RU67774U1

RU67774U1 - ELECTRIC VACUUM MICROWAVE PLASMA AMPLIFIER-GENERATOR

Info

Publication number: RU67774U1
Application number: RU2007127194/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Муштаков; Юрий Александрович Калинин; Александр Евгеньевич Храмов; Евгений Николаевич Егоров
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2007-10-27

Abstract

Полезная модель относится к области СВЧ-техники, а именно к приборам, обеспечивающим функции широкополосного усилителя и генератора СВЧ сигналов в режиме генерации от монохроматического до широкополосного шумоподобного сигнала с малой изрезанностью спектра и шириной полосы частот, достигающей 1-2 октав. Заявляемое устройство позволяет генерировать СВЧ-сигналы без фокусирующего магнитного поля.The utility model relates to the field of microwave technology, namely, devices that provide the functions of a broadband amplifier and generator of microwave signals in the generation mode from monochromatic to broadband noise-like signal with a small spectral distortion and a bandwidth of up to 1-2 octaves. The inventive device allows you to generate microwave signals without a focusing magnetic field.

Задачей полезной модели является создание мощного компактного релятивисткого прибора СВЧ с возможностью генерации как широкополосного сигнала с шириной спектра до 1 октавы, так и одночастотного сигнала с возможностью перестройки спектральных характеристик генерации при сохранении большой мощности.The objective of the utility model is to create a powerful compact microwave relativistic device with the possibility of generating both a broadband signal with a spectral width of up to 1 octave and a single-frequency signal with the possibility of tuning the spectral characteristics of the generation while maintaining high power.

Поставленная задача решается тем, что электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, согласно предлагаемому решению, дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему в виде спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.The problem is solved in that the microwave electric plasma vacuum amplifier-generator, including an electron gun with a plasma cathode, a gas-filled electrodynamic deceleration system in the form of a corrugated waveguide with energy input and output, a communication window with a vacuum pump located between the electron gun and the electrodynamic deceleration system, according to the proposed solution, further comprises a collector comprising an electrodynamic system in the form of a spiral or diaphragm, equipped with a with inserts and an energy output, and an electrode with a braking potential, while the collector is configured to form a virtual cathode in the space of its electrodynamic system, the electrodynamic deceleration system and the collector electrodynamic system are connected by a broadband coordinated communication line, and the collector energy output is connected by a feedback circuit to the input energy of the electrodynamic moderator.

Description

Из уровня техники известен генератор широкополосного шумоподобного сигнала на основе электронного пучка с виртуальным катодом, находящимся в тормозящем статическом поле, так называемый виркатор (патент РФ на полезную модель №46884, МПК: Н01J 25/68), содержащий источник электронов, электродинамическую систему, коллектор, дополнительный коллектор-рекуператор энергии, расположенный между источником тока и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью улавливания отраженных от виртуального катода электронов. При этом коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Принцип функционирования генератора заключается в том, что нерелятивистский интенсивный пучок электронов инжектируется в пространство взаимодействия с потенциалом, тормозящим пучок. В результате этого в пучке возникает виртуальный катод, колебания которого регистрируются широкополосной электродинамической системой, параметры которой подобраны таким образом, что не выполняется условие синхронизма волны и пучка. Подобный генератор способен демонстрировать различные режимы колебаний от монохроматического сигнала до хаотического среднего и малого уровня мощности с шириной полосы до 2 октав и малой изрезанностью.The prior art generates a broadband noise-like signal based on an electron beam with a virtual cathode located in a braking static field, the so-called vircator (RF patent for utility model No. 46884, IPC: H01J 25/68) containing an electron source, electrodynamic system, collector , an additional collector-energy recuperator located between the current source and the collector perpendicular to the direction of movement of the electron beam with the possibility of capturing electron reflected from the virtual cathode in. In this case, the collector is made in the form of an electrode located at the output of the generator. The principle of operation of the generator lies in the fact that a nonrelativistic intense electron beam is injected into the interaction space with a potential that slows down the beam. As a result of this, a virtual cathode arises in the beam, the oscillations of which are detected by a broadband electrodynamic system, the parameters of which are selected in such a way that the condition of synchronism between the wave and the beam is not satisfied. Such a generator is capable of demonstrating various modes of oscillation from a monochromatic signal to a chaotic medium and small power level with a bandwidth of up to 2 octaves and small ruggedness.

Недостатком низковольтного виркатора является достаточно низкий уровень мощности излучения. Однако в ряде приложений требуются мощности более высокого уровня. Использование этого прибора в качестве источника сигнала в усилительной цепочке делает всю используемую конструкцию более громоздкой и трудоемкой по исполнению.The disadvantage of low-voltage vircator is a fairly low level of radiation power. However, a number of applications require higher-level power. Using this device as a signal source in the amplification chain makes the entire structure used more cumbersome and time-consuming to implement.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению в электронике СВЧ является современный эффективный усилитель - пасотрон (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004). Основными конструктивными элементами пасотрона являются электронная пушка с плазменным катодом, являющаяся источником электронного пучка, и заполненная газом замедляющая электродинамическая структура, в которой при инжекции в нее интенсивного электронного пучка за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия пасотрона в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Такой способ транспортировки электронного пучка через пространство взаимодействия позволяет отказаться от внешней магнитной фокусирующей системы, а следовательно, значительно снизить вес и уменьшить габаритные размеры мощных линейных источников СВЧ-излучения, требующих ту или иную фокусировку электронного пучка.Closest to the claimed technical solution in microwave electronics is a modern efficient amplifier - a pasotron (Trubetskov DI, Hramov A.E. Lectures on microwave electronics for physicists. T.2. M: Fizmatlit, 2004). The main structural elements of the pasotron are an electron gun with a plasma cathode, which is the source of the electron beam, and a decelerating electrodynamic structure filled with gas, in which a plasma channel is created due to gas ionization when an intense electron beam is injected into it. An electron beam passes through the interaction space of the pasotron in the ion focusing mode, when the plasma that arises due to ionization of a neutral gas (helium or xenon is usually used) neutralizes the space charge of the beam and creates forces that compress the beam when it is injected into the interaction space. This method of transporting the electron beam through the interaction space allows you to abandon the external magnetic focusing system, and therefore, significantly reduce the weight and reduce the overall dimensions of powerful linear microwave sources that require one or another focusing of the electron beam.

Таким образом, пасотрон представляет собой устройство, имеющее высокие значения коэффициента усиления. Можно было бы использовать для получения одновременно высоких параметров генератора и усилителя введение в конструкцию пасотрона цепи обратной связи. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такое устройство могло бы генерировать одночастотный, многочастотный СВЧ-сигнал. Однако такой пасотрон-генератор СВЧ-сигналов также обладал бы существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладывается жесткие фазовые условия и условия согласования волноводов с прибором. Невозможность четкого выполнения этих условий во всем диапазоне частот приводит к тому, что амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться для различных частот, что в свою очередь приведет к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса. В то же время в последнее время с развитием техники систем связи, приборной базы информационно-коммуникационных систем и т.д. все более востребованными становятся СВЧ-приборы, способные генерировать широкополосные хаотические сигналы с малым перепадом между максимальным и минимальным уровнем мощности в пределах полосы генерации.Thus, the pasotron is a device having high gain values. It would be possible to use the introduction of a feedback circuit into the design of the pasotron to obtain simultaneously high parameters of the generator and amplifier. Under certain amplitude and phase conditions, such a device could generate a single-frequency, multi-frequency microwave signal. However, such a pasotron generator of microwave signals would also have a significant drawback associated with the fact that the feedback circuit in this case is subject to stringent phase conditions and the conditions for matching the waveguides with the device. The impossibility of clearly fulfilling these conditions in the entire frequency range leads to the fact that the amplitude of the generated signal will vary greatly for different frequencies, which in turn will lead to a strong indentation of the generation spectrum, especially in the chaos generation mode. At the same time, recently, with the development of the technology of communication systems, the instrument base of information and communication systems, etc. Microwave devices capable of generating broadband chaotic signals with a small difference between the maximum and minimum power levels within the generation band become more and more popular.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что, несмотря на рекордные по ширине полосы характеристики пасотронов-усилителей, пасотроны-генераторы с обратной связью не могут служить перспективными источниками широкополосных Considering the above, it can be concluded that, despite the record-breaking characteristics of pasotron amplifiers in terms of bandwidth, feedback pasotrons-generators cannot serve as promising sources of broadband

шумоподобных сигналов. Однако высокие значения коэффициента усиления и широкая полоса частот позволяют использовать пасотрон в качестве элемента усилительного каскада, где в качестве источника сигнала, как правило, широкополосного, может использоваться другой прибор с более подходящими генерационными характеристиками.noise-like signals. However, high gain and a wide frequency band make it possible to use a pasotron as an element of the amplification stage, where another device with more suitable lasing characteristics can be used as a signal source, usually a broadband one.

Поставленная задача решается тем, что электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему в виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, согласно предлагаемому решению, дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему в виде спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.The problem is solved in that the microwave electric plasma vacuum amplifier-generator, including an electron gun with a plasma cathode, a gas-filled electrodynamic slowdown system in the form of a corrugated waveguide with energy input and output, a communication window with a vacuum pump located between the electron gun and electrodynamic slow-down system according to the proposed solution, further comprises a collector comprising an electrodynamic system in the form of a spiral or diaphragm, equipped with with glossy inserts and an energy output, and an electrode with a braking potential, while the collector is configured to form a virtual cathode in the space of its electrodynamic system, the electrodynamic deceleration system and the collector electrodynamic system are connected by a broadband coordinated communication line, and the collector energy output is connected by a feedback circuit to the input energy of the electrodynamic moderator.

Технический результат, достигаемый в предложенном многофункциональном приборе СВЧ, заключается в возможности использования данного прибора и как усилителя, и как мощного перестраиваемого генератора СВЧ-сигналов, генерирующего монохроматический, многочастотный и шумоподобный сигналы с полосой частот до 1 октавы без использования магнитных полей, характерных для пасотрона-усилителя.The technical result achieved in the proposed multifunctional microwave device consists in the possibility of using this device both as an amplifier and as a powerful tunable microwave signal generator that generates monochromatic, multi-frequency and noise-like signals with a frequency band of up to 1 octave without the use of magnetic fields characteristic of the pasotron -amplifier.

Полезная модель основана на извлечении полезного эффекта - дополнительной энергии от отработанного электронного пучка на выходе пасотрона. Это достигнуто за счет введения дополнительного конструктивного узла - коллектора. В результате использования колебаний виртуального катода в коллекторной области было обнаружено значительное улучшение генерационных характеристик пасотрона, что позволило создать универсальный прибор, обеспечивающий генерацию широкополосного шумоподобного сигнала с высоким уровнем мощности. При этом удалось избежать трудностей, связанных с согласованием характеристик сигнала в цепочке обратной связи.The utility model is based on the extraction of a useful effect - additional energy from the spent electron beam at the exit of the pasotron. This is achieved through the introduction of an additional structural unit - the collector. As a result of using the vibrations of the virtual cathode in the collector region, a significant improvement in the lasing characteristics of the pasotron was discovered, which made it possible to create a universal device that provides the generation of a broadband noise-like signal with a high power level. At the same time, difficulties associated with matching the characteristics of the signal in the feedback chain were avoided.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 - его конструкция, на фиг 3 - конструкция коллектора.The utility model is illustrated by drawings, where in Fig. 1 a block diagram of the inventive device is presented, in Fig. 2 is its construction, in Fig. 3 is a collector design.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - электронная пушка с плазменным катодом, 2 - электродинамическая замедляющая система в виде гофрированного волновода, 3 - коллектор, 4 - цепь обратной связи, 5 - вывод энергии; 6 - газовый клапан, 7 - ускоритель, 8 - окно связи с вакуумным насосом, 9 - вывод энергии с коллектора, 10 - электронный пучок, 11 - виртуальный катод, 12 - электрод с тормозящим потенциалом, 13 - ввод энергии, 14 - электродинамическая система коллектора, 15 - поглощающие вставки.The positions in the figures denote: 1 - an electron gun with a plasma cathode, 2 - an electrodynamic deceleration system in the form of a corrugated waveguide, 3 - collector, 4 - feedback circuit, 5 - energy output; 6 - gas valve, 7 - accelerator, 8 - communication window with a vacuum pump, 9 - energy output from the collector, 10 - electron beam, 11 - virtual cathode, 12 - electrode with braking potential, 13 - energy input, 14 - electrodynamic system collector, 15 - absorbing inserts.

Заявляемое устройство (см. фиг.2) состоит из последовательно расположенных по направлению движения пучка: электронной пушки с плазменным катодом 1, электродинамической замедляющей системы 2, выполненной, например, в виде гофрированного волновода, и коллектора 3 (см. фиг.1), при этом коллектор 3 и электродинамическая замедляющая система 2 соединены цепью обратной связи 4, которая может быть выполнена в виде волновода или коаксиальной линии. Устройство снабжено окном связи 8 с вакуумным насосом, расположенным между электронной пушкой 1 и электродинамической замедляющей системой 2, которая в свою очередь снабжена вводом 13 и выводом 5 энергии. Коллектор 3 (см. фиг.3) состоит из расположенных в корпусе электродинамической системы 14, выполненной, например, в виде отрезка спирали или диафрагмы с поглощающими вставками 15, нагруженной на коаксиальную линию через вывод энергии 9, электрода с тормозящим потенциалом 12. Электронная пушка 1 содержит плазменный катод, газовый клапан 6 и ускоритель 7. Электронная пушка 1 с электродинамической замедляющей системой 2 обеспечивают усиление СВЧ сигнала, а коллектор - генерацию монохроматического, многочастотного и шумоподобного сигналов.The inventive device (see figure 2) consists of sequentially arranged in the direction of the beam: an electron gun with a plasma cathode 1, an electrodynamic delay system 2, made, for example, in the form of a corrugated waveguide, and a collector 3 (see figure 1), wherein the collector 3 and the electrodynamic deceleration system 2 are connected by a feedback circuit 4, which can be made in the form of a waveguide or a coaxial line. The device is equipped with a communication window 8 with a vacuum pump located between the electron gun 1 and the electrodynamic delay system 2, which in turn is equipped with an input 13 and an output 5 of energy. The collector 3 (see Fig. 3) consists of electrodynamic system 14 located in the housing, made, for example, in the form of a segment of a spiral or diaphragm with absorbing inserts 15, loaded onto a coaxial line through an energy output 9, of an electrode with a braking potential 12. An electron gun 1 contains a plasma cathode, a gas valve 6, and an accelerator 7. An electron gun 1 with an electrodynamic delay system 2 provides amplification of the microwave signal, and the collector generates monochromatic, multi-frequency, and noise-like signals.

Устройство работает следующим образом. Из электронной пушки с плазменным катодом 1 выходит интенсивный электронный пучок и попадает в заполненную газом замедляющую электродинамическую систему 2, в которой за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия, сформированное в замедляющей электродинамической системе 2 в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Затем электронный пучок попадает в коллектор 3, а именно в электродинамическую систему 14, где возникает виртуальный катод 11. СВЧ сигнал The device operates as follows. An intense electron beam leaves an electron gun with a plasma cathode 1 and enters a decelerating electrodynamic system 2 filled with gas, in which a plasma channel is created due to gas ionization. The electron beam passes through the interaction space formed in the slowing-down electrodynamic system 2 in the ion focusing mode, when the plasma resulting from ionization of a neutral gas (usually helium or xenon) neutralizes the space charge of the beam and creates forces that compress the beam when it is injected into the interaction space . Then the electron beam enters the collector 3, namely in the electrodynamic system 14, where there is a virtual cathode 11. The microwave signal

снимается с помощью отрезка спирали или диафрагмы, нагруженной на коаксиальную линию, затем по цепи обратной связи 4 направляется на вход электродинамической замедляющей системы, и далее, усиливаясь до выходной мощности P_out, выводится через элемент вывода энергии 5 в нагрузку.removed using a segment of a spiral or diaphragm loaded on a coaxial line, then, through feedback circuit 4, it is sent to the input of the electrodynamic slowdown system, and then, amplifying to the output power P _out , it is output through the energy output element 5 to the load.

Заявляемое устройство позволяет управлять как амплитудой хаотических СВЧ колебаний, так и шириной полосы частот (от узкополосных, близких к одночастотным колебаниям, так и до широкополосных шумоподобных колебаний с шириной полосы более октавы) изменением величины тормозящего потенциала.The inventive device allows you to control both the amplitude of chaotic microwave oscillations and the frequency bandwidth (from narrow-band, close to single-frequency vibrations, and to broadband noise-like vibrations with a bandwidth of more than an octave) by changing the value of the braking potential.

Представленные на фиг.4 и 5 расчетные зависимости показывают, что коллектор данного многофункционального прибора может генерировать широкополосные хаотические сигналы среднего уровня мощности в зависимости от тормозящего потенциала V₂ на тормозящем электроде коллектора. Мощности генерации (фиг.4) при этом достигают величин порядка 0.2 кВт в наиболее благоприятном режиме работы. Далее этот сигнал усиливается в элктродинамической замедляющей системе 2 до уровня порядка Р_вых~2-10 МВт в непрерывном или импульсном режиме в зависимости от конкретных характеристик усилителя.The calculated dependences shown in Figs. 4 and 5 show that the collector of this multifunctional device can generate broadband chaotic signals of an average power level depending on the braking potential V ₂ on the braking electrode of the collector. The generation power (Fig. 4) in this case reaches values of the order of 0.2 kW in the most favorable operating mode. Further, this signal is amplified in the electrodynamic moderator 2 to a level of the order of P _o ~ 2-10 MW in continuous or pulsed mode, depending on the specific characteristics of the amplifier.

На фиг.5 показаны рассчитанные зависимости ширины полосы (кривая 1), спектральной плотности шума (кривая 2) и изрезанности спектра (кривая 3) хаотического сигнала, генерируемого предлагаемым прибором в зависимости от тормозящего потенциала V₂ на электроде 12 коллектора. Представленные на фиг.5 зависимости позволяют продемонстрировать преимущества предложенного многофункционального устройства. Хорошо видно, что увеличение тормозящего потенциала расширяет полосу генерируемых частот до величины порядка октавы (Δf/f~0.8), при этом растет спектральная плотность шума S при одновременном уменьшении изрезанности спектра N, которая оценивается как перепад мощностей наиболее и наименее интенсивных спектральных компонент спектра генерации широкополосного хаотического сигнала в рабочей полосе частот.Figure 5 shows the calculated dependences of the bandwidth (curve 1), spectral density of the noise (curve 2) and the ruggedness of the spectrum (curve 3) of the chaotic signal generated by the proposed device depending on the braking potential V ₂ on the electrode 12 of the collector. Presented in figure 5, the dependencies allow to demonstrate the advantages of the proposed multifunctional device. It is clearly seen that an increase in the inhibitory potential extends the band of generated frequencies to a value of the order of an octave (Δf / f ~ 0.8), while the spectral noise density S increases with a simultaneous decrease in the roughness of the spectrum N, which is estimated as the power difference between the most and least intense spectral components of the generation spectrum broadband chaotic signal in the working frequency band.

Таким образом, предложенная полезная модель представляет собой устройство - перестраиваемый мощный СВЧ источник монохроматического, многочастотного и широкополосного хаотического сигнала дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн с шириной полосы колебаний до 1 октавы и мощностью до десятков МВт.Thus, the proposed utility model is a device — a tunable powerful microwave source of a monochromatic, multi-frequency, and broadband chaotic signal of a decimeter and centimeter wavelength range with an oscillation bandwidth of up to 1 octave and a power of up to tens of MW.

Claims

Microwave vacuum plasma amplifier-generator, including an electron gun with a plasma cathode, gas-filled electrodynamic deceleration system in the form of a corrugated waveguide with energy input and output, a communication window with a vacuum pump located between the electron gun and electrodynamic deceleration system, characterized in that it further comprises a collector including an electrodynamic system of a spiral or diaphragm equipped with absorbing inserts and energy output, and an electrode with t with a braking potential, while the collector is configured to form a virtual cathode in the space of its electrodynamic system, the electrodynamic deceleration system and the collector electrodynamic system are connected by a broadband coordinated communication line, and the collector energy output is connected by a feedback circuit to the energy input of the electrodynamic deceleration system.