, made, for example, according to the Arkadyev-Marx scheme [3] (GA Mesyats "Generation of powerful nanosecond pulses" M .: Atomizdat, 1972).
Устройство работает следующим образом. При подаче импульсного напряжения от внешнего источника питания 1 на диод, состоящий из катода 3 и анода в виде сеток 4, с внутренней поверхности катода инжектируется в радиальном направлении к оси системы пучок электронов, который, проходя через первую сетку 4, является причиной возникновения первого ВК 51. За ВК существует пролетный ток, который, проходя через вторую сетку, является причиной возникновения второго ВК 52. Несмотря на то что пролетный ток значительно меньше катодного, концентрация электронов увеличивается за счет радиального сжатия пучка, благодаря чему она оказывается достаточной для возникновения второго ВК. За вторым ВК также существует пролетный ток, который, проходя через третью сетку, образует третий ВК 53 и так далее. В свободное пространство излучение выводится с помощью рупорной антенны 7 через диэлектрическое вакуумплотное окно 8.The device operates as follows. When applying a pulsed voltage from an external power source 1 to a diode consisting of a cathode 3 and an anode in the form of grids 4, an electron beam is injected radially from the cathode’s surface to the axis of the system, which, passing through the first grid 4, causes the first VC 5 1 . Beyond the VC there is a span current, which, passing through the second grid, is the cause of the second VC 5 2 . Despite the fact that the transit current is much lower than the cathode current, the electron concentration increases due to the radial compression of the beam, so that it is sufficient for the appearance of a second VC. Behind the second VK there is also a passing current, which, passing through the third grid, forms the third VK 5 3 and so on. In free space, radiation is output using a horn antenna 7 through a vacuum-tight dielectric window 8.
В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора волновод, анод, катод и рупорная антенна выполнены из стали, анодные сетки - из нихрома, выводное диэлектрическое окно - из оргстекла. Расстояние между соседними сетками, например, равно удвоенному расстоянию между катодом и ближайшей к нему сеткой, что обусловлено необходимостью образования между соседними сетками ВК. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа ~10-5 Торр.In the example of the proposed microwave generator, the waveguide, anode, cathode and horn antenna are made of steel, the anode grid is made of nichrome, and the output dielectric window is made of plexiglass. The distance between adjacent grids, for example, is equal to twice the distance between the cathode and the grid closest to it, which is due to the need to form VC between neighboring grids. The internal cavity of the generator is evacuated to a residual gas pressure of ~ 10 -5 Torr.
Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет создания условий формирования нескольких ВК КПД генератора увеличен.Thus, due to an increase in the efficiency of converting the energy of the electron beam into the energy of microwave radiation by creating conditions for the formation of several VCs, the efficiency of the generator is increased.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007128273/09A RU2352014C1 (en) | 2007-07-23 | 2007-07-23 | Vircator with radial convergent beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007128273/09A RU2352014C1 (en) | 2007-07-23 | 2007-07-23 | Vircator with radial convergent beam |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007128273A RU2007128273A (en) | 2009-01-27 |
| RU2352014C1 true RU2352014C1 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=40543753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007128273/09A RU2352014C1 (en) | 2007-07-23 | 2007-07-23 | Vircator with radial convergent beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2352014C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535924C1 (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type |
-
2007
- 2007-07-23 RU RU2007128273/09A patent/RU2352014C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Weihua Jiang, Kevin Woolverton, James Dickens and Magne Kristiansen, "High Power Microwave Generation by a Coaxial Virtual Cathode Oscillator", IEEE Trans. on Plasma Science, October 1999, Vol.27, №5, c.1538. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535924C1 (en) * | 2013-05-30 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007128273A (en) | 2009-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH03501074A (en) | Electromagnetic radiation generator and high current electron gun | |
| Selemir et al. | Key ideas and main milestones of research and development of microwave generators with virtual cathode in RFNC-VNIIEF | |
| CN105261541B (en) | High power radial line relativistic klystron amplifier | |
| Yalandin et al. | Synphase operation of nanosecond relativistic 37-GHz backward-wave oscillators without electrodynamic coupling | |
| JPH03500221A (en) | Improved plasma wave tube | |
| US4038602A (en) | Automodulated realtivistic electron beam microwave source | |
| Drori et al. | Demonstration of microwave generation by a ferroelectric-cathode tube | |
| Ju et al. | Characterization of Cesium Iodide-Coated Carbon-Fiber Aluminum Cathode for an $ S $-Band High-Efficiency Vircator | |
| RU2352014C1 (en) | Vircator with radial convergent beam | |
| US5159241A (en) | Single body relativistic magnetron | |
| Afanas’ ev et al. | A high-power periodic nanosecond pulse source of coherent 8-cm electromagnetic radiation | |
| US8564224B2 (en) | High average current, high quality pulsed electron injector | |
| Sung et al. | Influence of anode-cathode gap distance on output characteristics of high-power microwave from coaxial virtual cathode oscillator | |
| Loza et al. | Increase in the average radiation power of a plasma relativistic microwave generator | |
| US4459511A (en) | Maser | |
| CN103606505A (en) | Cold cathode electronic gun modulated by microwave | |
| Nagao et al. | High-power microwave generation by double-anode virtual cathode oscillator | |
| Liu et al. | Second-harmonic generation of Raman scattered light in a plasma channel | |
| RU2334302C2 (en) | Microwave crossed-field oscillator | |
| RU2297688C1 (en) | Microwave oscillator built around virtual radial-beam cathode | |
| RU2221306C2 (en) | Magnetically isolated vircator | |
| RU2395132C1 (en) | Microwave oscillator on basis of virtual cathode with radial beam | |
| RU2134920C1 (en) | Reflecting triode | |
| RU2625458C1 (en) | Relativistic microwave generator | |
| RU2387040C1 (en) | Shf generator based on radial beam |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100724 |