Генератор дифракционного излучения

(51)4 Н 01 3 25/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ого Зна- электрокий Ю.Л,ости. - М.; ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ 1 ОТКРЫТИЙ(71) Ордена Трудового Красямени институт радиофизики иники АН УССР(56) Голинт М.Б., БобровсГенераторы СВЧ малой мощиСов. радио, 1977Авторское свидетельство СССРУ 593589, кл, Н 01 3 25/00, 1976.Балаклицкий и др. Отражательныйгенератор дифракционного излучения.Электронная техника, сер. 1,Электроника СВЧ, вып.,10, 1977,с. 106-108,(54)(57) 1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-оптическую систему с катодом и отражателем, формирующую прямой и обратный пучки электронов, открытый резонатор, образованный двумя зеркапами, одно из которых снабжено выводом энергии, а в центральной части второго расположена дифракционная решетка, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения срока службы и стабильности частоты генерируемых колебаний, дифракционная решетка выполнена таким образом, что расстояние между ее поверхностью и осью прямогол пучка электронов монотонно увеличива-э ется в направлении от катода к отражателю, а отражатель выполнен таким образом, что ось отраженного пучка расположена между поверхностью ди.фракционной решетки и осью прямогопучка электронов.9824802, Генератор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что поверхность дифракционной решетки выполнена в соответствии со следующим соотношением:2(Ек+23 л)О агсдюгде к - средний угол между поверхностью дифракционной решеткии ооью прямого пучка; Е - толщина прямого пучка элект кронов;1 - длина решетки;К - амплитуда пульсаций граничных электронов.Изобретение относится к области элентроникй СВЧ, в частности к элект" ровакуумным приборам типа "О" милликетрового и субмиллиметрового диапа- зона длин волн, механизм действия которых основан на использовании эффекта дифракционного излучения, и может быть использовано, например, в гетеродинах СВЧ приемников и измерительных генераторах, где к источникам СВЧ колебаний предъявляются . повьппенные требования по стабильности частоты, уровню шумов и надежности генератора.В настоящее время известен ряд электровакуумных устройств, в которых с целью уменьшения пусковых токов, повышения КПД и обеспечения без мощностной перестройки по частоте, используется принцип многократного взаимодействия электронов с ВЧ полем электродинамической системы. Наиболее широкое применение из таких приборов нашли отражательные клистроны, много- пролетные резонансные лампы обратной волны (ЛОВ) и генераторы дифракционного излучения. Более перспективными для целей генерирования колебаний миллиметровых субмиллиметровых диапазонов являются миогопролетные генера.торы дифракционного излучения (ГДИ), которые за счет использования высоко- добротной резонансной электродинамической системы имеют достаточно высокие уровни выходной мощности, хоро.шую стабильность частоты и более простую технологию изготовления. Так, например, известен многопролетный ГДИ, содержащий два связанных открытых резонатора (ОР), расположенных зеркально-симметрично относительно оси пушка-отражатель, и полупрозрач-. ные дифракционные решетки, нанесенныев центральной части смежных вогнутыхзеркал резонаторов, между которымипропускает я сходящийся пучок элект ронов. Для такого прибора не требуется специальных фокусирующих систем,что значительно уменьшает его вес и,габариты, Кроме того, наличие двухсвязанных резонаторов значительно рас ширяет функциональные возможностиГенератора. Однако многопролетностьэлектронов в пространстве взаимодействия приводит к некоторым нежелательным явлениям: уменьшается срокслужбы прибора, усиливается эффектпроявления гистерезисных явлений,Поэтому для многопролетных ГДИ актуальной является задача ограниченияколичества пролетов электронов, ко торая может быть решена, например,для отражательных клистронов, разделением траекторий движения прямыхи обратных электронов, Но при конструкции прибора, когда прямой и обратный пучки электронов движутсяв узком канале, образованном смежными зеркалами и дифракционными решетками, решение такой задачи являетсяочень сложным.Ближайшим техническим решениемявляется отражательный генератордифракционного излучения, содержащийэлектронно-оптическую систему с катодом и отражателем, формирующую пря мой и обратный пучки электронов,открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых с выводом энергии, а в центральной частивторого нанесена плоская дифракцион- .40 ная решетка. Многократность взаимо"действия электронов с ВЧ полем ОРв таком приборе осуществляется в од982480 зной плоскости, проходящей через ось катод-отражатель.Описанное устройство, по сравнению с ГДИ, у которых используется однократное взаимодействие электронов с ВЧ полем ОР, имеет значительно большую эффективную длину дифракционной решетки, В результате реальная длина дифракционной решетки может быть уменьшена, что приведет. к снижению омических и дифракционных потерь в приборе, Пусковые токи генератора, благодаря использованию многократности взаимодействия, могут быть резко ,снижены, а стабильность и спектральный состав излучения ГДИ в значительной степени определяются высокодоброт ной колебательной системой ОР, что является существенным отличием его от резонансной ЛОВ с многократным взаимодействием.Однако использование многократности пролета электронов в одной плоскости приводит к уменьшению срока службы прибора за счет бомбардировки катода пушки электронами отраженного пучка, а также к ограничению уровня выходной мощности пространственным зарядом, более сильным, чем в однопролетном ГДИ, Кроме того, отраженные электроны, попадая в область катода пушки, нарушают стабильность тока эмиссии, что приводит к ухудшению стабильности частоты и.качества спектра генерируемых колебаний.Цель изобретения - увеличение срока службы и стабильности частоты генерируемых колебаний.Цель достигается тем, что в генераторе дифракционного излучения, содержащем. электронно-оптическую систему, с катодом и отражателем, формирующую прямой и обратный пучки электронов, открытый резонатор, образован- ный двумя зеркалами, одно из которых с выводом энергии, а в центральной части второго расположена дифракционная решетка, которая выполнена таким образом, что расстояние между ее по верхностью и осью прямого пучка электронов монотонно увеличивается в направлении от катода к отражателю, и отражатель выполнен таким образом, что ось отраженного пучка расположена между поверхностью дифракционной решетки и осью прямого пучка. Целесообразно поверхность дифракционной рещетки выполнить так, что среднийугол, который она составляет с осьюпрямого пучка м удовлетворяет следующему соотношению:5 2(2+2 К )М =агсец в в " лЯ эгде 2- толщина прямого пучка электронов;- длина решетки;К - амплитуда пульсаций гранич-:аных электронов.На фиг. 1 изображен предложенныйгенератор дифракционного излучения;на Фиг. 2 и фиг. 3 - варианты выполнения дифракционных решеток.Резонансная электродинамическаясистема такого генератора выполненав виде открытого резонатора 1, образованного подвижным зеркалом 2, имеющим волноводный или квазиоптическийвывод энергии, и неподвижным зеркалом, в. центральной части которого,вдоль оси 3 электронно-оптическойсистемы 4, Формирующей прямой пучок 5электронов, расположена дифракционнаярешетка, состоящая из двух частей 6,7.Часть решетки 6 расположена горизонтально относительно плоскости прямого пучка 5 электронов, а часть решет-.30 ки 7 установлена с наклоном в сторонуотражателя 8 таким образом, что ееповерхность у отражателя 8 находитсяна уровне нижней границы обратногопучка 9 электронов, ось симметрии 10которого смещена параллельно относительно оси 3 к поверхности решетки 7на расстояние порядка двух полутолщинпрямого пучка 5 электронов. С цельюуменьшения дифракционных потерь в об ласти расположения решетки 7 ее поверхность плавно сопрягается с поверхностью зеркала. Отражатель 8 может быть выполнен, например, в видеплоского или вогнутого электрода,расположенного под острым углом относительно оси 3 движения прямого пучка 5 электронов, а в случае использования в приборе магнитной Фокусировки электронов область отражателя 8, О с целью улучшения условий формирования обратного пучка 9 электронов, целесообразно экранировать от магнитного поля экраном 11. Кроме того, частьдифракционной решетки 7 может бытьвыполнена, например, в виде секциис возможностью углового перемещенияотносительно оси 10 обратного пучка 9 электронов (см. Фиг. 2), или же982 480 Риг Редакто Титова Техред Л.Олейн ррек ерн Заказ 5257/ Тираж 643 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Н(-35, Раушская наб;, д. 4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная,5из нескольких секций с возможностью вертикального перемещения их относительно оси 10 обратного пучка 9 элект ронов (см. фиг. 3).Описанное устройство работает следУющии образом,Электронно-оптическая система 4 формирует симметрично оси 3 прямой пучок 5 электронов. При пролете пучка 5 электронов над частью дифракционной решетки 6 он предварительно модулируется по скорости и по плотности заряда, а затем на выходе из объема ОР 1 попадает в электростатическое поле отражателя 8. Конфигурация электростатического поля в промежутке край дифракционной решетки 7 - отражатель 8 обеспечивает смещение оси 10 обратного пучка 9 электронов относительно оси 3 электронно-оптической системы 4 к плоскости дифракционной решетки 7, на расстояние порядка двух полутолщин прямого пучка 5 электронов. Такое смещение электронного потока к плоскости решетки 7 недостаточно, чтобы помешать отраженным электронам попасть в.пространство взаимодействия, но достаточно, чтобы предотвратить их попадание на катод, В процессе движения прямого пучка 5 электронов в объеме ОР 1 и в тормозящем поле отражателя 8 происходит дополнительная модуляция пучка. В частности, модуляция по скорости переходит в модуляцию по плотности заряда, и обратный пучок 9 электронов попадает в пространство взаимодействия, эффективно отдавая свою энергию ВЧ полю ОР 1. Плавное сопряжение поверхности зеркалаи решетки 7 позволяет уменьшить неоднородность поля ОР 1 в области отбора энергии от электронного потока,а следовательно, снизить в генераторе дифракционные потери. Кроме того,10 возможность механической коррекциирешетки 7 относительно оси 10 позволяет дополнительно оптимизироватьсвязь обратного пучка 9 электроновс ВЧ полем ОР 1,15 Предложенный генератор, по сравнению с известными ОГДИ, имеет значительно больший срок службы, таккак в нем практически отсутствуетбомбардировка катода пушки отражен 20 ными электронами. Вместе с тем, в немсохраняется основное преимуществотаких генераторов перед однопролетными ГДИ - безмощностное управлениечастотой колебаний при изменениинапряжения на отражателе. Отсутствиеотраженных электронов в области катода пушки позволяет снять ограничениетока эмиссии за счет пространственного заряда, а следовательно, повыситьЗО -уровень выходной мощности генератора. Кроме того, обратный пучок. электронов в таком приборе не влияетна эмиссионные свойства катода, чтоприводит к повышению стабильности то 35 ка пучка, а следовательно, и частотыгенерируемых колебаний.