RU46126U1

RU46126U1 - RELATIVISTIC MICROWAVE GENERATOR

Info

Publication number: RU46126U1
Application number: RU2004134927/22U
Authority: RU
Inventors: Г.В. Мельников; А.Г. Жерлицын; В.И. Цветков
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2005-06-10

Abstract

Использование: в ускорительной технике для генерации мощных СВЧ импульсов в широком диапазоне длительностей сильноточными электронными пучками. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, за счет создания большей эмитирующей поверхности катода без значительного увеличения габаритов СВЧ генератора. Сущность изобретения: Релятивистский СВЧ-генератор, содержит вакуумную цилиндрическую камеру с окном для вывода СВЧ энергии, в которой соосно расположены цилиндрический катод и полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов, при этом в зазоре между внутренней поверхностью вакуумной камеры и наружной поверхностью катода соосно установлен дополнительный полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов. При это зазор между катодом и дополнительным анодом и зазор между катодом и анодом не равны друг другу.Usage: in accelerator technology for generating high-power microwave pulses in a wide range of durations by high-current electron beams. The technical result consists in expanding the functionality by creating a larger emitting surface of the cathode without significantly increasing the dimensions of the microwave generator. The inventive relativistic microwave generator contains a vacuum cylindrical chamber with a window for outputting microwave energy, in which a cylindrical cathode and a hollow cylindrical anode are arranged coaxially, transparent to electrons, while in the gap between the inner surface of the vacuum chamber and the outer surface of the cathode an additional hollow cylindrical anode, transparent to electrons. In this case, the gap between the cathode and the additional anode and the gap between the cathode and the anode are not equal to each other.

Description

Полезная модель относится к СВЧ технике и может быть использована для генерации мощных СВЧ импульсов в широком диапазоне длительностей сильноточными электронными пучками.The utility model relates to microwave technology and can be used to generate high-power microwave pulses in a wide range of durations by high-current electron beams.

К настоящему времени известно много типов СВЧ-генераторов (клистрон, магнетрон, карсинотрон, триод и т.д.). Развитие СВЧ электроники позволяет говорить, что СВЧ генератор типа триода по сравнению с другими генераторами обладает такими положительными качествами, как возможность перестройки частоты, способность использовать весь ток ускорителя, отсутствие внешнего фокусирующего магнитного поля, простота генерирующего устройства.To date, many types of microwave generators are known (klystron, magnetron, carcinotron, triode, etc.). The development of microwave electronics allows us to say that a triode microwave generator, in comparison with other generators, has such positive qualities as the ability to tune the frequency, the ability to use the entire accelerator current, the absence of an external focusing magnetic field, and the simplicity of the generating device.

Типичный СВЧ-генератор (Диденко А.Н., Арзин А.П и др. Релятивистские триодные СВЧ-генераторы//. Материалы IV Всесоюзного семинара «Релятивистская высокочастотная электроника», АН СССР ИПФ, выпуск 4, стр.104-119, Горький 1984) содержит источник высокого напряжения, в котором положительный электрод соединен с анодом, а отрицательный электрод с катодом. Анод выполнен прозрачным для электронов (сетка или тонкая металлическая фольга). Катод и анод размещены в вакуумной цилиндрической камере, в торце которой установлен высоковольтный изолятор, а на другом конце окно для вывода СВЧ мощности. Катод выполнен цилиндрическим. На торцевой поверхности катода расположена эмитирующая поверхность (концентрические выступы, иглы), а анод - плоскость, диаметр которой несколько больше диаметра катода. При подаче высоковольтного импульса положительной полярности на анод, с цилиндрического катода эмитируются электроны. В катод-анодном промежутке они ускоряются и после пролета через прозрачный для них анод, на расстоянии примерно равном катод-анодному промежутку, электроны образовывают виртуальный катод. В потенциальной яме, которую образуют электроны, в области катод - анод - виртуальный катод происходит осцилляция электронов, что является источником излучения.A typical microwave generator (Didenko AN, Arzin A.P. et al. Relativistic triode microwave generators //. Materials of the IV All-Union Seminar "Relativistic High-Frequency Electronics", Academy of Sciences of the IPF, Issue 4, pp. 104-119, Gorky 1984) contains a high voltage source in which the positive electrode is connected to the anode and the negative electrode to the cathode. The anode is made transparent to electrons (mesh or thin metal foil). The cathode and anode are placed in a vacuum cylindrical chamber, in the end of which a high-voltage insulator is installed, and at the other end a window for outputting microwave power. The cathode is cylindrical. On the end surface of the cathode there is an emitting surface (concentric protrusions, needles), and the anode is a plane whose diameter is slightly larger than the diameter of the cathode. When a high-voltage pulse of positive polarity is applied to the anode, electrons are emitted from the cylindrical cathode. In the cathode-anode gap, they are accelerated, and after passing through a transparent anode for them, at a distance approximately equal to the cathode-anode gap, the electrons form a virtual cathode. In a potential well, which is formed by electrons, in the region of the cathode - anode - virtual cathode, an electron oscillates, which is the source of radiation.

Мощность СВЧ излучения в триодной системе во многом определяется током осциллирующих электронов. Величина тока зависит от площади эмитирующей поверхности катода. С увеличением поверхности катода величина тока увеличивается. При планарном источнике СВЧ-генератора трудно обеспечить большую эмитирующую поверхность без резкого увеличения габаритных размеров генератора.The power of microwave radiation in a triode system is largely determined by the current of oscillating electrons. The magnitude of the current depends on the area of the emitting surface of the cathode. With increasing cathode surface, the current magnitude increases. With a planar source of a microwave generator, it is difficult to provide a large emitting surface without a sharp increase in the overall dimensions of the generator.

Наиболее близким по технической сущности является релятивистский СВЧ-генератор (SU 1522317), содержащий цилиндрическую вакуумную камеру с окном для вывода СВЧ энергии, внутри которой соосно с ней расположены полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов, и катод. Конструктивно катод расположен на внутренней поверхности вакуумной камеры.The closest in technical essence is a relativistic microwave generator (SU 1522317), containing a cylindrical vacuum chamber with a window for outputting microwave energy, inside of which a hollow cylindrical anode transparent to electrons and a cathode are located coaxially with it. Structurally, the cathode is located on the inner surface of the vacuum chamber.

При поступлении высоковольтного положительного импульса на анод, электроны эмитируются с поверхности, ускоряются в промежутке катод - анод и, пройдя через анод, образуют внутри него виртуальный катод. В области катод - анод - виртуальный катод осуществляется осцилляция электронов, что является источником излучения.When a high-voltage positive pulse arrives at the anode, electrons are emitted from the surface, accelerated in the gap between the cathode and the anode, and, passing through the anode, form a virtual cathode inside it. In the cathode – anode – virtual cathode region, an electron oscillates, which is a source of radiation.

В случае, если необходимо увеличить ток СВЧ-генератора, при фиксированной длине катода, анода и промежутка катод - анод, остается только увеличивать диаметр катода и анода соответственно. Так как поверхность катода S_k определяется соотношениемIf it is necessary to increase the current of the microwave generator, for a fixed length of the cathode, anode and the cathode – anode gap, it remains only to increase the diameter of the cathode and anode, respectively. Since the surface of the cathode S _k is determined by the ratio

S_k=πdkλ_k,S _k = πdkλ _k ,

где: π=3,14, d_k - диаметр катода;where: π = 3,14, d _k is the diameter of the cathode;

λ_k - длина катода;λ _k is the length of the cathode;

то для увеличения эмитирующей поверхности катода, например в 2 раза, необходимо увеличить диаметр катода тоже в 2 раза. При этом увеличивается мощность СВЧ излучения, но резко увеличивается радиальный размер конструкции, что в некоторых случаях недопустимо.then to increase the emitting surface of the cathode, for example 2 times, it is necessary to increase the diameter of the cathode also 2 times. At the same time, the power of microwave radiation increases, but the radial size of the structure increases sharply, which in some cases is unacceptable.

Задачей полезной модели является создание релятивистского СВЧ-генератора позволяющего увеличить мощность излучения.The objective of the utility model is to create a relativistic microwave generator that allows to increase the radiation power.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет создания большей эмитирующей поверхности катода без значительного увеличения габаритов СВЧ-генератораThe technical result consists in expanding the functionality by creating a larger emitting surface of the cathode without significantly increasing the dimensions of the microwave generator

Поставленная техническая задача решается тем, что релятивистский СВЧ-генератор, как и прототип, содержит вакуумную цилиндрическую камеру с окном для вывода СВЧ энергии, в которой соосно расположены цилиндрический катод и внутри катода полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов. В отличие от прототипа катод установлен с зазором от внутренней поверхности цилиндрической вакуумной камеры, причем между ними соосно установлен дополнительный полый цилиндрический анод, прозрачный для электронов.The stated technical problem is solved in that the relativistic microwave generator, like the prototype, contains a vacuum cylindrical chamber with a window for outputting microwave energy, in which the cylindrical cathode is coaxially located and the hollow cylindrical anode is transparent to the electrons inside the cathode. Unlike the prototype, the cathode is installed with a gap from the inner surface of the cylindrical vacuum chamber, and an additional hollow cylindrical anode transparent to electrons is coaxially installed between them.

Наличие дополнительного анода позволяет использовать один катод, у которого эмитирующими являются и внутренняя и наружная поверхности. Таким образом, при The presence of an additional anode allows the use of a single cathode, in which both the inner and outer surfaces are emitting. Thus, when

наличии одного катода существуют два СВЧ триода, которые работают параллельно и позволяют получать больший уровень излучения. Предложенная конструкция позволяет значительно расширить функциональные возможности излучателя за счет создания большей эмитирующей поверхности катода и незначительного увеличения радиального размера цилиндрического СВЧ-генератора.In the presence of one cathode, there are two microwave triodes that work in parallel and allow you to receive a higher level of radiation. The proposed design can significantly expand the functionality of the emitter due to the creation of a larger emitting surface of the cathode and a slight increase in the radial size of the cylindrical microwave generator.

Целесообразно, чтобы зазор между катодом и дополнительным анодом и зазор между катодом и основным анодом были не равны друг другу. Частоту излучения значительно можно изменять величиной катод - анодного промежутка. С увеличением катод - анодного промежутка частота СВЧ излучения уменьшается, с уменьшением -увеличивается. Таким образом, если промежуток катод - дополнительный анод будет не равен промежутку катод - основной анод, то каждый из триодов позволит создать отдельный осциллирующий поток электронов, в которых частота осциллирующих электронов будет определяться величиной катод - анодного промежутка, И в предложенной конструкции будет сформирован импульс СВЧ излучения с двумя несущими частотами.It is advisable that the gap between the cathode and the secondary anode and the gap between the cathode and the main anode are not equal to each other. The radiation frequency can be significantly changed by the value of the cathode - anode gap. With an increase in the cathode - anode gap, the frequency of microwave radiation decreases, and with a decrease, it increases. Thus, if the cathode – auxiliary anode gap is not equal to the cathode – main anode gap, then each of the triodes will allow creating a separate oscillating electron flow, in which the frequency of the oscillating electrons will be determined by the cathode – anode gap value, and a microwave pulse will be generated in the proposed design radiation with two carrier frequencies.

На фиг.1 - схематически изображен предлагаемый СВЧ-генератор.Figure 1 - schematically shows the proposed microwave generator.

Релятивистский СВЧ-генератор содержит источник 1 высокого напряжения, отрицательный электрод которого заземлен, заземленную цилиндрическую вакуумную камеру 2, в торцы которой установлен высоковольтный изолятор 3, а на другом торце расположено окно 4 для вывода СВЧ излучения. Внутри вакуумной камеры 2, соосно с ней, расположен цилиндрический катод 5, соединенный электрически с заземленной вакуумной камерой. Снаружи катода 5, соосно с ним, установлен дополнительный анод 6, а внутри и также соосно - основной анод 7. Дополнительный и основной аноды 6, 7 являются прозрачными для электронов, выполнены в виде полых цилиндров и электрически соединены между собой и положительным электродом источника 1 высокого напряжения. Для получения одной и той же несущей частоты промежутки между катодом и основным анодом и катодом и дополнительным анодом должны быть равны. Необходимо отметить, что промежуток между дополнительным анодом и внутренней поверхностью вакуумной камеры должен несколько превосходить промежуток между катодом и дополнительным анодом, что определяется условиями для нормального образования виртуального катода.The relativistic microwave generator contains a high voltage source 1, the negative electrode of which is grounded, a grounded cylindrical vacuum chamber 2, in the ends of which a high-voltage insulator 3 is installed, and on the other end there is a window 4 for outputting microwave radiation. Inside the vacuum chamber 2, coaxially with it, is a cylindrical cathode 5 connected electrically to a grounded vacuum chamber. On the outside of the cathode 5, coaxially with it, an additional anode 6 is installed, and inside and also coaxially, the main anode 7. The additional and main anodes 6, 7 are transparent to electrons, made in the form of hollow cylinders and are electrically connected to each other and to the positive electrode of source 1 high voltage. To obtain the same carrier frequency, the gaps between the cathode and the main anode and the cathode and the secondary anode must be equal. It should be noted that the gap between the additional anode and the inner surface of the vacuum chamber should somewhat exceed the gap between the cathode and the additional anode, which is determined by the conditions for the normal formation of a virtual cathode.

Устройство работает следующим образом. При поступлении от источника 1 импульса положительной полярности одновременно на основной 7 и дополнительный 6 аноды с катода 5, который является общим для двух анодов, эмитируются электроны, как в сторону основного, так и дополнительного анодов. Ускоренные электроны, пройдя The device operates as follows. Upon receipt of a positive polarity pulse from source 1 simultaneously to the main 7 and additional 6 anodes from the cathode 5, which is common to the two anodes, electrons are emitted both towards the main and additional anodes. Accelerated Electrons Having Passed

основной анод и дополнительный, образуют внутри основного анода и снаружи дополнительного анода виртуальные катоды. В образованных потенциальных ямах (наружная поверхность катода - дополнительный анод - виртуальный катод, а внутренняя поверхность катода - основной анод и виртуальный анод) осуществляется осцилляция электронов, развивается неустойчивость, что является источником мощного излучения, В предлагаемом устройстве используется один катод, у которого эмитирующей поверхностью является как его внутренняя, так и наружная поверхность. Таким образом, при наличии одного катода существуют два СВЧ триода, которые работают параллельно и позволяют получать больший уровень излучения.the main anode and the additional one form virtual cathodes inside the main anode and outside the additional anode. In the formed potential wells (the outer surface of the cathode — the additional anode — the virtual cathode, and the inner surface of the cathode — the main anode and the virtual anode) oscillation of electrons occurs, instability develops, which is a source of powerful radiation. The proposed device uses one cathode with an emitting surface is both its inner and outer surface. Thus, in the presence of one cathode, there are two microwave triodes that operate in parallel and allow a higher level of radiation.

Предложенная конструкция позволяет значительно расширить функциональные возможности излучателя за счет создания большей эмитирующей поверхности катода без значительного увеличения габаритов СВЧ генератора.The proposed design can significantly expand the functionality of the emitter by creating a larger emitting surface of the cathode without significantly increasing the dimensions of the microwave generator.

Claims

1. Relativistic microwave generator containing a vacuum cylindrical chamber with a window for outputting microwave energy, in which the cylindrical cathode is coaxially located and inside the cathode is a hollow cylindrical anode transparent to electrons, characterized in that the cathode is installed with a gap from the inner surface of the vacuum chamber and between they coaxially mounted an additional hollow cylindrical anode transparent to electrons.

2. The relativistic microwave generator according to claim 1, characterized in that the gap between the cathode and the additional anode and the gap between the cathode and the anode are not equal to each other.