Способ определения коэффициента редукции плазменной частоты в приборах свч

, (46 (72 А И ых Ю ь,) жение, Вонногоии двухраммы,ускоряющее на плотность эле еока при излучеепестковой диа-2 простран оники ди злучения ракциочн. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ПИСАНИЕ ИЗАВТОР:НОМУ СЗИДЕТЕЛ,Цвык, Л,И.Цвык и В.П,Шестопалов (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиофизикии электроники АН УССР(56) Шевчик В.Н; и др. Волновые и колебательные явления в электронн потоках на сверхвысокихчастотах. Изд, Саратовского университета, 1962, с, 49.2. Еремна ВД, и др. Применение переходного излучения для исследований динамических характеристик электронного потока, РиЭ, 22, Р 1, 1977, с. 153-158 (прототип).(54) (5.7) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕДУКЦИИ ПЛАЗМЕННОЙ ЧАСТОТЫ .ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИБОРАХ СВЧ,включающий предварительную модуляцию электронов по плотности,измерение излучения электронного потока и измерение плотности электронного тока, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности в приборах с дифракционной решеткой, вблизи дифракционной решетки 8010775 пропускают электронныи поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока, при которой диаграмма направленности дифракцион" ного излучения электронного потока имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивносити излучения этой диаграммы, затем увеличивают плотность тока до значений, при которых возбуждается двух- лепестковая диаграмма направленности дифракционного излучения электронного потока, измеряют углы о( , о(, отклонений максимальной интенсивности излучения лепестков этой диаграммыо относительно начального. угла Ги определяют коэффициент Р редукции по .Формуле 3(Ф1077 Изобретение относится к областиСВЧ электроники, а конкретно к измерению динамических характеристик элек.тронного потока иможет быть использовано для определения коэффициента 5редукции плазменной частоты электрон.ного пучка приборов миллиметровогои субмиллиметрового диапазонов длинволн, в частности генераторов дифракционного излучения, что необходимодля оптимизацит их выходных характе"ристик, .Известны способы определения коэф"фициента редукции плазменных волн, .основанные на измерении параметровмодулированного электронного потокапутем зондирования его объемными закрытыми резонаторами 11.В частности,один из способов основан на измеренииэффективной длины волны плазмы в 20электронном потоке путем сравненияусиления клистрона, состоящего изтрех резонаторов., находящихся нанеодинаковом расстоянии друг.от друга,25Известные способы нашли широкоеприменение в длинноволновой областиСВЧ диапазона, однако они являютсямалоэффективными для приборов миллиметровых и субмиллиметровых диапазо, нов. Это связано как с более высокими требованиями, предъявляемыми.к тех.нологии,изготовления объемных измерительных резонаторов в миллиметровыхи субмиллиметровых диапазонах, таки с увеличением погрешности измерений, вызванной возмущениями, вносимыми в электронный поток резонатора-ми.Известен способ определения коэффициента реакции плазменной частотыв приборах СВЧ, модулированного электронного пот 1 ка путем измерения излучения электронного потока,. измере-.ния среднего. значения плотности 45электронного тока и ускоряющего напряжения в узлахи пучностях сигналабиений 2 1. Этот способ обладает темпреимуществом, что позволяет измерять в электровакуумных приборах 5 Омиллиметрового диапазона динамические характеристики электронного потока.в дальней зоне, т,е. на большихрасстояниях от электронного пучка.Однако. существенными недостатка - 55ми известного способа является сравнительно низкая точность и малаяразрешающая способность измерения 501 2коэффициента редукции, обусловленныеширокой диаграммой, низкой интенсивностью, слабой когерентностью пере"ходного излучения иизмерением усредненных значений электронного токав узлах и пучностях видеосигнала биений,Цель изобретения - повышение точности и разрешающей способности определения коэффициента редукции плазменной частоты электронного потока.Поставленная цель достигается тем,что в способе определения коэффициента редукции плазменной частоты в приборах СВЧ, включающем .предварительнуюмодуляцию электронов по плотности, измерение излучения электронного потока.и измерение плотности электронноготока в приборах с дифракционной решеткой, вблизи дифракционной решетки пропускают электронный поток, устанавливают минимальное значение плотностиэлектронного тока,.при которой диаграмма .направленнности дифракционногоизлучения электронного потока имеетодин лепесток, измеряют начальныйугол Г максимальной интенсивностиэтой диаграммы, увеличивают плот ность тока до значений, при которыхвозбуждается двухлепестковая диаграм.ма направленности дифракционного излучения, измеряют углы о, о откло-нений максимальной интенсивности излучения лепестков этой диаграммы относительно начального. угла Г и .опоределяют коэффициент . Рредукции поформуле где 0. - ускоряющее напряжение, В;10 - плотность электронного тока при излучении двухлепестковой диаграммы, А/см;т - частота модуляции электронов, Гц;п = -1; -2; -3;- номер пространственной гармоники дифракционного излучения.На фиг. 1-6 изображены варианты возбуждения диаграмм направленности дифракционного излучения; на фиг. 7- экспериментальная установка, общий вид; на фиг. 8-1.0 результаты экспериментальных измерений,Предлагаемый способ заключается в следующем.501 бфтенсивностью излучения под угломГ= у А сГ, Угол Г измеряют относио йптельно положительного направлениядвижения электроновб и в дальнейшемвыбирают за начальный (базовый),относительно которого проводят последующие измерения.Увеличивая плотность тока, получают двухлепестковую диаграмму4,5 направленности излучения (фиг.2),возбуждаемого медленной и быстройволнами прост акственного заряда. Измеряют углы Ыф, о( отклонений максимальной интенсивности полученных 15 диаграмм относительно начальногоугла Г и находят углы Г = Г;,-с(ф,Г = Го+ бв(; Зная углы Г, Г, из соотО Вб, ношения (1) определяют коэффициентредукции плазменной частотыЙ:в,б тв е(во Г-.оо ) . бв)Из соотношений (1), (3) следует,что коэффициент редукции плазменнойчастоты также можно определить, еслиизмерять один из углов Г+ или Г;В этом случаеформула (3) преобразовывается к виду:1) при измерении угла Г= Г- со 3 1077Модулированный электронный поток 1 пропускают вблизи дифракционной решетки 2, возбуждают дифракционное излучение в направлениях, связаннйхс фазовыми скоростями распространения 5 волн пррстранственного заряда элек" тронного потока и параметрами электро- . динамической структуры, Эта связь определяется из условий возбуждения .дифракционного.излучения, Для волн 10 .низшего порядка медленной и быстрой,имеющих максимальную амплитуду кон-;векционного тока, получаем: где Г Г - углы максимальной интенОв ввсивности диаграмм направленности дифракционйого излучения.;- коэффициент редукции;- период дифракционной решетки;сбв=2 л - частота модуляции элек- дтронного потока; ю = 1,83, 10 " 0 " - плазменнаячастота;во-. плотность тока при излу чении двухлепестковойдиаграммь, А/см;0 О - ускоряющее напряжение,В;скорость света;ч = 2 Оц - скорость электронов навыходе модулятора;е,в - заряд и масса электрона;,35 вв = -1; -2; -3;- номер пространственной дифракционной гармоники излучения.Уменьшением плотности .тока опри- ближают углы излучения Г, Г ки углу излучения идеализированного монохроматического.45 потока. При плотностях электронного1 с 0,46 1 оО 3 д" (2) влияние. волн пространственного заряда на направление дифракционного излучения незначительно, угол /" з /" /=д,М (с/-(0,5 - 2) 1 О 4), а электронный поток возбуждает однолепестковую диаграмму направленности излучения.Следовательно, устанавливая плот-,55 ность тока (2), всегда получают од-нолепестковую диаграмму 3 направления излучения (фиг. 1) с максимальной ин+ с 2 ус црсс 05 Г = - . -(бб 1 +я ч. ыЕ ыч-О Ю .-1 Я в + о ов и 2) при измерении угла Г = Г + о(-15 ЗИ -1 бв.оЙ=6 8 (О (У лсов Г -совГ ) (4 а. Формулами (4), (4 а) удобно пользоваться, если одна из диаграмм 4 или 5 близко ирилегает к поверхности дифракцИОННОй рЕШЕтКИ (фИГ, 3; бв(- ) Г,огде 29 - ширина диаграммы направленности дифракционного излучения),Следует отметить, что если один из углов с( (фиг,3,4) или оба эти угла одновременно (фиг.5,6) пунктирными диаграммами 4,5 близко прилегают к поверхности дифракционной решетки, то путем уменьшения (фиг,5) или увеличения (фиг.6) ускоряющего напряжения относительно значения О пово" рачивают диаграммы 4,5 излучения по направлению к углу Г, измеряют углы поворотадиаграмм и определяют коэффициент редукции по соответствующим формулам:а) при уменьшении ускоряющего напряжения от величины О до значения О1077501 20 Длина Период Ширина Поперечные Тип СечениеСтруктурарешетки, решетки, щели, размеры, .пучка пучка;Мм . ММ . Мм 2,6 Лент Зх 0,4 Гребенка Пластина с кольцами 1,5 Зхб 60 цилиндр. 2,6 3,0 б) при увеличении ускоряющего нап"ряжения от значения Ов до величины 0 Кта 9 (го и я Ясо(Г +р )-сь 1(Г+р Ц (э) 5 Формулы .(5), (5 а), следуют из общего соотношения (3) или из частных формулы (4),.(4 а).Точность измерения углов Г -, Г,+ ь 10 р- и разрешающая способность (минимальное расстояние между двумя первыми измеряемыми максимумами интенсивности диаграмм направленности излучения - предлагаемого способа зависит15 от ширины 2(9 диаграмм излучения. На уровне половинной мощности величину 2(е можно оценить по формуле 2 6 = 66 - е , (6) где ее - количество периодов дифракционной решетки. Следовательно,всегда можно выбрать такую длину пе- . риодической структуры, при которой 25 диаграмма излучениябудет иметь незначительную ширину, что указывает на практическую воэможность измеренияуглов Г; Г , Р с+ ф + Период дифракционных Решеток выбирался из соотношенияе (мм) 6,био%(6) /е (Г 61 для основной пространственной дифрак-( ционной гармоники, ( Ь = -1), что со-, ответствует условию возбуждения моно- хроматическим электронным йотоком дифракционного излучення перпендикулярно поверхности решетки. Резонаторы 8 отличались только формой и размерами отверстия, через которые проходит электронный поток. Механическая перестройка резонатора 8 позволяла изме-нять его собственную частоту в диапазоне . Е = 8,7 - .10 ГГц. Дифракцион высокой точностью и разрешающей способностью. В частности, в приборахтипа ГДИ значения 20 составляет неболее 5 - 6 ф с абсолютной погрешностью е/" измерения углов излученияне более 1Предлагаемый способ определениякоэффициента редукции плазменной частоты электронного потока был реализован экспериментально на установке,показанной на фиг7. Экспериментальные измерения проводились в сантиметровом диапазоне, что позволило сравнить результаты измерений прототипас измерениями предлагаемого способа.Модулированный электронный поток1; создаваемый электронной пушкой 6(катод) в .7 (анод) и модулирующимтороидальным резонатором 8, поступаетв пространство взаимодействия дифракционной решетки 2 и рассеивается наколлекторе 9. При эксперименте исполь-зовались дифракционные решетки двухвидов: гребенка и пластинка с кольцами (на фиг, 7 показана вторая периодическая структура). Основныепараметры этих решеток и электронного.потока приведены в таблице,ная решетка 2, электронная пушка (6-7), резонатор 8, коллектор 9 размещались в вакуумной стеклянной оболочке 10.Источником опорного сигнала резонатора 8 служил отражательный клистрон 11 трехсантиметрового диапазона, перестраиваемый в процессе измерений в соответствии с изменением собственной частоты модулирующего резонатора 8. Дифракционное излучение принимается рупорной антенной 12 (размером 80 х 100 мм), детектором, расположенным на расстоянии 900 мм от решетки. Сигнал излучения после детектора через усилитель 13 поступал на осциллограф или микроамперметр 14. Макет-анализатор располагался в зазоре полюсных наконечников электромагнита 5, необходимого для фокусировки электрон ного потока в пространстве взаимодействияПолюсные наконечники электромагнита ограничивали возможность проведения измерений при углах излучения 1 О 150 4 Г,30. Для уменьшения влияния на диаграммы 3, 4. и 5 дифракционного излучения отраженных от различных неоднородностей СВЧ .сигналов полюсные наконечники и часть стеклянной . 15 колбы покрывались СВЧ поглотителем 16, Ускоряющее напряжение, создаваемое источником 17, менялось в интервале 0 - 3500 В, плотность тока 1, составляла (0,05 - 4) А/см.- 1Осуществляя управление скоростьюэлектронов при постоянной плотноститока и частоте модуляции или же при25постоянном напряжении и частоте модуляции плотностью тока, можно плавновводить волны плотностипространственного заряда и синхронизм с гармониками.периодической структуры и изменятьнаправление диаграмм дифракционного30излучения,Экспериментально установлено, чтопри плотностях тока 1 - (0,05 - Р, 1)А/см Формируется однолепестковаядиаграмма 3 (фиг.1) с ширинойпо уровню половииноймощности 30,чтоудовлетворительно согласуетсяс теоретическими соотношениями , 16.Максимальная интенсивность излучения этой диаг"раммы.наблюдается под углом 40. Г = -д.(д5 - 3) при пара 2фметрах: . К = 9,740 ГГц О = 1820 В - : для гребенки; Ю = 8,90 ГГц ц = 2000 Вдля решетки плоскость с кольцами.Увеличивая плотность тока электронного пучка (путем увеличения накалаэлектронной пушки), наблюдаем смещениемаксимальной интенсивности диаграммизлучения.На фиг.8,%показаны результаты экспериментальныхизмерений угловизлучения Г- и коэффициента редукцииот плотности тока д для гребенки(графики, обозначенные крестиками) дляплоскости скольцами - точками. Видно 55что коэффициент редукции в данномслучае для(0,5-1) А/см составляет О, 79-0,8, Для токов 1 1 А/см вследствие относительно широких диаграмм излучения одновременное измерение углов Г" затруднялось. Однако, путем уменьшения или увеличения ускоряющего напряжения при токах(1,5 - 2) А/см получены диаграммй направленности, соответствующие возбуждению излучения только медленной (фиг,6) или быстрой (Фиг.5) волнами пространственного заряда. Коэффициент редукции в этом случае вычислялся по формулам (5), (5,а),На фиг, 10 приведены результаты измерений коэффициента К для различных значений ускоряющего напряженияоО (или углов излучения Г) при изменении величины плотности тока в интервале (0,05-2) А/см Здесь же3 показаны (треугольничками) данные измерений и теоретический график, взятые из прототипа. Если в прототипе в области напряжений О, = 1750-2000 В наблюдался резкий скачок коэффициента редукции ( К-" 0,65-0,8), вызванный неточностью измерений 1 низкой разрешающей способностью, то предлагаемым способом удается получить более достоверные данные: меньший разброс точек экспериментальных измерений и плавный характер изменения коэффициента Р от О, Следовательно, предлагаемый способ, по сравнению с базовым прототипом, позволяет примерно в два раза повысить точность и разрешающую способность измерения коэффициента редукции плазменной частоты. При этом с увеличением частоты возбуждаемых колебаний точность и разрешающая способность измерений возрастает, что связано с уменьшением ширины диаграммы направленности излучения. Этот факт указывает на перспективность использования предлагаемого способа для измерений .динамических характерристик электронного потока приборов МСМ диапазона, в частности.генераторов дифракционного излучения,что не позволяют сделать другие известные способы, Кроме того, измерение коэффициента редукции с высокой точностью позволяет определить в реальных приборах достоверную плазменную частоту параметры пространственного заряда, фазовую скорость распространения волн, уровень шумов и другие параметры, которые необходимы тсуи решении задач оптимизации элекр Г5 тровакуумных приборов . 0 - типамиллиметрового и субмиллиметровогодиапазонов длин волн,1077501 1 Я Сц, АСИф Я Я р Л,Горячева Техред С.Мигунова Хор Л.Бескид писное та ССС аз 57 аж б тиид е ППП "Патент", г, Ужгород, ул тн ЮМУ ВНИИПИ Государств по делам изобре 3035, Москва, Жнного ком ений и отРаушская ЮЕ 01 Р,8 09,4 си 1Фиг, У