Particle beam dynamics in a magnetically insulated coaxial diode

The dynamics of charged particle beams emitted from a cathode into a smooth coaxial diode with magnetic insulation is studied with the aid of 3-D PIC simulation. The processes controlling space charge formation and its evolution in the diode are modeled for geometries typical of high-voltage millimeter wave magnetrons that are characterized by very high values of emission currents, hence high space charge densities.Шляхом тривимірного чисельного моделювання досліджено динаміку пучка заряджених частинок, які емітовані з катоду в коаксіальний діод з магнітною ізоляцією. Процеси, які визначають формування та еволюцію просторового заряду, моделюються для таких геометричних параметрів діодної структури, що є характерними для високовольтних магнетронів міліметрового діапазону. Такі пристрої відрізняються дуже високим емісійним струмом, отже, високими значеннями щільності некомпенсованої плазми. Розглянуто розвиток плазмових нестійкостей, що ними визначається розподіл зарядів та електромагнітного поля в системі.Методом трехмерного численного моделирования исследуется динамика пучка заряженных частиц, эмиттируемых с катода в коаксиальный диод с магнитной изоляцией. Процессы, определяющие формирование и эволюцию пространственного заряда, моделируются для такой геометрии диодной структуры, которая характерна для высоковольтных магнетронов миллиметрового диапазона. Эти приборы отличаются очень высокими эмиссионными токами и, соответственно, высокими значениями плотности нескомпенсированной плазмы. Рассмотрены процессы развития плазменных неустойчивостей, которыми определяется распределение плотности заряда и электромагнитного поля в системе

Millimeter-wavelength relativistic magnetron: problems of microwave power extraction

The relativistic magnetrons operating at millimeter wavelengths demonstrate problems with microwave power extraction, both in the radial and in axial direction. The preferred axial extraction concept can be implemented either as ‘diffractional output’ or via introduction of additional resonant elements into the output waveguide. In this paper several solutions for axial-directed extraction are discussed, including circular ring ‘antennas’ at the end of the anode-cathode space, and resonance-length rods at the faces of the anode-block cavities. These have allowed increasing the power extraction efficiency by a factor of 10¹ to 10².У міліметровому діапазоні довжин хвиль дослідники релятивістських магнетронів стикаються з проблемами щодо ефективності виведення мікрохвильової енергії – як у радіальному напрямку циліндричної структури, так і в аксіальному. Аксіальний спосіб, котрому надається перевага, може бути реалізованим або в суто дифракційних техніках, або шляхом введення в структуру вихідного хвилеводу додаткових резонанс них елементів. Обговорюються декілька методів аксіального виведення, включаючи розміщення петлевих антен на кінцевій площині анод-катодного блоку або штирів резонансної довжини біля резонаторів структури уповільнення. Такі заходи дозволили підвищити ефективність виведення мікрохвиль у системах, що розглянуто, у 10¹…10² разів.В миллиметровом диапазоне длин волн исследователи релятивистских магнетронов сталкиваются с проблемой низкой эффективности вывода микроволновой энергии из цилиндрической структуры – как в радиальном направлении, так и в аксиальном. Аксиальный вывод, которому отдается предпочтение, технически может быть реализован либо за счет дифракционных эффектов, либо путем введения в структуру выходного волновода дополнительных резонансных элементов. Обсуждаются несколько методов аксиального вывода, в том числе путем размещения петлевых антенн в концевой плоскости анод-катодного блока или штырей резонансной длины вблизи резонаторов замедляющей системы. Такими методами удалось повысить эффективность вывода энергии в рассмотренных системах в 10¹…10² раз

Special traits of the millimeter wave relativistic magnetron

A 8 mm band relativistic magnetron is investigated experimentally and by means of numerical simulation. The physical effects are analyzed which influence negatively the r.f. generation. The processes capable of reducing effectiveness of the generation and duration of the generated pulse include forward and backward axial flows of electrons, and intense electric fields – the generated microwaves and the fields owing to the space charge.Экспериментально и методами численного моделирования проведено исследование релятивистского магнетрона 8-миллиметрового диапазона и анализ факторов, оказывающих негативное действие на генерацию. Отмечается, что к процессам, уменьшающим эффективность и длительность импульса генерации, относятся прямые и обратные осевые потоки электронов, интенсивные собственные ВЧ-поля и поля объемного заряда.Експериментально й методами чисельного моделювання досліджено релятивістський магнетрон діапазону 8 мм та проведено аналіз факторів, що негативно впливають на генерацію. Визначено, що до процесів, котрі зменшують ефективність та тривалість імпульсу генерації, відносяться прямі та зворотні осьові потоки електронів, інтенсивні власні ВЧ-поля і поля об’ємного заряду