RU2569493C1

RU2569493C1 - Diode of plasma shf-generator

Info

Publication number: RU2569493C1
Application number: RU2014128984/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Тимофеевич Лоза; Светлана Евгеньевна Ернылева; Евгений Борисович Городничев; Ирина Леонидовна Богданкевич; Намик Гусейнага оглы Гусейн-заде; Елена Александровна Шульгина
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2015-11-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises vacuum chamber, which serves as grounded anode, with mounted explosion emission cathode that forms tubular flow of electrons, electrode mounted at the same axis with explosion emission cathode and grounded diaphragm limiting plasma from the above cathode and installed between explosion emission cathode and electrode, as well as cylinder-shaped metal spiral connecting electrode and explosion emission cathode and placed in the same axis with them. Diameter of metal spiral turns corresponds to diameter of tubular flow of electrons generated by the explosion emission cathode, and inductance L of the metal spiral is selected on condition of L>>UT/I, where U is cathode voltage, T is duration of voltage pulse at the cathode, I is current of tubular flow of electrons.

EFFECT: reduced distortion of emitted electromagnetic field and pulses generated in nanosecond range respectively.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электронике, в частности к электронно-лучевым приборам, предназначенным для генерации СВЧ-излучения, и может быть использовано при создании сильноточных релятивистских импульсных плазменных источников микроволн наносекундного диапазона.The invention relates to electronics, in particular to electron-beam devices designed to generate microwave radiation, and can be used to create high-current relativistic pulsed plasma sources of nanosecond microwaves.

Известно устройство [RU 2330347, C1, H01J 27/16 27.07.2008], содержащее соосные заземленный вакуумный корпус, в котором размещены последовательно вдоль оси устройства система дифференциальной откачки, состоящая из магниторазрядного и геттерного насосов, электродинамическая система с замедляющей структурой, соединенной с генератором водорода и выполненной в виде цепочки связанных резонаторов с осевым пролетным каналом и устройствами ввода и вывода СВЧ-энергии, присоединенную к вакуумному корпусу со стороны системы дифференциальной откачки электронную пушку с узлом термокатода, снабженного высоковольтным токовводом и электрически соединенным с вакуумным корпусом анодом, электрически изолированный от вакуумного корпуса и присоединенный к нему со стороны цепочки связанных резонаторов коллектор с датчиком давления, а также секционированный соленоид, секции которого охватывают прибор от термокатода до коллектора, причем в вакуумном корпусе в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами системы дифференциальной откачки и цепочки связанных резонаторов соответственно, размещен соосно оси прибора и закреплен один осесимметричный электрод с токовводом, а в полости, которая ограничена по оси прибора коллинеарными выходным и входным торцами цепочки связанных резонаторов и коллектора соответственно, размещен соосно оси прибора другой осесимметричный электрод с токовводом, причем каждый электрод выполнен с равным поперечному сечению пролетного канала осевым отверстием и электрически изолирован от вакуумного корпуса соответствующих коллинеарных торцов и друг от друга.A device is known [RU 2330347, C1, H01J 27/16 07/27/2008], containing a coaxial grounded vacuum housing, in which a differential pumping system consisting of a magnetic discharge and getter pumps, an electrodynamic system with a slowdown structure connected to a generator, is arranged sequentially along the device axis. hydrogen and made in the form of a chain of coupled resonators with an axial passage channel and microwave energy input and output devices connected to the vacuum housing from the side of the differential pumping system electron a cannon with a thermocathode assembly equipped with a high-voltage current lead and an anode electrically connected to the vacuum housing, electrically isolated from the vacuum housing and connected to it from the side of a chain of connected resonators, a collector with a pressure sensor, as well as a sectioned solenoid, sections of which cover the device from the thermal cathode to the collector, moreover, in the vacuum housing in the cavity, which is limited along the axis of the device by the collinear output and input ends of the differential pumping system and a chain of connected zoning, respectively, placed coaxially to the axis of the device and fixed one axisymmetric electrode with a current lead, and in a cavity that is limited along the axis of the device by collinear output and input ends of a chain of connected resonators and a collector, respectively, placed another axisymmetric electrode with a current lead, each electrode being made with an equal cross section of the passage channel, an axial hole and is electrically isolated from the vacuum housing of the corresponding collinear ends and from each other.

Недостатком устройства является его относительно высокая сложность. Известно также устройство [RU 2285975, C1, H01J 25/00, 27/16, 20.10.2006], содержащее пучково-плазменный СВЧ-прибор, высоковольтный источник питания, регулируемые источники прямого и электронного накала пушки, источники питания соленоида, генератора водорода и магниторазрядного насоса и датчики контроля параметров, соединенные с блоком управления, СВЧ-прибор содержит вакуумный цилиндрический корпус, в котором расположены электронная пушка с термокатодом и анодным узлом, встроенные магниторазрядный и геттерный насосы, объемный СВЧ-резонатор с замедляющей структурой и с устройствами ввода и вывода СВЧ-излучения, генераторы водорода, датчики давления, коллектор и соленоид, охватывающий тракт проводки пучка, при этом анодный узел выполнен в виде цилиндрической секции, торцы которой снабжены диафрагмами и в которую последовательно и аксиально к тракту пучка встроены магниторазрядный и геттерный насосы, замедляющая структура выполнена с азимутальными щелями связи, а вывод СВЧ-излучения снабжен ответвителем, соединенным с контуром обратной связи, содержащим датчик мощности и преобразователь, соединенный с регулятором источника питания электронного накала пушки и магниторазрядного насоса, коллектор выполнен изолированным от корпуса прибора и снабжен регулируемым источником и датчиком напряжения, соединенным через блок управления с датчиком напряжения в цепи высоковольтного источника питания, соленоид выполнен секционированным, а питание на секции, находящиеся вблизи коллектора, подано через регулируемые источники, соединенные с контуром обратной связи вывода СВЧ-излучения.The disadvantage of this device is its relatively high complexity. It is also known a device [RU 2285975, C1, H01J 25/00, 27/16, 10.20.2006], containing a beam-plasma microwave device, a high-voltage power source, adjustable sources of direct and electronic heating of the gun, power sources of the solenoid, hydrogen generator and a magnetic discharge pump and parameter control sensors connected to the control unit, the microwave device contains a vacuum cylindrical housing in which an electron gun with a thermal cathode and anode assembly is located, built-in magneto-discharge and getter pumps, a volumetric microwave resonator with a retarding structure and with input and output devices of microwave radiation, hydrogen generators, pressure sensors, a collector and a solenoid covering the beam path, the anode assembly is made in the form of a cylindrical section, the ends of which are equipped with diaphragms and into which are sequentially and axially integrated to the beam path magneto-discharge and getter pumps, the slow-down structure is made with azimuthal communication slots, and the microwave output is equipped with a coupler connected to a feedback loop containing a power sensor and a converter b, connected to the regulator of the power source of the electronic glow of the gun and the magnetic discharge pump, the collector is made isolated from the body of the device and is equipped with an adjustable source and voltage sensor connected via a control unit to the voltage sensor in the circuit of the high-voltage power supply, the solenoid is sectioned, and the power is supplied to the sections, located near the collector, filed through regulated sources connected to the feedback loop of the output of microwave radiation.

Это устройство также является относительно сложным.This device is also relatively sophisticated.

Наиболее близким к предложенному является устройство (диод плазменного СВЧ-генератора) [Селиванов И.А., Стрелков П.С., Федотов А.В., Шкварунец А.Г. // Физика плазмы. 1989. Т. 15. №11. с. 1283], содержащее взрывоэмиссионный катод, формирующий трубчатый поток электронов, вакуумную камеру, которая одновременно служит заземленным анодом, заземленную диафрагму и электрод, ограничивающий плазму от катода, при этом электрод закреплен на диафрагме с помощью проводящих держателей.Closest to the proposed is a device (diode of a plasma microwave generator) [Selivanov I.A., Strelkov P.S., Fedotov A.V., Shkvarunets A.G. // Plasma physics. 1989. V. 15. No. 11. from. 1283], containing an explosion-emission cathode, forming a tubular stream of electrons, a vacuum chamber, which simultaneously serves as a grounded anode, a grounded diaphragm and an electrode that bounds the plasma from the cathode, while the electrode is mounted on the diaphragm using conductive holders.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно сильные искажения формы излучаемого электромагнитного поля и соответственно генерируемых импульсов наносекундного диапазона, поскольку электроны пучка с кольцевым сечением бомбардируют держатели, в результате чего сечение пучка электронов становится сегментированным, на поверхности держателей образуется плазма, а сами держатели деформируются, что еще более усиливает искажения.The disadvantage of the closest technical solution is a relatively strong distortion of the radiated electromagnetic field and accordingly the generated pulses in the nanosecond range, for Kolka beam electrons bombard the annular section holders, whereby the electron beam becomes a segmented cross section, is formed on the surface of the plasma holders and holders themselves are deformed, which further amplifies the distortion.

Задача, которая решается в предложенном изобретении, направлена на уменьшении искажений излучаемого электромагнитного поля и соответственно генерируемых импульсов наносекундного диапазона.The problem that is solved in the proposed invention is aimed at reducing distortion of the radiated electromagnetic field and, accordingly, the generated pulses of the nanosecond range.

Требуемым техническим результатом изобретения является уменьшение искажений формы излучаемого электромагнитного поля и соответственно генерируемых импульсов наносекундного диапазона.The required technical result of the invention is to reduce the distortion of the shape of the radiated electromagnetic field and, accordingly, the generated pulses of the nanosecond range.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее вакуумную камеру, которая служит заземленным анодом и в которой установлены взрывоэмиссионный катод, формирующий трубчатый поток электронов, электрод, установленный на одной оси с взрывоэмиссионным катодом и ограничивающий от него плазму, а также заземленную диафрагму, установленную между взрывоэмиссионным катодом и электродом, согласно изобретению введена металлическая спираль цилиндрической формы, соединяющая электрод и взрывоэмиссионный катод и размещенная на одной оси с ними, причем, диаметр витков металлической спирали соответствует диаметру формируемого взрывоэмиссионным катодом трубчатого потока электронов, а индуктивность L металлической спирали выбрана из условия L>>UT/I, где U - напряжение на катоде, Т - длительность импульса напряжения на катоде, I - ток трубчатого потока электронов.The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that in the device containing the vacuum chamber, which serves as a grounded anode and in which an explosive emission cathode is installed, which forms a tubular stream of electrons, an electrode mounted on the same axis as the explosive emission cathode and bounding the plasma from it, as well as a grounded diaphragm installed between the explosive emission cathode and the electrode, according to the invention, a metal spiral of cylindrical shape connecting the electrode and an explosive emission cathode and placed on the same axis with them, moreover, the diameter of the turns of the metal spiral corresponds to the diameter of the tubular electron flow generated by the explosion-emission cathode, and the inductance L of the metal spiral is selected from the condition L >> UT / I, where U is the voltage at the cathode, T is the duration voltage pulse at the cathode, I is the current of the tubular stream of electrons.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого диода плазменного СВЧ-генератора.The drawing shows a functional diagram of the inventive diode of a plasma microwave generator.

Диод плазменного СВЧ-генератора содержит вакуумную камеру 1, которая служит заземленным анодом и в которой установлен взрывоэмиссионный катод 2, формирующий трубчатый поток электронов.The diode of the microwave plasma generator contains a vacuum chamber 1, which serves as a grounded anode and in which an explosive emission cathode 2 is installed, which forms a tubular stream of electrons.

Кроме того, излучающий диод плазменного СВЧ-генератора содержит установленные в вакуумной камере 1 электрод 3, размещенный на одной оси со взрывоэмиссионным катодом 2 и ограничивающим от него плазму, а также заземленную диафрагму 4, размещенную между взрывоэмиссионным катодом 2 и электродом 3,.In addition, the emitting diode of the plasma microwave generator contains an electrode 3 mounted in a vacuum chamber 1, located on the same axis as the explosion-emission cathode 2 and the plasma bounding therefrom, and a grounded diaphragm 4, located between the explosion-emission cathode 2 and the electrode 3 ,.

Диод плазменного СВЧ-генератора содержит также металлическую спираль 5 цилиндрической формы, соединяющую электрод 3 и взрывоэмиссионный катод 2 и размещенную на одной оси с ними, причем диаметр витков металлической спирали 5 соответствует диаметру формируемого взрывоэмиссионным катодом 2 трубчатого потока электронов, а индуктивность L металлической спирали выбирала из условия L>>UT/I, где U - напряжение на катоде, Т - длительность импульса напряжения на катоде, I - ток трубчатого потока электронов.The diode of the microwave plasma generator also contains a metal spiral 5 of a cylindrical shape, connecting the electrode 3 and the explosion-emission cathode 2 and placed on the same axis with them, the diameter of the turns of the metal spiral 5 corresponding to the diameter of the tubular electron flow generated by the explosion-emission cathode 2, and the inductance L of the metal spiral selected from the condition L >> UT / I, where U is the voltage at the cathode, T is the duration of the voltage pulse at the cathode, I is the current of the tubular stream of electrons.

Сопоставительный анализ предложенного устройства с устройством-прототипом показывает, что заявляемый диод отличается способом крепления ограничивающего плазму электрода, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию "новизна".A comparative analysis of the proposed device with the prototype device shows that the inventive diode differs in the way of fastening the plasma bounding electrode, which allows us to conclude that the proposal meets the criterion of "novelty."

Кроме того, в известных источниках информации не обнаружено сведений о возможности предложенного крепления ограничивающего плазму электрода с помощью спирали с целью снижения искажений генерируемой энергии. Следовательно, предложение отвечает критерию «изобретательский уровень».In addition, in the known sources of information, no information was found about the possibility of the proposed fastening of the plasma-limiting electrode using a spiral in order to reduce distortions of the generated energy. Therefore, the proposal meets the criterion of "inventive step".

Дополнительно к отмеченному все элементы устройства выполнены из распространенных материалов по известным технологиям, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию «промышленная применимость».In addition to the above, all the elements of the device are made of common materials using known technologies, which allows us to conclude that the proposal meets the criterion of "industrial applicability".

Работает диод плазменного СВЧ-генератора следующим образом.The diode of a plasma microwave generator operates as follows.

Взрывоэмиссионный катод 2 формирует трубчатый поток электронов, который распространяется в вакуумной камере 1, которая одновременно служит заземленным анодом, и заземленную диафрагму 4 в направлении электрода 3, ограничивающего плазму от взрывоэмиссионного катода 2. Электрод 3 закреплен с взрывоэмиссионным катодом 2 с помощью спирали 5, которая не препятствует прохождению электронного потока и имеет индуктивность, предотвращающую шунтирование тока электронов с взрывоэмиссионного катода 2 через плазму на анод. Это достигается тем, что индуктивность спирали L выбирают из условия L>>UT/I, где U - напряжение на катоде, Т - длительность импульса напряжения на катоде, I - ток электронного пучка. Столь значительная индуктивность гарантирует, что реактивное сопротивление спирали 5 будет велико настолько, что ток электронного пучка не будет шунтирован, т.е. не будет распространяться в основном по плазме с малой проводимостью.The explosion-emission cathode 2 forms a tubular stream of electrons, which propagates in a vacuum chamber 1, which simultaneously serves as a grounded anode, and a grounded diaphragm 4 in the direction of the electrode 3, bounding the plasma from the explosion-emission cathode 2. The electrode 3 is fixed with the explosion-emission cathode 2 using a spiral 5, which It does not interfere with the passage of the electron beam and has an inductance that prevents shunting of the electron current from the explosion-emission cathode 2 through the plasma to the anode. This is achieved by the fact that the spiral inductance L is selected from the condition L >> UT / I, where U is the voltage at the cathode, T is the duration of the voltage pulse at the cathode, I is the electron beam current. Such a significant inductance ensures that the reactance of the helix 5 will be so large that the current of the electron beam will not be shunted, i.e. will not propagate mainly in low conductivity plasma.

Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств (в частности тем, что введена металлическая спираль цилиндрической формы, соединяющая электрод и взрывоэмиссионный катод и размещенная на одной оси с ними, причем диаметр витков металлической спирали соответствует диаметру формируемого взрывоэмиссионным катодом трубчатого потока электронов, а индуктивность L металлической спирали выбрана из условия L>>UT/I, где U - напряжение на катоде, Т - длительность импульса напряжения на катоде, I - ток трубчатого потока электронов) достигается требуемый технический результат, заключающийся в уменьшении искажений формы излучаемого электромагнитного поля и соответственно генерируемых импульсов наносекундного диапазона.Thus, thanks to the introduction of an additional arsenal of technical means (in particular, the introduction of a cylindrical metal spiral connecting the electrode and the explosion-emission cathode and placed on the same axis with them, the diameter of the turns of the metal spiral corresponding to the diameter of the tubular electron flow generated by the explosion-emission cathode and the inductance L of the metal spiral is selected from the condition L >> UT / I, where U is the voltage at the cathode, T is the duration of the voltage pulse at the cathode, I is the current of the tubular electric flow ktronov) achieved the desired technical result consists in reducing distortions of the emitted electromagnetic field and accordingly the generated pulses in the nanosecond range.

Claims

The invention relates to the field of electronics. The diode of the microwave plasma generator contains a vacuum chamber, which serves as a grounded anode and in which an explosion-emission cathode is installed, which forms a tubular stream of electrons, an electrode mounted on the same axis and restricting the plasma from it, and a grounded diaphragm installed between the explosion-emission cathode and electrode, characterized in that a metal spiral of cylindrical shape is introduced, connecting the electrode and the explosion-emission cathode and placed on the same axis with them, moreover, meter turns corresponds to the diameter of the metal spiral formed vzryvoehmissionnym tubular cathode the electron flux and the inductance L is selected from a metal spiral condition L >> UT / I, where U - the voltage at the cathode, T - voltage pulse duration at the cathode, I - tube current electron flow. 1 ill.