RU2553574C2 - Способ свч-генерации на основе электронных пучков - Google Patents
Способ свч-генерации на основе электронных пучков Download PDFInfo
- Publication number
- RU2553574C2 RU2553574C2 RU2013113488/07A RU2013113488A RU2553574C2 RU 2553574 C2 RU2553574 C2 RU 2553574C2 RU 2013113488/07 A RU2013113488/07 A RU 2013113488/07A RU 2013113488 A RU2013113488 A RU 2013113488A RU 2553574 C2 RU2553574 C2 RU 2553574C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron beam
- electric
- power supply
- microwave
- power
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков может быть использован в бортовой системе электропитания, системе электропитания мобильных аппаратов, а также в различных стационарных системах электроснабжения. Способ СВЧ-генерации, основан на получении электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью коллектора виртуального катода для СВЧ-генерации. Оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ-трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания СВЧ - трафика, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги, где они рекомбинируют катионы в молекулы и атомы рабочей среды, которая вновь подвергается ионизации электрической дугой. Технический результат - повышение мощности в системе электропитания СВЧ-трафика за счет рекупирования всей энергии электронного пучка в систему электропитания. 1 ил.
Description
Данное изобретение основано на получении электроэнергии из потока электронной плазмы и может быть использовано для бортовой системы электропитания, мобильных аппаратов, а также в различных стационарных системах электроснабжения.
Известен способ, реализованный в СВЧ-генераторе и описанный в статье [«СВЧ-генераторы на основе электронных пучков с виртуальным катодом» - Успехи современной радиоэлектроники, №9, 2008, с.53-55]. Этот способ принят за прототип. Известный способ получения СВЧ-колебаний на основе электронных пучков заключается в получении с помощью электронной пушки пучка электронной плазмы из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, отборе мощности из электронного пучка для СВЧ-генерации путем частичного торможения (уменьшения скорости) электронного пучка виртуальным катодом (ВК) и поглощении коллектором виртуального катода неиспользованной части мощности электронного пучка.
Недостатком прототипа является использование незначительной части (порядка 20%) мощности электронного пучка, так как при увеличении степени торможения электронного пучка СВЧ-генерация прекращается. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором ВК, на что непроизводительно расходуется электроэнергия системы электропитания СВЧ-трафика, а это снижает КПД системы электропитания.
Задачей предлагаемого изобретения является преобразование всей энергии электронного пучка в электроэнергию системы электропитания СВЧ-трафика и, следовательно, повышение КПД системы электропитания.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе СВЧ-генерации, основанном на получении электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью виртуального катода для СВЧ-генерации, согласно техническому решению, оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ - трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания СВЧ-трафика, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги.
Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, схема которого представлена на чертеже.
Устройство содержит регулируемый преобразователь напряжения (РПН) 1; плазмотрон с электродуговым катодом (ПЭД) 2 (возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным или оптическим катодом и др. [«Энциклопедия низкотемпературной плазмы», - книга 2, т.2, М.: «Наука/ интерпериодика», 2000. С.165-178]; две электронные пушки (ЭП) 3; виртуальные катоды (ВК) 5; приемо-передающую аппаратуру СВЧ-трафика 6; коллекторы 7 виртуального катода с аксиальным отверстием; аксиальные аноды (АА) 8; поляризующиеся электроды (ПЭ) 9; конденсаторы резонанса токов (КРТ) 10; силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, средняя точка 12 первичной цепи которого соединена с катодом «К» электродугового плазмотрона 2; систему электропитания СВЧ-трафика (СЭП) 13.
Работает устройство следующим образом. С помощью регулируемого преобразователя напряжения 1 подают необходимое напряжение на анод «А» и катод «К» электродугового плазмотрона 2, герметичный объем которого заполнен рабочей средой. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой, возникающей между электродами «А» и «К». Электрическим анодным полем электронной пушки 3, скрещенным с полем электрической дуги ПЭД 2, выводят из области дуги электроны, ускоряют их, создавая необходимый поток электронной плазмы - электронные пучки 4, из которых отбирают часть мощности с помощью виртуального катода 5, превращая отбираемую мощность в СВЧ-колебания и в соответствующее излучение СВЧ-трафика 6.
В это время катионы ионизированной рабочей среды, имеющие массу в тысячи раз большую, чем электроны, поэтому почти не изменяющие своей траектории движения под действием анодного поля электронной пушки 3, приходят на катод К плазмотрона 2 и заряжают его положительно.
Оставшийся электронный пучок после виртуального катода 5 пропускают через коллектор 7 виртуального катода с аксиальным отверстием, модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания путем подачи на аксиальные аноды 8 соответствующих напряжений с конденсаторов резонанса токов 10, увеличивая ускоряющим полем анода 8 кинетическую энергию электронного пучка и энергию электронного взаимодействия в пучке, создаваемую силами Кулона и Лоренца, и направляют электронный пучок в скрещенное электрическое поле поляризующегося электрода 9. Скрещенное электрическое поле создается при использовании эффекта «двойного электрического слоя» (см. Большой энциклопедический словарь, Физика, - М.: «Большая Российская энциклопедия», 1998, с. 144), обеспечивающего радиальную составляющую электрического поля, при этом напряженность поля в 102-103 раз превышает напряженность поля пучка. Радиальная составляющая скрещенного электрического поля удерживает пучок, поэтому сохраняются его энергетические параметры. Продольная составляющая скрещенного электрического поля, создаваемая электронным пучком, автоматически образуется на изолированной от рабочей полости части поляризующегося электрода 9, на которой создается отрицательный потенциал, тормозящий электронный пучок.
Продольной составляющей скрещенного электрического поля тормозят электронный пучок, превращая кинетическую энергию и энергию электронного взаимодействия в эквивалентное напряжение (U3). Это напряжение равно отношению общей энергии электронного пучка (WЭП) к электрическому заряду электронного пучка (qЭП) которое в несколько раз может превышать рабочее напряжение аксиального анода 8. Происходит это вследствие того, что пучок электронов, движущихся со скоростью образуется в результате динамического равновесия трех видов электрических сил: анодного поля аксиального анода 8, силы Кулона, расталкивающей электроны в радиальном сечении пучка и ускоряющей электроны в продольном направлении пучка, и силы Лоренца, сближающей электроны в радиальном сечении пучка. Эти силы создают в пучке три вида энергии: кинетическую, созданную анодным полем аксиального анода 8, и энергию электронного взаимодействия, созданную силой Кулона и силой Лоренца, в первом приближении одинаковых по значению.
Силу конвекционного тока электронного пучка превращают в силу электронного тока проводимости, идущего через поляризующийся электрод 9 по соответствующему плечу высоковольтной обмотки (ВВО) первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11, в котором действует положительная полуволна напряжения системы электропитания 13. При смене полярности полуволны напряжения в ВВО первичной цепи СТП 11 импульс электронного тока проводимости идет по другому плечу первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11. В результате производят двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка в переменный ток системы электропитания СВЧ-трафика СЭП 13,
и в соответствующую мощность
, где Z1СЭП - полное сопротивление электрической цепи СЭП 13, трансформированное в первичную цепь СТП 11, работающую в режиме резонанса токов совместно с конденсаторами резонанса токов 10 на рабочей частоте СЭП 13, в которую передается создаваемая электрическая мощность со вторичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11.
Режимом резонанса токов в первичной цепи СТП 11 взаимно компенсируют индуктивную и емкостную реактивные мощности, что дает возможность в 1,5-2 раза увеличить силу тока в первичной обмотке СТП 11 и соответственно увеличить получаемую мощность во вторичной обмотке. Резонанс улучшает форму колебаний, снижая потери мощности высшими гармониками, приближая cosφ в цепи к единице.
Совершившие работу в первичной цепи СТП 11 электроны направляют на катод «К» электродугового плазмотрона 2 по цепи: средняя точка 12 СТП - катод К плазмотрона 2. На катоде электроны рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой в скрещенном электрическом поле электронной пушки 3. Многократно повторяя операции технологического цикла: ионизация рабочей среды, СВЧ-генерация, рекупирование энергии электронного пучка в СЭП 13 и рекомбинация катионов в атомы и молекулы рабочей среды, получают электрическую мощность. Электроны при этом не разрушаются, не образуются вредные выбросы и отходы, свойственные сжигающим топливоуглеводородной, химической или ядерной технологиям.
Данный способ позволяет повысить мощность в системе электропитания СВЧ-трафика за счет рекупирования кинетической энергии электронного пучка 4, а также за счет дополнительной энергии электронного взаимодействия, создаваемой силами Кулона и Лоренца в электронном пучке. Получаемая суммарная мощность, при соответствующем режиме работы, может превышать затраты мощности на ионизацию рабочей среды, формирование и массоперенос электронного пучка 4, поэтому коэффициент преобразования мощности по данному способу может быть больше единицы и, соответственно, увеличивается КПД системы электропитания. Дополнительно получаемую мощность можно использовать для увеличения мощности СВЧ - трафика, увеличения дальности каналов связи, телеметрии, управления, а также для электропитания других систем мобильного аппарата. Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает одновременную работу двух независимых каналов СВЧ-трафика, повышая его надежность.
Claims (1)
- Способ СВЧ-генерации на основе электронных пучков, заключающийся в образовании электронного пучка с помощью электронной пушки из предварительно ионизированной с помощью электрической дуги рабочей среды, частичном отборе мощности из электронного пучка с помощью виртуального катода для СВЧ-генерации, отличающийся тем, что оставшийся электронный пучок пропускают через выполненное в коллекторе виртуального катода аксиальное отверстие, затем электронный пучок модулируют и ускоряют электрическим полем рабочей частоты системы электропитания СВЧ-трафика, после этого на электронный пучок воздействуют скрещенным электрическим полем, радиальная составляющая которого удерживает электронный пучок в сжатом состоянии, а продольная составляющая тормозит электронный пучок, превращая его энергию в эквивалентную электрическую мощность путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока электронного пучка в переменный ток электрической цепи системы электропитания в режиме резонанса токов на рабочей частоте системы электропитания, а совершившие работу в электрической цепи электроны направляют на катод электрической дуги.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013113488/07A RU2553574C2 (ru) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Способ свч-генерации на основе электронных пучков |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013113488/07A RU2553574C2 (ru) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Способ свч-генерации на основе электронных пучков |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013113488A RU2013113488A (ru) | 2014-10-10 |
RU2553574C2 true RU2553574C2 (ru) | 2015-06-20 |
Family
ID=53379616
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013113488/07A RU2553574C2 (ru) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Способ свч-генерации на основе электронных пучков |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2553574C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2608544C1 (ru) * | 2015-09-22 | 2017-01-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Усилитель мощных свч сигналов |
RU2651578C1 (ru) * | 2017-01-16 | 2018-04-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора |
US11165427B2 (en) | 2018-05-18 | 2021-11-02 | Varex Imaging Corporation | Configurable linear accelerator frequency control system and method |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6523338B1 (en) * | 1998-06-26 | 2003-02-25 | Thales Electron Devices Gmbh | Plasma accelerator arrangement |
RU2262793C2 (ru) * | 2002-12-19 | 2005-10-20 | Казьмин Богдан Николаевич | Способ производства энергии |
RU2472964C1 (ru) * | 2011-08-05 | 2013-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) | Плазменно-реактивный электродинамический двигатель |
-
2013
- 2013-03-26 RU RU2013113488/07A patent/RU2553574C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6523338B1 (en) * | 1998-06-26 | 2003-02-25 | Thales Electron Devices Gmbh | Plasma accelerator arrangement |
RU2262793C2 (ru) * | 2002-12-19 | 2005-10-20 | Казьмин Богдан Николаевич | Способ производства энергии |
RU2472964C1 (ru) * | 2011-08-05 | 2013-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) | Плазменно-реактивный электродинамический двигатель |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Успехи современной радиоэлектроники, N9, 2008, с.53-55. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2608544C1 (ru) * | 2015-09-22 | 2017-01-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Усилитель мощных свч сигналов |
RU2651578C1 (ru) * | 2017-01-16 | 2018-04-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора |
US11165427B2 (en) | 2018-05-18 | 2021-11-02 | Varex Imaging Corporation | Configurable linear accelerator frequency control system and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013113488A (ru) | 2014-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2553574C2 (ru) | Способ свч-генерации на основе электронных пучков | |
Song et al. | A compact low jitter high power repetitive long-pulse relativistic electron beam source | |
RU2343584C1 (ru) | Клистрон | |
Furman et al. | Ionic diode | |
Dolgachev et al. | Outlook for the use of microsecond plasma opening switches to generate high-power nanosecond current pulses | |
CN204217195U (zh) | 激光等离子体共振x光源 | |
Tsybin et al. | Neutron generation in small sealed accelerating tubes | |
CN105554995B (zh) | 高密度等离子体发生装置 | |
Zhang et al. | Simulation analysis of a pulsed compact FLTD system for large-area hard X-ray sources | |
Cistakov et al. | Study on the Theta Pinch Plasmas for Applied as Ion Stripper | |
RU2776324C1 (ru) | Прямоточный релятивистский двигатель | |
RU2551371C1 (ru) | Способ генерации свч квантов | |
CN101997445A (zh) | 高效热能发电机 | |
RU2651578C1 (ru) | Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора | |
Honoki et al. | Study on 2-stage acceleration of pulsed heavy ion beam using bipolar pulse voltage | |
CN1075026A (zh) | 产生磁压缩-惯性约束核聚变的方法及其设备 | |
Fan et al. | Development of coaxial discharge multi-output pusle trigger with fast rise time based on high voltage silicon reactor rectifier energy storage | |
Ren et al. | Investigation of an Accelerator Driving Three Microwave Tubes Simultaneously | |
Okajima et al. | Evaluation of bipolar pulse generator for 2nd stage acceleration in bipolar pulse accelerator | |
RU139712U1 (ru) | Ускоритель | |
RU2580955C2 (ru) | Способ создания электродинамической тяги | |
Frank et al. | Critical assessment of multistage pseudospark switches | |
Takeda | Contribution of large amplitude electric-field pulse and bursts to particle acceleration in a high-voltage linear plasma discharge | |
Suzuki et al. | Pulsed power machine for 10MV LIB driver | |
RU2499320C2 (ru) | Индуктивно-емкостный генератор (lc-генератор) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160327 |