Оротрон

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН МЯ)Н 017 25/02" ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ: н двщкномм сюиатвъстви ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОЬРЕТЕЧИй И ОТНРЫТИЙ 21) 3454790/18-2122) 18.06.82(71) Ордена Трудового КрасногоЗнамени институт радиотехники иэлектроники АН ССОР(56) 1 Авторское свидетельство СССРР 195557, кл, Н 01 Х 25/00, 19672. Авторское свидетельство СССР9 472598, кл. Н 01 У 23/24, 1976(57) 1. Оротрон, содержащий открытыйрезонатор, выполненный в виде двухкоаксиальных зеркал, одно нз которых имеет цилиндрическую поверхность,а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой,вогнутой в сторону цилиндрическогозеркала, периодическую структуру,имеющую цилиндрическую Форму и расположенную в резонаторе соосно с зеркалами, источник электронов и магнитную систему для создания однородногомагнитного поля, направленного вдольосн резонатора, о т л и ч а ю щ и йс ятем, что, с целью увеличения,КПДи выходной мощности, источник. элект,ронов расположен в открытом резонато 801058002 А ре занодлицо с поверхностью цилиндрического зеркала и выполнен в виде ряда кольцеобраэных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая, структура образована стержняьепараллельными оси резонатора, и расположена между зеркалами,2. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальйых зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью эра щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрическогозеркала, периодическую структуру, расположенную на. цилиндрическом зерка ле, источник электронов и магнитную систему для создания однородного маг нитного поля, направлен вдоль оси резонатора, от л и ч а ю щ и й с я а тем,что,с цельюувеличения КПД и выходйой мощности, источник электронов имеет ципиддраческую Форму, размещен между зеркалаэе соосно с ними и обра зован стержнеобразныии эииттерами, расположенниии с периодом, меньшим периода периодической структуры, при чем эмиттеры и образУЙщие периодической структуры ориентированы параллельно оси резонатора,1058002 Изобретение относится к электро-вакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ приборам, в частности к устройству резонансного генератора с открытым резонатором.Известны резонансные генераторы СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона (оротроны, генераторы дифракционного излучения 1, содержащие полусферический открытый резонатор, периодическую .структуру, расположенную на поверхности плоского зеркала, электронную пушку с плоским катодом, вынесенную за пределы открытого резонатора и формирующую ленточный электронный пучок, фокусируемый од" нородным продольным магнитным полем и коллектор 13Недостатком данной конструкции является низкий. коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что 2 О с высокочастотным".электрическим по-. лем периодической структуры эффективно взаимодействует лишь тонкий (порядка долей периода периодической структуры ) слой электронного пучка, 25 движущийся параллельно периодической структуре в непосредственной близос-, ти от ее поверхности. Кроме того, оротрон характеризуется низкой выходной мощностью, обусловленной тем, Зр что размеры поперечного сечения лучка, а следовательно, и тока, ограничены: высота пучка по причине, указанной выше, не превышает 0,1-0,2 периода периодической структуры, а З 5 его ширина ограннчена спадом высоко- частотного поля по гауссову закону и не превышает радиуса каустики.Известна также конструкция коаксиального генератора дифракционного излучения, содержащего открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиалвных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, 45 вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую Структуру, имеющую цилиндрическую форму и расположенную на цилиндричеСком зеркале так, что ее образующие перпенди кулярны оси резонатора, кольцевой источник электронов, вынесенный за пределы открытого резонатора, коллектор и магнитную систему, создающую однородноемагнитное поле, направ ленное вдоль оси. резонатора и фокусирующее кольцевой электронный пучок 21Недостатками этой конструкции яаляются низкий КПД, обусловленный той же причиной, что указана выше; для предыдущей конструкции, и относи- О тельно низкая выходная мощность, превышающая выходную мощность аналога не более, чем в 15-20 раз за счет того, что поверхность источника электронов здесь больше. ,65 нЦель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и выходной мощности генератора за счет создания условий более эффективного преобразования энергии электронного пучка в энергию высокочастотного поля.Указанная цель достигается тем, что в оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вра щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, имеющую цилиндрическую Форму и расположенную в резонаторе соосно с зер калами, источник электронов и магнит-. ную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оси резонатора, источник электронов расположен в открытом резонаторе заподлицо с поверхностью цилиндрического зеркала и выполнен в виде ряда.кольцеобразных эмиттеров, ориен:тированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая струк-. тура образована стержняьщ, параллельными оси резонатора, и расположена между зеркаламиВ оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальйых зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, расположенную на цилиндрическом зеркале, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитндго поля, направленного . вдоль оси резонатора, источник электронов имеет цилиндрическую форму, размещен между зеркалами соосно с ними и образован стержнеобразнцми эмиттерами, расположенньяи с перио-. дом, меньшим периода периодической структуры причем эмиттеры и образующие периодической структуры ориен,тированы параллельно оси резонатора.На фнг. 1 схематически изображен предлагаемый оротрон по первому варианту, общий вид разрезу на фиг.2 " разрез А-А на. Фиг.1; на фиг.З - оротрон по первому варианту, общий вкд, разрез; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.З.Генератор (фигЛсодержит открытый резонатор, образованный двумя коаксиальными зеркалами, из которых внешнее зеркало 1 имеет цилиндрическую Форму, внутреннее 2 образованоповерхностью вращения кривой вокругоси Еу резонатора, периодическуюструктуру 3, имеющую цилиндрическуюФорму, образованную рядом металлических стержней прямоугольного сечения, параллельных оси резонатора 2 2, и расположенных с периодом 1 вдоль- окружности, имеющей центр на оси 22 резонатора, источник 4 электронов, 5 расположенный н открытом резонаторе заподлицо с внутренней поверхностью внешнегоцилиндрическогозеркала 1 и выполненный в виде ряда кольце- образных эмиттеров, ориентированных 10 перпендикулярно оси 22 резонатора и расположенных с периодом 0,меньшим длины волны генерируемых колебаний, магнитную систему 5, создающую однородное магнитное поле 8, направленное параллельно оси резонатора гг. На фиг.1 показаны также устройство для вывода энергии в виде прорезей, б в зеркале 2, каустика 7, направления статических электрического Е 0 и магнитного Вполей, примерный вид траектории 8 электрона.Период Р периодической структуры 3, как и в известных генераторах, должен быть меньше длины волны генерируемых колебаний и выбирается из условия примерного равенства Фаэовой скорости пространственной гармоники и продольной скорости электронов Чф Е Вс, где Ео- статическое электрическое поле, бс - статическое З 0 магнитное поле, Для выполнения условия резонанса длина окружности . . периодической структуры должна быть .равной целому числу замедленных длин35 волн. е 2 тял =ЮЗ =Ну,где Р радиус периодической структуры, 1 М:1,2,3Период 0 расположения кольцеобраэныхэмиттеров должен быть меньше длины 40волны Л генерируемых колебаний в свободном пространстве(Р,=(0,1-0,3)Л ),чтобы обеспечить хорошее отражениеэлектромагнитной волны от поверхнОсти цилиндрическОгО зеркала Для 45этой же цели источник 4 ориентированперпендикулярно оси 22 резонатора.,так как в этомслучае вектор электрического поля волны распространяющейся между зеркалами 1 и 2, параллелен змиттерам,Один из вариантов конкретного выполнения источника 4 электронов показан на Фиг.2, Здесь приведен примервыполнения одного из эмиттеров, представляющего собой кольцевой катодкосвенного накала, эмиттирующая поверхность 9 которого расположенаэаподлицо с внутренней поверхностью цилиндрического зеркала 1, Змиттер вставлен в.прорези 10 цилиндрического зеркала 1 и имеет косвенныйподогрев нагревателем 11, который подключается к источнику напряжения накала, Ширину "и" источника 4 электронов н направлении осн 22 в данной конструкции можно увеличить до значения Ь =2, где 2 гк- ширина каустики 7 на цилиндрическом зеркале, поскольку, вследствие круговой симметрии, электроны, змиттируемые крайними эмиттерами, могут достигать периодической структуры 3, сделав несколько оборотон вокруг оси 22. Оптимальное значение коэффициентов заполнения %, определяемого как отношение ширины отдельного эмиттера к периоду Р, выбирают в пределах 0,4-0,6 для обеспечения достаточно высоких значений рабочего тока и добротности системы. В данной конструкции источник 4 электронов,и цилиндрическое зеркало 1 находятся под высоким отрицательным потенциалом относительно периодической структуры 3, которая заземлена.Разновидностью этого варианта генератора может быть такая конструкция (фиг.3 и 4 )у которой внутреннее зеркало 2 имеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхчостью вращения кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, вокруг оси 22 резонатора. Источник 4 электронов при этом расположен заподлицо с внешней поверхностью внутреннего ( цилиндрического ) зеркала 2.В конструкции генератора ( Фиг.3 и 4в отличие от конструкций пер-вого варианта, периодическая структура 3 расположена на поверхности внешнего (,цилиндрического ) зеркала 1, а источник 4 электронов имеет цилиндрическую Форму, размещен между зеркалами 1 и 2 резонатора соосно с ними и образован стержнеобразными змиттерами, параллельными оси резонатора 22 и расположенными с периодом Г 1, меньшим периода 8 расположения образующих периодической структуры. Требования к выбору. периодов 1 и 0 здесь,остаются такими же, как и .н первом варианте, но добавляется условие Р.,с Р для того, чтобы Фазовая скорость йолны которая может распространяться вдоль источника электронов, отличалась от Фазовой скорос- . ти синхронной пространственной гармо; ники периодической структуры, Ориен.". тация змиттеров изменена на 900 по отношению к первому варианту, чтобы обеспечить оптимальные условия пропускания азимутально-поляризованной волны сквозь ряд эмиттеров. Оптимальный коэффициент заполнения, опреде . ляемй как отношение ширины одного эмиттера к периоду выбирается равным 0,4-0,б для Обесйечения достаточной амплитуды электромагнитной волны в области между источником 4 электронов и периодической структурой 3. Конкретно, источник 4 электронов может быть прямоканальным, либо выполнен в виде эмиттерон с коснен 1058002 6ным подогревом. Источник 4 электрО- , нов, как и в первом варианте, находится под высоким отрицательным по"-, тенциалом относительно периодической структуры. 3 и цилиндрического зеркала 1, которые заземлены, 5Этот же вариант (не показан ) может быть выполнен с резонатором, в котором внутреннее, зеркало 2 имеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхностью вращения вок руг оси 27 резонатора кривой, вогнутой в сторону внутреннего (цилиндрического ) зеркала 2:. В этом случае периодическая структура 3 расположена на внешней поверхности внутренне- (5 го цилиндрического ) зерКала 2.Первый вариант предлагаемого генератора работает следующим образом.ПРИ ПодаЧе висскогО НапряжеНия между источником 4 электронов с внешним зеркалом 1(минус )и периоди-. ческой структурой 3 (плюс ), включении напряжения накала на подогреватель 11 и включении источника питания магнитной системы 5 в области между периодической структурой 3 и источником 4 электронов возникают взаимно перпендикулярные (Окрещенные) статические электрическое ЕОи магнитное бо поля, направление которых указано на фиг.1 и 2. Электроны, эмиттируемые источником 4 электронов, движутся в скрещенных полях с азиму- тальнОЙ скОРОстью Ч ео ) Вд и Ради альной скоростью Чпо циклоидаль-35 ным траекториям и возвращаются на источник 4 электронов, Вследствие того, что электроны, движущиеся по циклоидальным орбитаМ, излучают электромагнитные колебания, в пространст-.40 ве между источнйком 4 электронов и периодической структурой 3 возникает переменное высокочастотное электрическое поле, с которым взаимодействуют электроны. По мере роста тока, 45 эмиттируемого источником 4 электронов, энергия колебания в резонаторе на его резонансной частоте постепенно увеличивается.При превышении тока над пусковым значением система самовозбуждается, в приборе возникают незатухающие высокочастотные колебания и вблизи пернодической структуры 3 формируются медленные пространственные гармоники основного собственного колебания открытого резонатора. При этом цикло" идальные траектории электронов уже не заканчиваются на источнике 4 электронов и электроны начинают подниматься к периодической структуре.З, двигаясь по укороченным с одного конца аркам циклоид, и.оседают на ней. При скорости электронов Ч , близкой к фазовой скорости 9(,одной из пространственных гармоник, происходит модуляция электронов по скорости и плотности с образованием электронных сгустков в форме фязычков", движущихся с азимутальной скоростью Че хЧф и эффективно взаимодействующих с высокочастотным электрическим полем периодичеекой структуры 3. Высокочастотные колебания выводятся в нагрузку через прорези б во внутреннем зеркале 2.Второй:вариант предлагаемого гене" ратора, показанный на фиг.З и 4, работает аналогичным образом, но в отличие от первого варианта, где траекторииэлектронов параллельны эмиттерам, Образующим источник 4 электронов, во втором варианте траектории электронов перпендикулярны образунзцим источника электроновВ отличие от прототипа, где величина энергии, отдаваемой электронным пучком высокочастотному цолю, определяется разностью кинетической энергии электронов в начале и в конце области вэаимодействия, и КПД в нагрузке составляет величйну порядка 5%, в предлагаемом генераторе высокочастотному полю отдается потенциаль ная энергия электронов, за вычетом кинетической энергии электронов, оседающих на периодическую структуру 3 и электронов, возвращающихся на источник 4 электронов. По предварительным оценкам электронный КПД предлагаемого генератора составляет 20-40, что соответствует КПД в нагрузке по рядка 15-30, т.е. в 3-6 раз выше, чем в прототипе. При одинаковой величине тока с катода в предлагаемом генераторе выходная мощность будет также в 3-б раз выше, чем в известном устройстве.1058002 из.9 Составитель Л. фроловаактор О. Сопко,Техред В.Далекорей Корректор И. Муск Зак сное 4/5 филиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул, Проектна 3587/54 Тираж 703ВНИИПИ Государственного копо делам изобретений и3035, Москва, Ж, Раушс 1 Под митета СС открытий сая наб.