RU2530746C1 - Ultrahigh frequency cyclotron protective device - Google Patents

Ultrahigh frequency cyclotron protective device Download PDF

Info

Publication number
RU2530746C1
RU2530746C1 RU2013117623/07A RU2013117623A RU2530746C1 RU 2530746 C1 RU2530746 C1 RU 2530746C1 RU 2013117623/07 A RU2013117623/07 A RU 2013117623/07A RU 2013117623 A RU2013117623 A RU 2013117623A RU 2530746 C1 RU2530746 C1 RU 2530746C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electron
cathode
frequency
resonator
cyclotron
Prior art date
Application number
RU2013117623/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Афанасьевич Будзинский
Сергей Васильевич Быковский
Иван Иванович Голеницкий
Наталья Германовна Духина
Римма Ивановна Шерстяных
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток")
Priority to RU2013117623/07A priority Critical patent/RU2530746C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2530746C1 publication Critical patent/RU2530746C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: ultrahigh frequency cyclotron protective device includes an electron injector with a ribbon-type cathode, focusing and extraction electrodes, input and output cavity resonators having one-way communication to each other through an electron beam and separated with a membrane with a hole forming a transit-time channel, a collector and a device for creation of a homogeneous magnetic field coaxial with electron stream, the indication level of which provides for rotation of electrons at cyclotron frequency equal to average frequency of working frequency bandwidth of the device. Each resonator is connected and matched with external UHF-lines through a signal transmission circuit that is divided into parts (vacuum and non-vacuum) with trimming elements. A focusing electrode is made in the form of a rectangular plate located in front of a ribbon-type cathode along its length, the edges of which as to length are bent at a right angle to the cathode direction. A symmetry plane of a gap of an output resonator forms angle α with the central symmetry plane of the transit-time channel, with that, 3°≤α≤5°.
EFFECT: enlarging bandwidth of working frequencies of an ultrahigh-frequency cyclotron protective device of 3-cm wave length range.
5 dwg

Description

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно - к устройствам защиты СВЧ-радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности большого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.The invention relates to the field of high-frequency radio electronics, and in particular, to devices for protecting microwave radio receivers, in particular, radar receivers, from exposure to a high level of input power in the centimeter and millimeter wavelength ranges.

В современных радиолокационных системах (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно и качественно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса. Всем этим требованиям в значительной степени удовлетворяют циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока.In modern radar systems (radar), stringent requirements are imposed on the input stages of the receiver. Along with a small noise figure in the working frequency band, they must be reliably and efficiently protected from high-level microwave power with an extremely short recovery time after the microwave pulse ends. All these requirements are largely satisfied by cyclotron protective devices (CZU), operating on a fast cyclotron wave (BCV) of the electron beam.

Известно ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2167480, в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с БЦВ электронного потока [1]. Это устройство обеспечивает надежную защиту от СВЧ-мощности высокого уровня при малом времени восстановления, однако оно имеет узкую полосу рабочих частот в режиме пропускания сигнала, составляющую 2-4% в 3-см диапазоне длин волн. Ограничения по ширине полосы рабочих частот обусловлены двумя физическими факторами: недостаточной электронной нагрузкой резонаторов и плохим качеством согласования проводимости электронного потока и электродинамической структуры с проводимостью внешних входных и выходных СВЧ-линий. Электронная нагрузка резонаторов этого устройства ограничена величинами тока (100…200 мкА) и напряжений резонаторной системы (20…40В), в пределах которых еще выполняются жесткие требования на уровень токопрохождения (выше 99%) для обеспечения требуемых шумовых параметров ЦЗУ.It is known CZU according to the patent of the Russian Federation No. 2164480, which is based on the interaction of the electrodynamic structure with a central electron beam [1]. This device provides reliable protection from high-level microwave power with a short recovery time, however, it has a narrow band of operating frequencies in the signal transmission mode, comprising 2-4% in the 3-cm wavelength range. Limitations on the bandwidth of the working frequencies are due to two physical factors: insufficient electron loading of the resonators and poor quality of matching the conductivity of the electron beam and the electrodynamic structure with the conductivity of the external input and output microwave lines. The electronic load of the resonators of this device is limited by the values of current (100 ... 200 μA) and voltage of the resonator system (20 ... 40 V), within which stringent requirements on the level of current transmission (above 99%) are still fulfilled to ensure the required noise parameters of the central memory.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2453018 [2]. Его резонаторная система состоит из входного и выходного резонаторов, имеющих однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенных диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока. Резонаторы соединены с внешними СВЧ-линиями своими трактами передачи сигнала, каждый из которых разделен диэлектрическим окном на вакуумную и не вакуумную части. В невакуумных частях каждого тракта расположены подстроечные элементы (проводящие выступы в виде штырей или продольных пластин), с помощью которых полоса рабочих частот расширена до 6%. Однако во многих случаях эта величина недостаточна из-за постоянно возрастающих требований к современным РЛС. Очевидно, что для дальнейшего расширения полосы рабочих частот ЦЗУ необходимо повышать электронную нагрузку резонаторной системы путем увеличения тока (микропервеанса) ленточного электронного потока, повышения плотности тока в резонаторных зазорах, сужения резонаторных зазоров при обязательном жестком условии обеспечения токопрохождения в ЦЗУ на уровне выше 99%.Closest to the proposed invention (prototype) is the central bank according to the patent of the Russian Federation No. 2453018 [2]. Its resonator system consists of input and output resonators having unidirectional communication with each other through the electron beam and separated by a diaphragm with a hole for the passage of the electron beam. The resonators are connected to external microwave lines by their signal transmission paths, each of which is divided by a dielectric window into vacuum and non-vacuum parts. In the non-vacuum parts of each path there are tuning elements (conductive protrusions in the form of pins or longitudinal plates), with which the operating frequency band is expanded to 6%. However, in many cases this value is insufficient due to the ever-increasing requirements for modern radars. Obviously, in order to further expand the working frequency band of the CZU, it is necessary to increase the electronic load of the resonator system by increasing the current (micropervance) of the tape electron flow, increasing the current density in the resonator gaps, narrowing the resonator gaps with the mandatory strict condition that the current flow in the CZU is above 99%.

Актуальной проблемой в области разработок ЦЗУ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн является расширение полосы рабочих частот в режиме входного сигнала малого уровня путем повышения электронной нагрузки резонаторной системы.An urgent problem in the development of the centrifugal and millimeter-wave DLCs is the expansion of the operating frequency band in the input mode of a low level by increasing the electronic load of the resonator system.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот сверхвысокочастотного ЦЗУ 3-см диапазона длин волн.The technical result of the invention is the extension of the operating frequency band of a microwave frequency DZU 3-cm wavelength range.

Предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку с ленточным катодом, фокусирующим и вытягивающим электродами, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля соосного с электронным потоком, уровень индукции которого обеспечивает вращение электронов с циклотронной частотой, равной средней частоте рабочей полосы частот устройства, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, который разделен на части, вакуумную и не вакуумную с подстроечными элементами. Фокусирующий электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду. Плоскость симметрии зазора выходного резонатора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α, при этом 3°≤α≤5°.The proposed microwave cyclotron protective device contains an electron gun with a tape cathode, focusing and pulling electrodes, input and output volume resonators having unidirectional communication with each other through the electron beam and separated by a diaphragm with an opening forming a passage channel, a collector and means for creating a uniform magnetic field coaxial with the electron beam, the level of induction of which ensures the rotation of electrons with a cyclotron frequency equal to the average frequency p the operating frequency band of the device, with each resonator connected and matched to external microwave lines by a signal transmission path, which is divided into parts, vacuum and non-vacuum with tuning elements. The focusing electrode is made in the form of a rectangular plate located in front of the tape cathode along its length, the edges of which are bent along the length at a right angle to the cathode. The symmetry plane of the gap of the output cavity forms an angle α with the central plane of symmetry of the passage channel, with 3 ° ≤α≤5 °.

Выполнение фокусирующего электрода в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом по направлению движения электронов вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду, позволяет обеспечить необходимую величину катодного тока и плавное падение плотности тока по краям эмитирующей поверхности катода. Это приводит к уменьшению S-образного искажения краев ленточного электронного потока под влиянием собственного пространственного заряда. Оптимальное распределение плотности тока вдоль катода достигается путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) потенциала на фокусирующий электрод, положительного потенциала на вытягивающий электрод и последующей их настройки на заданную величину тока и максимальное токопрохождение.The implementation of the focusing electrode in the form of a rectangular plate located in front of the tape cathode in the direction of electron motion along its length, the edges of which are curved along the length at right angles towards the cathode, allows us to provide the necessary cathode current and a smooth drop in current density along the edges of the cathode emitting surface. This leads to a decrease in the S-shaped distortion of the edges of the tape electron flow under the influence of its own space charge. The optimal distribution of current density along the cathode is achieved by supplying a negative (relative to the cathode) potential to the focusing electrode, a positive potential to the pulling electrode and their subsequent adjustment to a given current value and maximum current passage.

Расположение выходного резонатора таким образом, что плоскость симметрии его зазора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α в диапазоне 3°≤α≤5° позволяет улучшить токопрохождение на коллектор и повысить микропервеанс ленточного электронного потока, т.е повысить электронную нагрузку резонаторов и, следовательно, расширить его полосу рабочих частот ЦЗУ.The location of the output resonator in such a way that the plane of symmetry of its gap forms an angle α in the range of 3 ° ≤α≤5 ° with the central plane of symmetry of the passage channel makes it possible to improve the current flow to the collector and increase the micropervance of the tape electron beam, i.e., increase the electronic load of the resonators and, consequently, expand its band of working frequencies of the central bank.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ, где изображены:In Fig.1 shows a structural diagram of the proposed ZZU, which shows:

1 - электронная пушка,1 - electron gun,

2 - ленточный катод,2 - tape cathode,

3 - фокусирующий электрод,3 - focusing electrode,

4 - вытягивающий электрод (первый анод),4 - a pulling electrode (first anode),

5 - входной резонатор,5 - input resonator,

6 - выходной резонатор,6 - output resonator,

7 - ленточный электронный поток,7 - tape electronic stream,

8 - диафрагма с отверстием (пролетный канал),8 - diaphragm with a hole (span channel),

9 - коллектор,9 - collector,

10 - средство (магнитная система) для создания однородного магнитного поля с уровнем индукции В0,10 - means (magnetic system) for creating a uniform magnetic field with an induction level of B 0 ,

11 - тракт передачи сигнала во входной резонатор,11 - signal transmission path to the input resonator,

12 - тракт передачи сигнала из выходного резонатора,12 - signal transmission path from the output resonator,

13 - зазор входного резонатора,13 - the gap of the input resonator,

14 - зазор выходного резонатора.14 - clearance of the output cavity.

На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки предлагаемого ЦЗУ, гдеFigure 2 shows a schematic representation of an electronic gun of the proposed Central memory, where

2 - ленточный катод,2 - tape cathode,

3 - фокусирующий электрод,3 - focusing electrode,

4 - вытягивающий электрод (первый анод),4 - a pulling electrode (first anode),

15 - подогреватель (держатель) катода.15 - heater (holder) of the cathode.

На фиг.3 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа с удвоенной величиной тока электронного потока.Figure 3 shows the results of computer simulation of the electron beam in the electron-optical system of the central memory - a prototype with twice the current of the electron beam.

На фиг.4 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе предлагаемого ЦЗУ с удвоенной величиной тока электронного потока.Figure 4 shows the results of computer simulation of the electron beam in the electron-optical system of the proposed DLC with twice the current of the electron beam.

На фиг.5 показаны экспериментальные графики частотных зависимостей КСВН входа (выхода) устройства-прототипа и экспериментального образца предлагаемого устройства 3-см диапазона длин волн.Figure 5 shows the experimental graphs of the frequency dependencies of the VSWR input (output) of the prototype device and the experimental sample of the proposed device 3 cm wavelength range.

Примером выполнения предлагаемого устройства может служить конструкция ЦЗУ 3-см диапазона длин волн (см. фиг.1).An example of the implementation of the proposed device can serve as the design of the Central memory of the 3-cm wavelength range (see figure 1).

Устройство содержит электронную пушку 1, блок резонаторной системы, содержащий входной 5 и выходной 6 объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 7 и разделенные диафрагмой 8 с прямоугольным отверстием для прохождения электронного потока 7, коллектор 9 и магнитную систему 10 для формирования продольного однородного магнитного поля с индукцией В0 в области резонаторов.The device comprises an electron gun 1, a resonator system unit containing input 5 and output 6 volume resonators having unidirectional communication with each other through a tape electron stream 7 and separated by a diaphragm 8 with a rectangular hole for passage of the electron stream 7, a collector 9 and a magnetic system 10 for the formation of a longitudinal uniform magnetic field with induction B 0 in the region of the resonators.

В электронной пушке 1 вдоль координатной оси Z последовательно друг за другом расположены: фокусирующий электрод 3, ленточный катод 2 и вытягивающий электрод 4 (первый анод). Входной 5 и выходной 6 резонаторы с емкостными зазорами 13 и 14 с центрами в плоскостях Z1 и Z2 разделены запредельной секцией в виде диафрагмы 8 с прямоугольным отверстием, которое служит в качестве пролетного канала и обеспечивает однонаправленную связь между резонаторами через электронный поток 7. Входной 5 и выходной 6 резонаторы соединены и согласованы с внешней СВЧ-линией своими трактами передачи сигнала 11 и 12 соответственно. В их невакуумных частях установлены подстроечные элементы в виде штырей и продольных пластин. Для предотвращения возможного оседания электронов на стенки емкостного зазора 14 выходной резонатор 6 установлен таким образом, что плоскость симметрии его емкостного зазора 14 образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α=4°.In the electron gun 1 along the coordinate axis Z, successively located one after another: a focusing electrode 3, a tape cathode 2 and a pulling electrode 4 (first anode). The input 5 and output 6 resonators with capacitive gaps 13 and 14 with centers in the planes Z1 and Z2 are separated by a transverse section in the form of a diaphragm 8 with a rectangular hole, which serves as a passage channel and provides unidirectional communication between the resonators through the electron stream 7. Input 5 and output 6 resonators are connected and matched with an external microwave line by their signal transmission paths 11 and 12, respectively. Trimmer elements in the form of pins and longitudinal plates are installed in their non-vacuum parts. In order to prevent possible electron deposition on the walls of the capacitive gap 14, the output resonator 6 is installed in such a way that the plane of symmetry of its capacitive gap 14 forms an angle α = 4 ° with the central plane of symmetry of the passage channel.

На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки 1 предлагаемого ЦЗУ. Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины и длины эмитирующей поверхности катода и по направлению движения электронов. Элементы 2, 3, 4 миниатюрной конструкции пушки 1 раздвинуты вдоль оси Z для наглядности рисунка. Ленточный катод 2 установлен на держателе 15, выполненном в виде П-образной рамки из круглой проволоки, который является одновременно подогревателем катода. Фокусирующий электрод 3 имеет вид прямоугольной пластины, продольные края которой с двух сторон загнуты под прямым углом к ленточному катоду 2. Фокусирующий электрод 3 установлен перед катодом 2 и оказывает экранирующее действие на три обращенные к нему наружные поверхности ленточного катода 2. Узкая прямоугольная поверхность катода 2, обращенная в сторону вытягивающего электрода 4, служит в качестве эмиттера. Вытягивающий электрод 4 представляет собой первый анод электронной пушки 1 и выполнен в виде тонкой пластины с продольным прямоугольным отверстием, ориентированным вдоль длины катода 2.Figure 2 shows a schematic illustration of an electronic gun 1 of the proposed Central memory. The axes of the Cartesian coordinate system X, Y and Z are oriented respectively along the width and length of the emitting surface of the cathode and in the direction of electron motion. Elements 2, 3, 4 of the miniature design of the gun 1 are spaced along the Z axis for clarity of the picture. The tape cathode 2 is mounted on the holder 15, made in the form of a U-shaped frame made of round wire, which is also a cathode heater. The focusing electrode 3 has the form of a rectangular plate, the longitudinal edges of which are bent on two sides at right angles to the tape cathode 2. The focusing electrode 3 is installed in front of the cathode 2 and has a shielding effect on the three outer surfaces of the tape cathode 2 facing it. Narrow rectangular surface of the cathode 2 facing toward the pulling electrode 4 serves as an emitter. The pulling electrode 4 is the first anode of the electron gun 1 and is made in the form of a thin plate with a longitudinal rectangular hole oriented along the length of the cathode 2.

Предлагаемое сверхвысокочастотное ЦЗУ работает следующим образом.The proposed microwave supervisor is as follows.

В режиме пропускания входной сигнал поступает в устройство из внешней линии по входному тракту 11, связанному с резонатором 5. Электронная пушка 1 формирует электронный поток 7, который проходит через зазор 13 входного резонатора 5, пролетный канал диафрагмы 8, зазор 14 выходного резонатора 6 и и улавливается коллектором 9. Уровень индукции В0 однородного магнитного поля обеспечивает циклотронную частоту вращения электронов в протяженных резонаторных зазорах 13 и 14, приблизительно равную средней частоте в полосе согласования резонаторов 5 и 6, нагруженных электронным потоком 7, с внешними СВЧ-линиями. В электронном потоке 7 возбуждается БЦВ электронного потока, осуществляющая передачу энергии сигнала из входного резонатора 5 в выходной резонатор 6. От выходного резонатора 6 по выходному тракту 12 обеспечивается передача энергии сигнала во внешнюю СВЧ-линию.In the transmission mode, the input signal enters the device from the external line through the input path 11 connected to the resonator 5. The electron gun 1 generates an electron stream 7, which passes through the gap 13 of the input resonator 5, the passage channel of the diaphragm 8, the gap 14 of the output resonator 6, and captured by the collector 9. The induction level B 0 of a uniform magnetic field provides the cyclotron frequency of rotation of the electrons in the long resonator gaps 13 and 14, approximately equal to the average frequency in the matching band of the resonators 5 and 6, n loaded with an electron beam 7, with external microwave lines. In the electron stream 7, an MFB of the electron stream is excited, which transfers signal energy from the input resonator 5 to the output resonator 6. From the output resonator 6, the signal is transmitted to the external microwave line through the output path 12.

Ленточный электронный поток 7 формируется следующим образом. На фокусирующий электрод 3 и первый анод 4 подают регулируемые потенциалы от двух независимых источников питания: отрицательный (по отношению к нулевому потенциалу катода) потенциал Uфок фокусирующего электрода 3 в диапазоне -50 В<Uфок<0 и положительный потенциал Ua1 первого анода пушки в диапазоне 0<Ua1<+50 B. Путем регулировки указанных потенциалов обеспечивается настройка электрического режима пушки 1 на необходимую величину тока (микропервеанса) электронного потока 7 и максимальное токопрохождение (выше 99%).The tape electronic stream 7 is formed as follows. Adjustable potentials from two independent power sources are supplied to the focusing electrode 3 and the first anode 4: the negative (with respect to the zero potential of the cathode) potential Ufoc of the focusing electrode 3 in the range of -50 V <Ufoc <0 and the positive potential Ua1 of the first gun anode in the range 0 <Ua1 <+50 B. By adjusting these potentials, the electric regime of gun 1 is adjusted to the required current (micropervance) of the electron beam 7 and the maximum current passage (above 99%).

Основные трудности решения проблемы качественного формирования тонкого высокопервеансного ленточного электронного потока связаны с возмущениями его поперечного сечения в процессе его движения в однородном продольном магнитном поле [3]. Они проявляются в виде двух одновременно действующих факторов: S-образного загиба краев ленточного электронного потока конечной длины и его монотонного поворота (вращения вокруг центральной оси симметрии X=Y=0 пролетного канала) по мере приближения к коллектору. Совокупное воздействие указанных факторов снижает токопрохождение и ограничивает электронную нагрузку резонаторов.The main difficulties in solving the problem of the qualitative formation of a thin high-performance ribbon electron stream are associated with perturbations of its cross section during its movement in a uniform longitudinal magnetic field [3]. They manifest themselves in the form of two simultaneously acting factors: an S-shaped bend of the edges of a tape electron stream of finite length and its monotonous rotation (rotation around the central axis of symmetry X = Y = 0 of the passage channel) as it approaches the collector. The combined effect of these factors reduces the current flow and limits the electronic load of the resonators.

S-образное искажение краев ленточного электронного потока обусловлено действием пространственного заряда на краях ленточного электронного потока конечной длины. В предлагаемой конструкции электронной пушки путем настройки потенциалов фокусирующего и вытягивающего электродов достигается оптимальное распределение плотности эмиссионного тока вдоль длины электронного эмиттера: постоянная плотность тока в центральной части эмиттера и плавно спадающая до нуля на краях эмиттера. Это ослабляет действие сил собственного пространственного заряда ленточного электронного потока и S-образное искажение его краев.The S-shaped distortion of the edges of the tape electron stream is due to the action of the space charge at the edges of the tape electron stream of finite length. In the proposed design of the electron gun by adjusting the potentials of the focusing and pulling electrodes, the optimal distribution of the density of the emission current along the length of the electron emitter is achieved: a constant current density in the central part of the emitter and gradually decreases to zero at the edges of the emitter. This weakens the action of the forces of the intrinsic space charge of the ribbon electron stream and the S-shaped distortion of its edges.

Поворот плоскости симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 на угол α относительно центральной плоскости пролетного канала в диафрагме 8 уменьшает оседание электронов на стенки его резонаторного зазора, повышает токопрохождение на коллектор 9 и обеспечивает низкие шумовые параметры ЦЗУ. Численное значение диапазона изменения угла α получены методом компьютерного моделировании с последующей аппроксимацией полученных результатов аналитическим выражением:Rotation of the plane of symmetry of the gap 14 of the output resonator 6 by an angle α relative to the central plane of the passage channel in the diaphragm 8 reduces the deposition of electrons on the walls of its resonator gap, increases the current flow to the collector 9 and provides low noise parameters of the central memory. The numerical value of the range of variation of the angle α is obtained by computer simulation with the subsequent approximation of the results by an analytical expression:

α°=kZ2(Pµt/w)1/2 (B0/BБр)-1, 5≤k≤7, где α° - угол между плоскостью симметрии емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 (град). Z2 - расстояние от центра эмитирующей поверхности катода 2 до центра емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 (мм), Рµ - микропервеанс ленточного электронного потока 7 (мкА/В3/2), t/w - отношение ширины эмитирующей поверхности катода 2 к ее длине, B0/BБр - отношение индукции действующего В0 магнитного поля к бриллюэновскому ВБр (величина «запаса» по магнитному полю).α ° = kZ 2 (P µ t / w) 1/2 (B 0 / B Br ) -1 , 5≤k≤7, where α ° is the angle between the symmetry plane of the capacitive gap 14 of the output resonator 6 and the central plane of symmetry of the span channel in aperture 8 (degrees). Z 2 is the distance from the center of the emitting surface of the cathode 2 to the center of the capacitive gap 14 of the output resonator 6 (mm), P µ is the micropereance of the tape electron flow 7 (μA / B 3/2 ), t / w is the ratio of the width of the emitting surface of the cathode 2 to its length, B 0 / B Br - the ratio of the induction of the current B 0 magnetic field to Brillouin B Br (the value of the "margin" in the magnetic field).

Технические преимущества предлагаемой конструкции ЦЗУ по сравнению с прототипом подтверждены методом компьютерного моделирования и экспериментально.The technical advantages of the proposed design of the central bank in comparison with the prototype are confirmed by computer simulation and experimentally.

Компьютерные модели и расчеты выполнялись в декартовой системе координат XYZ (см. фиг1 и фиг.2). Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины t и длины w эмитирующей поверхности катода 2 и по направлению движения электронов(см. фиг.2).Computer models and calculations were performed in the Cartesian coordinate system XYZ (see Fig. 1 and Fig. 2). The axes of the Cartesian coordinate system X, Y and Z are oriented, respectively, along the width t and length w of the emitting surface of the cathode 2 and in the direction of electron motion (see figure 2).

На фиг.3 приведены результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа. В собранном узле пушки этого устройства (при фиксированных межэлектродных зазорах) изменения (увеличения) катодного тока можно осуществлять только путем изменения (повышения) потенциала вытягивающего электрода (первого анода пушки), расположенного на фиксированном расстоянии от эмитирующей поверхности катода. Поэтому в этой пушке не контролируется распределение плотности эмиссионного тока вдоль катода, которая имеет тенденцию повышаться на краях катода и увеличивать S-образные искажения краев ленточного потока. Для повышения тока (микропервеанса) электронного потока до уровня Iо=400 мкА(Рµ=4.47 мкA/B3/2) в этом устройстве потенциал вытягивающего электрода задавался равным Ua1=+9.5 B. Потенциалы резонаторов и коллектора задавались равными Uo=+20 B и Uкол=+250 В. На фиг.3,а показано распределение плотности тока на эмитирующей поверхности катода в виде объемной математической поверхности S. Размеры эмиттера (длина эмиттера w и ширина t) заданы относительно ширины зазора резонаторов d и равны соответственно w/d=75, t/d=2.2. Слева на фиг.3,а приведена черно-белая шкала плотности тока, позволяющая определить плотность эмиссионного тока в центральной части (1.5 А/см2) и ее увеличение до 2.2 А/см2 на краях эмиттера. На фиг.3,б показаны траектории электронов (их проекции на плоскость Z=0) на всей длине формирования электронного потока в однородном магнитном поле с величиной «запаса» В0Бр=4.2, соответствующем 3-см диапазону длин волн. Видно, что траектории электронов, находящихся на противоположных краях ленточного потока, отклоняются в направлении координаты Х во взаимно противоположных направлениях, образуя S-образного искажения его краев. На фиг.3,в в верхней части рисунка показан «след» ленточного электронного потока в виде распределения плотности тока по его сечению в двух плоскостях Z: на входе в зазор (Р5, вход) и на выходе из зазора (Р5, выход) входного резонатора. В нижней части рисунка на фиг.3,в показаны аналогичные «следы» электронного потока на входе в зазор (Р6, вход) и на выходе из зазора (Р6, выход) выходного резонатора. Видно, что возмущение структуры потока, обусловленное S-образным искажением краев и вращением всего ленточного потока, приводят к частичному оседанию электронов на стенки зазора выходного резонатора. Расчетная величина токопрохождения на коллектор в данном случае составляет 90%, при котором нарушается работа устройства.Figure 3 shows the results of computer simulation of the electron flow in the electron-optical system of the central memory of the prototype. In the assembled gun assembly of this device (with fixed interelectrode gaps), changes (increases) in the cathode current can be achieved only by changing (increase) the potential of the drawing electrode (the first anode of the gun) located at a fixed distance from the emitting surface of the cathode. Therefore, the distribution of the density of the emission current along the cathode is not controlled in this gun, which tends to increase at the edges of the cathode and increase the S-shaped distortions of the edges of the tape flow. To increase the electron flux current (micropervance) to the level I о = 400 μA (P μ = 4.47 μA / B 3/2 ) in this device, the potential of the extracting electrode was set to Ua1 = + 9.5 B. The potentials of the resonators and collector were set to Uo = + 20 B and Ucol = + 250 V. Figure 3a shows the distribution of current density on the emitting surface of the cathode in the form of a volume mathematical surface S. The dimensions of the emitter (emitter length w and width t) are set relative to the cavity gap width d and are equal to w, respectively / d = 75, t / d = 2.2. On the left in FIG. 3, a black-and-white scale of current density is given, which allows determining the density of the emission current in the central part (1.5 A / cm 2 ) and its increase to 2.2 A / cm 2 at the edges of the emitter. Figure 3, b shows the trajectories of electrons (their projection onto the plane Z = 0) along the entire length of the formation of the electron beam in a uniform magnetic field with a magnitude of "margin" of 0 / V Br = 4.2, corresponding to a 3-cm wavelength range. It can be seen that the trajectories of the electrons located on opposite edges of the tape flow deviate in the direction of the X coordinate in mutually opposite directions, forming an S-shaped distortion of its edges. Figure 3, in the upper part of the figure shows the "trace" of the tape electron stream in the form of a current density distribution over its cross section in two Z planes: at the entrance to the gap (P5, input) and at the exit from the gap (P5, output) of the input resonator. In the lower part of the figure in Fig. 3, c, similar "traces" of the electron beam are shown at the entrance to the gap (P6, entrance) and at the exit from the gap (P6, exit) of the output resonator. It is seen that the perturbation of the flow structure due to the S-shaped distortion of the edges and the rotation of the entire ribbon stream leads to a partial deposition of electrons on the walls of the gap of the output resonator. The estimated value of the current flow to the collector in this case is 90%, in which the operation of the device is disrupted.

На фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования ЭОС предлагаемой конструкции ЦЗУ. При одинаковых относительных размерах эмиттера (w/d=75, t/d=2.2) для достижения удвоенной величины тока (Iо=400 мкА) и микропервеанса (Рµ=4,47 мкА/В3/2) задавался отрицательный потенциал фокусирующего электрода 3 (Uфок=-43 В) и положительный потенциал вытягивающего электрода 4 (Ua1=+9.5 B). Расчет формирования ленточного потока 7 в области резонаторной системы проводился в продольном магнитном поле при том же «запасе» (B0/BБр=4.2) для 3-см диапазона длин волн и при потенциалах резонаторов 5, 6 и диафрагмы 8 (Uo=+20 B) и потенциале коллектора 9 (Uкол=+250 В). Величина угла между плоскостью симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 задавалась равной α=4°.Figure 4 shows the results of computer simulation of the EOS of the proposed design of the central memory. At the same relative emitter sizes (w / d = 75, t / d = 2.2), to achieve twice the current value (I о = 400 μA) and micropervance (P μ = 4.47 μA / V 3/2 ), the negative focusing potential was set electrode 3 (Ufoc = -43 V) and the positive potential of the pulling electrode 4 (Ua1 = + 9.5 V). The calculation of the formation of the tape flow 7 in the region of the resonator system was carried out in a longitudinal magnetic field with the same “margin” (B 0 / B Br = 4.2) for the 3 cm wavelength range and at the potentials of the resonators 5, 6 and aperture 8 (Uo = + 20 B) and collector potential 9 (Ucol = + 250 V). The angle between the symmetry plane of the gap 14 of the output resonator 6 and the central plane of symmetry of the passage channel in the diaphragm 8 was set equal to α = 4 °.

На фиг.4,а показано распределение плотности тока вдоль длины эмиттера: однородная плотность тока в центральной части и плавный ее спад по краям эмиттера, при которой снижается действие сил расталкивания собственного пространственного заряда и S-образное искажение краев ленточного электронного потока. На фиг.4,б показаны проекции траектории электронов плоскость Z=0 в области от катода 2 до коллектора 9. Сверху на фиг.4,в показаны «следы» ленточного электронного потока 7 на входе в зазор 13 (Р5, вход) и на выходе из зазора 13 (Р5, выход) входного резонатора 5. Снизу показаны «следы» потока на входе в зазор 14 (Р6, вход) и на выходе из зазора 14 (Р6, выход) выходного резонатора 6.Figure 4a shows the distribution of current density along the length of the emitter: a uniform current density in the central part and its smooth decline along the edges of the emitter, which reduces the effect of the repulsive forces of the own space charge and the S-shaped distortion of the edges of the tape electron beam. Figure 4, b shows the projection of the electron trajectory, the plane Z = 0 in the region from the cathode 2 to the collector 9. At the top of figure 4, c shows the "traces" of the tape electron stream 7 at the entrance to the gap 13 (P5, entrance) and the output from the gap 13 (P5, output) of the input cavity 5. The “traces” of the flow at the entrance to the gap 14 (P6, input) and the output from the gap 14 (P6, output) of the output cavity 6 are shown below.

Полученные результаты компьютерного моделирования подтвердили 100% токопрохождение на коллектор 9 ленточного электронного потока 7 в предлагаемом циклотронном устройстве при удвоенной величине тока (микропервеанса) по сравнению с устройством-прототипом.The obtained results of computer simulation confirmed 100% current flow to the collector 9 of the tape electron flow 7 in the proposed cyclotron device at twice the current (micropervance) compared to the prototype device.

Измерения частотных зависимостей КСВН входа (выхода) проводились на экспериментальном образце предлагаемой конструкции ЦЗУ, результаты которых сравнивались с аналогичными измерениями на промышленном образце устройства-прототипа.The measurements of the frequency dependences of the VSWR input (output) were carried out on an experimental sample of the proposed design of the central memory, the results of which were compared with similar measurements on an industrial model of the prototype device.

Результаты сравнения приведены на фиг.5 в виде графиков 1, 2, 3. По оси абсцисс отложена ширина полосы частот (f-f0)/f0, %, где f - частота входного сигнала, f0 - частота входного сигнала в центре рабочей полосы частот. Ширина полосы рабочих частот определялась по уровню КСВН входа (выхода), равному 1.25.The comparison results are shown in figure 5 in the form of graphs 1, 2, 3. The abscissa axis shows the frequency bandwidth (ff 0 ) / f 0 ,%, where f is the frequency of the input signal, f 0 is the frequency of the input signal in the center of the working band frequencies. The bandwidth of the working frequencies was determined by the level of VSWR input (output), equal to 1.25.

График 1 относится к устройству - прототипу при стандартных величинах тока Iо=200 мкА и микропервеанса Рµ=2.23 мкА/В3/2 электронного потока, увеличенной вдвое (по сравнению с предлагаемым устройством) шириной резонаторных зазоров и настроенных трактах передачи сигнала от резонаторов на внешние СВЧ-линии. В соответствии с графиком 1 ширина рабочей полосы частот этого устройства-прототипа составляет 6.4%.Schedule 1 relates to a prototype device with standard values of current I о = 200 μA and micropervance Р μ = 2.23 μA / V 3/2 of the electron beam doubled (compared with the proposed device) by the width of the resonator gaps and tuned signal transmission paths from the resonators to external microwave lines. In accordance with schedule 1, the working bandwidth of this prototype device is 6.4%.

Графики 2 и 3 относятся к экспериментальному образцу предлагаемого циклотронного устройства. При тех же значениях тока Iо=200 мкА (микропервеанса Рµ=2.23 мкА/В3/2) и всех прочих равных условиях полоса рабочих частот в нем увеличилась до 7.8% (см. график 2). Кроме того, на этом же образце в полном соответствии с приведенными выше результатами компьютерного моделирования был вдвое увеличен ток Iо=400 мкА и микропервеанс Рµ=4.47 мкА/В3/2 электронного потока, и обеспечено 100% - токопрохождение на коллектор. В результате достигнутого повышения электронной нагрузки резонаторной системы полоса рабочих частот в предлагаемом устройстве расширилась до 9.8%. (см. график 3).Graphs 2 and 3 relate to the experimental model of the proposed cyclotron device. For the same current values I о = 200 μA (micropervance Р μ = 2.23 μA / V 3/2 ) and all other conditions being equal, the operating frequency band in it increased to 7.8% (see graph 2). In addition, in the same sample, in full accordance with the above results of computer simulation, the current Io = 400 μA and the micropervance P μ = 4.47 μA / V 3/2 of the electron flow were doubled, and 100% current transfer to the collector was ensured. As a result of the increase in the electronic load of the resonator system, the operating frequency band in the proposed device expanded to 9.8%. (see chart 3).

Таким образом, предлагаемая конструкция циклотронного защитного устройства позволяет в 1.5 раза расширить полосу рабочих частот по сравнению с существующим циклотронным устройством-прототипом 3-см диапазона длин волн.Thus, the proposed design of the cyclotron protective device allows 1.5 times to expand the operating frequency band in comparison with the existing cyclotron prototype device 3 cm wavelength range.

Источники информацииInformation sources

1. Патент Российской Федерации №2167480, МПК Н02Н 7/12.1. Patent of the Russian Federation No. 2164480, IPC Н02Н 7/12.

2. Патент Российской Федерации №2453018, МПК Н02Н 7/00.2. Patent of the Russian Federation No. 2453018, IPC Н02Н 7/00.

3. И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. Материаалы Юбилейной научно-технической конференции по СВЧ-технике (ФГУП НПП ИСТОК, 29-30 мая 2003 г. Часть 2 Вып.2 (482). 2003 г. С.55-65.3. I.I. Golenitsky, N.G. Dukhina, E.I. Kanevsky. Comprehensive calculation of three-dimensional electron-optical and magnetic focusing systems of microwave electron-beam composites. Section 4. Tape electronic flow in the central memory. // Electronic equipment. Ser. 1. Microwave technology. Materials of the Jubilee Scientific and Technical Conference on Microwave Technology (FSUE NPP ISTOK, May 29-30, 2003, Part 2, Issue 2 (482). 2003, pp. 55-65.

Claims (1)

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее электронную пушку с ленточным катодом, фокусирующим и вытягивающим электродами, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, соосного с электронным потоком, уровень индукции которого обеспечивает вращение электронов с циклотронной частотой, равной средней частоте рабочей полосы частот устройства, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, который разделен на части, вакуумную и не вакуумную с подстроечными элементами, отличающееся тем, что фокусирующий электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду, плоскость симметрии зазора выходного резонатора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α, при этом 3°≤α≤5°. Microwave cyclotron protective device containing an electron gun with a tape cathode, focusing and pulling electrodes, input and output volume resonators having unidirectional communication with each other through the electron beam and separated by a diaphragm with an opening forming a passage channel, a collector and means for creating a uniform magnetic field coaxial with the electron beam, the level of induction of which provides the rotation of electrons with a cyclotron frequency equal to the average frequency of the working field the frequency axis of the device, with each resonator connected and matched to external microwave lines by a signal transmission path, which is divided into parts, vacuum and non-vacuum with tuning elements, characterized in that the focusing electrode is made in the form of a rectangular plate located in front of the tape cathode along its length, the edges of which are bent along the length at right angles to the cathode, the plane of symmetry of the gap of the output cavity forms an angle α with the central plane of symmetry of the passage channel, with 3 ° ≤ α≤5 °.
RU2013117623/07A 2013-04-16 2013-04-16 Ultrahigh frequency cyclotron protective device RU2530746C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Ultrahigh frequency cyclotron protective device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Ultrahigh frequency cyclotron protective device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2530746C1 true RU2530746C1 (en) 2014-10-10

Family

ID=53381764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Ultrahigh frequency cyclotron protective device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2530746C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2631923C1 (en) * 2016-04-18 2017-09-29 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Superhigh-frequency cyclotron protective device
RU2731297C1 (en) * 2020-01-28 2020-09-02 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Super-high-frequency cyclotron protective device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2245414A (en) * 1990-03-28 1992-01-02 Eev Ltd Output cavity for electron beam tube
RU2167480C2 (en) * 1985-02-21 2001-05-20 Государственное научно-производственное предприятие "Исток" Superhigh-frequency protective device
US6380803B2 (en) * 1993-09-03 2002-04-30 Litton Systems, Inc. Linear amplifier having discrete resonant circuit elements and providing near-constant efficiency across a wide range of output power
RU2319274C1 (en) * 2006-06-28 2008-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band
RU2453018C1 (en) * 2010-10-05 2012-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Microwave cyclotron protection device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2167480C2 (en) * 1985-02-21 2001-05-20 Государственное научно-производственное предприятие "Исток" Superhigh-frequency protective device
GB2245414A (en) * 1990-03-28 1992-01-02 Eev Ltd Output cavity for electron beam tube
US6380803B2 (en) * 1993-09-03 2002-04-30 Litton Systems, Inc. Linear amplifier having discrete resonant circuit elements and providing near-constant efficiency across a wide range of output power
RU2319274C1 (en) * 2006-06-28 2008-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band
RU2453018C1 (en) * 2010-10-05 2012-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") Microwave cyclotron protection device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2631923C1 (en) * 2016-04-18 2017-09-29 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Superhigh-frequency cyclotron protective device
RU2731297C1 (en) * 2020-01-28 2020-09-02 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") Super-high-frequency cyclotron protective device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Staprans et al. High-power linear-beam tubes
Kosmahl Modern multistage depressed collectors—A review
US10062538B2 (en) Electron device and method for manufacturing an electron device
Shu et al. Experimental demonstration of a terahertz extended interaction oscillator driven by a pseudospark-sourced sheet electron beam
Jiang et al. Experimental investigation of an electron-optical system for terahertz traveling-wave tubes
US2888597A (en) Travelling wave oscillator tubes
RU2530746C1 (en) Ultrahigh frequency cyclotron protective device
Iqbal et al. Two surface multipactor discharge with two-frequency rf fields and space-charge effects
US3172004A (en) Depressed collector operation of electron beam device
Jiang et al. Numerical design and optimization of a curved collector for a Q-band gyro-traveling wave tube
Alhuwaidi 3D modeling, analysis, and design of a traveling-wave tube using a modified ring-bar structure with rectangular transmission lines geometry
US2823332A (en) Microwave amplifier device
Neben et al. A co-axial electron gun to generate millimeter-wave RF using the two-stream instability
Hoff et al. Microwave window breakdown experiments and simulations on the UM/L-3 relativistic magnetron
US2976454A (en) High frequency energy interchange device
Ivanov On studying the possibility to improve the output characteristics of W-band traveling-wave tubes
Post et al. The Stanford mark II linear accelerator
RU2731297C1 (en) Super-high-frequency cyclotron protective device
RU2631923C1 (en) Superhigh-frequency cyclotron protective device
US7218053B2 (en) Electron beam tube output arrangement
Zhu et al. Simulation of a High-convergence Electron Optics System for an X-band High-impedance Relativistic Klystron.
Zhang et al. Parallel multi-beam and its application in THz band
Burtsev et al. Modeling of an electron-optical system with converging sheet beam for a traveling wave tube of terahertz frequency range
US2846612A (en) Traveling wave tube slow-wave structure
US2829252A (en) Traveling wave tube oscillators

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20160331