Карсинотрод

 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, а точнее к лампам обратной волны (ЛОВ, карсинотроны) и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Изобретение обеспечивает увеличение КПД и выходной мощности ЛОВ при сохранении широкой полосы электронной перестройки частоты, характерной для ЛОВ. В карсинотроде вводится цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний. Для сохранения широкой полосы электронной перестройки частоты электродинамическая система выполняется в виде отрезка замедляющей системы того же типа, который применяется в приборе с размерами, обеспечивающими необходимый сдвиг фазы в цепи обратной связи. 1 ил.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты.

Известен электровакуумный прибор СВЧ типа клистрод (1), включающий электронную пушку с катодом и с дополнительными электродами, предназначенными для модуляции эмиссии электронов с катода, выходной резонатор и коллектор электродов. При подаче на указанные электроды входного СВЧ-сигнала происходит модуляция эмиссии электронов с катода и образуются сгустки электронов, которые при пролете через выходной резонатор возбуждают в нем усиленные выходные колебания. Полоса рабочих частот такого прибора определяется полосой частот нагруженного резонатора, имеющей ограниченную величину, что является недостатком клистрода.

Наиболее близким к предлагаемому является лампа обратной волны (ЛОВ, карсинотрон) (2), включающая электронную пушку без модуляции эмиссии, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной и коллектор электронов. В карсинотроне возможна генерация электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты при изменении ускоряющего электроны напряжения между катодом и замедляющей системой в широкой полосе частот в десятки процентов, определяемой полосой рабочих частот замедляющей системы. Недостатком карсинотрона является невысокий КПД и соответственно выходная мощность, так как вылетающий с катода немодулированный электронный поток группируется в сильном поле обратной электромагнитной волны в начале замедляющей системы, а отдает энергию слабому полю этой волны у коллекторного конца замедляющей системы.

Задачей изобретения является создание мощного генератора электромагнитных колебаний.

Техническим результатом является повышение КПД и выходной мощности генератора.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом карсинотроде, содержащем электронную пушку с термо- или автоэмиссионным катодом и электродом для модуляции эмиссии электронов с катода высокочастотным полем, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной, синхронной с электронами, и коллектор электронов, замедляющая система соединена с электронной пушкой с помощью электродинамической системы, передающей высокочастотное поле с выхода замедляющей системы на модулирующий электрод электронной пушки с определенным сдвигом фазы поля в электродинамической системе.

Новым в предлагаемой конструкции является то, что имеется цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний в широкой полосе электронной перестройки частоты при надлежащем выборе набега фазы в цепи обратной связи.

На чертеже приведен общий вид карсинотрода. Он содержит электронную пушку 1, входящие в нее катод 2 и модулирующий электрод 3, фокусирующую систему 4, замедляющую систему с обратной волной 5, коллектор 6, электродинамическую систему 7, образующую цепь обратной связи между замедляющей системой и катодом.

Работает карсинотрод следующим образом. Вылетающий из электронной пушки 1 электронный поток формируется фокусирующей системой 4 и пролетает на коллектор 6 через замедляющую систему 5, где он взаимодействует с полем обратной волны. При выполнении обычных для ЛОВ условий синхронизма электронов и обратной волны они передают энергию этой волне, которая распространяется навстречу электронному потоку, через цепь обратной связи 7 поступает на катод и создает в зазоре между модулирующим электродом 3 и катодом 2 электромагнитное поле, модулирующее эмиссию электронов с катода. Таким образом, в начало замедляющей системы "Б" поступает модулированный электронный поток. Сдвиг фазы в цепи обратной связи между точками "А-Б" выбран таким образом, что сгустки электронов в точке "Б" попадают в тормозящее электрическое поле обратной волны и сразу начинают отдавать свою энергию этому полю, которое максимально у выхода системы "Б". Это обстоятельство приводит к увеличению КПД и мощности карсинотрода по сравнению с обычной ЛОВ (карсинотроном) без модуляции эмиссии на катоде, поскольку в обычной ЛОВ электроны начинают группироваться только после влета в замедляющую систему и отдают свою энергию волне на коллекторном конце лампы, где амплитуда волны мала.

Для получения широкой полосы электронной перестройки частоты карсинотрода цепь обратной связи должна обеспечивать модуляцию эмиссии на катоде в нужной фазе во всей полосе частот.

Выведем необходимые условия. Пусть _oc() - набег фазы на частоте в цепи обратной связи в направлении от высокочастотного выхода "Б" замедляющей системы 5 к катоду 2 (точка "А"), который обусловлен как запаздыванием поля в электродинамической системе 7, осуществляющей обратную связь, так и возможным геометрическим поворотом проводников этой системы. Поскольку сгусток электронов должен влетать в замедляющую систему в тормозящую фазу поля обратной волны, а с катода последующий сгусток электронов появляется в ускоряющей фазе, то запаздывание последующего сгустка на катоде составляет _oc()+. . После пролета этого сгустка от катода до замедляющей системы он снова должен попасть в тормозящую фазу поля, что приводит к условию _oc()++_к() = 2n, n = 1,2,... (1) где _к() набег фазы поля за время пролета сгустка T_k от катода до замедляющей системы _к() = T_к. В свою очередь, время пролета T_k можно записать в виде T_к= (L_к/V_е), где L_к - расстояние от катода до замедляющей системы; V_e - скорость электронов на входе в замедляющую систему "Б", определяемая постоянным ускоряющем электроны напряжением замедляющей системы по отношению к катоду U_e, c/v_e = 505/ (B), а коэффициент определяется распределением статического потенциала между катодом и замедляющей системой, но не зависит от абсолютного значения U_e. Если, например, модулирующий электрод 3 соединен по постоянному току с замедляющей системой и расстояние от него до катода много меньше L_к, то электроны пролетают отрезок L_к с постоянной скоростью v_e и = 1. В других случаях при монотонном увеличении потенциала от катода до замедляющей системы > 1, в частности при линейном изменении потенциала между замедляющей системой и катодом существует постоянное ускоряющее электрическое поле, движение электронов равноускоренное и = 2..

Возьмем в качестве электродинамической системы обратной связи 7 отрезок замедляющей системы того же типа 5, которая используется в карсинотроде. Тогда выбором его размеров можно удовлетворить условие (1) в широкой полосе частот. Чтобы показать это, представим обратную волну замедляющей системы, имеющую сдвиг фазы _-1() = L/V_-1 на период системы L как 1-ю гармонику основной волны, имеющей сдвиг фазы на период _o() и учтем условие синхронизма на частоте генерации ,V_-1() = V_e. Тогда имеем
где
T = L/v_e - время пролета одного периода замедляющей системы.

Из условия (1) с учетом (2), (3), (4) получим

Это соотношение выполняется тождественно независимо от частоты, если

и

Соотношение (5) определяет необходимую длину L_к через период L и коэффициент распределения электрического поля . Соотношение (6) выполняется ввиду подобия законов дисперсии _o() в замедляющей системе и _ос() в электродинамической системе 7 при указанном выборе этой системы и выборе ее размеров, определяемых из (6).

Таким образом, указанный выбор электродинамической системы 7 при условии (1) обеспечивает широкую полосу электронной перестройки частоты карсинотрода с помощью изменения напряжения

Источники информации
1. Прист Д.Х., Шредер М.Б. Клистрод - необычная мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне.//ТИИЭР, 1982, т. 70, N 11, с. 84-92.

2. Джонсон Х.Р. Генераторы с обратной волной.//Вопросы радиолокационной техники, 1956, N 2 (32), с. 43-44.

Формула изобретения

Карсинотрод, содержащий электронную пушку с термо- или автоэмиссионным катодом и электродом для модуляции эмиссии электронов с катода высокочастотным полем, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной и коллектор электронов, отличающийся тем, что электронная пушка и замедляющая система карсинотрода соединены электродинамической системой, передающей генерируемую в замедляющей системе карсинотрода высокочастотную мощность с выходного катодного конца этой замедляющей системы в электронную пушку на электрод для модуляции эмиссии электронов с катода и выполненной в виде дополнительного отрезка замедляющей системы того же типа, который применяется в карсинотроде, имеющей размеры, обеспечивающие поворот фазы электромагнитного высокочастотного поля от выходного катодного конца замедляющей системы карсинотрода до катода, равный нечетному числу радиан за вычетом набега фазы колебаний за время пролета электронов от катода до замедляющей системы во всей полосе электронной перестройки частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1