Электронно-вакуумное устройство для генерации и усиления электромагнитных колебаний

ОБР ЕН омитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам(76) Алексеев Юрий Константинович; Романуша Евгений Иванович(54) ЗЛЕКТРОННО-ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВОДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ ЗЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ57) Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких длин волн, в частностигенераторы, усилители и преобразователи О-типаэлектромагнитного излучения. Сущность изобретения: устройство состоит из волноведущей или резонансной эпектродинамической 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 газо - непроницаемой диэлектрической пластиной 8 вакуумированная канавка 11 с отверстиями дпя электронного потока, глубина которой кратна половине рабочей длины волны, при этом газонепроницаемая диэлектрическая пластина установлена со стороны отражающей поверхности. 1 ил.Изобретение относится к электронной технике миллиметровых и более коротких длин волн, может быть использовано в разработке и производстве генераторов, усилителей и преобразователей электромагнитного излуцения О-типа,Известен генератор дифракционного излучения ГДИ) 1), в котором используется открытый резонатор в качестве электродинамической системы прибора, при этом на одном 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, тоцной 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 системь 1 которого используется открытый резонатор с двухсеточным зазором взаимодействия продольного электрицеского 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 адиабатицески 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 поиводит к повышенному расходу вакуумно-чис 1 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 устройст 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ва, отсутствует возможность замены подвижного зеркала, изменения элементовэлектромагнитной связи с подводящимиволноведущими трактами, невозможна регулировка добротности резонатора или введение в него каких-либо дополнительныхустройств, необходимых для тех или иныхтехнических и научных применений прибора,Целью изобретения является экономиявакуумночистых материалов, уменьшениевеса устройства и упрощение его конструкции,На чертеже показан пример выполнения электронно-вакуумного устройства,Устройство содержит плоское зеркало1, сферическое зеркало 2, эмиттер 3 электронов, входное отверстие 4, выходное отверстие 5, отверстие 6 связи для выводаэлектромагнитной энергии, проводники 7питания электронной пушки, газонепроницаемую диэлекгрическую пластину 8, патрубки 9 системы охлаждения, коллектор 10отработанных электронов и канавку 11, образуощую пространство взаимодействияэлектронного потока 12 с переменным электромагнитным полем, Электронный потокможет состоять как из одного, так и многихотдельных лучей,Устройство работает следующим абразом,Электронный поток 12, испускаемыйэмиттером 3, пролетая церез входное отверстие 4, попадает в переменное поле пространства 11 взаимодействия, в которомвозбуждается резонансным полем открытого резонатора, образованного сферическим2 и плоским 1 зеркалами. Из области взаимодействия электронный поток 12 выходитчерез выходное отверстие 5. Отработанныеэлектроны попадают в коллектор 10, Вакуумированные эмиттер 3, пространство 11взаимодействия и коллектор 10 со стороныотражающел поверхности резонатора герметически закрыты газонепроницаемой диэлектрической пластиной 8. Связьэпектродинамической системы устройства свнешними волноведущими трактами осуществляется через отверстие 6 связи в сферическом зеркале.Глубина канавки 11, в которой происходит взаимодействие электронного потока спеременным электромагнитным полем,кратна половине рабочей длины волны прибора, В этом случае. как показываот экспериментальные исследованияэлектродинамической структуры, выполнение канавки на поверхности отражающегозеркала открытого резонатора существенноне изменяет распределение амплитуды по 200403 1(1)з (2 Оо) де ап = ехр(-2 п /тверстий 4 и 5 соЕп = Це Еп/(Й 1 Ч1/е - удЕЛЬНЫйЕп - амплитудакого поля на отвер) заряд эле рона; го электриче) и отверстии перемен стии 4 (и 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 амплитуды 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 Яе), чтобы эффективная длина 1 и проникновения в них СВЧ-поля была меньше электронной длины волны 4.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 ц прибора с однолучевым потоком определяется выражением Ое - пролетный угол элексрона;.сп - функция Бесселя п-го порядка;гд- круговая частота сигнала;чо - начальная скорость электронов;5 Ме - параметр пространственного заряда:Ме 3 П (О)е Оо )/Ме Оо ( 1 Г 1 е ) )где йЪ - нормированная плазменная частота электоонов;10 - -уЖе = 1 е 1 о/(ГсР Ео чо),А - плотность тока в электронном потоке;ео - диэлектрическая проницаемостьвакуумаВ случае использования многолучевогопотока электронов выражение (1) определяет КПД каждого отдельного луча, а общаяэлектронная эффективность определяетсяотношеНием суммарной мощности, отдаваемой всеми лучами полю электродинамической системы, к суммарной кинетическоймо.цности, запасенной во всех лучах электронного потока.25.Оценки показывают, что 7 мес =40 -50 о. ДлЯ оценки 1 и отвеРстий 4 и 5 диаметром, значительно меньшим длины волны А,можно воспользоваться соотношениями1 и =Ьп/5для круглых отверстий с диаметром Ьп иЬ =Ь/3для щелевидных ячеек с шириной щели Ьп.Пусковой ток 1, прибора оцениваетсявыражением35 о1/(а 1 аг УК 2 О, З 1 п (Оо )МеОо),где у - отношение амплитуд поля на входном 4 и выходном 5 отверстиях;с.1 о - потенциал потока;кг - характеристика резонатора, опре 40 деляемая приближенным выражениемкг = 2 у/е/(й Ноас(1-г,где 2 о - импеданс вакуума;г - коэффициент отражения (по мощности) от зеркал;45 б - диаметр каустики резонансного поля в электродинамической структуре.Режим максимального КПД рибора достигается приуорс = 2,7/ Оо,50 при этом значение пускового тока определяется соотношением1 орс0,37/(а 1 аг кг ЛЛеОо)Использование канавки 11, выполненной на одной из отражающих поверхностей55 электродинамической структуры и образующей пространство взаимодействия электронного потока с переменным полем, идополнительной газонеп роницаемой диэлектрической пластины 8 позволяет умень2004031 шить Взкуумировзнный объем устройства, КОТОПЫЙ ОГОЗНИЧИВЗВТСЯ ЭЛВКТРОННО-ОПТИ- ческой системой устройства, пространством взаимодействия и коллектором. При то;д стенки Взкучмиоовзно 0 Объема со стороны ОтражзОщ 8 Й пов 8 рхности изГОтовгены частично или полностью из мат 8 риалз, прозрачного для электромагнитного излучения, а все остальные поверхности электро- динамической структуры, В том числе и 10 полвияныл рзгполох(ены Вне РзкчумироВЗННОГО ПООСТРЗНСТВЗ УСТРОЙСТВЗ.Возможны и доуГие прим 8 ры конкретного Выполнения устройства, Напоимер, активное зеокзло 1 может быть сферической, 15 пзозбплической, жегОбковой или инОЙ (лормы. Вогнтое или выпуклое, при этом размеОы и конфигурация газонепроницаемой диэлектрической пластины 8 определяются формой Отражаюшей поверхности зеркала 20 1. Кроме ТОГО, электродинамическая сист 8- ма Описываемого электронно-вакуумного устройства может содержать три и более Отозжзюших зеокзлз, например, кОГдз В Г 8- нератоое используется замкнутый много 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. АлексеевТехред М, Моргентал Корректор Л. Пилипенко Редактор Т. ЮрчиковаЗаказ 3326 Тираж Подписное НПО Поиск" Роспатента1 3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издзтельскиЙ комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 101ЭЛЕКТРОН 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 электронньи потоком,Во всех этих примерах место расположения канавки 11 на отражающей поверхности активных зеркал определяется на основе вышеприведенных 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.Указанные особенности выполнения устройства обеспечивают достижение цели - зкономию дорогостоящих вакуумно-чистых материалов, уменьшение веса устройства, упрощение конструкции и технологии его изготовления,(56) 1. Шестопалов В.П. Дифракционная электроника, Харьков; Высшая школа, 1976, с,232,2, Алексеев Ю.К, и др, Квазиоптический монотрон. Электронная техника. Электроника СВЧ, 1987, вып. 10404), с.16-21.