RU2780804C1 - Microwave absorption structural element - Google Patents
Microwave absorption structural element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780804C1 RU2780804C1 RU2021124100A RU2021124100A RU2780804C1 RU 2780804 C1 RU2780804 C1 RU 2780804C1 RU 2021124100 A RU2021124100 A RU 2021124100A RU 2021124100 A RU2021124100 A RU 2021124100A RU 2780804 C1 RU2780804 C1 RU 2780804C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- diamond
- structural element
- carbide
- structural
- Prior art date
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 claims description 4
- 230000005298 paramagnetic Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000994 depressed Effects 0.000 description 1
- 230000005292 diamagnetic Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области конструктивных элементов высокочастотных приборов и может быть использовано для повышения эффективности мощных приборов, например гиротронов.The invention relates to the field of structural elements of high-frequency devices and can be used to improve the efficiency of powerful devices, such as gyrotrons.
В некоторых узлах высокочастотных приборов требуется поглощение микроволн специальными элементами конструкции. При этом, в связи с использованием в приборе сильных магнитных полей, элементы-поглотители могут быть изготовлены только из парамагнитных (или диамагнитных) материалов. Поглощение микроволн конструктивными элементами-поглотителями сопровождается их нагревом, поэтому предпочтительно использование элементов из материала, имеющего высокую теплопроводность, обеспечивающую эффективную передачу тепла к системам охлаждения прибора. Кроме того, желательно, чтобы такие элементы обладали электропроводностью для снятия накапливаемого ими в ходе работы электрического заряда.In some nodes of high-frequency devices, the absorption of microwaves by special structural elements is required. At the same time, due to the use of strong magnetic fields in the device, absorbing elements can only be made from paramagnetic (or diamagnetic) materials. The absorption of microwaves by structural elements-absorbers is accompanied by their heating, therefore, it is preferable to use elements made of a material with high thermal conductivity, which ensures efficient heat transfer to the cooling systems of the device. In addition, it is desirable that such elements have electrical conductivity to remove the electrical charge accumulated by them during operation.
Примером узлов, в которых требуется использование элементов, поглощающих микроволны, является участок транспортировки электронного пучка от электронной пушки в зону резонатора в СВЧ-приборах пролетного типа, например, в гиротронах. Такой участок называют пролетным каналом потока электронов (используют также термины - beam tunnel, канал дрейфа). При движении электронов по пролетному каналу в СВЧ-приборах возможно самовозбуждение «паразитных» высокочастотных излучений. Часть формирующейся волновой мощности передается в сторону электронной пушки прибора, что приводит к ухудшению качества электронного пучка, снижению коэффициента полезного действия прибора, а также может привести к электрическим пробоям и даже повреждению катода электронной пушки. Такие негативные явления проявляются в большей степени в СВЧ-приборах высокой мощности и требуют подавления, т.е. поглощения «паразитных» излучений, для повышения эффективности СВЧ-прибора. Аналогичные проблемы возникают в пролетных каналах (каналах дрейфа) между резонаторами в других СВЧ-приборах пролетного типа, например, гироклистронах.An example of nodes that require the use of elements that absorb microwaves is the section for transporting an electron beam from an electron gun to the cavity zone in microwave devices of the transit type, for example, in gyrotrons. Such a section is called a span channel of the electron flow (they also use the terms beam tunnel, drift channel). When electrons move along a transit channel in microwave devices, self-excitation of "spurious" high-frequency radiation is possible. Part of the generated wave power is transferred towards the electron gun of the device, which leads to a deterioration in the quality of the electron beam, a decrease in the efficiency of the device, and can also lead to electrical breakdowns and even damage to the cathode of the electron gun. Such negative phenomena manifest themselves to a greater extent in high-power microwave devices and require suppression, i.e. absorption of "spurious" radiation, to improve the efficiency of the microwave device. Similar problems arise in transit channels (drift channels) between resonators in other transit-type microwave devices, for example, gyroklystrons.
Известен конструктивный элемент для поглощения микроволн, описанный в публикации Н. Shoyama et.al. High-efficiency oscillation of 170 GHz high-power gyrotron at ТЕ31,8 mode using depressed collector / Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40 (2001) pp. L906 - L908, который авторы выбрали в качестве ближайшего аналога. Для поглощения микроволн в известном техническом решении использован конструктивный элемент, изготовленный из карбида кремния. Такой элемент применен авторами известного технического решения в пролетном канале мощного гиротрона.Known structural element for absorbing microwaves, described in the publication H. Shoyama et.al. High-efficiency oscillation of 170 GHz high-power gyrotron at TE31.8 mode using depressed collector / Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40 (2001) pp. L906 - L908, which the authors chose as the closest analogue. To absorb microwaves in the known technical solution, a structural element made of silicon carbide is used. Such an element is used by the authors of a well-known technical solution in the transit channel of a powerful gyrotron.
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокий уровень поглощения микроволн элементом из карбида кремния, а также недостаточно высокая теплопроводность карбида кремния, необходимая для предотвращения перегрева элемента и узла, в котором он используется, в целом.The disadvantage of the known technical solution is the insufficiently high level of absorption of microwaves by the silicon carbide element, as well as the insufficiently high thermal conductivity of silicon carbide, which is necessary to prevent overheating of the element and the assembly in which it is used as a whole.
Задачей изобретения является создание конструктивного элемента, эффективно поглощающего микроволны в сочетании с его высокой теплопроводностью.The objective of the invention is to create a structural element that effectively absorbs microwaves in combination with its high thermal conductivity.
Технический результат достигается тем, что конструктивный элемент для поглощения микроволн выполнен из алмазокарбидокремниевого материала, имеющего состав: алмаз - 40-75% об., карбид кремния - 20-50% об., кремний - 2-15% об.The technical result is achieved by the fact that the structural element for absorbing microwaves is made of diamond-carbide-silicon material having the following composition: diamond - 40-75% vol., silicon carbide - 20-50% vol., silicon - 2-15% vol.
При содержании в алмазокарбидокремниевом материале алмаза менее 40% об. и содержании кремния более 15% об. коэффициент теплопроводности материала ниже 300 Вт/(м⋅К), что снижает эффективность его применения. Получение материала с содержанием алмаза более 75% об. и с содержанием кремния менее 2% об. технологически сложно.When the content of diamond in the diamond-carbide-silicon material is less than 40% vol. and a silicon content of more than 15% vol. the thermal conductivity of the material is below 300 W/(m⋅K), which reduces the efficiency of its application. Obtaining material with a diamond content of more than 75% vol. and with a silicon content of less than 2% vol. technologically difficult.
Предпочтительно, чтобы конструктивный элемент был выполнен в виде пластины толщиной 2-20 мм. Такая толщина элемента хорошо сочетает конструкционную прочность и тепловое сопротивление элемента.Preferably, the structural element is made in the form of a plate with a thickness of 2-20 mm. This thickness of the element well combines the structural strength and thermal resistance of the element.
Предпочтительно, чтобы конструктивный элемент был выполнен в виде тела вращения с толщиной стенки 2-20 мм. Такая толщина элемента хорошо сочетает конструкционную прочность и тепловое сопротивление элемента.Preferably, the structural element is made in the form of a body of revolution with a wall thickness of 2-20 mm. This thickness of the element well combines the structural strength and thermal resistance of the element.
Предлагаемый конструктивный элемент для поглощения микроволн может быть использован в различных высокочастотных приборах, в том числе в приборах высокой мощности. Конкретные размеры и форма заявляемого конструктивного элемента для поглощения микроволн в этом случае зависят от соответствующих конструктивных особенностей устройств, в которых использован. Например, конструкционный элемент в виде усеченного конуса с внутренним сквозным отверстием по оси конуса может быть использован в качестве вставки в корпус пролетного канала гиротрона.The proposed structural element for absorbing microwaves can be used in various high-frequency devices, including high-power devices. The specific dimensions and shape of the proposed structural element for absorbing microwaves in this case depend on the respective design features of the devices in which it is used. For example, a structural element in the form of a truncated cone with an internal through hole along the axis of the cone can be used as an insert into the housing of the gyrotron flight channel.
Алмазокарбидокремниевый материал, из которого изготовлен конструктивный элемент для поглощения микроволн в предлагаемом техническом решении, обладает высокой поглощающей способностью по отношению к микроволнам и имеет коэффициент теплопроводности от 400 до 600 Вт/(м⋅К). Большой коэффициент теплопроводности материала элемента обеспечивает эффективную теплопередачу тепла, выделяющегося на облучаемой микроволнами поверхности элемента, на корпус устройства в котором закреплен элемент, что препятствует перегреву элемента и его разрушению.The diamond-silicon-carbide material from which the structural element for absorbing microwaves in the proposed technical solution is made has a high absorption capacity with respect to microwaves and has a thermal conductivity coefficient of 400 to 600 W/(m⋅K). The high coefficient of thermal conductivity of the element material ensures efficient heat transfer of the heat generated on the element surface irradiated by microwaves to the device case in which the element is fixed, which prevents the element from overheating and its destruction.
Алмазокарбидокремниевый материал, из которого изготовлен конструктивный элемент для поглощения микроволн в предлагаемом техническом решении, обладает парамагнитными свойствами и имеет удельное электрическое сопротивление 0,01-10 Ом⋅м. Предлагаемый конструктивный элемент обладает конструкционной прочностью - алмазокарбидокремниевый материал характеризуется пределом прочности при изгибе 200-300 МПа и модулем упругости 550-800 ГПа.The diamond-silicon-carbide material from which the structural element for absorbing microwaves in the proposed technical solution is made has paramagnetic properties and has an electrical resistivity of 0.01-10 Ohm⋅m. The proposed structural element has structural strength - diamond-carbide-silicon material is characterized by a flexural strength of 200-300 MPa and an elastic modulus of 550-800 GPa.
Высокая поглощающая способность по отношению к микроволнам алмазокарбидокремниевого материала обусловлена его структурой, которая сформирована из алмазных зерен, связанных матрицей из карбида кремния и кремния. Сочетание в материале диэлектрических алмазных частиц и двух типов полупроводников (карбида кремния и кремния), как показывают эксперименты, обеспечивает высокую эффективность при поглощении микроволн, которая в 1,5-2 раза выше, чем у карбида кремния, не содержащего зерна алмаза и описанного в ближайшем аналоге.The high microwave absorption capacity of the diamond-silicon-carbide material is due to its structure, which is formed from diamond grains bonded by a matrix of silicon carbide and silicon. The combination of dielectric diamond particles and two types of semiconductors (silicon carbide and silicon) in the material, as experiments show, provides high efficiency in the absorption of microwaves, which is 1.5-2 times higher than that of silicon carbide, which does not contain diamond grains and is described in closest analogue.
При использовании конструктивный элемент устанавливают в корпус высокочастотного прибора и закрепляют. При необходимости подают в пазы корпуса охлаждающую жидкость, которая может контактировать с конструктивным элементом для повышения теплоотдачи от элемента к охлаждающей жидкости. При работе прибора элемент обеспечивает эффективное поглощение микроволн, а выделившееся при этом тепло передается на корпус прибора или непосредственно к охлаждающей жидкости и рассеивается.When used, the structural element is installed in the housing of the high-frequency device and fixed. If necessary, coolant is fed into the grooves of the body, which can contact the structural element to increase heat transfer from the element to the coolant. During the operation of the device, the element provides effective absorption of microwaves, and the heat released in this case is transferred to the body of the device or directly to the coolant and dissipated.
Следующие примеры поясняют сущность предлагаемого изобретения.The following examples explain the essence of the invention.
Пример 1. Конструктивный элемент в виде пластины размером 62×62×2 мм, выполненный из алмазокарбидокремниевого материала состава: алмаз - 70% об., карбид кремния - 25% об., кремний - 5% об. Материал конструктивного элемента имеет коэффициент теплопроводности 600 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,16, а при частотах 110 ГГц и 210 ГГц 0,14 и 0,18, соответственно.Example 1. Structural element in the form of a plate measuring 62×62×2 mm, made of diamond-silicon-carbide material composition: diamond - 70% vol., silicon carbide - 25% vol., silicon - 5% vol. The material of the structural element has a thermal conductivity coefficient of 600 W/(m⋅K). The measurement of microwave absorption by a structural element was carried out by a resonator spectrometer based on a quasi-optical Fabry-Perot resonator. The absorption loss at a microwave frequency of 170 GHz was 0.16, and at frequencies of 110 GHz and 210 GHz it was 0.14 and 0.18, respectively.
Пример 2. Конструктивный элемент в виде пластины диаметром 60 мм и толщиной 2 мм, выполненный из алмазокарбидокремниевого материала состава: алмаз - 40% об., карбид кремния - 48% об., кремний - 12% об. Материал конструктивного элемента имеет коэффициент теплопроводности 450 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,13, а при частотах 110 ГГц и 210 ГГц 0,11 и 0,14, соответственно.Example 2. Structural element in the form of a plate with a diameter of 60 mm and a thickness of 2 mm, made of diamond-silicon-carbide material composition: diamond - 40% vol., silicon carbide - 48% vol., silicon - 12% vol. The material of the structural element has a thermal conductivity coefficient of 450 W/(m⋅K). The measurement of microwave absorption by a structural element was carried out by a resonator spectrometer based on a quasi-optical Fabry-Perot resonator. The absorption loss at a microwave frequency of 170 GHz was 0.13, and at frequencies of 110 GHz and 210 GHz it was 0.11 and 0.14, respectively.
Пример 3. Элемент в виде пластины размером 50×50×3 мм, выполнен из спеченного карбида кремния. Материал элемента имеет коэффициент теплопроводности 150 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,08.Example 3. An element in the form of a plate with a size of 50×50×3 mm, made of sintered silicon carbide. The element material has a thermal conductivity of 150 W/(m⋅K). The measurement of microwave absorption by a structural element was carried out by a resonator spectrometer based on a quasi-optical Fabry-Perot resonator. The absorption loss at a microwave frequency of 170 GHz was 0.08.
Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать конструктивный элемент для поглощения микроволн, эффективно поглощающего микроволны в сочетании с его высокой теплопроводностью. Предлагаемый элемент обладает конструкционной прочность, парамагнитными свойствами и электропроводностью.Thus, the implementation of the proposed technical solution makes it possible to create a structural element for absorbing microwaves, effectively absorbing microwaves in combination with its high thermal conductivity. The proposed element has structural strength, paramagnetic properties and electrical conductivity.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2780804C1 true RU2780804C1 (en) | 2022-10-04 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2132268C1 (en) * | 1997-09-05 | 1999-06-27 | Акционерное общество закрытого типа "Карбид" | Process of manufacture of abrasive grains |
| RU2270821C2 (en) * | 2000-11-21 | 2006-02-27 | Скелетон Текнолоджиз Аг | Heat-conducting material |
| CN103779154A (en) * | 2014-01-10 | 2014-05-07 | 中国电子科技集团公司第十二研究所 | Diamond energy transmission window sheet for terahertz-band vacuum device and manufacturing method thereof |
| RU2647487C1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-16 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" | Electronic sealed-off gun for electron stream discharge from the vacuum region of the gun to atmosphere or other gas medium |
| CN108389766A (en) * | 2018-03-01 | 2018-08-10 | 电子科技大学 | A kind of micro-strip period meander-line slow wave structure |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2132268C1 (en) * | 1997-09-05 | 1999-06-27 | Акционерное общество закрытого типа "Карбид" | Process of manufacture of abrasive grains |
| RU2270821C2 (en) * | 2000-11-21 | 2006-02-27 | Скелетон Текнолоджиз Аг | Heat-conducting material |
| CN103779154A (en) * | 2014-01-10 | 2014-05-07 | 中国电子科技集团公司第十二研究所 | Diamond energy transmission window sheet for terahertz-band vacuum device and manufacturing method thereof |
| RU2647487C1 (en) * | 2016-09-21 | 2018-03-16 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" | Electronic sealed-off gun for electron stream discharge from the vacuum region of the gun to atmosphere or other gas medium |
| CN108389766A (en) * | 2018-03-01 | 2018-08-10 | 电子科技大学 | A kind of micro-strip period meander-line slow wave structure |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| H. Shoyama et al., High-efficiency oscillation of 170 GHz high-power gyrotron at ТЕ31,8 mode using depressed collector / Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40 (2001) pp. L906 - L908, стр.1-6, далее D1, стр.4. С. Катаев и др. Алмаз-карбидный композиционный материал "Скелетон" для теплоотводов в изделиях электронной техники., ж-л Электроника, 3, 2011, стр.60-64, табл.1-3. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3315121A (en) | Crossed-field electric discharge device | |
| Calame et al. | Applications of advanced materials technologies to vacuum electronic devices | |
| Wang et al. | Theory and experiment investigate of a 400-kW Ku-band gyro-TWT with mode selective loss loading structure | |
| CA1078962A (en) | Magnetron slot mode absorber | |
| US3749962A (en) | Traveling wave tube with heat pipe cooling | |
| RU2780804C1 (en) | Microwave absorption structural element | |
| US3360679A (en) | Electron discharge device having lossy resonant elements disposed within the electromagnetic field pattern of the slow-wave circuit | |
| US3346766A (en) | Microwave cold cathode magnetron with internal magnet | |
| US3471739A (en) | High frequency electron discharge device having an improved depressed collector | |
| US3670197A (en) | Delay line structure for traveling wave devices | |
| JPH0129839Y2 (en) | ||
| EP0604490A1 (en) | Amplifier | |
| US3227915A (en) | Fluid cooling of hollow tuner and radio frequency probe in klystron | |
| US3666983A (en) | Wave propagating structure for crossed field devices | |
| EP0632481B1 (en) | Electron beam tubes | |
| RU2787570C1 (en) | Electron flow drift tube of a high-power drift-type uhf appliance | |
| US9368313B1 (en) | Electronic amplifier device | |
| GB2036419A (en) | Travelling wave tube with non-reciprocal attenuating adjunct | |
| KR100291396B1 (en) | A plate-type magnetron | |
| US3706910A (en) | Coaxial magnetron slot mode suppressor | |
| US3376463A (en) | Crossed field microwave tube having toroidal helical slow wave structure formed by a plurality of spaced slots | |
| US3395314A (en) | Coaxial magnetron having attenuator means for suppressing undesired modes | |
| US3284660A (en) | High frequency electron discharge device | |
| US3448325A (en) | Linear beam tube having a beam collector cooled by radiation through an infrared window | |
| Everleigh et al. | Use of high-power traveling wave tubes as a microwave heating source |