RU2461922C1

RU2461922C1 - Commutator switched by electron beams for active compressor microwave pulses

Info

Publication number: RU2461922C1
Application number: RU2011101787/07A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Леонтьевич Вихарев (RU); Анатолий Леонтьевич Вихарев; Владимир Александрович Исаев (RU); Владимир Александрович Исаев; Михаил Александрович Лобаев (RU); Михаил Александрович Лобаев; Олег Андреевич Иванов (RU); Олег Андреевич Иванов
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-09-20
Also published as: RU2011101787A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: developed commutator switched by electron beams for active compressor microwave pulses of microwave range consists of unimodal wave-propagating system with electron beams input unit connected to conical horn with preset angle of inclination. Unimodal wave-propagating system includes circular waveguide of selected length connected through moving diaphragm to commutator resonator formed by another circular waveguide at mode TE₀₁ and by two diaphragms at the opposite ends of waveguide. One of diaphragms is moving and the second immovable diaphragm serves as anode of electron gun which tubular cathode installed on moving cathode-holder is located behind the immovable diaphragm.

EFFECT: increasing level of commutated microwave power and actuation stability.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники больших мощностей, в частности к коммутаторам для изменения связи с нагрузкой накопительного резонатора мощного активного компрессора СВЧ импульсов.The invention relates to the field of high-power electronics, in particular to switches for changing the connection with the load of the storage resonator of a powerful active microwave pulse compressor.

Работа мощного активного компрессора СВЧ импульсов основана на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном СВЧ резонаторе в течение длительного времени с последующим быстрым ее выводом к нагрузке путем модуляции добротности резонатора. Основным элементом активного компрессора, определяющим уровень мощности в выходном импульсе, является коммутатор (переключатель), обеспечивающий вывод энергии из накопительного резонатора компрессора за счет увеличения связи с нагрузкой. Высокая пиковая мощность, возможность работать с большой частотой повторения и чистый модовый состав излучения делают активные СВЧ компрессоры весьма привлекательными для различных практических приложений, таких как ускорители заряженных частиц и радиолокация.The operation of a powerful active microwave pulse compressor is based on the accumulation of electromagnetic energy in a high-quality microwave resonator for a long time, followed by its rapid output to the load by modulating the resonator's Q factor. The main element of the active compressor, which determines the power level in the output pulse, is a switch (switch), which provides energy output from the compressor storage cavity by increasing the connection with the load. High peak power, the ability to work with a high repetition rate and a pure modal composition of the radiation make active microwave compressors very attractive for various practical applications, such as charged particle accelerators and radar.

Для создания активных компрессоров СВЧ импульсов предложены коммутаторы, действие которых основано на различных принципах: изменении диэлектрической проницаемости (проводимости) полупроводников под воздействием оптического (лазерного) излучения (см., например, патент US 5796314, МПК H01P 1/10, 1/15, публ. 18.08.98) или за счет создания плазмы непосредственно в объеме коммутатора (см., например, патент RU 2328062, МПК H01P 1/14, публ. 27.06.08; патент RU 2387055, МПК H01P 1/14, публ. 20.04.2010; патент US 4227153, МПК H01P 7/06, H03K 3/00, публ. 07.10.1980; заявка US 2010/0156558, МПК H01P 5/12, публ. 24.06.2010), или за счет создания плазмы в размещенных в коммутаторе газоразрядных трубках (см., например, патент US 4227153, МПК H01P 7/06, H03K 3/00, публ. 07.10.1980; заявка US 2010/0156558, МПК H01P 5/12, публ. 24.06.2010). Все указанные коммутаторы аналоги выполнены на основе интерференционного ключа, то есть Т-образного Н-тройника, изготовленного из одномодового волновода с разрядным промежутком или полупроводниковой пластиной в одном из плеч (Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы нано-секундной длительности. // М.: Энергоатомиздат, 1984). В режиме накопления энергии в компрессоре в Н-тройнике возникает стоячая электромагнитная волна. Узел этой волны расположен в области поперечного сечения выходного плеча тройника, что обеспечивает слабую связь с нагрузкой. Для переключения резонатора в режим вывода СВЧ энергии на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника создается электрический разряд (плазма) с высокой концентрацией электронов. В отдельных случаях (упомянутый патент US 5796314) на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча может быть установлена полупроводниковая (кремниевая) пластина, изменяющая свою диэлектрическую постоянную (проводимость) при облучении лазером. Появление плазмы (или изменение проводимости пластины) приводит к резкому изменению картины стоячих волн в выходном плече коммутатора, увеличению связи с нагрузкой и выводу СВЧ энергии из активного компрессора СВЧ импульсов. Разряд может создаваться как в кварцевой трубке, так и непосредственно в объеме тройника. При этом плазма образуется или под воздействием электромагнитных полей (самопробой), или инициируется с помощью внешнего источника высоковольтного напряжения. Низкая электропрочность описанных конструкций, приводящая к ограничению коммутируемой СВЧ мощности, связана с возникновением на поверхности размещаемых в коммутаторе диэлектриков или полупроводников мультипакторного разряда и с электрическим пробоем используемых материалов. Кроме того, при вакуумировании коммутатора наличие в Н-тройнике нормального к поверхности волновода электрического поля приводит к эмиссии электронов с его стенок и возникновению мультипакторного разряда.To create active microwave pulse compressors, switches are proposed whose operation is based on various principles: changing the dielectric constant (conductivity) of semiconductors under the influence of optical (laser) radiation (see, for example, patent US 5796314, IPC H01P 1/10, 1/15, publ. 18.08.98) or by creating plasma directly in the volume of the switch (see, for example, patent RU 2328062, IPC H01P 1/14, publ. 06/27/08; patent RU 2387055, IPC H01P 1/14, publ. 20.04 .2010; patent US 4227153, IPC H01P 7/06, H03K 3/00, publ. 10/07/1980; application US 2010/0156558, IPC H01P 5/12, publ. 24.06.2010), or due to plasma generation in discharge tubes placed in the switch (see, for example, US Pat. No. 4,227,153, IPC H01P 7/06, H03K 3/00, publ. 10/07/1980; application US 2010/0156558, IPC H01P 5/12, publ. 24.06 .2010). All of these analogue switches are made on the basis of an interference key, i.e. a T-shaped H-tee made of a single-mode waveguide with a discharge gap or a semiconductor wafer in one of the arms (Didenko A.N., Yushkov Yu.G. Powerful microwave pulses of nano- second duration. // M .: Energoatomizdat, 1984). In the mode of energy storage in the compressor, a standing electromagnetic wave arises in the H-tee. The node of this wave is located in the cross-sectional area of the output arm of the tee, which provides weak connection with the load. To switch the resonator to the mode of outputting microwave energy at a distance of λ / 4 from the short-circuited arm of the H-tee, an electric discharge (plasma) is created with a high electron concentration. In some cases (US Pat. No. 5,796,314), a semiconductor (silicon) wafer can be installed at a distance of λ / 4 from the short-circuited arm, which changes its dielectric constant (conductivity) when irradiated with a laser. The appearance of plasma (or a change in the conductivity of the plate) leads to a sharp change in the pattern of standing waves in the output arm of the switch, an increase in the connection with the load, and the removal of microwave energy from an active microwave pulse compressor. A discharge can be created both in a quartz tube and directly in the volume of a tee. In this case, the plasma is formed either under the influence of electromagnetic fields (self-breakdown), or is initiated using an external source of high voltage voltage. The low electric strength of the described structures, which leads to the limitation of the switched microwave power, is associated with the appearance of multipact discharge dischargers or semiconductors on the surface of the switch and with the electrical breakdown of the materials used. In addition, when the switch is evacuated, the presence of an electric field normal to the surface of the waveguide in the H-tee leads to the emission of electrons from its walls and the appearance of a multi-factor discharge.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому коммутатору является коммутатор для активных компрессоров СВЧ импульсов 3-см диапазона, переключаемый электронным пучком (патент US 4255731, МПК H01P 1/10, 1/14, публ. 10.03.1981), который выбран в качестве прототипа. Данный коммутатор содержит электронную пушку и одномодовый волноводный Т-образный Н-тройник, при этом одно плечо тройника соединено с накопительным резонатором компрессора СВЧ импульсов, противоположное ему плечо выполнено короткозамкнутым и имеет закрытое тонкой металлической фольгой отверстие, расположенное на расстоянии в четверть длины волны от короткозамыкателя и используемое для ввода электронного пучка, третье (боковое) плечо тройника используется для вывода СВЧ импульсов.The closest in technical essence to the claimed switch is a switch for active compressors of microwave pulses of 3 cm range, switchable by an electron beam (patent US 4255731, IPC H01P 1/10, 1/14, publ. 10.03.1981), which is selected as a prototype . This switch contains an electron gun and a single-mode waveguide T-shaped H-tee, with one arm of the tee connected to the storage cavity of the microwave pulse compressor, the opposite arm is short-circuited and has a hole closed by a thin metal foil located at a quarter wavelength from the short-circuit and used to input the electron beam, the third (side) shoulder of the tee is used to output microwave pulses.

Принцип действия данного коммутатора прототипа аналогичен принципу действия любого из указанных выше плазменных коммутаторов аналогов. Однако переключение накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов в режим вывода СВЧ энергии осуществляется не с помощью электрического разряда, как в аналогах, а путем инжекции сильноточного пучка электронов параллельно вектору электрического поля в волноводе. Электронный пучок вводится на расстоянии λ/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника через тонкую титановую фольгу. При этом для эффективного ввода пучка необходимы высокоэнергичные электроны, проникающие сквозь фольгу, поэтому напряжение на электронной пушке достигает 300 кВ. Для обеспечения электропрочности коммутатора прототипа в компрессоре поддерживается высокое (несколько атмосфер) давление газа. Отражение СВЧ волны от электронного пучка приводит к изменению фазы электромагнитной волны в выходном плече Н-тройника, увеличению связи с нагрузкой и выводу СВЧ энергии из компрессора. Устройство допускает и вакуумирование компрессора, но при этом электроды устанавливаются на стенках волновода, а переключение осуществляется с помощью плазмы, создаваемой вакуумной искрой.The principle of operation of this prototype switch is similar to the principle of operation of any of the above plasma analogue switches. However, switching the storage resonator of the microwave pulse compressor into the microwave energy output mode is carried out not by means of an electric discharge, as in the analogs, but by injection of a high-current electron beam parallel to the electric field vector in the waveguide. An electron beam is introduced at a distance of λ / 4 from the short-circuited arm of the H-tee through a thin titanium foil. In this case, high-energy electrons penetrating through the foil are necessary for efficient beam entry, so the voltage on the electron gun reaches 300 kV. To ensure the electrical strength of the prototype switch, a high (several atmospheres) gas pressure is maintained in the compressor. The reflection of the microwave wave from the electron beam leads to a change in the phase of the electromagnetic wave in the output arm of the H-tee, an increase in communication with the load and the removal of microwave energy from the compressor. The device also allows the compressor to be evacuated, but the electrodes are mounted on the walls of the waveguide, and switching is carried out using a plasma created by a vacuum spark.

Наиболее существенными недостатками устройства-прототипа являются:The most significant disadvantages of the prototype device are:

1. Низкая электропрочность при необходимом уменьшении рабочей длины волны СВЧ излучения, связанная с использованием одномодового волновода с малым поперечным сечением и наличием нормальной к поверхности волновода компоненты электрического поля. Поэтому высокий уровень СВЧ мощности приводит к пробоям в волноводе за счет эмиссии электронов с его стенок.1. Low electrical strength with the necessary reduction in the working wavelength of microwave radiation associated with the use of a single-mode waveguide with a small cross section and the presence of an electric field component normal to the surface of the waveguide. Therefore, a high level of microwave power leads to breakdowns in the waveguide due to the emission of electrons from its walls.

2. Ввод электронного пучка осуществляется через тонкую металлическую фольгу, отделяющую компрессор, заполненный газом (SF₆) под высоким давлением, от электронной пушки, находящейся под вакуумом. Такая конструкция сильно сокращает срок службы устройства из-за быстрого повреждения (прогорания) тонкой металлической фольги.2. The electron beam is introduced through a thin metal foil separating a compressor filled with high pressure gas (SF ₆ ) from an electron gun under vacuum. This design greatly reduces the life of the device due to the rapid damage (burnout) of thin metal foil.

3. Для эффективного переключения необходимо создавать высокую, ~10¹³ см^-3, концентрацию электронов и, следовательно, использовать сильноточные, ~8 кА, пучки электронов.3. For effective switching, it is necessary to create a high, ~ 10 ¹³ cm ^-3 , electron concentration and, therefore, use high-current, ~ 8 kA, electron beams.

4. Использование для переключения электронного пучка, вводимого через металлическую фольгу в Н-тройник, находящий под давлением несколько атмосфер, приводит из-за соударений электронов с молекулами газа к значительному поглощению выводимой СВЧ волны и снижению эффективности компрессии.4. Using for switching an electron beam introduced through a metal foil into an H-tee under a pressure of several atmospheres, due to collisions of electrons with gas molecules, a significant absorption of the output microwave wave and a decrease in the compression efficiency are caused.

Таким образом, коммутатор прототип не позволяет получать сжатые СВЧ импульсы с высокой (сотни мегаватт) мощностью при высокой стабильности и эффективности компрессии в сантиметровом (от 30 до 0,8 см) диапазоне длин волн.Thus, the prototype switch does not allow receiving compressed microwave pulses with high (hundreds of megawatts) power with high stability and compression efficiency in the centimeter (30 to 0.8 cm) wavelength range.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка электропрочного переключаемого электронным пучком коммутатора, обеспечивающего повышение уровня коммутируемой СВЧ мощности и высокую стабильность срабатывания, позволяющего выводить энергию из высокодобротных многомодовых накопительных СВЧ резонаторов, и обладающего низкими требованиями к величине тока и качеству электронного пучка, используемого для управления коммутатором.The problem to which the present invention is directed is the development of an electrically durable switch switched by an electron beam, providing an increase in the level of switched microwave power and high stability of operation, allowing energy to be extracted from high-quality multimode storage microwave resonators, and having low requirements for the current value and the quality of the electron beam, used to control the switch.

Технический результат в разработанном переключаемом электронным пучком коммутаторе достигается за счет того, что он, как и коммутатор прототип, содержит электронную пушку и одномодовую волноводную систему с узлом ввода электронного пучка для изменения связи с нагрузкой накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов.The technical result in the developed switchable electron beam switch is achieved due to the fact that it, like the prototype switch, contains an electron gun and a single-mode waveguide system with an electron beam input unit for changing the connection with the load of the storage resonator of the microwave pulse compressor.

Новым в разработанном переключаемом электронным пучком коммутаторе является то, что одномодовая волноводная система с узлом ввода электронного пучка включает в себя круглый волновод выбранной длины, с одной стороны соединенный через подвижную диафрагму с резонатором коммутатора, образованным другим круглым волноводом на моде TE₀₁ и двумя диафрагмами на противоположных торцах волновода. Одна из них является упомянутой подвижной диафрагмой, а вторая неподвижная диафрагма является анодом электронной пушки, трубчатый лезвийный катод которой, установленный на подвижном катододержателе, расположен за упомянутой неподвижной диафрагмой. При этом одномодовая волноводная система через другую сторону круглого волновода выбранной длины присоединена к коническому рупору с заданным углом наклона, входящему одновременно в состав накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов на моде ТЕ₀₂.A new feature in the developed switchable electron beam switch is that a single-mode waveguide system with an electron beam input unit includes a circular waveguide of a selected length, on the one hand connected through a movable diaphragm to a switch resonator formed by another circular waveguide in mode TE ₀₁ and two diaphragms on opposite ends of the waveguide. One of them is the said movable diaphragm, and the second fixed diaphragm is the anode of the electron gun, the tubular blade cathode of which is mounted on the movable cathode holder, located behind the said fixed diaphragm. In this case, a single-mode waveguide system through the other side of the circular waveguide of the selected length is connected to a conical horn with a given angle of inclination, which is simultaneously included in the storage resonator of the microwave pulse compressor in the TE ₀₂ mode.

Как предложено авторами, подтверждено численным моделированием и экспериментально, накопление энергии в многомодовом накопительном резонаторе активного компрессора осуществляется на высокодобротной моде ТЕ₀₂, а вывод энергии - на моде TE₀₁ круглого волновода. Вывод энергии из многомодового резонатора происходит за счет резкого увеличения коэффициента трансформации мод TE₀₂→TE₀₁ на входящем в состав коммутатора коническом рупоре с заданным углом наклона, входящем также в состав накопительного резонатора компрессора СВЧ импульсов, при инжекции в резонатор коммутатора пучка электронов и изменении фазы отраженной от этого резонатора волны.As suggested by the authors, it is confirmed by numerical modeling and experimentally that the energy is stored in the multimode storage resonator of the active compressor on the high-Q mode ₀₂ , and the energy is output on the TE ₀₁ round waveguide mode. The energy is removed from the multimode resonator due to a sharp increase in the coefficient of transformation of the TE ₀₂ → TE ₀₁ modes on the conical horn included in the switch with a given angle of inclination, which is also included in the storage cavity of the microwave pulse compressor, when an electron beam is injected into the resonator of the switch and the phase changes reflected from this resonator wave.

Повышение уровня переключаемой мощности достигается за счет увеличения электрической прочности коммутатора, которое обеспечивается отсутствием в коммутаторе каких-либо дополнительных элементов, способных снизить его электропрочность и использованием осесимметричных мод TE₀₁ и ТЕ₀₂, не имеющих компонент электрического поля нормальных к стенкам волновода.An increase in the level of switched power is achieved by increasing the electrical strength of the switch, which is ensured by the absence of any additional elements in the switch that can reduce its electric strength and by using axisymmetric modes TE ₀₁ and TE ₀₂ that do not have electric field components normal to the waveguide walls.

Особенностью разработанного коммутатора является то, что электронная пушка располагается вне компрессора и находится с ним под тем же вакуумом. При этом ввод пучка в коммутатор осуществляется через специальную диафрагму, являющуюся анодом электронной пушки и одновременно играющую роль задней стенки резонатора коммутатора.A feature of the developed switch is that the electron gun is located outside the compressor and is with it under the same vacuum. In this case, the beam is introduced into the switch through a special diaphragm, which is the anode of the electron gun and at the same time plays the role of the back wall of the switch cavity.

Существенным отличием разработанного коммутатора является и введение в состав коммутатора СВЧ резонатора, что позволяет в несколько раз снизить величину необходимого для переключения тока пучка электронов и требования к его качеству.A significant difference between the developed switch is the introduction of a microwave resonator into the switch, which allows several times to reduce the amount of electron beam required for switching the current and the requirements for its quality.

Таким образом, действие разработанного коммутатора в значительной степени основано на физических свойствах СВЧ резонатора, поэтому он может быть назван резонансным коммутатором.Thus, the action of the developed switch is largely based on the physical properties of the microwave resonator, so it can be called a resonant switch.

В первом частном случае реализации разработанного коммутатора целесообразно неподвижную диафрагму, являющуюся стенкой резонатора коммутатора и одновременно анодом электронной пушки, выполнить в виде щелевой диафрагмы с цилиндрическим пазом, рассчитанным таким образом, что он не изменяет структуру возбуждаемой в резонаторе коммутатора моды TE_01n и не приводит к усилению СВЧ поля в области щелей.In the first particular case of the implementation of the developed switch, it is advisable to fix the fixed diaphragm, which is the wall of the resonator of the switch and simultaneously the anode of the electron gun, in the form of a slotted diaphragm with a cylindrical groove, calculated in such a way that it does not change the structure of the TE _01n mode excited in the resonator of the switch and amplification of the microwave field in the gap region.

Во втором частном случае реализации разработанного коммутатора целесообразно изменение рабочей частоты СВЧ излучения в коммутаторе в диапазоне частот от 1 ГГц до 40 ГГц осуществлять за счет изменения (масштабирования) размеров волноводной системы и конусного рупора в соответствии со стандартами для выбранного диапазона частот, что не снижает электропрочности коммутатора и не приводит к существенному изменению требований на величину тока электронного пучка.In the second particular case of the implementation of the developed switch, it is advisable to change the operating frequency of microwave radiation in the switch in the frequency range from 1 GHz to 40 GHz by changing (scaling) the dimensions of the waveguide system and cone horn in accordance with the standards for the selected frequency range, which does not reduce the electrical strength switch and does not lead to a significant change in the requirements for the current value of the electron beam.

Описание основных чертежей.Description of the main drawings.

На фиг.1 схематично в разрезе представлена блок-схема разработанного переключаемого электронным пучком коммутатора для мощных активных компрессоров СВЧ импульсов.Figure 1 schematically in section shows a block diagram of a developed switchable electron beam switch for powerful active compressors of microwave pulses.

На фиг.2 представлен в двух проекциях вид неподвижной диафрагмы с цилиндрическим пазом и отверстиями (щелями) внутри паза, являющейся стенкой резонатора коммутатора и выполняющей функцию анода электронной пушки.Figure 2 presents in two projections a view of a fixed diaphragm with a cylindrical groove and holes (slots) inside the groove, which is the wall of the resonator of the switch and performs the function of the anode of an electron gun.

На фиг.3 представлена осциллограмма сжатого СВЧ импульса, полученная с помощью разработанного коммутатора и нормированная на мощность входного импульса: Рвых - мощность в сжатом СВЧ импульсе, Рвх - мощность входного СВЧ импульса.Figure 3 shows the waveform of a compressed microwave pulse, obtained using the developed switch and normalized to the power of the input pulse: Pvyh - power in a compressed microwave pulse, Pvh - power of the input microwave pulse.

На фиг.4 схематично в разрезе представлена схема разработанного коммутатора в составе мощного активного компрессора СВЧ импульсов (коммутатор выделен пунктиром).Figure 4 schematically in section shows a diagram of the developed switch as part of a powerful active microwave pulse compressor (the switch is indicated by a dotted line).

Конструкция разработанного коммутатора, представленная на фиг.1, содержит конический рупор 1 с заданным углом наклона, соединенный с одномодовой волноводной системой, включающей в себя круглый волновод 2 выбранной длины и резонатор 3, образованный другим круглым волноводом 5 на моде TE₀₁ и двумя диафрагмами 4 и 6 на противоположных торцах волновода 5. Диафрагма 4 является подвижной и соединяет круглый волновод 2 с резонатором 3 коммутатора. Вторая диафрагма 6, являющаяся неподвижной стенкой резонатора 3, одновременно служит анодом электронной пушки. Трубчатый лезвийный катод 10 электронной пушки (О.Т.Лоза. // ЖТФ, т.78, вып.11, 2008 г., с.93-98), установленный на подвижном катододержателе 9, расположен за упомянутой неподвижной диафрагмой 6. В неподвижной диафрагме 6 выполнены щели 7 для ввода электронного пучка с трубчатого лезвийного катода 10. Подвижная диафрагма 4 может перемещаться внутри коммутатора с помощью специального механизма настройки 8, что позволяет изменять эффективную длину резонатора 3 коммутатора и осуществлять его настройка на рабочую частоту компрессора СВЧ импульсов. Положение подвижной диафрагмы 4 индицируется с помощью микрометрического датчика положения часового типа. Упомянутый конический рупор 1 с заданным углом наклона входит также в состав накопительного резонатора 19 (фиг.4) компрессора СВЧ импульсов на моде ТЕ₀₂ и соединяет разработанный коммутатор с упомянутым компрессором.The design of the developed switch, shown in FIG. 1, contains a conical horn 1 with a given angle of inclination connected to a single-mode waveguide system including a circular waveguide 2 of a selected length and a resonator 3 formed by another circular waveguide 5 on mode TE ₀₁ and two diaphragms 4 and 6 at opposite ends of the waveguide 5. The diaphragm 4 is movable and connects the circular waveguide 2 to the resonator 3 of the switch. The second diaphragm 6, which is a fixed wall of the resonator 3, simultaneously serves as the anode of the electron gun. The tubular blade cathode 10 of the electron gun (O.T. Loza. // ZhTF, t.78, issue 11, 2008, s.93-98), mounted on a movable cathode holder 9, is located behind the said stationary diaphragm 6. In The fixed diaphragm 6 has slots 7 for introducing the electron beam from the tubular blade cathode 10. The movable diaphragm 4 can be moved inside the switch using a special tuning mechanism 8, which allows changing the effective length of the resonator 3 of the switch and adjusting it to the operating frequency of the microwave pulse compressor. The position of the movable diaphragm 4 is indicated by a micrometer position-type sensor. Mentioned conical horn 1 with a given angle of inclination is also included in the storage resonator 19 (Fig. 4) of a microwave pulse compressor based on TE ₀₂ mode and connects the developed switch to the said compressor.

Неподвижная диафрагма 6 (анод) представляет собой медный диск определенной толщины и формы, представленный на фиг.2. В диске 6 на определенном расстоянии от центра, соответствующем положению пучности, возбуждаемой в резонаторе 3 волны TE₀₁, выполнен цилиндрический паз 14 с частично вырезанным дном, как показано на фиг.2. Центральная часть 15 диска 6 соединена с основной его частью 13 четырьмя тонкими перемычками 16, расположенными в глубине цилиндрического паза 14 и образующими щели 7 для ввода электронного пучка. В другом частном случае изготовления неподвижной диафрагмы 6 (на чертеже не показано) в глубине паза 14 по его периметру могут быть проделаны круглые отверстия. Центр паза 14 располагается точно напротив острой кромки катода 10. Ширина и глубина паза 14 рассчитывались методом FDTD (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998.) таким образом, чтобы электромагнитное поле не проникало вглубь паза 14 и не просачивалось через щели 7 в пазе. В этом случае анодная диафрагма 6 с пазом 14 и щелями 7 отражает электромагнитные волны как сплошная медная стенка и не происходит дополнительных потерь СВЧ энергии и ухудшения собственной добротности резонатора 3 коммутатора. Кроме того, при такой геометрии паза 14 не происходит усиления поля возбуждаемой в резонаторе 3 моды TE₀₁ на перемычках 16. В результате достигается более высокая электропрочность разработанного коммутатора по сравнению с известными аналогами и прототипом. При этом электронный пучок и образующаяся прикатодная плазма могут свободно проникать внутрь резонатора 3 коммутатора через щели 7 в пазе диафрагмы 6. Наличие щелей 7 в анодной диафрагме 6 позволяет также поддерживать в разработанном коммутаторе и компрессоре одинаковое низкое давление остаточного газа, что также обеспечивает высокую заявленную электропрочность коммутатора и компрессора в целом.The fixed diaphragm 6 (anode) is a copper disk of a certain thickness and shape, shown in figure 2. In the disk 6, at a certain distance from the center, corresponding to the position of the antinode excited in the resonator 3 of the wave TE ₀₁ , a cylindrical groove 14 is made with a partially cut bottom, as shown in figure 2. The central part 15 of the disk 6 is connected to its main part 13 by four thin jumpers 16 located in the depth of the cylindrical groove 14 and forming slots 7 for introducing the electron beam. In another particular case of manufacturing a fixed diaphragm 6 (not shown) in the depth of the groove 14, round holes can be made along its perimeter. The center of the groove 14 is located exactly opposite the sharp edge of the cathode 10. The width and depth of the groove 14 were calculated by the FDTD method (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998.) thus so that the electromagnetic field does not penetrate deep into the groove 14 and does not seep through the slots 7 in the groove. In this case, the anode diaphragm 6 with a groove 14 and slots 7 reflects electromagnetic waves as a solid copper wall and there is no additional loss of microwave energy and a decrease in the intrinsic quality factor of the resonator 3 of the switch. In addition, with such a geometry of the groove 14, there is no field amplification of the TE ₀₁ mode excited in the resonator 3 at the jumpers 16. As a result, a higher electrical strength of the developed switch is achieved in comparison with the known analogues and prototype. In this case, the electron beam and the generated cathode plasma can freely penetrate into the resonator 3 of the switch through slots 7 in the groove of the diaphragm 6. The presence of slots 7 in the anode diaphragm 6 also allows maintaining the same low residual gas pressure in the developed switch and compressor, which also ensures high declared electrical strength switch and compressor in general.

Разработанный коммутатор предназначен для работы в составе компрессора СВЧ импульсов, представленного на фиг.4. Компрессор СВЧ импульсов состоит из входного рупора 17, отрезка медного многомодового цилиндрического волновода 18 и разработанного коммутатора (выделен пунктиром), которые образуют накопительный резонатор 19 СВЧ компрессора для моды ТЕ₀₂.The developed switch is designed to work as part of the microwave pulse compressor, shown in figure 4. The microwave pulse compressor consists of an input horn 17, a segment of a copper multimode cylindrical waveguide 18 and a developed switch (dashed), which form the storage cavity 19 of the microwave compressor for the TE ₀₂ mode.

Для увеличения напряженности электрического поля на катоде 10 и обеспечения эффективной эмиссии электронов с катода, предусмотрено изменение расстояния между анодом 6 и катодом 10. Для этого катодная головка делается подвижной и может перемещаться вдоль катододержателя 9. Катод 10 соединяется с генератором 20 высоковольтных импульсов через высоковольтный изолятор 11. Для обеспечения высокого вакуума в коммутаторе предусмотрен откачной фланец 12.To increase the electric field strength at the cathode 10 and ensure efficient electron emission from the cathode, a distance is provided between the anode 6 and the cathode 10. For this, the cathode head is movable and can move along the cathode holder 9. The cathode 10 is connected to the high-voltage pulse generator 20 through a high-voltage insulator 11. To ensure high vacuum in the switch, a pumping flange 12 is provided.

В конкретном примере реализации разработанного коммутатора конический рупор 1, подвижная и неподвижная диафрагмы 4 и 6 и круглые волноводы 2 и 5 были изготовлены из меди в НПП ″Гиком″ города Нижнего Новгорода. Там же были изготовлены: катод 10 из нержавеющей стали и графита, катододержатель 9 и откачной фланец 12 из нержавеющей стали. Механизм перемещения 8 подвижной диафрагмы 4 был изготовлен из латуни. Конический рупор 1 с заданным углом наклона и длина круглого волновода 2 были рассчитаны методом FDTD (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998) на коэффициент трансформации мод TE₀₂→TE₀₁ при выводе энергии 40%. Параметры подвижной диафрагмы 4 и неподвижной (анодной) диафрагмы 6 были рассчитаны таким образом, чтобы добротность резонатора 3 коммутатора составляла величину 300. Такая добротность позволяла осуществлять переключение коммутатора током 300 А. В качестве изолятора 11 использовался стандартный выпускаемый промышленность керамический высоковольтный изолятор марки ВК-94.In a specific example of the implementation of the developed switch, the conical horn 1, the movable and fixed diaphragms 4 and 6, and the circular waveguides 2 and 5 were made of copper in the NPP Г Gikom ’in Nizhny Novgorod. There were also made: cathode 10 made of stainless steel and graphite, cathode holder 9 and pumping flange 12 made of stainless steel. The movement mechanism 8 of the movable diaphragm 4 was made of brass. The conical horn 1 with a given slope angle and the length of the circular waveguide 2 were calculated by the FDTD method (Taflove A. // Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, 1998) for the TE ₀₂ → TE ₀₁ with an energy output of 40%. The parameters of the movable diaphragm 4 and the fixed (anode) diaphragm 6 were calculated so that the Q factor of the resonator 3 of the switch was 300. This Q factor allowed switching the switch with a current of 300 A. As an insulator 11, a VK-94 standard high-voltage ceramic insulator used was used as an industry standard .

Для проверки работы разработанного резонансного коммутатора в составе компрессора СВЧ импульсов был использован накопительный резонатор 19, изготовленный из дюралюминия в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. В качестве СВЧ генератора использовался маломощный свип-генератор HP 83592B. Электронный пучок создавался с помощью генератора 20 высоковольтных импульсов (амплитуда импульсов 100 кВ, длительность 100 нс), разработанного в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Осциллограмма полученного с помощью резонансного коммутатора импульса приведена на фиг.3.To test the operation of the developed resonant switch as part of the microwave pulse compressor, we used a storage resonator 19 made of duralumin at the IAP RAS of the city of Nizhny Novgorod. As a microwave generator, a low-power HP 83592B sweep generator was used. The electron beam was created using a generator of 20 high-voltage pulses (pulse amplitude 100 kV, duration 100 ns) developed at the IAP RAS of the city of Nizhny Novgorod. The waveform obtained using the resonant switch pulse is shown in Fig.3.

Переключаемый электронным пучком коммутатор, представленный на фиг.1, работает в составе компрессора СВЧ импульсов, показанного на фиг.4, следующим образом.Switching electron beam switch, shown in figure 1, operates as part of the microwave pulse compressor shown in figure 4, as follows.

Излучение от СВЧ генератора сантиметрового диапазона длин волн, поступающее на вход компрессора через входной рупор 17 на моде TE₀₁ круглого волновода, частично (1-3%) трансформируется в моду ТЕ₀₂ на коническом рупоре 1. Входной рупор 17 компрессора является закритическим для моды ТЕ₀₂, которая полностью от него отражается. В результате СВЧ энергия запасается в накопительном резонаторе 19 на моде ТЕ₀₂. В свою очередь мода ТЕ₀₂ также частично трансформируется в моду TE₀₁ на коническом рупоре 1. Кроме того, электромагнитная волна TE₀₁ отражается от подвижной диафрагмы 4 резонатора 3 коммутатора. При этом резонатор 3 коммутатора при вводе энергии в СВЧ компрессор предварительно посредством малых перемещений диафрагмы 4 настраивается в резонанс на рабочую частоту СВЧ излучения. Длина круглого волновода 2 (вставки) коммутатора подобрана таким образом, чтобы электромагнитные волны в резонаторе 3 на моде TE₀₁, отраженные от рупора 1 и входной диафрагмы 4, складывались в противофазе. Поэтому в режиме накопления энергии доля СВЧ мощности, выходящей из компрессора на моде TE₀₁ низка (менее 3%), а накопление энергии происходит на моде ТЕ₀₂. В режиме вывода энергии из компрессора импульсов на катод 10 от генератора 20 подается высоковольтный импульс и в резонатор 3 через анодную неподвижную диафрагму 6 инжектируется пучок электронов. Фаза отраженной от резонатора 3 коммутатора волны существенным образом зависит от того, находится он в резонансе или нет (Pippard A.B. // The physics of vibration, Cambridge University Press, 1985). Расчеты по теории возмущений (Голант В.Е. // Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. // «Наука», 1968) показывают, что для вывода резонатора 3 из резонанса необходимо инжектировать в него порядка 10¹¹ электронов. Для получения такого числа электронов при напряжении на электронной пушке U~100 kV ток пучка должен превышать значение 250 А.Radiation from a centimeter wavelength microwave generator fed to the compressor input through an input horn 17 on a TE ₀₁ round waveguide mode is partially (1-3%) transformed into TE ₀₂ on a conical horn 1. The compressor input horn 17 is supercritical for the TE mode ₀₂ , which is completely reflected from it. As a result, microwave energy is stored in the storage resonator 19 in the TE ₀₂ mode. In turn, the TE ₀₂ mode is also partially transformed into the TE ₀₁ mode on the conical horn 1. In addition, the electromagnetic wave TE _{01 is} reflected from the movable diaphragm 4 of the resonator 3 of the switch. In this case, the resonator 3 of the switch, when energy is input into the microwave compressor, is preliminarily tuned to the operating frequency of the microwave radiation by means of small movements of the diaphragm 4. The length of the circular waveguide 2 (insert) of the switch is selected so that the electromagnetic waves in the resonator 3 on the TE ₀₁ mode, reflected from the speaker 1 and the input diaphragm 4, are added in antiphase. Therefore, in the energy storage mode, the fraction of microwave power leaving the compressor on the TE ₀₁ mode is low (less than 3%), and the energy is stored on the TE ₀₂ mode. In the mode of energy output from the pulse compressor to the cathode 10 from the generator 20, a high-voltage pulse is supplied and an electron beam is injected into the resonator 3 through the anode stationary diaphragm 6. The phase of the wave reflected from the resonator 3 of the switch substantially depends on whether it is in resonance or not (Pippard AB // The physics of vibration, Cambridge University Press, 1985). Calculations according to perturbation theory (Golant V.E. // Microwave plasma research methods. // Nauka, 1968) show that to remove resonator 3 from resonance, about 10 ¹¹ electrons must be injected into it. To obtain such a number of electrons at an electron gun voltage U ~ 100 kV, the beam current must exceed 250 A.

При подаче высоковольтного импульса от генератора 20 и инжекции пучка электронов, предварительно настроенный на частоту компрессора резонатор 3 коммутатора выходит из резонанса. В результате фаза волны, отраженной от резонатора 3, изменяется на 180 градусов и волны на моде TE₀₁, отраженные от конуса 1 и резонатора 3 складываются в фазе, то есть происходит трансформация накопленной в накопительном резонаторе 19 СВЧ компрессора на моде ТЕ₀₂ энергии в моду TE₀₁. Это приводит к возрастанию мощности, излучаемой из накопительного резонатора 19 на моде TE₀₁ через рупор 17 и появлению сжатого СВЧ импульса. В зависимости от выбора параметров конического рупора 1 коэффициент трансформации мод TE₀₂-TE₀₁ может составлять величину 30-96%. Выбор конического рупора 1 с более высоким коэффициентом трансформации приводит к укорочению длительности, увеличению коэффициента усиления мощности и амплитуды сжатого импульса. Например, при коэффициенте трансформации близком к 100% длительность сжатого импульса равна времени двойного пробега волны через накопительный резонатор 19 СВЧ компрессора, а выходной импульс имеет прямоугольную форму. При этом коэффициент усиления мощности приближенно определяется отношением времени установления колебаний в накопительном резонаторе 19 (добротностью резонатора 19) к времени двойного пробега и может для несверхпроводящих резонаторов с добротностью порядка 10⁴ достигать значений 10-100.When a high-voltage pulse is supplied from the generator 20 and the electron beam is injected, the switch resonator 3 pre-tuned to the compressor frequency leaves the resonance. As a result, the phase of the wave reflected from the resonator 3 changes by 180 degrees and the waves on the TE ₀₁ mode reflected from the cone 1 and the resonator 3 are added in phase, that is, the energy stored in the storage cavity 19 of the microwave compressor on the TE ₀₂ mode is transformed into mode TE ₀₁ . This leads to an increase in the power radiated from the storage resonator 19 on the TE ₀₁ mode through the horn 17 and the appearance of a compressed microwave pulse. Depending on the choice of the parameters of the conical horn 1, the transformation coefficient of the TE ₀₂ -TE ₀₁ modes can be 30-96%. The choice of a conical horn 1 with a higher transformation ratio leads to a shortening of the duration, an increase in the power gain and amplitude of the compressed pulse. For example, when the transformation coefficient is close to 100%, the duration of the compressed pulse is equal to the double travel time of the wave through the storage resonator 19 of the microwave compressor, and the output pulse has a rectangular shape. In this case, the power gain is approximately determined by the ratio of the oscillation settling time in the storage resonator 19 (Q factor of the resonator 19) to the double travel time and can reach 10-100 for nonsuperconducting resonators with a Q factor of 10 ⁴ .

Claims

1. An electron beam switch for an active centimeter-wave microwave compressor, comprising an electron gun and a single-mode waveguide system with an electron beam input unit for changing communication with the load of the storage resonator of a microwave pulse compressor, characterized in that the single-mode waveguide system with an electron beam input unit includes a circular waveguide of a selected length, on the one hand connected through a movable diaphragm to a switch resonator formed by another circle lym waveguide mode TE ₀₁ and two apertures at opposite ends of the waveguide, one of which is said movable diaphragm, and the second stationary diaphragm is the anode of the electron gun, the tubular blade cathode is mounted on a movable cathode holder, located behind said stationary diaphragm, wherein the single-mode the waveguide system through the other side of the circular waveguide of the selected length is connected to a conical horn with a given angle of inclination, which is simultaneously included in the drive th pulse compressor microwave resonator in the mode TE _02.

2. The switch switched by the electron beam according to claim 1, characterized in that the fixed diaphragm, which is the wall of the resonator of the switch and at the same time the anode of the electron gun, is made in the form of a slotted diaphragm with a cylindrical groove, designed so that it does not change the structure of the switch excited in the resonator mode TE _01n and does not lead to amplification of the microwave field in the _gap region.

3. The switch switched by an electron beam according to claim 1, characterized in that the scaling of the waveguides provides the operating frequency of the microwave radiation in the switch in the frequency range from 1 to 40 GHz.