RU2535924C1 - Microwave generator with virtual cathode of coaxial type - Google Patents
Microwave generator with virtual cathode of coaxial type Download PDFInfo
- Publication number
- RU2535924C1 RU2535924C1 RU2013125188/07A RU2013125188A RU2535924C1 RU 2535924 C1 RU2535924 C1 RU 2535924C1 RU 2013125188/07 A RU2013125188/07 A RU 2013125188/07A RU 2013125188 A RU2013125188 A RU 2013125188A RU 2535924 C1 RU2535924 C1 RU 2535924C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coaxial
- cathode
- anode
- chamber
- microwave generator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками.The invention relates to microwave technology and can be used to generate powerful pulses of electromagnetic radiation by high-current electron beams.
Генерация импульсов электромагнитного излучения, получаемого с помощью сильноточных электронных пучков, представляет большой интерес в связи с перспективами их использования как в научных, так и в технологических целях. В частности, выведенный в атмосферу импульс СВЧ-излучения может использоваться для инициирования ряда биохимических процессов, модификации материалов и других применений, число которых растет по мере понимания физики процессов генерации этих импульсов и совершенствования техники получения мощного электромагнитного излучения. Таким образом, подтверждается актуальность исследований и разработки устройств по генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками.The generation of pulses of electromagnetic radiation obtained using high-current electron beams is of great interest in connection with the prospects for their use in both scientific and technological purposes. In particular, a microwave pulse pulled into the atmosphere can be used to initiate a number of biochemical processes, modify materials, and other applications, the number of which increases as we understand the physics of the processes of generating these pulses and improve the technique for producing powerful electromagnetic radiation. Thus, the relevance of research and development of devices for the generation of powerful pulses of electromagnetic radiation by high-current electron beams is confirmed.
Известно устройство для генерации электромагнитного излучения сильноточным электронным пучком [А.Н. Диденко и др. Релятивистские триодные СВЧ-генераторы // Релятивистская высокочастотная электроника. Изд-во Института прикладной физики АН СССР, г. Горький. - 1984. - вып.4. - с.104-117]. Устройство содержит источник импульсного высокого напряжения, плоский катод, находящийся под потенциалом земли, и плоский сеточный анод, находящийся под высоким положительным потенциалом, вакуумную камеру, являющуюся одновременно электродинамической системой генератора и окно для вывода СВЧ-энергии. В отличие от известных СВЧ-генераторов, работающих на сильноточных пучках, в данном устройстве генерация СВЧ-излучения осуществляется при формировании виртуального катода за сеточным анодом. С формированием виртуального катода (ВК) электроны, эмитированные с катода, начинают осуществлять осцилляторное движение вокруг сеточного анода и между реальным и виртуальным катодом, в результате чего возникает мощное СВЧ-излучение. Электромагнитное излучение из вакуумной камеры выводится в свободное пространство через выходное окно. Достоинством этого генератора является то, что он прост в конструктивном исполнении, компактен, не требует дополнительного оборудования для создания магнитных полей и транспортировки в них электронного пучка. Недостатком является многомодовая генерация в этом устройстве, связанная с геометрией системы: геометрические размеры электродинамической системы (вакуумной камеры) генератора во много раз больше длины волны генерируемого излучения.A device for generating electromagnetic radiation by a high-current electron beam [A.N. Didenko et al. Relativistic triode microwave generators // Relativistic high-frequency electronics. Publishing House of the Institute of Applied Physics, Academy of Sciences of the USSR, Gorky. - 1984. -
Известно устройство [Релятивистский СВЧ-генератор. Авторское свидетельство СССР №1522317, H01J 25/68, Бюл. №42, 1989], которое позволяет улучшить массогабаритные характеристики генератора. СВЧ- генератор содержит источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом торце расположено окно для вывода СВЧ-излучения в свободное пространство. Цилиндрический катод расположен на внутренней поверхности вакуумной камеры. Внутри вакуумной камеры соосно с ней установлен цилиндрический сеточный анод, который с помощью анододержателя соединен с высоковольтным электродом положительной полярности источника питания. Внутри анода потоком электронов, эмитируемых с катода и прошедших через анод, образуется виртуальный катод. За счет осцилляции электронов между реальным и виртуальным катодами в устройстве возникает одномодовое электромагнитное излучение на волне типа ТМ01 , которое в свободном пространстве формирует диаграмму направленности излучения с минимальной мощностью излучения на ее оси [А.Г. Жерлицын. Генерация СВЧ-излучения в триоде с виртуальным катодом коаксиального типа // Письма в ЖТФ. - 1990. - т.16. - вып.22. - С.78-80].A device is known [Relativistic microwave generator. USSR Copyright Certificate No. 1522317, H01J 25/68, Bull. No. 42, 1989], which allows to improve the overall dimensions of the generator. The microwave generator contains a high voltage source in which the negative electrode is connected to a grounded cylindrical vacuum chamber, in the end of which a high-voltage insulator is installed, and on the other end there is a window for outputting microwave radiation into free space. The cylindrical cathode is located on the inner surface of the vacuum chamber. Inside the vacuum chamber, a cylindrical grid anode is mounted coaxially with it, which is connected to the high voltage electrode of a positive polarity of the power source using an anode holder. Inside the anode, a virtual cathode is formed by a stream of electrons emitted from the cathode and passed through the anode. Due to the electron oscillation between the real and virtual cathodes, single-mode electromagnetic radiation on a wave of the TM 01 type arises in the device, which forms a radiation pattern in free space with a minimum radiation power on its axis [A.G. Zherlitsyn. Generation of microwave radiation in a triode with a virtual cathode of a coaxial type // Letters in ZhTF. - 1990. - v.16. - issue 22. - S.78-80].
Недостатком этого устройства является ограничение функциональных возможностей СВЧ- генератора, связанное с формированием диаграммы направленности излучения, имеющей минимум мощности излучения на ее оси, что ограничивает использование этого генератора для практических целей.The disadvantage of this device is the limited functionality of the microwave generator associated with the formation of a radiation pattern having a minimum radiation power on its axis, which limits the use of this generator for practical purposes.
Известно устройство коаксиального типа [А.Г. Жерлицын и др. Исследование возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Известия вузов. Физика. - 2011. - Т.54. - №11/2. - С.209-214], в котором возбуждается электромагнитное излучение на волне типа ТЕ11 в круглом волноводе, что позволяет формировать диаграмму направленности излучения с максимальной мощностью излучения на ее оси. По совокупности технических признаков данный аналог выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.A device of the coaxial type [A.G. Zherlitsyn et al. Investigation of the excitation of electromagnetic waves in a planar-coaxial triode with a virtual cathode // News of Universities. Physics. - 2011. - T.54. - No. 11/2. - S.209-214], wherein the electromagnetic radiation is excited in the TE 11 wave in circular waveguide that allows the formation of the radiation pattern with the maximum power of the radiation on its axles. On the basis of the technical features of this analogue is selected as a prototype of the invention.
Устройство содержит источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом торце расположено выходное окно, выполненное в виде рупорной антенны для вывода СВЧ-излучения. Внутри вакуумной камеры вдоль ее оси расположен сеточный анод, имеющий форму прямоугольного цилиндра, соединенный через анододержатель и вакуумный изолятор с положительным электродом источника высокого напряжения. Внутри анода вдоль его оси расположен катодный узел. Катодный узел соединен с заземленной вакуумной камерой четырьмя электродами, являющимися одновременно опорами узла, которые проходят через отверстия анододержателя. Величина диаметра отверстий обеспечивает электрическую изоляцию вакуумных промежутков между электродами и отверстиями в корпусе анододержателя. В катодном узле установлены четыре плоских катода. Прямоугольный цилиндрический анод образован четырьмя сетками, соединенными в квадратную прямую призму с закругленными ребрами, которая плавно переходит в полый цилиндр, на конце которого установлен конус. Четыре плоских катода и четыре анодных сетки образуют четыре плоских катод-анодных промежутка. В пространстве между анодом и стенкой вакуумной камеры потоком прошедших через анод электронов образуется виртуальный катод.The device contains a high voltage source, in which the negative electrode is connected to a grounded cylindrical vacuum chamber, in the end of which a high-voltage insulator is installed, and at the other end there is an output window made in the form of a horn antenna for outputting microwave radiation. Inside the vacuum chamber along its axis there is a grid anode having the shape of a rectangular cylinder connected through the anode holder and the vacuum insulator to the positive electrode of the high voltage source. Inside the anode, a cathode assembly is located along its axis. The cathode assembly is connected to a grounded vacuum chamber by four electrodes, which are simultaneously the supports of the assembly, which pass through the holes of the anode holder. The diameter of the holes provides electrical isolation of the vacuum gaps between the electrodes and the holes in the anode holder body. Four flat cathodes are installed in the cathode assembly. A rectangular cylindrical anode is formed by four grids connected in a square straight prism with rounded ribs, which smoothly passes into a hollow cylinder, at the end of which a cone is installed. Four flat cathodes and four anode grids form four flat cathode-anode gaps. A virtual cathode is formed in the space between the anode and the wall of the vacuum chamber by the flow of electrons passing through the anode.
Устройство-прототип работает следующим образом. При подаче на анод импульса высокого напряжения положительной полярности в катод-анодных промежутках возникают электронные потоки, которые, проходя через сетки анода в пространстве между анодом и стенкой вакуумной камеры, создают виртуальные катоды. При формировании виртуальных катодов в электронных потоках возникает осцилляторное движение электронов между реальными и виртуальными катодами, которое сопровождается мощным электромагнитным излучением, и в вакуумной камере возбуждаются электромагнитные волны СВЧ-диапазона длин волн. Вакуумная камера вместе с электродной системой, расположенной внутри камеры, образуют электродинамическую систему генератора, которая является неодносвязной в области взаимодействия пучка с полями электродинамической системы (резонатора). Она не является однородной вдоль оси камеры и состоит из отрезков волноводных линий:The prototype device operates as follows. When a high voltage pulse of positive polarity is applied to the anode, electron flows arise in the cathode-anode spaces, which, passing through the anode grids in the space between the anode and the wall of the vacuum chamber, create virtual cathodes. During the formation of virtual cathodes in electron flows, an oscillatory movement of electrons occurs between real and virtual cathodes, which is accompanied by powerful electromagnetic radiation, and microwave waves of the microwave range are excited in a vacuum chamber. The vacuum chamber together with the electrode system located inside the chamber form the electrodynamic system of the generator, which is not simply connected in the field of interaction of the beam with the fields of the electrodynamic system (resonator). It is not uniform along the axis of the chamber and consists of segments of waveguide lines:
коаксиальной, планарно-коаксиальной и цилиндрической. В ней могут возбуждаться волны типа ТЕМ, ТЕ, ТМ. Низшим типом колебаний в этой системе являются волны типа ТЕМ. Первым высшим типом волн являются волны типа ТЕ11. Поэтому наиболее эффективное возбуждение и передача энергии будет осуществляться волнами ТЕМ и ТЕ11 типа. При этом, для того чтобы возбуждение было на одном типе, а именно на ТЕ11 типе, необходимо иметь аксиально-несимметричный электронный поток. Это достигается в устройстве за счет несимметричного расположения плоских катодов. Проведенные на устройстве-прототипе экспериментальные исследования показали, что при формировании аксиально-несимметричных электронных потоков в генераторе генерация СВЧ-излучения осуществляется на ТЕ11 типе, при котором в свободном пространстве формируется диаграмма направленности излучения с максимальной мощностью на оси. При формировании аксиально-симметричного расходящегося от оси камеры электронного потока в этой системе возбуждается ТЕМ волна, которая в отрезке цилиндрической линии трансформируется в волну TM01 и в свободном пространстве формируется диаграмма направленности излучения с минимальной мощностью на оси [А.Г. Жерлицын и др. Генерация СВЧ-колебаний в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т.21. - №2. - С.31-35]. Аксиальная симметрия электронного потока достигалась в устройстве за счет замены прямоугольного цилиндрического сеточного анода на круглый цилиндрический сеточный анод и замены плоских катодов в катодном узле на круглый цилиндрический катод.coaxial, planar-coaxial and cylindrical. Waves of the TEM, TE, TM type can be excited in it. The lowest type of oscillations in this system are waves of the TEM type. The first highest type of waves are waves of type TE 11 . Therefore, the most efficient excitation and energy transfer will be carried out by TEM and TE 11 waves. In this case, in order for the excitation to be on one type, namely, on TE 11 type, it is necessary to have an axially asymmetric electron flux. This is achieved in the device due to the asymmetric arrangement of the flat cathodes. Experimental studies performed on the prototype device showed that when axially asymmetric electron flows are generated in the generator, microwave radiation is generated on type 11 TE, in which a radiation pattern with maximum power on the axis is formed in free space. When an axially symmetric electron beam diverging from the camera axis is formed, a TEM wave is excited in this system, which is transformed into a TM 01 wave in a segment of a cylindrical line and a radiation pattern with a minimum power on the axis is formed in the free space [A.G. Zherlitsyn et al. Generation of microwave oscillations in a coaxial vircator with a diverging beam // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. - 2012. - T. 21. - No. 2. - S.31-35]. The axial symmetry of the electron flow was achieved in the device by replacing the rectangular cylindrical grid anode with a round cylindrical grid anode and replacing the flat cathodes in the cathode assembly with a round cylindrical cathode.
Недостатком устройства-прототипа является ограничение его функциональных возможностей, невысокая надежность работы устройства, связанная с электрической прочностью вакуумных промежутков в области подсоединения катодного узла с вакуумной камерой. А именно при увеличении мощности СВЧ-излучения необходимо увеличивать высокое напряжение, что влечет за собой увеличение вакуумных промежутков в области соединения катодного узла с вакуумной камерой и, как следствие этого, к увеличению геометрических размеров весогабаритных характеристик генератора, а также к увеличению вероятности перехода генерации из одномодового режима, к многомодовому режиму генерации.The disadvantage of the prototype device is the limitation of its functionality, low reliability of the device associated with the electrical strength of the vacuum gaps in the area of the cathode assembly with the vacuum chamber. Namely, with an increase in the microwave radiation power, it is necessary to increase the high voltage, which entails an increase in the vacuum gaps in the area of the cathode assembly connecting to the vacuum chamber and, as a result, an increase in the geometric dimensions of the overall dimensions of the generator, as well as an increase in the probability of the generation transition from single-mode, to multi-mode generation.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей СВЧ-генератора с виртуальным катодом коаксиального типа, повышении надежности работы устройства.The technical result of the invention is to expand the functionality of a microwave generator with a virtual coaxial cathode, increasing the reliability of the device.
Указанный технический результат достигается тем, что в СВЧ- генераторе с виртуальным катодом коаксиального типа, содержащим, как и прототип, источник высокого напряжения, в котором отрицательный электрод соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой, высоковольтный изолятор, установленный в торце камеры, цилиндрический сеточный анод, расположенный вдоль оси камеры, соединенный с положительным электродом источника высокого напряжения через анододержатель и высоковольтный изолятор, катодный узел с цилиндрическим катодом, расположенный внутри анода на его оси и соединенный с вакуумной камерой, антенну для вывода СВЧ-излучения, в отличие от прототипа катодный узел соединен с вакуумной камерой через коаксиальную конусную линию, широким концом подсоединенную к свободному торцу камеры, а узким концом к коаксиально-волноводному переходу, к которому подсоединены антенна и согласующий элемент.The specified technical result is achieved by the fact that in a microwave generator with a virtual cathode of a coaxial type, containing, like the prototype, a high voltage source in which the negative electrode is connected to a grounded cylindrical vacuum chamber, a high-voltage insulator installed at the end of the chamber, a cylindrical grid anode, located along the axis of the chamber, connected to the positive electrode of the high voltage source through the anode holder and high voltage insulator, cathode assembly with a cylindrical cathode, The antenna for outputting microwave radiation located inside the anode on its axis and connected to the vacuum chamber, unlike the prototype, the cathode assembly is connected to the vacuum chamber through a coaxial conical line connected at the wide end to the free end of the chamber, and the narrow end to the coaxial waveguide junction to which the antenna and matching element are connected.
Целесообразно, чтобы коаксиально-волноводный переход был выполнен в виде коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа.It is advisable that the coaxial waveguide transition was made in the form of a coaxial waveguide transition of a button type.
Целесообразно, чтобы коаксиальная конусная линия была соединена с коаксиально-волноводным переходом через заземленный излучатель.It is advisable that the coaxial conical line was connected to the coaxial waveguide transition through a grounded emitter.
Целесообразно, чтобы согласующий элемент был выполнен в виде короткозамкнутого высокочастотного поршня и соединен с коаксиально-волноводным переходом через вакуумно-плотное радиопрозрачное окно.It is advisable that the matching element was made in the form of a short-circuited high-frequency piston and connected to a coaxial-waveguide transition through a vacuum-tight radio-transparent window.
Целесообразно, чтобы на выходе антенны было установлено радиопрозрачное вакуумно-плотное окно.It is advisable that a radio-transparent vacuum-tight window be installed at the output of the antenna.
Поскольку коаксиально-волноводные переходы пуговичных типов могут быть электрически пробиты только при СВЧ-мощности, равной СВЧ-мощности электрического пробоя коаксиальной линии [Линии передачи сантиметровых волн / под редакцией Г.А. Ремеза. - М.: Советское радио. 1951. - т.1-415. - С.357], то для повышения надежности работы устройства при высоких уровнях мощности излучения, генерируемой в генераторе, целесообразно использовать переход пуговичного типа.Since button-type coaxial waveguide transitions can be electrically broken only at a microwave power equal to the microwave power of the electrical breakdown of a coaxial line [Centimeter wave transmission lines / edited by G.A. Remeza. - M .: Soviet radio. 1951. - vol. 1-415. - S.357], then to improve the reliability of the device at high levels of radiation power generated in the generator, it is advisable to use a button type transition.
На Фиг.1 схематически представлена конструкция заявляемого устройства. Фиг.2 иллюстрирует использование в устройстве коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа.Figure 1 schematically shows the design of the claimed device. Figure 2 illustrates the use of a button-type coaxial waveguide transition in a device.
СВЧ-генератор с виртуальным катодом коаксиального типа содержит источник высокого напряжения 1, в котором отрицательный электрод заземлен; заземленную цилиндрическую вакуумную камеру 2, в торце которой установлен высоковольтный изолятор 3. Другой торец камеры соединен с коаксиальной конусной линией 4, к которой подсоединен коаксиально-волноводный переход 5 с прямоугольной антенной 6 для вывода СВЧ излучения. Внутри вакуумной камеры вдоль ее оси установлен цилиндрический сеточный анод 7, который с помощью анододержателя 8 соединен с высоковольтным электродом положительной полярности 9 источника высокого напряжения 1. Внутри анода вдоль его оси установлен катододержатель 10 с цилиндрическим катодом 11. Катододержатель 10, сеточный анод 7, анододержатель 8 и вакуумная камера 2 образуют две взаимосвязанные коаксиальные линии. Катододержатель 10, являющийся внутренним проводником коаксиальной линии, соединен через внутренний проводник 12 коаксиальной конусной линии 4 с заземленным излучателем 13 коаксиально-волноводного перехода (Фиг.1, вид A-A). Излучатель 13 служит элементом связи между коаксиальной конусной линией 4 и прямоугольным волноводом коаксиально-волноводного перехода. Для согласования коаксиальной линии и коаксиально-волноводного перехода, к переходу подключен согласующий элемент 14 в виде настраиваемого с помощью короткозамыкающего поршня отрезка волноводной линии. Для сохранения вакуума в коаксиально-волноводном переходе и внутри устройства согласующий элемент 14 соединен с коаксиально-волноводным переходом радиопрозрачным вакуумно-плотным окном 15, а на выходе антенны установлено радиопрозрачное вакуумно-плотное окно 16. Внутри вакуумной камеры 2, напротив катод-анодного промежутка 17, за сеточным анодом потоком электронов, прошедших через анод, образуется виртуальный катод 18.A microwave generator with a coaxial-type virtual cathode comprises a high voltage source 1, in which the negative electrode is grounded; a grounded cylindrical vacuum chamber 2, in the end of which a high-voltage insulator 3 is installed. The other end of the chamber is connected to a coaxial
В другом варианте (Фиг.2) катододержатель 10 соединен через внутренний проводник 12 коаксиальной конусной линии 4 с заземленным излучателем 13 коаксиально-волноводного перехода 5 пуговичного типа.In another embodiment (Figure 2), the cathode holder 10 is connected via an
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Высоковольтный импульс положительной полярности от источника высокого напряжения 1 через высоковольтный электрод 9, изолятор 3 и анододержатель 8 прикладывается к сеточному аноду 7. Под действием разности потенциалов между катодом 11 и анодом 7 электроны, эмитируемые с поверхности цилиндрического катода, ускоряются в промежутке катод-анод 17, образуя радиально-расходящийся поток электронов, которые после пролета через сетку анода образуют за анодом виртуальный катод 18. В потенциальной яме в области катод - анод - виртуальный катод образуется радиально-симметричный поток электронов, осциллирующий между реальным и виртуальным катодами, являющийся источником мощного СВЧ-излучения, которое при радиально-симметричном электронном потоке в коаксиальной резонансной системе возбуждает волны типа ТЕМ. Возбуждаемая ТЕМ волна через коаксиальную конусную линию передается в коаксиально-волноводный переход. В коаксиально-волноводном переходе волна ТЕМ трансформируется в волну типа ТЕ10 в прямоугольном волноводе. Для обеспечения минимальных потерь энергии электромагнитного излучения при трансформации волн в коаксиально-волноводном устройстве используется настраиваемый согласующий элемент 14, выполненный в виде короткозамкнутого высокочастотного поршня. Этот элемент соединен с коаксиально-волноводным переходом через вакуумно-плотное радиопрозрачное окно 15. Сформированная в коаксиально-волноводном переходе волна ТЕ10 через прямоугольную рупорную антенну 6 излучается в свободное пространство и в дальней зоне от окна 16 антенны формируется диаграмма направленности СВЧ-излучения с максимальной мощностью на оси антенны.A high-voltage pulse of positive polarity from the high-voltage source 1 through the high-voltage electrode 9, the insulator 3 and the anode holder 8 is applied to the grid anode 7. Under the influence of the potential difference between the cathode 11 and the anode 7, the electrons emitted from the surface of the cylindrical cathode are accelerated in the gap between the cathode-anode 17 forming a radially diverging stream of electrons, which, after passing through the anode grid, form a virtual cathode 18 behind the anode. In a potential well in the region of the cathode – anode – virtual cathode I am a radially symmetric electron stream oscillating between the real and virtual cathodes, which is a source of high-power microwave radiation, which, in the case of a radially symmetric electron stream in a coaxial resonant system, excites TEM waves. The TEM wave excited through the coaxial cone line is transmitted to the coaxial waveguide transition. In a coaxial waveguide transition, a TEM wave transforms into a TE 10 wave in a rectangular waveguide. To ensure minimal energy loss of electromagnetic radiation during wave transformation in a coaxial waveguide device, a
Таким образом, за счет подключения катода к заземленной вакуумной камере через коаксиальную линию и коаксиально-волноводный переход, реализация предлагаемого устройства позволяет расширить функциональные возможности СВЧ- генератора, повысить надежность его работы.Thus, by connecting the cathode to a grounded vacuum chamber through a coaxial line and a coaxial waveguide junction, the implementation of the proposed device allows you to expand the functionality of the microwave generator, to increase the reliability of its operation.
В конкретном примере реализации предложенного СВЧ-генератора с виртуальным катодом геометрические размеры вакуумной камеры 2, катодного узла с катодом, анода с анододержателем, параметры источника питания такие же, как и в прототипе, а именно: вакуумная камера 2 имеет диаметр 35 см, длину 52 см, катод 11 выполнен в виде диска из нержавеющей стали диаметром 11 см и крепится к катододержателю 10 из нержавеющей стали диаметром 10 см; цилиндрический сеточный анод 7 диаметром 13,4 см, выполненном из стальной сетки с геометрической прозрачностью 0,7, и крепится на анододержателе 8, выполнен из трубы из нержавеющей стали диаметром, равным диаметру анода; источник питания 1 формирует импульс напряжения положительной полярности амплитудой 450-500 кВ, длительностью ~120 нсек и обеспечивает ток в катод-анодном промежутке, равном 45-50 кА.In a specific example of the implementation of the proposed microwave generator with a virtual cathode, the geometric dimensions of the vacuum chamber 2, the cathode assembly with the cathode, the anode with the anode holder, the parameters of the power source are the same as in the prototype, namely, the vacuum chamber 2 has a diameter of 35 cm, length 52 cm, the cathode 11 is made in the form of a stainless steel disk with a diameter of 11 cm and is attached to the cathode holder 10 of stainless steel with a diameter of 10 cm; a cylindrical mesh anode 7 with a diameter of 13.4 cm, made of steel mesh with a geometric transparency of 0.7, and mounted on the anode holder 8, made of stainless steel pipe with a diameter equal to the diameter of the anode; power source 1 generates a voltage pulse of positive polarity with an amplitude of 450-500 kV, a duration of ~ 120 nsec and provides a current in the cathode-anode gap of 45-50 kA.
Как следует из полученных результатов исследований, проведенных на СВЧ-генераторе - прототипе, в такой геометрии формируется радиальный аксиально-симметричный осциллирующий поток электронов, возбуждающий в вакуумной камере с электродными системами анода и катода волны типа ТЕМ [А.Г. Жерлицын и др. Генерация СВЧ-колебаний в коаксиальном виркаторе с расходящимся пучком // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - т.21. - №2. - С.31-35].As follows from the results of studies conducted on a microwave generator - prototype, in this geometry a radial axially-symmetric oscillating electron flow is generated, exciting in a vacuum chamber with electrode systems of the anode and cathode of a wave of the TEM type [A.G. Zherlitsyn et al. Generation of microwave oscillations in a coaxial vircator with a diverging beam // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. - 2012 .-- v.21. - No. 2. - S.31-35].
В предлагаемом устройстве катододержатель 10 соединяется с внутренним проводником 12 коаксиальной конусной линии 4 с помощью резьбовых соединений. Внешний проводник коаксиальной конусной линии 4 через фланцевое вакуумно-плотное соединение крепится широким концом к вакуумной камере. Геометрические размеры коаксиальной конусной линии 4 выбираются из условий: во-первых, волновое сопротивление коаксиальной линии, образованной катододержателем 10 и вакуумной камерой 2 и коаксиальной конусной линией 4, должны быть равны; во-вторых, длина конусной линии ℓк.л.>2λ, где λ - длина волны излучения. В этом случае коэффициент стоячей волны (КСВ) линии близок к единице [Линии передачи сантиметровых волн / под редакцией Г.А. Ремеза. - М.: Советское радио. - 1959. - Т.1. - 415 с.].In the proposed device, the cathode holder 10 is connected to the
Волновое сопротивление коаксиальной линии с диаметром внешнего проводника, равного диаметру катододержателя dкатод=10 см, согласно формуле
В примере конкретного исполнения для соединения коаксиальной конусной линии с коаксиально-волноводным переходом используется цанговое соединение внутренних проводников 12 и 13 и фланцевое соединение внешних проводников. Волновое сопротивление отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода равно волновому сопротивлению конусной линии: Zк.в.n.=Zк.л.=75 Ом. Как было отмечено ранее, для повышения надежности работы устройства при высоких уровнях мощности излучения целесообразно использовать коаксиально-волноводный переход пуговичного типа. В этом переходе пробивная напряженность электрического поля равна пробивной напряженности в коаксиальных линиях. В примере конкретного исполнения предлагается использовать коаксиально-волноводный переход пуговичного типа с прямоугольным волноводом сечением 45×90 мм2. Величина диаметров внутреннего и внешнего проводников отрезка коаксиальной линии перехода определяются из условия электрической прочности вакуумной коаксиальной линии. Для импульсов наносекундной длительности пробивная напряженность электрического поля в вакууме равна Eпр.≥600 кВ/см [В.Я. Ушаков. Изоляция установок высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат. - 1994. - 466 с.]. При этом предельная СВЧ- мощность, передаваемая по вакуумной коаксиальной линии, связана с пробивной напряженностью электрического поля следующей формулой [Конструкция СВЧ-устройств и экранов: Учеб. Пособие для вузов / A.M. Чернушенко, Н.Е. Меланченко, Л.Г. Манорацкий, Б.В. Петров / Под ред. A.M. Чернушенко. - М.: Радио и связь. - 1983. - 400 с.]:In a specific embodiment, to connect the coaxial conical line to the coaxial waveguide junction, a collet connection of the
где Pпр. - предельная СВЧ-мощность,where P ave - ultimate microwave power,
Eпр. - напряженность пробоя электрического поля в линии,E ave - the breakdown intensity of the electric field in the line,
d - диаметр внутреннего проводника линии,d is the diameter of the inner conductor of the line,
D - диаметр внешнего проводника линии.D is the diameter of the external conductor of the line.
Для линии с волновым сопротивлением Zк.л.=75 Ом,
и диаметр внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода можно определить из выражения:and the diameter of the inner conductor of the segment of the coaxial line of the coaxial waveguide transition can be determined from the expression:
Для генерируемой мощности P≥109 Вт и Eпр=6·105 В/см, d≥1 см.For P≥10 generated power 9 W and E ave = 6 · 10 5 V / cm, d≥1 cm.
Из конструктивных соображений выбираем d=1,6 см, тогда диаметр внешнего проводника отрезка коаксиальной линии коаксиально-волноводного перехода, с учетом волнового сопротивления линии Zк.л.=75 Ом, будет равен D=5,5 см.From structural considerations chosen d = 1,6 cm, while the diameter of the outer conductor of the coaxial-waveguide transition coaxial line with the wave impedance Z line KL = 75 Ohms, will be equal to D = 5.5 cm.
Предельная СВЧ-мощность, передаваемая по вакуумному волноводу коаксиально-волноводного перехода сечением 45×90 мм к антенне на бегущей волне типа ТЕ10, определяется по формуле:Ultimate microwave power transmitted through a vacuum waveguide of a coaxial waveguide junction with a cross section of 45 × 90 mm to an antenna on a traveling wave of type TE 10 is determined by the formula:
где
a и b - внутренний размер волновода, см;a and b are the internal size of the waveguide, cm;
Eпр - напряженность пробоя электрического поля в вакуумном волноводе, В/см;E CR - the breakdown intensity of the electric field in a vacuum waveguide, V / cm;
Zc=376,7 Ом - характеристическое сопротивление плоской волны в вакууме;Z c = 376.7 Ohms is the characteristic resistance of a plane wave in vacuum;
λ0 и
Таким образом, как показывает пример конкретного исполнения, использование заявляемого устройства позволяет при генерации СВЧ- излучения гигаваттного уровня мощности в десятисантиметровом диапазоне длин волн в СВЧ-генераторе с виртуальным катодом трансформировать волны ТЕМ типа в волну типа ТЕ10 в прямоугольном волноводе и расширить функциональные возможности СВЧ-генератора, повысить надежность его работы.Thus, as an example of a specific embodiment shows, the use of the inventive device allows for the generation of microwave radiation of a gigawatt power level in a ten-centimeter wavelength range in a microwave generator with a virtual cathode to transform TEM type waves into a TE 10 wave in a rectangular waveguide and expand the functionality of the microwave -generator, increase the reliability of its work.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125188/07A RU2535924C1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125188/07A RU2535924C1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013125188A RU2013125188A (en) | 2014-12-10 |
RU2535924C1 true RU2535924C1 (en) | 2014-12-20 |
Family
ID=53286182
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013125188/07A RU2535924C1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2535924C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1522317A1 (en) * | 1987-04-27 | 1989-11-15 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Relativistic microwave oscillator |
US7129504B2 (en) * | 2003-06-04 | 2006-10-31 | Voss Scientific, Llc | Method and apparatus for generation and frequency tuning of modulated, high current electron beams |
RU2297688C1 (en) * | 2005-08-15 | 2007-04-20 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Microwave oscillator built around virtual radial-beam cathode |
RU2352014C1 (en) * | 2007-07-23 | 2009-04-10 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Vircator with radial convergent beam |
WO2011037498A1 (en) * | 2009-09-25 | 2011-03-31 | Bae Systems Bofors Ab | Device for generation of microwaves |
-
2013
- 2013-05-30 RU RU2013125188/07A patent/RU2535924C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1522317A1 (en) * | 1987-04-27 | 1989-11-15 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Relativistic microwave oscillator |
US7129504B2 (en) * | 2003-06-04 | 2006-10-31 | Voss Scientific, Llc | Method and apparatus for generation and frequency tuning of modulated, high current electron beams |
RU2297688C1 (en) * | 2005-08-15 | 2007-04-20 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Microwave oscillator built around virtual radial-beam cathode |
RU2352014C1 (en) * | 2007-07-23 | 2009-04-10 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Vircator with radial convergent beam |
WO2011037498A1 (en) * | 2009-09-25 | 2011-03-31 | Bae Systems Bofors Ab | Device for generation of microwaves |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.Г. Жерлицын . Исследование возбуждения электромагнитных колебаний в планарно-коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Известия вузов. Физика. - 2011. - Т.54. - N11/2. - С.209-214. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013125188A (en) | 2014-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Romanchenko et al. | Repetitive sub-gigawatt rf source based on gyromagnetic nonlinear transmission line | |
Totmeninov et al. | Repetitively pulsed relativistic Cherenkov microwave oscillator without a guiding magnetic field | |
Chen et al. | Cathode and anode optimization in a virtual cathode oscillator | |
CN105489460A (en) | K-waveband coaxial relativistic backward wave oscillator | |
GB628806A (en) | Improvements in apparatus for accelerating charged particles, especially electrons, to very high velocity | |
US4553068A (en) | High power millimeter-wave source | |
Ju et al. | Characterization of Cesium Iodide-Coated Carbon-Fiber Aluminum Cathode for an $ S $-Band High-Efficiency Vircator | |
Tot'meninov et al. | Repetitively pulsed relativistic BWO with enhanced mechanical frequency tunability | |
RU2535924C1 (en) | Microwave generator with virtual cathode of coaxial type | |
Sung et al. | Influence of anode-cathode gap distance on output characteristics of high-power microwave from coaxial virtual cathode oscillator | |
JP6244141B2 (en) | Plasma generator and use thereof | |
Kalinin et al. | Turbulent electron beams generated by magnetron injection guns | |
US3388287A (en) | Tm01 mode rf pulse generator | |
RU2422938C1 (en) | Relativistic magnetron with wave-guide outputs of capacity | |
Bian et al. | Design and analysis of micro-machined folded waveguide slow-wave structure for 220 GHz application | |
RU2388101C1 (en) | Relativistic magnetron with resonator waveguide channels | |
Esfahani et al. | Design and 3-D particle-in-cell simulation of a 140 GHz spatial-harmonic magnetron | |
CN109616394A (en) | A kind of low guidance magnetic field compact high power microwave device of S-band | |
RU2551353C1 (en) | Relativistic magnetron | |
RU2337426C1 (en) | Relativistic magnetron with external channels of resonators communication | |
RU2352014C1 (en) | Vircator with radial convergent beam | |
US3359452A (en) | Resonator for supporting non-sinus-oidal preiodic waveforms | |
Zhang et al. | Compact THz extended interaction oscillator driven by a pseudospark-sourced beam | |
RU2190281C1 (en) | Relativistic magnetron | |
Reddy et al. | PIC Simulation Studies of High Power RBWO with Trapezoidal Resonant Reflector at Low Guiding Magnetic Field |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180531 |