RU2541162C1

RU2541162C1 - Shf quantum generator based on electron beams

Info

Publication number: RU2541162C1
Application number: RU2013152572/08A
Authority: RU
Inventors: Богдан Николаевич Казьмин; Иван Васильевич Трифанов; Дмитрий Ринатович Рыжов; Владимир Афанасьевич Колмыков; Юрий Юрьевич Логинов
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-02-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: SHF quantum generator based on electron beam generated by electron gun and electromagnetic pickup comprises arc plasmotron (1); two electron guns (2), which generate and modulate electron beams (3) by working frequency ωp (3); two operating cavities (5), electrodes (4) of correction voltage; electron barriers (6), SHF quantum channels (7), where electromagnetic pickups (8) for SHF quanta are placed in order to receive analogue data on generated SHF quanta, receiving and transmitting equipment (9) of SHF traffic, system for automatic regulation of parameters for generated SHF quanta that includes: analogue-to-digital converter (10), comparator (11), code programmer (12) for SHF quanta, digital-to-analogue converter (13); two resonance circuits (14), power converter transformer (16), which midpoint (15) of the primary circuit is connected to cathode of the arc plasmotron (1).

EFFECT: improved quality of data transmitted through SHF traffic due to improved signal-to-noise ratio, increased efficiency factor.

1 dwg

Description

Изобретение основано на использовании энергии заряженной плазмы (электронных пучков) и может быть применено в системе электропитания, связи, управления, телеметрии и других системах мобильных аппаратов, а также в различных стационарных установках электроснабжения, связи, информационно-измерительных комплексах.The invention is based on the use of charged plasma energy (electron beams) and can be applied in the power supply, communication, control, telemetry and other systems of mobile devices, as well as in various stationary power supply, communication, information and measurement complexes.

Известен генератор СВЧ колебаний (квантов) [см. «СВЧ генератор хаотических колебаний на основе электронных пучков», - «Успехи современной радиоэлектроники», №9, 2008. с.53…55], принятый в качестве прототипа.A known generator of microwave oscillations (quanta) [see "Microwave generator of chaotic oscillations based on electron beams", - "Successes of modern radio electronics", No. 9, 2008. p.53 ... 55], adopted as a prototype.

Известный генератор содержит электронную пушку, создающую электронный пучок, часть энергии которого с помощью виртуального катода превращают в СВЧ кванты, коллектор и источник питания. В состав генератора входит также электродинамическая структура с электромагнитными датчиками, дающими информацию о генерируемых СВЧ квантах.The known generator contains an electron gun creating an electron beam, part of the energy of which is converted into microwave quanta, a collector and a power source using a virtual cathode. The generator also includes an electrodynamic structure with electromagnetic sensors that provide information about the generated microwave quanta.

Недостатком прототипа являются то, что генератор позволяет получать СВЧ колебания сложной формы, занимающие широкую полосу частот. Это снижает отношение сигнал/шум и качество передаваемой информации по СВЧ-графику. Кроме того, при СВЧ-генерации методом виртуального катода используется незначительная часть (порядка 20%) энергии электронного пучка, т.к. увеличение отбора энергии из пучка вызывает прекращение СВЧ-генерации. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором за счет энергии источника питания, и на это непроизводительно расходуется электроэнергия, что существенно снижает КПД системы электропитания.The disadvantage of the prototype is that the generator allows you to receive microwave oscillations of complex shape, occupying a wide frequency band. This reduces the signal-to-noise ratio and the quality of the transmitted information on the microwave schedule. In addition, in microwave generation by the virtual cathode method, an insignificant part (about 20%) of the electron beam energy is used, because an increase in energy extraction from the beam causes the cessation of microwave generation. The rest of the beam energy is absorbed by the collector due to the energy of the power source, and energy is unproductive for this, which significantly reduces the efficiency of the power supply system.

Задачей заявляемого изобретения является повышение качества информации, передаваемой по СВЧ-трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, а также устранение непроизводительных затрат электроэнергии и увеличение КПД системы электропитания.The task of the invention is to improve the quality of information transmitted through microwave traffic, by increasing the signal-to-noise ratio, as well as eliminating overhead costs of electricity and increasing the efficiency of the power supply system.

Поставленная задача решается тем, что известный генератор СВЧ квантов на основе электронного пучка, создаваемого электронной пушкой, и электромагнитного датчика, дающего информацию о генерируемых СВЧ квантах, согласно техническому решению, дополнительно содержит электродуговой плазматрон с анодом и катодом, заполненный рабочей средой в виде разряженного газа и работающий на две электронные пушки, установленные по ходу электронных пучков; рабочие полости, имеющие двойной электрический слой, удерживающий электронный пучок в сжатом состоянии; электроды корректирующего напряжения, изолированные от рабочей полости; барьеры электронов с диэлектрическим и электропроводящим слоем, имеющим электрический контакт с соответствующим электродом корректирующего напряжения; каналы СВЧ квантов; приемо-передающую аппаратуру СВЧ-трафика; систему автоматического регулирования параметров генерируемых СВЧ квантов, которая включает в себя аналого-цифровой преобразователь, компаратор, программатор кодов СВЧ квантов, цифроаналоговый преобразователь; два параллельных резонансных контура рабочей частоты системы электропитания первичной цепи силового трансформатора-преобразователя, средняя точка которой соединена с катодом электродугового плазматрона и заземлена, причем анод плазматрона соединен с плюсовой клеммой электрической дуги системы электропитания, минусовая клемма электрической дуги заземлена, вторичная цепь силового трансформатора соединена с клеммами переменного напряжения рабочей частоты системы электропитания, клеммы электропитания цифровых блоков которой соединены с соответствующими клеммами электропитания цифровых блоков системы автоматического регулирования параметров СВЧ квантов, а электромагнитные датчики СВЧ квантов соединены с аналоговыми входами АЦП, цифровой выход которого соединен с соответствующим входом компаратора, другой цифровой вход которого соединен с выходом программатора кодов СВЧ квантов, выход компаратора соединен с цифровым входом ЦАП, аналоговые входы которого соединены с соответствующими резонансными контурами и выходными анодами электронных пушек, а выходы ЦАП соединены с соответствующими электродами корректирующего напряжения.The problem is solved in that the known microwave generator based on an electron beam generated by an electron gun and an electromagnetic sensor that provides information on the generated microwave quanta, according to the technical solution, additionally contains an electric arc plasmatron with anode and cathode filled with a working medium in the form of a discharged gas and working on two electron guns installed along the electron beams; working cavities having a double electric layer holding the electron beam in a compressed state; correction voltage electrodes isolated from the working cavity; electron barriers with a dielectric and electrically conductive layer having electrical contact with a corresponding correction voltage electrode; channels of microwave quanta; microwave transmit-receive equipment; a system for automatically controlling the parameters of generated microwave quanta, which includes an analog-to-digital converter, a comparator, a programmer for microwave codes, a digital-to-analog converter; two parallel resonant circuits of the operating frequency of the power supply system of the primary circuit of the power transformer-converter, the middle point of which is connected to the cathode of the electric arc plasmatron and is grounded, the anode of the plasmatron being connected to the positive terminal of the electric arc of the power supply system, the negative terminal of the electric arc is grounded, the secondary circuit of the power transformer is connected to the terminals of the alternating voltage of the operating frequency of the power supply system, the power terminals of the digital blocks of which are connected are connected to the corresponding power terminals of the digital blocks of the system for automatically controlling the parameters of microwave quanta, and the electromagnetic sensors of the microwave quanta are connected to the analog inputs of the ADC, the digital output of which is connected to the corresponding input of the comparator, the other digital input of which is connected to the output of the programmer of codes of microwave quanta, the output of the comparator is connected to digital input of the DAC, the analog inputs of which are connected to the corresponding resonant circuits and output anodes of the electron guns, and the outputs of the DAC oedineny with the corresponding correction voltage electrodes.

На чертеже представлена функциональная схема генератора СВЧ квантов на основе электронных пучков.The drawing shows a functional diagram of a generator of microwave quanta based on electron beams.

Генератор СВЧ квантов на основе электронных пучков содержит электродуговой плазматрон 1 с анодом «А» и катодом «К», две электронные пушки 2, установленные по ходу электронных пучков 3, с выходным анодом А_ЭП, которые формируют и модулируют рабочей частотой ω_p электронные пучки. Генератор СВЧ квантов также содержит две рабочие полости 5, на внутренней рабочей поверхности которых имеется двойной электрический слой, изолированные от рабочей полости 5 электроды 4 корректирующего напряжения U_К, барьеры электронов 6 с диэлектрическим слоем 6дс и электропроводящим слоем 6эс, имеющим электрический контакт с соответствующим электродом 4 корректирующего напряжения, каналы СВЧ квантов 7, в которых размещены электромагнитные датчики 8 СВЧ квантов, с помощью которых получают аналоговую информацию о генерируемых СВЧ квантах и приемо-передающую аппаратуру 9 СВЧ-трафика. В состав генератора СВЧ квантов входят система автоматического регулирования параметров СВЧ квантов, включающая аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 10, компаратор 11, программатор кодов (ПК) 12 СВЧ квантов, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 13; два резонансных контура тока 14, с которых аналоговое напряжение подается на ЦАП 13, силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 16, средняя точка 15 первичной цепи которого соединена с катодом «К» электродугового плазматрона 1 и заземлена (соединена с корпусом) и система электропитания (СЭП) 17 мобильного аппарата.The microwave generator quanta based on electron beams comprises electric arc plasma torch 1 with an anode "A" and the cathode "K", the two electron gun 2 mounted along the electron beams 3, the output anode A _{conduction electrons} which form and modulated operating frequency ω _p electron beams . The microwave quantum generator also contains two working cavities 5, on the inner working surface of which there is a double electric layer, electrodes 4 of the correction voltage U _K isolated from the working cavity 5, electron barriers 6 with a dielectric layer of 6ds and an electrically conductive layer of 6es having electrical contact with the corresponding electrode 4 correcting voltages, channels of microwave quanta 7, in which electromagnetic sensors 8 of microwave quanta are placed, with the help of which they obtain analog information about the generated microwave quanta and transceiver equipment 9 microwave traffic. The structure of the microwave quantum generator includes a system for automatically controlling the parameters of microwave quanta, including an analog-to-digital converter (ADC) 10, a comparator 11, a code programmer (PC) 12 microwave quanta, a digital-to-analog converter (DAC) 13; two resonant current circuits 14 from which the analog voltage is supplied to the DAC 13, a power transformer-converter (STP) 16, the midpoint 15 of the primary circuit of which is connected to the cathode “K” of the arc plasma torch 1 and is grounded (connected to the housing) and the power supply system ( SEP) 17 mobile device.

Анод «А» электродугового плазматрона 1 соединен с клеммой «+» электрической дуги ЭД системы электропитания 17, клемма «-» ЭД заземлена, электропитание блоков 10, 11, 12 и 13 подключено к соответствующим клеммам цифровых блоков «ЦБ» СЭП 17, а силовые клеммы переменного напряжения рабочей частоты ω_р соединены с вторичной цепью СТП 16. Резонансные контуры 14 соединены с выходными анодами А_ЭП электронных пушек 2 и аналоговыми входами ЦАП 13. Электромагнитные датчики 8 соединены с аналоговыми входами АЦП 10. Цифровые выходы АЦП 10 и ПК 12 соединены с соответствующими цифровыми входами компаратора 11, выход которого соединен с цифровым входом ЦАП 13, а его выходы соединены с соответствующими электродами 4 корректирующего напряжения.Anode “A” of the electric arc plasmatron 1 is connected to the “+” terminal of the electric arc of the electric power system ED 17, the “-” terminal of the electric motor is grounded, the power supply of blocks 10, 11, 12, and 13 is connected to the corresponding terminals of the digital modules “Central Bank” of the SEP 17, and the power AC terminals operating frequency ω _p are connected to the secondary circuit 16. STF resonant circuit 14 are connected to output a anodes _EP electron guns 2 and the analog inputs of the DAC 13. Electromagnetic sensors 8 are connected to analog inputs ADC 10. The digital outputs of the ADC 10 and the PC 12 are connected according the digital inputs of the comparator 11, the output of which is connected to the digital input of the DAC 13, and its outputs are connected to the corresponding electrodes 4 of the correction voltage.

Работает данный генератор СВЧ квантов следующим образом. Подается необходимое напряжение на анод «А» и катод «К» электродугового плазматрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой - разряженным газом. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами «А» и «К» в ортогонально направленном полю электрической дуги (скрещенном с полем дуги) электрическом анодном поле А_ЭП электронной пушки 2, создаваемым напряжением U_а, подаваемым с резонансного контура 14, настроенного в резонанс на циклическую рабочую частоту ω_р системы электропитания 17 мобильного аппарата. Под действием положительной полуволны анодного поля А_ЭП электроны выходят из области электрической дуги, ускоряются, группируются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой f_p=ω_p/2π. В рабочей полости 5 электронный пучок 3 удерживается в сжатом состоянии с помощью электрического поля двойного электрического слоя, имеющегося на рабочей поверхности, при этом сохраняется создаваемая силами Кулона и Лоренца энергия электронного взаимодействия, за счет которой в электронном пучке образуется дополнительный потенциал

, где q_еП - электрический заряд электронного пучка 3, ε_r, и ε_o - относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость пучка 3, r_еП - среднее расстояние между электронами в пучке 3. Через электрод 4 воздействуют на пучок полем корректирующего напряжения U_К, которое необходимо для генерации СВЧ квантов с заданными параметрами, например, частотой (f_СВЧ=e·U_k/h, где - заряд электрона, h - постоянная Планка).This microwave generator operates as follows. The necessary voltage is applied to the anode “A” and the cathode “K” of the electric arc plasmatron 1, the sealed volume of which is filled with a working medium — discharged gas. Is ionized working fluid by an electric arc between the electrodes "A" and "K" in the orthogonal direction to the field of electric arc (crossed with arc field) electric anodic field A _VC of the electron gun 2, generated by voltage U _and supplied to the resonance circuit 14, tuned to resonance to the cyclic operating frequency ω _p of the power supply system 17 of the mobile device. Under the action of the positive half of the anode field A _VC electrons emerge from the arcing region are accelerated, grouped electron beam 3 modulated operating frequency f _{_p} = ω _p / 2π. In the working cavity 5, the electron beam 3 is kept compressed by the electric field of the double electric layer present on the working surface, while the electron interaction energy created by the Coulomb and Lorentz forces is preserved, due to which an additional potential is formed in the electron beam

where q _еП is the electric charge of the electron beam 3, ε _r , and ε _o is the relative and absolute dielectric constant of the beam 3, r _еП is the average distance between the electrons in the beam 3. Through the electrode 4, the beam is affected by the field of the correction voltage U _К , which necessary for generating microwave quanta with given parameters, for example, frequency (f _microwave = e · U _k / h, where is the electron charge, h is the Planck constant).

С помощью барьера электронов 6, содержащего диэлектрический слой 6дс, на поверхность которого нанесен электропроводящий слой 6эс, останавливают электроны пучка 3, и пропускают СВЧ кванты, которые распространяются в канале 7 СВЧ квантов и через приемо-передающую аппаратуру 9 используются в СВЧ-трафике. Остановленные электроны активируют электропроводящий слой 6эс и превращаются в ток электропроводимости и в соответствующее количество мощности системы электропитания 17.Using an electron barrier 6 containing a 6dc dielectric layer on the surface of which an electrically conductive layer 6es is applied, the electrons of the beam 3 are stopped and microwave quanta are transmitted, which propagate in the channel 7 of the microwave quanta and are used in microwave traffic through the transceiver 9. The stopped electrons activate the electrically conductive layer 6 es and turn into a current of electrical conductivity and in the corresponding amount of power of the power supply system 17.

С помощью электромагнитных датчиков 8 отбирают из канала 7 аналоговую информацию о параметрах, например, о частоте генерируемых СВЧ квантов, преобразуют аналоговую информацию в цифровой код с помощью АЦП 10, сравнивают в компараторе 11 код генерируемых квантов с заданным в ПК 12 программным кодом и по результату сравнения кодов с помощью ЦАП 13 получают необходимое корректирующее напряжение U_К, подаваемое на электрод 4, образующий корректирующее поле для генерации электронами с энергией eU_К соответствующих СВЧ квантов с заданными в ПК 12 кодами. Остальная часть энергии e(U_a+U_еП-U_k) пучка 3 каждым электроном отдается тормозящему полю электрода 4 и возвращается в электрическую цепь СЭП 17 в виде мощности S_ЭЦ=(U_a+U_еП-U_k)²/Z_ЭЦ, где - Z_ЭЦ сопротивление электрической цепи СЭП 17, трансформированное СТП 16 в резонансные параллельные контуры 14, образованные первичными обмотками L СТП 16 и конденсаторами С_p, работающие в режиме резонанса токов на частоте ω_p, с которых подается напряжение U_a на аноды А_ЭП электронных пушек 2 и создается с помощью ЦАП 13 напряжение U_К для электрода 4. Электроны пучка 3, создав электромагнитные колебания с частотой f_СВЧ для СВЧ-трафика и электрическую мощность S_ЭЦ в СЭП 17 на циклической рабочей частоте ω_p, через среднюю точку 15 приходят на заряженный положительно катионами ионизированной рабочей среды катод «К» электродугового плазматрона 1 и рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой между анодом «А» и катодом «К» для очередного цикла генерации СВЧ квантов и создания электрической мощности в системе электропитания 17.Using electromagnetic sensors 8, analog information about the parameters, for example, the frequency of the generated microwave quanta, is selected from channel 7, the analog information is converted into a digital code using ADC 10, the code of generated quanta is compared in comparator 11 with the program code specified in PC 12 and the result comparing the codes via DAC 13 gave the desired correction voltage U _K, supplied to the electrode 4 forming a correction field for generating electrons with an energy eU _K corresponding microwave photons with given code in the PC 12 and. The rest of the energy e (U _a + U _eP -U _k ) of the beam 3 by each electron is given to the decelerating field of the electrode 4 and is returned to the electric circuit of the SEP 17 in the form of power S _EC = (U _a + U _еП -U _k ) ² / Z _EC where - Z is the _EC resistance of the electric circuit of the SEP 17 transformed by the STP 16 into resonant parallel circuits 14 formed by the primary windings L of the STP 16 and capacitors C _p operating in the resonance mode of the currents at a frequency ω _p from which voltage U _a is applied to the anodes A _The electron guns 2 are electromagnetized and the voltage U _K for the electrode 4 is created using the DAC 13. The beam electrons 3, having created electromagnetic oscillations with a _microwave frequency f for microwave traffic and an electric power S _EC in the SEC 17 at a cyclic operating frequency ω _p , through the midpoint 15 they arrive at the cathode “K” of the arc plasma torch 1 positively charged with cations of the ionized working medium and recombine cations into atoms and molecules of the working medium, again subjected to ionization by an electric arc between the anode "A" and the cathode "K" for the next cycle of generating microwave quanta and creating electrical power in the power supply system 17.

При смене полярности полуволны напряжения U_a на анодах А_ЭП электронных пушек 2, под действием положительной полуволны напряжения образуется электронный модулированный ω_p пучок 3, генерируются СВЧ кванты заданной частоты f_СВЧ и получают электрическую мощность циклической рабочей частоты ω_p в соответствующем плече симметричной электрической цепи генератора СВЧ квантов. Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка 3 в энергию СВЧ квантов (hf_СВЧ) для СВЧ-трафика и в электрическую мощность рабочей частоты системы электропитания 17.When changing the polarity of the half-wave voltage U _a at the anodes A _VC electron guns 2, under the action of a positive half-wave voltage formed electronic modulated ω _p beam 3 generated by microwave photons predetermined frequency f _RF and receive electric power cyclic operating frequency ω _p in the corresponding arm symmetrical circuit microwave quantum generator. A half-wave conversion of the convection current and energy of the electron beam 3 to the energy of microwave quanta (hf _microwave ) for microwave traffic and to the electric power of the operating frequency of the power supply system occurs.

Таким образом, предлагаемый генератор СВЧ квантов на основе электронных пучков дает возможность создавать СВЧ кванты заданной частоты, что позволяет сузить полосу пропускания канала, повышая отношение сигнал/шум, а значит количество и качество передаваемой информации по СВЧ-трафику. Не использованную на генерацию СВЧ квантов энергию пучка 3, путем двухполупериодного преобразования в режиме резонанса токов превращают в соответствующую мощность электрической цепи S_ЭЦ, повышая КПД системы электропитания 17.Thus, the proposed generator of microwave quanta based on electron beams makes it possible to create microwave quanta of a given frequency, which allows you to narrow the channel bandwidth, increasing the signal-to-noise ratio, which means the quantity and quality of transmitted information on microwave traffic. The energy of beam 3, which was not used for the generation of microwave quanta, is converted into the corresponding power of the electric circuit S _EC by two-half-conversion in the current resonance mode, increasing the efficiency of the power supply system 17.

Кроме того, удержание электронного пучка 3 в сжатом состоянии электрическим полем двойного электрического слоя в рабочей полости 5 создает дополнительный потенциал U_еП и соответствующее увеличение энергии электронного взаимодействия в пучке 3, которую также преобразуют в соответствующее количество электрической мощности СЭП 17, увеличивая КПД системы электропитания. Не использованную на генерацию СВЧ квантов полученную в СЭП 17 мощность можно использовать для электропитания других устройств и систем мобильного аппарата (МА), что в целом повышает КПД системы электропитания мобильного аппарата.In addition, keeping the electron beam 3 in a compressed state by the electric field of the double electric layer in the working cavity 5 creates an additional potential U _eP and a corresponding increase in the electron interaction energy in the beam 3, which is also converted into the corresponding amount of electric power BEP 17, increasing the efficiency of the power supply system. The power not used for the generation of microwave quanta obtained in the BOT 17 can be used to power other devices and systems of the mobile device (MA), which generally increases the efficiency of the power supply system of the mobile device.

Claims

A microwave quantum generator based on an electron beam generated by an electron gun and an electromagnetic sensor that provides information about the generated microwave quanta, characterized in that it further comprises an electric arc plasmatron with an anode and a cathode, filled with a working medium in the form of a discharged gas and working for two electron guns, installed along the electron beams; working cavities having a double electric layer holding the electron beam in a compressed state; correction voltage electrodes isolated from the working cavity; electron barriers with a dielectric and electrically conductive layer having electrical contact with a corresponding correction voltage electrode; channels of microwave quanta, transceiver equipment of microwave traffic; a system for automatically controlling the parameters of generated microwave quanta, which includes an analog-to-digital converter, a comparator, a programmer for microwave codes, a digital-to-analog converter; two parallel resonant circuits of the operating frequency of the power supply system of the primary circuit of the power transformer-converter, the middle point of which is connected to the cathode of the electric arc plasmatron and is grounded, the anode of the plasmatron being connected to the positive terminal of the electric arc of the power supply system, the negative terminal of the electric arc is grounded, the secondary circuit of the power transformer is connected to the terminals of the alternating voltage of the operating frequency of the power supply system, the power terminals of the digital blocks of which are connected to the corresponding power terminals of the digital blocks of the system for automatically controlling the parameters of microwave quanta, and the electromagnetic sensors of the microwave quanta are connected to the analog inputs of the ADC, the digital output of which is connected to the corresponding input of the comparator, the other digital input of which is connected to the output of the programmer of codes of microwave quanta, the output of the comparator is connected to digital input of the DAC, the analog inputs of which are connected to the corresponding resonant circuits and output anodes of the electron guns, and the outputs of the DAC oedineny with the corresponding correction voltage electrodes.