Электронно-вакуумное устройство для генерации и усиления электромагнитных колебаний

 

Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких длин волн в частности генераторы, усилители и преобразователи 0-типа электромагнитного излучения. Сущность изобретения устройство состоит из волноведущей или резонансной электродинамической структуры, образованной отражающими поверхностями 12, элемента б связи для вывода электромагнитной энергии, эмиттера 3 электронов, входного 4 и выходного 5 отверстий, ограничивающих пространство взаимодействия , коллектора 10 отработанных электронов На одной из отражающих поверхностей выполнена по крайней мере одна герметически закрытая газонепроницаемой диэлектрической пластиной 8 ва- -куумированная канавка 11с отверстиями для электронного потока, глубина которой кратна половине рабочей длины волны, при этом газонепроницаемая диэлектрическая пластина установлена со стороны отражающей поверхности 1 ил

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (5Ц (21) 5050898/21 (22) 06.07.92 (46) 30.1193 Бюп. Йа 43-44 (76); Романуша Евгений Иванович (54) ЗЛЕКТРОННО-ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ ЗЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ (57) Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких длин волн, в частности генераторы, усилители и преобразователи О-типа электромагнитного излучения. Сущность изобретения: устройство состоит из волноведущей или резонансной эпектродинамической структуры, образованной отражающими поверхностями 1,2, элемента

6 связи для вывода электромагнитной энергии, эмиттера 3 электронов, входного 4 и выходного 5 отверстий, ограничивающих пространство взаимодействия, коллектора 10 отработанных электронов.

На одной из отражающих поверхностей выполнена по крайней мере одна герметически закрытая газо— непроницаемой диэлектрической пластиной 8 ва-куумированная канавка 11 с отверстиями дпя элек— тронного потока, глубина которой кратна половине рабочей длины волны, при этом газонепроницаемая диэлектрическая пластина установлена со стороны отражающей поверхности. 1 ил.

2004031

Изобретение относится к электронной технике миллиметровых и более коротких длин BofIH, может быть использовано в разработке и производстве генераторов, усилителей и преобразователей электромагнитного излучения О-типа, Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ} (1}, в котором используется открытый резонатор в качестве электродинамической системы прибора, при этом на одногл из зеркал резонатора расположена замедляющая структура, с полем которой взаимодействует электронный поток, К недостаткам ГДИ относится эффект

"прижимания" пространственных гармоник поля к замедляющей структуре с укорочением длины волны, что требует применения тонких электронных потоков, точной их юстировки и в результате приводит к падению

КПД и выходной мощности генератора, его неработоспособности в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Известен квазиоптический монотрон (2) (прототип), в качестве электродинамической системы которого используется открытый резонатор с двухсеточным зазором взаимодействия продольного электрического поля и электронного потока, Преимуществами этого прибора являются возможность использования широких электронных потоков, более высокий по сравнению с классическим аналогом электронный

КПД, а также работоспособность в субмиллиметровом диапазоне длин волн, что достигается за счет создания оптимального асимметричного распределения электромагнитного поля вдоль электронного потока и использования проводящих сеток, ограничивающих область адиабатически плавного распределения электромагнитного поля в открытом резонаторе.

Общим конструктивным недостатком прототипа и аналогов является, что для создания достаточного для транспортировки электронного потока вакуума эти устройства полностью помещаются в металлическую или диэлектрическую оболочку, из которой гюсле процедур очистки и обезгаживания производят откачку газов и которую затем герметически запаивают. Такое конструктивное выполнение приводит к повышенному расходу вакуумно-чисч ых дорогостоящих материалов, увеличивает вес устройств, излишне усложняют технологию изготовления и механику прибора, В частности, для осуществления механической насгройки открытого резонатора приходится использовать в конструкции ненадежные и резко ограничивающие диапазон перемещений и юстировки сильфонные устройст5

55 ва, отсутствует возможность замены подвижного зеркала, изменения элементов электромагнитной связи с подводящими волноведущими трактами, невозможна регулировка добротности резонатора или введение в него каких-либо дополнительных устройств, необходимых для тех или иных технических и научных применений прибора, Целью изобретения является экономия вакуумночистых материалов, уменьшение веса устройства и упрощение его конструкции, На чертеже показан пример выполнения электронно-вакуумного устройства, Устройство содержит плоское зеркало

1, сферическое зеркало 2, эмиттер 3 электронов, входное отверстие 4, выходное отверстие 5, отверстие 6 связи для вывода электромагнитной энергии, проводники 7 питания электронной пушки, газонепроницаемую диэлекгрическую пластину 8, патрубки 9 системы охлаждения, коллектор 10 отработанных электронов и канавку 11, образующую пространство взаимодействия электронного потока 12 с переменным электромагнитным полем, Электронный поток может состоять как из одного, так и многих отдельных лучей, Устройство работает следующим абразом.

Электронный поток 12, испускаемый эмиттером 3, пролетая через входное отверстие 4, попадает в переменное поле пространства 11 взаимодействия, в котором возбуждается резонансным полем открытого резонатора, образованного сферическим

2 и плоским 1 зеркалами. Из области взаимодействия электронный поток 12 выходит через выходное отверстие 5. Отработанные электроны попадают в коллектор 10, Вакуумированные эмиттер 3, пространство 11 взаимодействия и коллектор 10 со стороны отражающей поверхности резонатора герметически закрыты газонепроницаемой диэлектрической пластиной 8. Связь эпектродинамической системы устройства с внешними волноведущими трактами осуществляется через отверстие 6 связи в сферическом зеркале.

Глубина канавки 11, в которой происходит взаимодействие электронного потока с переменным электромагнитным полем, кратна половине рабочей длины волны прибора. В этом случае. как показывают экспериментальные исследования электродинамической структуры. выполнение канавки на поверхности отражающего зеркала открытого резонатора существенно не изменяет распределение амплитуды по2004031 ля электромагнитного колебания и незначительно изменяет добротность резонансной структуры. Для повышения электронного

КПД устройства или расширения рабочей полосы частот на поверхности активного зеркала 1 может быть выполнено несколько канавок с одинаковой или различной глубиной и с отверстиями в стенках для транспортировки электронного потока через все зазоры взаимодействия, Ширина каждой канавки зависит от выбранных значений характеристик и режимов работы устройства и определяется на основе нижеприведенных формул. Длина канавки выбирается такой, чтобы ее торцовые участки были вне переменного поля электродинамической структуры.

Диафрагмы с отверстиями 4 и 5 обрезают адиабатически плавное распределение амг1литуды СВЧ-поля вдоль электронного потока и тем самым создают условия для эффективной модуляции электронного потока и отбора энергии у электронных сгустков, Отверстия должны быть достаточно малыми в диаметре и достаточно протяженными в продольном направлении (порядка

5), чтобы эффективная длина In проникновения в них СВЧ-поля была меньше электронной длины волны Яе.

Диэлектрическая газонепроницаемая пластина 8 должна быть выполнена из материала с достаточно малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла потерь

0,1 — 0,001), конкретное значение которых определяется величиной выбранной добротности электродинамической структуры, а также заданным тепловым режимом работы устройства, При этом наиболее оптимальными являются полуволновая или кратная ей толщина пластины и минимальное значение коэффициента преломления используемого диэлектрического материала.

Электронный КПД g прибора с однолучевым потоком определяется выражением

Ц=2<2e2 1 — 1 2 2 Х

X J1(a1 е1 0, ме) в о (0о)—

1 2 2 (1) — 2 а2 2 J2 (2 а1 е1 0о Me ) cos (2 Oo ) где а, = ехр(-21, /5), n = 1 и и = 2 — для отверстий 4 и 5 соответственно;

en = ge Еп/(Й> vo) уе — удельный заряд электрона;

En — амплитуда переменного электрического поля на отверстии 4 (и = 1) и отверстии

5 (n =2);

Ое — пролетный угол элеK7рона;

Jn функция Бесселя и-го порядка:

N- круговая частота сигнала;

vo — начальная скорость электронов;

5 Me — параметр пространственного заряда: Ле = sin (о)е Оо )/A)e Oo (1 — (l)e ) ), где 6Ъ вЂ” нормированная плазменная частота электоонов:

10 — -у

О е = е Jo/(Г 2 eo Vo), Jo — плотность тока в электронном потоке; ео — диэлектрическая проницаемость

15 вэкуу

В случае использования многолучевого потока электронов выражение (1) определяет КПД каждого отдельного луча, а общая электронная эффективность определяется отношением суммарной мощности, отдаваемой всеми лучами полю электродинамической системы, к суммарной кинетической мо.цности, запасенной во всех лучах электронного потока.

25.

Оценки показывают, что )Me« =40—

50 ф . Для оценки In отверстий 4 и 5 диаметром, значительно меньшим длины волны А, можно воспользоваться соотношениями

I. =Ьо/5 для круглых отверстий с диаметром bn u

I. =b /3 для щелевидных ячеек с шириной щели bn.

Пусковой ток Io прибора оценивается выражением

35 Io 1/(а1 а2 У К2 О, З1п (Оо )Ме0о), где y — отношение амплитуд поля на входном 4 и выходном 5 отверстиях;

Uo — потенциал потока; к2 — характеристика резонатора, опре40 деляемая приближенным выражением

К2 = 2 /е Z/(й) чо< к(1 Г)), где Zo — импедэнс вакуума;

r — коэффициент отражения (по мощности) от зе р ка л;

45 бк — диаметр каустики резонансного поля в электродинамической структуре.

Режим максимального Kill «рибора достигается при уор1 = 2,7/ 0о, 50 при этом значение пускового тока определяется соотношением

Iopt 0,37/(а1а2 А2 ЬЛе0о).

Использование канавки 11, выполненной на одной из отражающих поверхностей

55 электродинамической структуры и образующей пространство взаимодействия электронного потока с переменным полем, и дополнительной газонеп роницаемой диэлектрической пластины 8 позволяет умень2ОО4ОЗ1 ши; i, r-;Bvi/i мированныЙ обьем устройства, котопый ОГОаничива8тся э IpKTpoHHo Опти ческoé cècòåìoé устройства, пространством взаимодействия и коллектором. При этом стенки вакучми00ва11НО! О Объема со

СТОРОНЫ OTPB>KBIQU4841 ПОВВРХНОСТИ ИЭГОТОВГ18ны частично или полностью из материала, прозрачного для электромагнитного излучения, а все Остальны8 поверхности электродинамической структуры, в том числе и 10 полвиу, нц рлсполождны Вне дакчумиро

ВаннОГО поосTOBHcTBB устройства.

Во мо 1 ны и доу;ие примеоц конкрет н,ro выполнения устрОЙства. Например. активное эеокало 1 может быть сферической, 15 паоаболическОЙ, >келобковой или инОЙ 0;ормы. Вогн"тое или Выпуклое. при этом разме0b и конфигурация гаэонепроницаемой диэлектрической пластины 8 определяются формой Отражаюшей поверхности зеркала 20

1. Кроме ТОГО, электродинамическая сист8 ма Описываемого электронно-вакуумного устройства может содержать три и более

Отоажаюших 380кала, например кОГда В Г8нераторе лспользуется замкнутый много- 25 зеркальный резонатор или активное зеркало 1 включено в квазиоптический зерФормула изобретения взаимодействия, и коллектор отработанных электронов, отличающееся тем, что на одной из отражающих поверхностей выполнена по крайней мере одна герметически закрытая со стороны отражающей поверхности газонепроницаемой диэлектрической пластиной вакуумированная канавка с отверстиями для электронного потока, глубина которой кратна половине

40 рабочей длины волны.

Составитель Ю. Алексеев

Техред M. Моргентал Корректор Л. Пилипенко

Редактор Т. Юрчикова

Заказ 3326

Тираж Подписное

НПО Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ЭЛЕКТРОН НО-ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащее злектродинамическую структуру, образованную отражающими поверхностями, элемент сВязи для Вывода электромагнитной энергии, эмиттер электронов, входное и выходное отверстия, ограничивающие пространство кальный лучевод для усиления транспортируемой волны. При этом устройство может включать в себя более чем одно активное зеркало с электроннь1м потоком.

Во всех этих примерах место расположения канавки 11 на отражающей поверхности активных зеркал определяется на основе вышепоиведенных соотношений отдельно в каждом случае с учетом формы зеркала, используемого типа колебаний или усиливаемой волны, необходимого значения КПД, мощности или коэффициента усиления электронно-вакуумного устройства.

Укаэанные особенности выполнения устройства обеспечивают достижение цели— зкономию дорогостояьцих вакуумно-чистых материалов, уменьшение веса устройства, упрощение конструкцли и технологии его изготовления. (56) 1. Шестопалов B.Ï. Дифракционная электроника, XBpbK09, BblcMBQ IKoflB, 1976, с.2З2.

2, Алексеев Ю.К, и др, Квазиоптический монотрон. Электронная техника. Электроника СВЧ, 1987, вып. 10(404), с.16-21.