Design and experiments of a virtual cathode oscillator

Abstract

Sanal katot osilatörü, ya da daha çok bilinen adıyla virkatör, temelde bir vakum haznesi içinde bulunan, patlamalı elektron yayınımı ile çalışan bir katot, transparan bir anot ve bir çıkış penceresinden oluşan bir yüksek güçlü mikrodalga (YGM) kaynağıdır. Katot, darbeli bir güç kaynağı tarafından sürülür ve alan yükü sınırlı bir elektron demeti yayar. Elektron demeti transparan anodu geçtikten sonra bir sanal katot oluşturur. Bu sanal katodun salınımı, mikrodalga aralığında elektromanyetik radyasyon üretir. Virkatörlerin bazı verimlilik sorunları olmasına rağmen, bu kaynaklar, görece basit geometri, harici manyetik alana ihtiyaç olmaması ve patlayıcı üreteçlerle çalışmalarını sağlayan düşük empedans gibi nedenlerden dolayı hala ilgi çekicilerdir. Ayrıca, refleks triyot gibi bazı tip virkatörler, kullanıcının anot ile katot arasındaki mesafeyi değiştirerek frekansı ayarlamasına izin verir. Refleks triyot konfigürasyonunda, anot pozitif darbe ile beslenir ve katot topraklanır. Bu çalışmada, bir refleks triyot virkatör tasarlanmış ve deneysel olarak test edilmiştir. Ayrıca hem virkatörü tasarlamak hem de önemli olan parametreleri öngörebilmek için benzetim çalışması yapılmıştır. Geliştirilen virkatör, farklı boyut ve profillere sahip kadife katotlar ile test edilmiştir. Katot geometrilerini karşılaştırmak ve optimize etmek için, düzlemsel ve Ernst profilli katotların kullanıldığı virkatörün üretilen elektrik alan şiddeti değerleri, bir D-dot sensörü ve dijital depolama osiloskobu ile ölçülmüştür. Hav yoğunluğu, iplik boyutları ve atış sırasındaki basınç değişimi gibi kadife kumaş özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca virkatörlere genel bir bakış, virkatörlerin tarihçesi ve analitik hesaplamalar da bu çalışmada sunulmuştur.

The virtual cathode oscillator, shortly vircator, is a high-power microwave (HPM) source, which basically consists of an explosively emitting cathode, a transparent anode, and an output window in a vacuum chamber. The cathode is driven by a pulsed power source and emits a space-charge-limited electron beam. When the beam passes the transparent anode, it forms a virtual cathode. The oscillation of this virtual cathode generates electromagnetic radiation in the microwave range. Although vircators have some efficiency problems, these sources are still attractive due to the relatively simple geometry, no need for an external magnetic field, and low impedance, which enables them to work with explosive generators. Furthermore, some types of vircators, such as the reflex triode, allow the user to tune the frequency by changing the distance between the anode and the cathode. In the reflex triode configuration, the anode is positively pulsed, and the cathode is grounded. In this study, a reflex triode vircator was designed and experimentally tested. The simulation work was also done both to design the vircator and to predict the significant parameters. The developed vircator was tested with velvet cathodes, which have different sizes and profiles. The generated electric field strengths of the vircator with planar and Ernst-profiled velvet cathodes were measured by a D-dot sensor and a digital storage oscilloscope to compare and optimize the cathode geometry. The characteristics of the velvet fabric were also investigated in detail, such as tuft density, fiber dimensions, and the pressure change during operation. A complete overview and history of the vircators and analytical calculations were also given.