RU2119691C1

RU2119691C1 - Cyclotron converter of microwave power

Info

Publication number: RU2119691C1
Application number: RU97103772A
Authority: RU
Inventors: С.В. Быковский; Ю.Ф. Квылинский; В.Д. Семенович; В.Н. Ванке; Ю.А. Будзинский; В.Л. Саввин
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Исток"
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: method involves excitation of fast cyclotron wave of electron flow using supplied microwave power and subsequent converting of this power to power of moving electrons. Goal of invention is achieved by microwave power coupler introduced at device input and solid-body rectifier of microwave power. EFFECT: increased efficiency (up to 80%) for approximate microwave power of 10 kW, possibility of significant alternations of supplied microwave power, autonomous use of device. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к области преобразования энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного электрического тока. Изобретение может быть использовано в системах для направленной беспроводной передачи больших уровней энергии на труднодоступные наземные и аэрокосмические объекты, в том числе в системах для энергоснабжения наземных потребителей энергией от солнечных электростанций космического базирования. В таких системах передачи энергии чрезвычайно важным является получение высокого коэффициента полезного действия (КПД). The invention relates to the field of electronics, in particular to the field of conversion of energy of microwave oscillations into energy of direct electric current. The invention can be used in systems for directed wireless transmission of large levels of energy to hard-to-reach ground and aerospace objects, including systems for power supply of ground consumers with energy from space-based solar power plants. In such energy transfer systems, obtaining a high coefficient of performance (COP) is extremely important.

Известны твердотельные преобразователи СВЧ-энергии в энергию постоянного электрического тока, создаваемые на полупроводниковых диодах [1]. Однако необходимость коммутации большого количества твердотельных элементов из-за их низкого удельного выходного напряжения (1 - 5 В) и низкой удельной мощности (4 - 5 Вт) существенно снижает надежность всей системы даже при незначительных перегрузках. Known solid-state converters of microwave energy into direct current electric current generated on semiconductor diodes [1]. However, the need for switching a large number of solid-state elements due to their low specific output voltage (1 - 5 V) and low specific power (4 - 5 W) significantly reduces the reliability of the entire system even with minor overloads.

Известны высоковольтные электронно-лучевые преобразователи СВЧ-энергии в энергию электрического тока на базе приборов со скрещенными полями [2], клистронов [3] и другие, использующие принцип регенерации энергии ускоренных СВЧ полем электронов, предварительно сгруппированных в электронные сгустки. Однако увеличение КПД указанных преобразователей (до величины порядка 70%) серьезно затрудняется значительным разбросом скоростей электронов в приборах подобного типа. Known are high-voltage electron-beam converters of microwave energy into electric current energy based on devices with crossed fields [2], klystrons [3], and others using the principle of energy regeneration of electrons accelerated by a microwave field, previously grouped into electron bunches. However, an increase in the efficiency of these converters (up to a value of the order of 70%) is seriously hindered by a significant spread of electron velocities in devices of this type.

Наиболее близким по технической сущности и признакам к предлагаемому изобретению является электронно-лучевой преобразователь СВЧ-энергии в энергию постоянного электрического тока [4], являющийся в данном случае прототипом. The closest in technical essence and features to the present invention is an electron-beam converter of microwave energy into direct current electric energy [4], which in this case is a prototype.

Конструкция прототипа (фиг. 1) содержит электронную пушку, включающую катод (1) и аноды (2) и формирующую электронный поток (3). Далее соосно с электронным потоком последовательно расположены: устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (4), коллектор (5) с сеткой (6). Резистор (7) представляет собой нагрузку, в которой выделяется полезная мощность постоянного электрического тока. The design of the prototype (Fig. 1) contains an electron gun, including a cathode (1) and anodes (2) and forming an electron beam (3). Next, coaxially with the electron stream, they are arranged in series: a device for introducing microwave energy into the electron stream (4), a collector (5) with a grid (6). Resistor (7) is a load in which the useful power of a direct electric current is released.

Магнитная система прототипа формирует требуемое для работы всех узлов преобразователя магнитное поле (фиг. 2). В области устройства для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток магнитная система формирует однородное продольное магнитное поле такого уровня, при котором циклотронная частота вращения электрона равняется частоте подводимых СВЧ-колебаний (циклотронный резонанс). В этом случае происходит эффективная передача подводимой СВЧ- энергии во вращательную энергию электронного потока (возбуждение быстрой циклотронной волны электронного потока). На участке между устройством для ввода энергии СВЧ колебаний в электронный поток и коллектором продольное магнитное поле резко меняет направление на противоположное, проходя при этом через ноль и достигая прежней абсолютной величины (симметричный реверс магнитного поля). При условии, что протяженность области изменения магнитного поля (Z₂- Z₁ на фиг. 2) бесконечно мала, достигается полное преобразование энергии циклотронного вращения электронов в энергию их поступательного движения. Такой электронный поток способен преодолеть потенциальный барьер на входе в коллектор, обусловленный падением напряжения на сопротивлении нагрузки в цепи коллектора. Отметим, что падение напряжения на сопротивлении нагрузки может достигать величины порядка 10 кВ и более в зависимости от уровня подводимой СВЧ-мощности.The magnetic system of the prototype forms the magnetic field required for the operation of all nodes of the transducer (Fig. 2). In the field of a device for introducing microwave energy into an electron beam, the magnetic system forms a uniform longitudinal magnetic field of a level at which the cyclotron frequency of rotation of the electron is equal to the frequency of the supplied microwave oscillations (cyclotron resonance). In this case, the effective microwave energy is transferred into the rotational energy of the electron beam (excitation of a fast cyclotron wave of the electron beam). In the area between the device for introducing microwave energy into the electron beam and the collector, the longitudinal magnetic field sharply changes direction in the opposite direction, passing through zero and reaching the previous absolute value (symmetric reversal of the magnetic field). Provided that the extent of the region of variation of the magnetic field (Z ₂ - Z ₁ in Fig. 2) is infinitely small, a complete conversion of the energy of cyclotron rotation of electrons to the energy of their translational motion is achieved. Such an electron beam is able to overcome the potential barrier at the entrance to the collector due to a voltage drop across the load resistance in the collector circuit. Note that the voltage drop across the load resistance can reach values of the order of 10 kV or more, depending on the level of the supplied microwave power.

Известно, что создание реверса магнитного поля на малой длине является трудно реализуемым на практике. При увеличении протяженности области симметричного реверса магнитного поля КПД преобразования значительно снижается [5] . Кроме того, в конструкции прототипа отсутствуют какие-либо устройства, предназначенные для борьбы с эмиссией вторичных электронов с коллектора и сетки. В реальных конструкциях вторичная эмиссия не позволяет получать приемлемые значения КПД. It is known that the creation of a magnetic field reverse over a short length is difficult to implement in practice. With an increase in the length of the region of symmetric reversal of the magnetic field, the conversion efficiency decreases significantly [5]. In addition, in the design of the prototype there are no devices designed to combat the emission of secondary electrons from the collector and the grid. In real constructions, secondary emission does not allow obtaining acceptable values of efficiency.

Целью настоящего изобретения является создание преобразователя СВЧ-энергии, свободного от указанных недостатков прототипа, т.е. обладающего более высоким КПД, а также автономностью от внешних источников электропитания цепей преобразователя. The aim of the present invention is to provide a microwave energy converter that is free from these disadvantages of the prototype, i.e. having a higher efficiency, as well as autonomy from external power sources of the converter circuits.

Изобретение поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 показана структурная схема прототипа; на фиг. 2 представлено распределение продольного магнитного поля в прототипе (случай симметричного реверса магнитного поля в области преобразования энергии электронов). На фиг. 3 приведена структурная схема предлагаемого циклотронного преобразователя по п.1 формулы; на фиг. 4 показано распределение продольного магнитного поля в предлагаемом циклотронном преобразователе. На фиг. 5 изображена структурная схема циклотронного преобразователя по п. 2 формулы. На фиг. 6 представлена структурная схема автономного циклотронного преобразователя по п.3 формулы. The invention is illustrated by the following drawings: in FIG. 1 shows a block diagram of a prototype; in FIG. 2 shows the distribution of the longitudinal magnetic field in the prototype (the case of a symmetric reversal of the magnetic field in the field of electron energy conversion). In FIG. 3 shows a structural diagram of the proposed cyclotron converter according to claim 1 of the formula; in FIG. 4 shows the distribution of the longitudinal magnetic field in the proposed cyclotron converter. In FIG. 5 shows a block diagram of a cyclotron converter according to claim 2 of the formula. In FIG. 6 is a structural diagram of an autonomous cyclotron converter according to claim 3 of the formula.

На фиг. 3 схематически изображен предлагаемый циклотронный преобразователь, содержащий электронную пушку (1), формирующую электронный поток (2), и соосные с электронным потоком последовательно расположенные: устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (3) в виде энергии циклотронного вращения, цилиндрический электрод (4), в области которого происходит преобразование энергии циклотронного вращения электронов в энергию их поступательного движения, барьерный электрод (5) и коллектор (6). Резистор (7), расположенный в цепи, соединяющей коллектор с катодом, представляет собой нагрузку, в которой выделяется полезная мощность постоянного электрического тока. In FIG. 3 schematically depicts the proposed cyclotron converter containing an electron gun (1) forming an electron beam (2) and sequentially arranged coaxial with the electron beam: a device for introducing microwave energy into the electron beam (3) in the form of cyclotron rotation energy, a cylindrical electrode (4), in the region of which the energy of cyclotron rotation of electrons is converted to the energy of their translational motion, a barrier electrode (5) and a collector (6). The resistor (7), located in the circuit connecting the collector to the cathode, represents the load in which the net power of the direct current is released.

На фиг. 4 показано формируемое магнитной системой распределение продольного магнитного поля, необходимое для нормальной работы предлагаемого циклотронного преобразователя. В области устройства для ввода энергии СВЧ- колебаний в электронный поток продольное магнитное поле однородно и имеет уровень, обеспечивающий циклотронный резонанс электронов (так же, как в прототипе). Далее, в области цилиндрического электрода, продольное магнитное поле спадает и становится нулевым в области барьерного электрода. In FIG. 4 shows the distribution of the longitudinal magnetic field generated by the magnetic system necessary for the normal operation of the proposed cyclotron converter. In the field of the device for introducing the energy of microwave oscillations into the electron beam, the longitudinal magnetic field is uniform and has a level that provides cyclotron resonance of the electrons (the same as in the prototype). Further, in the region of the cylindrical electrode, the longitudinal magnetic field decreases and becomes zero in the region of the barrier electrode.

Принцип работы предлагаемого циклотронного преобразователя заключается в следующем (см. фиг. 3). Электронная пушка (1) формирует электронный поток (2), дрейфующий в продольном магнитном поле. Устройство для ввода энергии СВЧ-колебаний в электронный поток (3) обеспечивает передачу подводимой СВЧ-энергии во вращательную энергию быстрой циклотронной волны электронного потока. Далее, в области цилиндрического электрода (4) в спадающем магнитном поле вращательная энергия электронов преобразуется в энергию их поступательного движения. В области барьерного электрода (5), где энергия продольного поступательного движения электронов максимальна, электроны преодолевают максимум потенциального барьера, обусловленного электрическим потенциалом барьерного электрода, на который подается напряжение, отрицательное относительно коллектора. Далее электроны оседают на коллекторе (6), при этом их скорость должна быть минимальна, чтобы обеспечить максимальный КПД работы преобразователя. Более низкий потенциал барьерного электрода по сравнению с потенциалом коллектора предотвращает вылет вторичных электронов из коллектора. The principle of operation of the proposed cyclotron converter is as follows (see. Fig. 3). The electron gun (1) forms an electron beam (2) drifting in a longitudinal magnetic field. A device for introducing microwave energy into the electron stream (3) transfers the supplied microwave energy to the rotational energy of the fast cyclotron wave of the electron stream. Further, in the region of the cylindrical electrode (4) in a decreasing magnetic field, the rotational energy of the electrons is converted into the energy of their translational motion. In the region of the barrier electrode (5), where the energy of the longitudinal translational motion of the electrons is maximum, the electrons overcome the maximum of the potential barrier due to the electric potential of the barrier electrode, to which a voltage negative to the collector is applied. Further, the electrons settle on the collector (6), while their speed should be minimal to ensure maximum efficiency of the converter. The lower potential of the barrier electrode compared to the potential of the collector prevents the escape of secondary electrons from the collector.

Применение цилиндрического электрода с ускоряющим потенциалом в области изменения магнитного поля снижает провисание потенциала коллектора и барьерного электрода в область, где не произошло преобразование вращательной энергии электронов в энергию продольного движения, и таким образом предотвращает отражение и оседание электронов вне коллектора. The use of a cylindrical electrode with an accelerating potential in the field of changing the magnetic field reduces the sagging potential of the collector and the barrier electrode to the area where the rotational energy of the electrons has not been converted to the energy of longitudinal motion, and thus prevents reflection and sedimentation of electrons outside the collector.

В целях уменьшения габаритов циклотронного преобразователя и снижения количества вторичных электронов, вылетающих из коллектора в устройство ввода СВЧ-энергии, коллектор (6) может выполняться в виде тора с кольцевым отверстием (8) для влета электронов (см. фиг. 5, обозначения элементов соответствуют фиг. 3). Электрод (9) с ускоряющим потенциалом, расположенный на оси коллектора, предотвращает провисание тормозящего потенциала в область, где не произошло преобразование вращательной энергии электронов в энергию поступательного движения. In order to reduce the dimensions of the cyclotron converter and reduce the number of secondary electrons flying from the collector to the microwave energy input device, the collector (6) can be made in the form of a torus with an annular hole (8) for electron entry (see Fig. 5, the designations of the elements correspond to Fig. 3). An electrode (9) with an accelerating potential located on the axis of the collector prevents sagging of the braking potential in the region where the conversion of the rotational energy of the electrons into the energy of translational motion has not occurred.

Применение ответвителя входной СВЧ-мощности (10) (фиг. 6, обозначения элементов соответствуют фиг. 3) с последующим ее выпрямлением полупроводниковым выпрямителем (11) даст возможность отказаться от дополнительных высоковольтных источников питания и источника напряжения подогревателя. При этом может применяться устройство повышения напряжения (12), которое в совокупности с резистивным делителем напряжения R2...R4 позволит подать требуемые напряжения на все электроды циклотронного преобразователя. Потенциал на барьерном электроде (5) может формироваться за счет падения напряжения на резисторе R1 при протекании через него тока вторичных электронов, вылетающих с коллектора и оседающих на барьерном электроде. Предлагаемая схема электропитания циклотронного преобразователя позволяет отказаться от внешних источников напряжения и обеспечивает полную автономность работы устройства. The use of an input microwave power coupler (10) (Fig. 6, the designations of the elements correspond to Fig. 3) with its subsequent rectification by a semiconductor rectifier (11) will make it possible to refuse additional high-voltage power sources and a heater voltage source. In this case, a voltage boosting device (12) can be used, which in combination with a resistive voltage divider R2 ... R4 will allow you to apply the required voltage to all the electrodes of the cyclotron converter. The potential at the barrier electrode (5) can be formed due to the voltage drop across the resistor R1 when a current of secondary electrons flows through it, emitted from the collector and deposited on the barrier electrode. The proposed power circuit of the cyclotron converter allows you to abandon external voltage sources and ensures complete autonomy of the device.

Предлагаемый циклотронный преобразователь СВЧ-энергии позволяет получить более высокий полный КПД преобразования (до 80%) подводимой энергии в энергию постоянного электрического тока, выделяемую в нагрузке потребителя, при высоких уровнях подводимой СВЧ-мощности (до величин порядка 10¹ кВт). При этом возможна полностью автономная работа устройства при значительных колебаниях уровня подводимой СВЧ мощности.The proposed cyclotron converter of microwave energy allows to obtain a higher total efficiency of conversion (up to 80%) of the supplied energy into direct current energy released in the consumer load at high levels of supplied microwave power (up to values of about 10 ¹ kW). In this case, fully autonomous operation of the device is possible with significant fluctuations in the level of input microwave power.

Источники информации
1. СВЧ-энергетика./Под ред. Э.Окресса. т.1, -М.: Мир. 1971. с.378.Sources of information
1. Microwave energy. / Ed. E.Okressa. t.1, -M.: World. 1971. p. 378.

2. То же, с. 420. 2. The same, p. 420.

3. То же, с. 424. 3. The same, p. 424.

4. Патент США, N 3462636, 1969. 4. U.S. Patent No. 3462636, 1969.

5. Барденков В.А., Ванке В.А., Горшков И.С., Лопухин В.М. О преобразователе СВЧ-энергии с реверсивным магнитным полем. - Радиотехника и электроника, 1976, т.21 N 4, c. 821. 5. Bardenkov V.A., Vanke V.A., Gorshkov I.S., Lopukhin V.M. About a microwave energy converter with a reversing magnetic field. - Radio engineering and electronics, 1976, t.21 N 4, c. 821.

Claims

1. A cyclotron converter of microwave energy into direct current energy containing an electron gun and coaxially arranged device for introducing microwave energy into the electron stream, collector, as well as a magnetic system that creates microwave energy in the device area oscillations in the electron stream, a uniform longitudinal magnetic field, providing cyclotron resonance of the electrons, characterized in that its design is additionally introduced coaxial with the electron gun a core electrode with an accelerating potential and a barrier electrode with a potential below the collector potential, made in the form of a ring, with a cylindrical electrode located between the device for introducing microwave oscillations into the electron beam and the collector, and a barrier electrode between the cylindrical electrode and the collector, A magnetic system was introduced, which creates a decreasing longitudinal magnetic field in the region of the cylindrical electrode and a zero magnetic field in the region of the barrier electrode.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the collector is made in the form of a torus with a coaxial electron gun ring hole for the electron flow on the surface facing the gun side, the barrier electrode is made in the form of two rings coaxial to each other and the electron gun, and on the collector axis an additional electrode with an accelerating potential is introduced.

3. The Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the device for inputting microwave energy into the electronic stream is additionally equipped with a microwave energy coupler and a solid-state rectifier for this energy.