RU99900U1

RU99900U1 - SMALL OVERLOW VOLTAGE GENERATOR OF CHAOTIC OSCILLATIONS ON TURBULENT BEAMS

Info

Publication number: RU99900U1
Application number: RU2010127760/07U
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Калинин; Андрей Викторович Стародубов
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2010-11-27

Abstract

Генератор хаотических колебаний, содержащий последовательно расположенные катод, трубу дрейфа, включающую отрезок электродинамической системы с выводом энергии, коллектор, отличающийся тем, что в него введены экранирующая и модулирующая сетки, расположенные непосредственно за катодом, и источник неоднородного магнитного поля, расположенный с внешней стороны трубы дрейфа, при этом модулирующая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения и выполнена с возможностью формирования турбулентного электронного потока в области катода, а коллектор подключен к источнику напряжения, величиной меньше ускоряющего и обеспечивающего формирование тормозящего электрического поля. A generator of chaotic oscillations containing a cathode located in series, a drift tube, including a segment of an electrodynamic system with energy output, a collector, characterized in that shielding and modulating grids located directly behind the cathode are introduced into it, and a source of an inhomogeneous magnetic field located on the outside of the tube drift, while the modulating grid is connected to a source of accelerating voltage and is configured to generate a turbulent electron flow in the cat yes, and the collector is connected to a voltage source, size of less accelerating and retarding the formation of providing the electric field.

Description

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов средней мощности.The utility model relates to the field of microwave electronics and is designed to generate chaotic broadband signals of medium power.

Хаотические сигналы находят широкое применение в различных областях техники, таких как информационно-телекоммуникационные системы, радиолокация, измерительная техника и т.д. (А С.Дмитриев, А.И.Панас. М.: Физматлит. - 2002; Н.Н.Залогин, В.В.Кислов. М.: Радиотехника. - 2006.). Кроме того, представляется перспективным использование подобных сигналов в ряде отраслей обрабатывающей промышленности, таких как нефтеперерабатывающая промышленность, деревообрабатывающая и т.п. (Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Березин С.И. Наука и технологии в промышленности. 3 (2009) 28-31.)Chaotic signals are widely used in various fields of technology, such as information and telecommunication systems, radar, measuring equipment, etc. (And S. Dmitriev, A.I. Panas. M.: Fizmatlit. - 2002; N.N. Zalogin, V.V. Kislov. M .: Radio engineering. - 2006.). In addition, it seems promising to use such signals in a number of manufacturing industries, such as oil refining, woodworking, etc. (Kalinin Yu.A., Starodubov A.V., Berezin S.I. Science and technology in industry. 3 (2009) 28-31.)

Известны различные способы и устройства, предназначенные для формирования (генерирования) широкополосных СВЧ хаотических сигналов.Various methods and devices are known for generating (generating) broadband microwave chaotic signals.

Наиболее близким к заявляемой полезной является генератор шумоподобного широкополосного СВЧ сигнала на виртуальном катоде (см. патент РФ на изобретение №2288519, МПК H01J 25/00). Генератор содержит источник электронов (катод), анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжении, электродинамическую систему с выводом энергии, расположенную в трубе дрейфа, коллектор а также, по крайней мере, одну сетку, расположенную между анодом и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором.Closest to the claimed useful one is a noise-like broadband microwave signal generator on a virtual cathode (see RF patent for invention No. 2288519, IPC H01J 25/00). The generator contains an electron source (cathode), an anode connected to an accelerating voltage source, an electrodynamic system with an energy output located in the drift tube, a collector, and also at least one grid located between the anode and the collector perpendicular to the direction of movement of the electron beam with the possibility the formation of a virtual cathode in an electrodynamic system between the grid and the collector.

Недостатками указанного генератора является то, что для получения хаотических сигналов необходимо использование больших ускоряющих напряжений (1-3 KB), также устройство имеет значительные геометрические размеры и низкие значения КПД (1-2%) данного прибора.The disadvantages of this generator is that to obtain chaotic signals it is necessary to use large accelerating voltages (1-3 KB), the device also has significant geometric dimensions and low values of efficiency (1-2%) of this device.

Задачей данного технического решения является создание такого генератора хаотических колебаний, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего прототипа и обеспечил бы получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот в простой схеме с использованием низких значений ускоряющих напряжений, высоким уровнем КПД и малыми габаритными размерами.The objective of this technical solution is to create such a chaotic oscillation generator that could overcome the above-mentioned disadvantages of the existing prototype and ensure broadband signals in the high and ultra-high frequencies in a simple circuit using low accelerating voltages, high efficiency and small overall dimensions.

Технический результат, достигаемый в предложенном широкополосном малогабаритном сверхнизковольтном генераторе хаотических СВЧ колебаний, состоит в обеспечении возможности существенного снижения ускоряющего напряжения, а также в повышении КПД устройства за счет оригинальной конструкции прибора, в которой область электронной пушки и область формирования источника мощных широкополосных микроволновых колебаний (турбулентного электронного пучка) совмещены.The technical result achieved in the proposed broadband small-sized ultra-low-voltage generator of chaotic microwave oscillations consists in providing the possibility of a significant reduction in the accelerating voltage, as well as in increasing the efficiency of the device due to the original design of the device, in which the region of the electron gun and the region of formation of the source of powerful broadband microwave oscillations (turbulent electron beam) combined.

Поставленная задача решается тем, что генератор хаотических колебаний, содержащий последовательно расположенные катод, трубу дрейфа, включающую отрезок электродинамической системы с выводом энергии, коллектор, согласно решению в него введены экранирующая и модулирующая сетки, расположенные непосредственно за катодом, и источник неоднородного магнитного поля, расположенный с внешней стороны трубы дрейфа, при этом модулирующая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения и выполнена с возможностью формирования турбулентного электронного потока в области катода, а коллектор подключен к источнику напряжения, величиной меньше ускоряющего и обеспечивающего формирование тормозящего электрического поля.The problem is solved in that the generator of chaotic oscillations, containing a sequentially located cathode, a drift tube, including a segment of the electrodynamic system with energy output, a collector, according to the solution, shielding and modulating grids located directly behind the cathode, and a source of an inhomogeneous magnetic field located on the outside of the drift pipe, while the modulating grid is connected to an accelerating voltage source and is configured to form a turbulent electrons flow in the region of the cathode, and the collector is connected to a voltage source, size of less accelerating and retarding the formation of providing the electric field.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема малогабаритного сверхнизковольтного генератора широкополосных хаотических СВЧ колебаний, а также внешний вид распределения магнитного и электрического полей вдоль оси генератора; на фиг.2 - зависимость ширины спектра колебаний от величины тормозящего потенциала; на фиг.3 - зависимость выходной мощности от величины напряжения на модулирующей сетке; на фиг.4 - зависимость нормированной мощности колебаний от величины тормозящего потенциала при различных ускоряющих напряжениях: кривая 1 - U₀=200 В, кривая 2 - U₀=700 В, кривая 3 - U₀=1000 В; на фиг.5 - зависимость КПД от напряжения на модулирующей сетке, на фиг.6 и 7 - распределение максимального значения нормированной плотности пространственного заряда вдоль оси системы: фиг.6 при К=0, фиг.7 при К=0.5.The utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 is a schematic diagram of a small-sized ultra-low-voltage generator of broadband chaotic microwave oscillations, as well as the appearance of the distribution of magnetic and electric fields along the axis of the generator; figure 2 - dependence of the width of the spectrum of oscillations from the magnitude of the braking potential; figure 3 - dependence of the output power on the magnitude of the voltage on the modulating grid; figure 4 - dependence of the normalized oscillation power on the braking potential at various accelerating voltages: curve 1 - U ₀ = 200 V, curve 2 - U ₀ = 700 V, curve 3 - U ₀ = 1000 V; in Fig.5 - the dependence of the efficiency on the voltage on the modulating grid, Fig.6 and 7 - the distribution of the maximum value of the normalized density of the space charge along the axis of the system: Fig.6 at K = 0, Fig.7 at K = 0.5.

Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:

1 - область электронной пушки;1 - region of the electron gun;

2 - область торможения электронного пучка;2 - region of braking of the electron beam;

3 - катод;3 - cathode;

4 - экранирующая сетка;4 - screening grid;

5 - модулирующая сетка;5 - modulating grid;

6 - схематичное изображение электронного потока;6 is a schematic illustration of an electronic stream;

7 - отрезок электродинамической системы;7 - a segment of the electrodynamic system;

8 - вывод энергии;8 - energy output;

9 - коллектор;9 - collector;

10 - схематичное изображение распределения внешнего магнитного поля;10 is a schematic representation of the distribution of an external magnetic field;

11 - схематичное изображение распределения электрического поля.11 is a schematic illustration of an electric field distribution.

Малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ колебаний на турбулентных электронных пучках состоит из последовательно соединенных источника электронов (область электронной пушки 1) и диодного промежутка с тормозящим полем (область торможения 2). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка используется электронная пушка, которая включает в себя катод 3, экранирующую сетку 4 и модулирующую сетку 5. Экранирующая (теневая) сетка 4 предназначена для защиты модулирующей сетки 5 от попадания электронов и расположена вблизи катода перед модулирующей сеткой, при этом к экранирующей сетке приложен потенциал катода. Область торможения электронного пучка 2 представляет собой цилиндрическую проводящую трубу (трубу дрейфа) с неоднородным магнитным полем во внутренней полости, создаваемым, например, магнитными кольцами, расположенными с внешней стороны вдоль трубы, и тормозящим электростатическим полем во внутренней полости, создаваемым за счет подачи потенциала U_col<U₀ на коллектор 9. Коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Диодный промежуток содержит также отрезок электродинамической системы 7 с выводом энергии 8.A small-sized ultra-low-voltage generator of chaotic microwave oscillations on turbulent electron beams consists of a series-connected electron source (electron gun region 1) and a diode gap with a braking field (braking region 2). An electron gun is used as a source of an axially symmetric electron beam, which includes a cathode 3, a shielding grid 4 and a modulating grid 5. A shielding (shadow) grid 4 is designed to protect the modulating grid 5 from electrons and is located near the cathode in front of the modulating grid, in this case, a cathode potential is applied to the shielding grid. The braking region of the electron beam 2 is a cylindrical conducting pipe (drift pipe) with a non-uniform magnetic field in the inner cavity, created, for example, by magnetic rings located on the outer side along the tube, and an inhibiting electrostatic field in the inner cavity, created by supplying the potential U _col <U ₀ to the collector 9. The collector is made in the form of an electrode located at the output of the generator. The diode gap also contains a segment of the electrodynamic system 7 with the output of energy 8.

Особенность генератора состоит в том, что за счет использования модулирующей сетки в качестве анода, электронная пушка формирует сильно неламинарный (турбулентный) пучок с большим разбросом электронов по скоростям. Другими словами, в такой системе совмещены область электронной пушки и область формирования турбулентного пучка, что позволяет существенно сократить геометрические размеры генератора.A feature of the generator is that due to the use of a modulating grid as an anode, the electron gun forms a strongly non-laminar (turbulent) beam with a large electron velocity spread. In other words, in such a system, the region of the electron gun and the region of formation of the turbulent beam are combined, which significantly reduces the geometric dimensions of the generator.

Область «модулирующая сетка - коллектор» выполнена с возможностью усиления в ней степени турбулентности электронного пучка за счет его торможения путем увеличения коэффициента торможения электронного пучка К, который представляет собой следующую безразмерную величину K=1-U_col/U₀, где U_col - потенциал на коллекторе, U₀ - ускоряющее напряжение, подаваемое на модулирующую сетку.The region “modulating grid - collector” is made with the possibility of enhancing the degree of turbulence of the electron beam in it due to its braking by increasing the braking coefficient of the electron beam K, which is the following dimensionless quantity K = 1-U _col / U ₀ , where U _col is the potential on the collector, U ₀ is the accelerating voltage supplied to the modulating grid.

Изменение данного параметра происходит путем уменьшения или увеличения потенциала U_кол, подаваемого на коллектор.Changing this parameter occurs by decreasing or increasing the potential U _count supplied to the collector.

Для повышения степени турбулентности в пучке отрезок электродинамической системы помещен в неоднородное магнитное поле, например, внутри одного или нескольких кольцевых постоянных магнитов (магнитных колец).To increase the degree of turbulence in the beam, a segment of the electrodynamic system is placed in an inhomogeneous magnetic field, for example, inside one or more ring permanent magnets (magnetic rings).

Принцип работы устройства следующий.The principle of operation of the device is as follows.

Электронная пушка 1 формирует электронный пучок, который проходит сквозь сетки 4 и 5, приобретая значительный разброс электронов по скоростям, затем попадает в область торможения 2. Введенная экранирующая сетка 4, находящаяся под потенциалом катода, позволяет защитить модулирующую сетку 5 от попадания электронов. В этом случае возрастает величина тока пучка при относительно малых напряжениях на сетке 5. Турбулентность в электронном пучке начинает формироваться уже непосредственно в области электронной пушки 1. Магнитные кольца, расположенные вдоль оси отрезка электродинамической системы 7, расположенной в трубе дрейфа в малогабаритном сверхнизковольтном генераторе широкополосных хаотических СВЧ колебаний, создают неоднородное магнитное поле, а на коллектор 8 подают потенциал U_col, величина которого меньше ускоряющего напряжения U₀ на модулирующей сетке 5. Процесс формирования турбулентности в электронном пучке продолжается под действием тормозящего электрического 11 и неоднородного магнитного поля 10 в области 2. Сгустки пространственного заряда такого пучка совершают интенсивные пространственно-временные колебания. Промодулированный таким образом электронный пучок возбуждает отрезок электродинамической системы 7. Полученный сигнал выходит из прибора через вывод энергии 8. Отработанный пучок из области отрезка электродинамической системы 7 попадает в коллектор 9. Режим генерации в приборе регулируют потенциалом на коллекторе U_col. Путем увеличения коэффициента торможения электронного пучка возможно постепенное увеличение степени модуляции электронного пучка, а вместе с тем и изменение спектра генерируемого сигнала от почти монохроматического до хаотического широкополосного и сверхширокополосного.The electron gun 1 forms an electron beam, which passes through grids 4 and 5, acquiring a significant dispersion of electrons in velocity, then falls into the region of braking 2. The introduced shielding grid 4, which is under the cathode potential, protects the modulating grid 5 from electron penetration. In this case, the beam current increases at relatively low voltages on the grid 5. Turbulence in the electron beam begins to form directly in the region of the electron gun 1. Magnetic rings located along the axis of the segment of the electrodynamic system 7 located in the drift tube in a small-sized ultra-low voltage broadband chaotic generator Microwave oscillations create an inhomogeneous magnetic field, and a potential U _col , the value of which is less than the accelerating voltage U ₀ , is modulated to the collector 8 net 5. The process of turbulence formation in an electron beam continues under the action of a decelerating electric 11 and an inhomogeneous magnetic field 10 in region 2. The space charge bunches of such a beam undergo intense space-time oscillations. The electron beam modulated in this way excites a segment of the electrodynamic system 7. The received signal leaves the device through an energy output 8. The spent beam from the region of the segment of the electrodynamic system 7 enters the collector 9. The generation mode in the device is regulated by the potential at the collector U _col . By increasing the drag coefficient of the electron beam, it is possible to gradually increase the degree of modulation of the electron beam, and at the same time, change the spectrum of the generated signal from almost monochromatic to chaotic broadband and ultra-wideband.

Экспериментальные исследования и результаты численного моделирования данной схемы, представлены на фиг.2-7. Представленные на фиг.2 и 3 экспериментальные зависимости подтверждают возможность и эффективность генерации широкополосных хаотических сигналов с помощью предлагаемого генератора. Экспериментальные исследования были проведены при ускоряющих напряжениях U₀=100÷1000 В, значениях коэффициента торможения электронного пучка К=0÷1 и значениях амплитуды магнитного поля В до 0,1 Тл. Питание лабораторного образца генератора осуществлялось в импульсном режиме. Длительность импульса ускоряющего напряжения составляла от 5 до 50 мкс, значение величины скважности составило 1000 единиц. Представленная на фиг.2 зависимость ширины спектра от величины K показывает, что нормированная ширина полосы генерации в предлагаемом генераторе имеет тенденцию к росту с увеличением коэффициента К. На фиг.3 показана зависимость интегральной мощности колебаний от ускоряющего напряжения на модулирующей сетке. Видно, что мощность растет с увеличением ускоряющего напряжения. На фиг.4 представлена зависимость нормированной мощности колебаний от величины К при различных ускоряющих напряжениях. По данным результатам можно сделать вывод, что чем больше ускоряющее напряжение, тем меньшее значение величины K необходимо, для того чтобы добиться максимальной величины мощности выходного сигнала. Заметим, что максимумы зависимостей P(U₀) при различных величинах К разные: для случая 1 Р_max=1 Вт и U₀=200 В, для случая 2 Р_max=50 Вт и U₀=700 В, для случая 3 Р_max=300 Вт и U₀=1000 В. Из представленного рисунка видна тенденция сдвига максимума в сторону меньших значений К. На фиг.5 представлена зависимость КПД от напряжения на модулирующей сетке. Из данного графика отчетливо видно, что с увеличением ускоряющего напряжения КПД увеличивается. На фиг.6 и 7 представлены зависимости максимального значения плотности пространственного заряда вдоль оси системы для случай отсутствия торможения К=0 и случая K=0.5. Видно, что с увеличением К число сгустков пространственного заряда, а также их максимальное значение плотности увеличивается.Experimental studies and the results of numerical modeling of this circuit are presented in figure 2-7. Presented in figure 2 and 3, the experimental dependences confirm the possibility and efficiency of generating broadband chaotic signals using the proposed generator. Experimental studies were carried out at accelerating voltages U ₀ = 100 ÷ 1000 V, values of the braking coefficient of the electron beam K = 0 ÷ 1 and values of the amplitude of the magnetic field B up to 0.1 T. The power supply of the laboratory sample of the generator was carried out in a pulsed mode. The pulse duration of the accelerating voltage ranged from 5 to 50 μs, the value of the duty cycle was 1000 units. Presented in figure 2, the dependence of the spectral width on the value of K shows that the normalized lasing bandwidth in the proposed generator tends to increase with increasing coefficient K. Figure 3 shows the dependence of the integral oscillation power on the accelerating voltage on the modulating grid. It can be seen that the power increases with increasing accelerating voltage. Figure 4 shows the dependence of the normalized oscillation power on the value of K at various accelerating voltages. According to these results, we can conclude that the greater the accelerating voltage, the lower the value of K is necessary in order to achieve the maximum value of the output signal power. Note that the maxima of the dependences P (U ₀ ) for different values of K are different: for the case of 1 P _max = 1 W and U ₀ = 200 V, for the case of 2 P _max = 50 W and U ₀ = 700 V, for the case of 3 P _max = 300 W and U ₀ = 1000 V. From the presented figure, the tendency of the maximum shift towards lower values of K. is visible. Figure 5 shows the dependence of the efficiency on the voltage on the modulating grid. From this graph it is clearly seen that with increasing accelerating voltage, the efficiency increases. Figures 6 and 7 show the dependences of the maximum value of the space charge density along the axis of the system for the case of no braking K = 0 and the case K = 0.5. It can be seen that with an increase in K the number of clusters of space charge, as well as their maximum density increases.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет генерировать сигналы с широкой полосой частот и достаточно высоким уровнем выходной мощности. При этом заявленная модель отличается малыми геометрическими размерами за счет того, что в электронной пушке в качестве анода используется модулирующая сетка, позволяющая создать в пучке значительный разброс скоростей, что приводит к процессу турбулизации пучка уже в области пушки. Использование в генераторе второй экранирующей сетки позволяет увеличить величину тока пучка при относительно малых напряжениях на сетке. Таким образом, в данной системе достигается высокий уровень КПД.Thus, the proposed utility model allows generating signals with a wide frequency band and a sufficiently high level of output power. Moreover, the claimed model is characterized by small geometrical dimensions due to the fact that an electron gun uses a modulating grid as an anode, which makes it possible to create a significant velocity dispersion in the beam, which leads to the process of turbulence of the beam already in the gun region. The use of a second screening grid in the generator allows one to increase the beam current at relatively low voltage on the grid. Thus, a high level of efficiency is achieved in this system.

Claims

A chaotic oscillation generator containing a sequentially located cathode, a drift tube, including a segment of an electrodynamic system with energy output, a collector, characterized in that shielding and modulating grids located directly behind the cathode are introduced into it, and a source of an inhomogeneous magnetic field located on the outside of the tube drift, while the modulating grid is connected to a source of accelerating voltage and is configured to form a turbulent electron flow in the cat yes, and the collector is connected to a voltage source, size of less accelerating and retarding the formation of providing the electric field.