СПОСОБ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для увеличения или уменьшения частоты импульсного излучения СВЧ-диапазона, включая миллиметровые и субмиллиметровые длины волн, что может найти применение в радиолокации.

Известен способ умножения частоты, основанный на усилении высших гармоник, состоящий в том, что возбуждают нелинейные электромагнитные колебания и усиливают одну из высших гармоник этих колебаний.

Недостатками способа являются падение мощности излучения с увеличением частоты гармоники, возбуждение лишь частот, кратных основной частоте, и невозможность уменьшения частоты.

Известен способ изменения частоты, основанный на использовании мощной низкочастотной электромагнитной волны для формирования электронных сгустков. Образующиеся в процессе захвата волной компактные электронные сгустки используются затем для возбуждения волны высокой частоты. Синхронизм пучка с высокочастотной и низкочастотной волнами обеспечивается двумя периодическими системами магнитов.

Недостатком способа является невозможность плавного изменения частоты, обусловленная геометрией расположения магнитов.

Наиболее близким по технической сущности является способ изменения частоты, основанный на ускорении как целого электронного пучка, предварительно сгруппированного в сгустки. Изменение частоты при этом происходит за счет изменения скорости следования сгустков.

Недостатками способа являются ограничение диапазона перестраиваемых частот сверху, так как скорость сгустков после ускорения ограничена скоростью света и неэффективность использования релятивистких электронных пучков, так как их скорость практически не меняется при ускорении.

Таким образом, известные способы перестройки частоты не дают возможность плавно менять частоту в широких пределах и не могут быть использованы в области частот не ниже сотен гигагерц.

Цель изобретения - использование релятивистских электронных пучков для изменения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, в широких пределах частоты импульсного электромагнитного излучения.

Это достигается тем, что электронный пучок, сгруппированный излучением первичной частоты f₁ в сгустки с энергией электронов γ₁, которые затем ускоряются последовательно от конца пучка к его началу, пока все электроны не приобретают одинаковую энергию γ₂, после чего осуществляется излучение СВЧ-мощности, записанной на пучке, причем в системе отсчета К', сопровождающей сгустки после изменения энергии, это изменение происходит одновременно у всех электронов пучка, при этом измененная частота излучения определяется выражением
f₂= f.

В известных способах изменения частоты электромагнитных волн, основанных на группировании электронных пучков и последующем возбуждении излучения, не используется последовательное ускорение или замедление сгустков пучка, происходящее как целое в системе отсчета К'.

Возможность достижения цели изобретения обусловлена тем, что электронный пучок, сгруппированный излучением первичной частоты f₁ в сгустки, имеющие скорость V₁, обладает пространственным периодом L₁ = = V₁/f₁. Изменение частоты следования сгустков мимо неподвижного наблюдателя, а следовательно, и частоты электромагнитной волны, записанной на пучке, может быть обусловлено, как изменением скорости следования сгустков, так и их пространственного периода. Для изменения расстояния между сгустками достаточно последовательно от конца пучка к его началу ускорять сгустки до скорости V₂ в случае увеличения частоты или тормозить в случае уменьшения частоты. Такое изменение энергии сгустков пучка происходит как целое в системе отсчета, движущейся со скоростью V₂. Пространственный период пучка в лабораторной системе отсчета L₂ изменяется вследствие лоренцева сокращения
L₂= L₁ , где γ₁ = (1 -V₁²/C²)^-1/2;
γ₂ = (1 - V₂¹/C²)^-1/2.

Тактовая частота после изменения энергии пучка f₂ = V₂/L₂. Тогда отношение конечной и начальной частоты будет
= = = .

Учитывают, что V = C(γ² - 1)^1/2/γ
Предложенный способ использования релятивистских пучков позволяет расширить диапазон перестраиваемых частот за счет отношения энергии в дополнение к отношению скоростей. В этом важное преимущество по сравнению с прототипом, так как не существует принципиального ограничения на величину γ₂, в то время как V₂ не может превышать значение скорости света.

Способ перестройки частоты электромагнитного излучения включает в себя следующую последовательность операций.

Электронный пучок длиной L_o, сгруппированный в сгустки с пространственным периодом L₁ и энергией электронов γ₁, вводят в пространство взаимодействия.

Затем электронные сгустки ускоряются в случае увеличения частоты или тормозятся в случае уменьшения частоты последовательно от конца пучка к его началу, пока все сгустки не приобретают одинаковую энергию γ₂. Это изменение энергии происходит одновременно для всех электронов в системе отсчета К', сопровождающей сгустки.

Последняя операция состоит в отборе высокочастотной мощности, запасенной на пучке.

Предлагаемый способ поясняется чертежом.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из вакуумированного соленоида 1 и изолированных друг от друга К диафрагм 2.

Устройство работает следующим образом.

Вначале потенциал всех диафрагм одинаков и равен нулю. На вход подается электронный пучок длины L_o. сгруппированный в сгустке толщиной d, имеющие пространственный период L₁. Скорость электронов в сгустках V₁. Разброс электронов по скоростям ΔV<<V₁.

Когда все сгустки пучка входят в пространство взаимодействия, начинается последовательное изменение энергии электронов. Для этого на диафрагмы подается потенциал следующим образом. Потенциал каждой диафрагмы меняется скачком на фиксированную величину через промежутки времени Δt до тех пор, пока не достигает некоторой величины U_m. Вначале начинает меняться потенциал на первой диафрагме (конец пучка), через время Δt - на второй диафрагме и т. д. В результате в пространстве взаимодействия возникает бегущий импульс продольного электрического поля конечной длины, пробегающий все пространство взаимодействия от его конца к началу. Электроны приобретают дополнительную энергию, а расстояние между сгустками и длина пучка меняются (уменьшаются в случае увеличения энергии и увеличиваются в случае ее уменьшения).

Закон, по которому меняется потенциал, на i = й диафрагме имеет вид U_i = V] )U_o, t_i ≅ t ≅ t_i + τ_o; где квадратные скобки здесь и далее означают целую часть числа.

Для i-й диафрагмы существует характерное время t_i - момент времени, в который импульс продольного поля достигает диафрагму с номером i. Очевидно, что
t_i= = (γ22

-1)^1/2 , где Z_i = il_o - координата i-й диафрагмы;
l_o - расстояние между соседними диафрагмами
U_к - скорость коммутации продольного электрического поля в лабораторной системе отсчета.

Скорость коммутации
U_к= >c выбирается таким образом, что в системе отсчета К', движущейся со скоростью V₂, продольное поле включается и выключается одновременно во всем пространстве взаимодействия. За время импульса, длительность которого в лабораторной системе отсчета.

τ₀= ((γ22

-1)^1/2-(γ21-1)^1/2), каждый электрон должен пройти разность потенциалов NU_o, необходимую для изменения энергии от γ₁ до γ₂. Разность потенциалов между двумя соседними диафрагмами U_o определяется выражением
U₀= σ (γ₂-γ₁) , где σ - знаковый множитель: σ = +1 в случае ускорения пучка и σ = -1 при его торможении.

Максимальное значение потенциала U_m на диафрагмах после прохождения импульса продольного поля определяется числом промежутков между диафрагмами К_о, которые импульс после пройдет за время τ_o. Таким образом
K₀= 1+ = 1+1-. Полное число диафрагм в пространстве взаимодействия К определяется тем, что после достижения продольным полем в точке c координатой Z_oпоследнего сгустка, он для достижения необходимой энергии должен пройти в поле N оставшихся промежутков между диафрагмами
K= 2+N+. Очевидно, что Z_o = V_к t_o, где t_o - момент времени, в который последний сгусток попадает в продольное поле, и равен
t₀= .

Подставляя значение V_к и V₁, получаем
K = 2+N+ × , и полная длина пространства взаимодействия будет
L = (K - 1)l_o.

Указанный способ коммутации продольного поля оставляет собственные пространственные параметры пучка без изменения, следовательно, в лабораторной системе расстояние между сгустками изменяется
L₂= L₁ , что приводит к изменению тактовой частоты электронного пучка
f₂= f.

Затем производится отбор высокочастотной мощности, запасенной на пучке.

Импульсная мощность пучка имеет вид
P= , где n - концентрация частиц в сгустках;
S - площадь поперечного сечения сгустка;
Т₂ - период следования сгустков после изменения энергии
T₂= = . Подставляя Т₂ в выражение для мощности, получаем
P= = (γ₂-1)I.

Ток пучка определяется выражением
I= .

Соленоид служит для создания продольного магнитного поля В_о, устраняющего поперечное расплывание сгустков. Для этого необходимо, чтобы сила Лоренца превышала поперечную компоненту силы кулоновского расталкивания сгустков. Это условие может быть реализовано, если величина магнитного поля удовлетворяет неравенству
B₀≥ , где m - масса электрона.

Продольное расплывание электронных сгустков может быть обусловлено кулоновским расталкиванием сгустков, разбросом по скоростям электронов в сгустках, а также поперечной неоднородностью продольного электрического поля. Кулоновское расталкивание сгустков приводит и ограничению на концентрацию электронов в сгустках. Время кулоновского расплывания по порядку величины равно периоду ленгмюровских колебаний
.

Это время намного больше времени t_a прохождения сгустками пространства взаимодействия
t_a= + + . После преобразования получаем
t_a= + +
+ .

Таким образом, ограничение на концентрацию имеет вид
n ≪ .

Продольное расплывание, обусловленное разбросом электронов по скоростям, можно считать несущественным, если
ΔV t_a << L₂ , где ΔV - разброс скоростей в сгустке.

Учет поперечной неоднородности продольного поля приводит к требованию, чтобы радиус сгустка был много меньше радиуса соленоида.

Перемешивания сгустков за счет неодновременного начала ускорения не происходит, если L₁ много больше расстояния, которое проходит ускоряющийся сгусток за время Δt = l_o/V_к
L₁≪ .

Некоторые числовые данные, характеризующие работу устройства следующие. Выберем N = 100; l_o = 0,5 см; L_o = 75 см; γ₁ = 1,1 (V = 0,417^oC); L₁ = 1 мм. Тогда f₁ = = 1,25 ˙ 10¹¹ Гц ( λ₁ = 2,4 мм). Пусть γ₂ = 4, при этом f₂ = 8,45, f₁ = 1,06 ˙ 10¹² Гц ( λ₂ = = 0,28 мм), т. е. перестройка частоты происходит почти на порядок. Требуемое изменение энергии электронов обеспечивает импульс продольного поля длительностью τ_o = 1,96 нс, при разности потенциалов между соседними дисками U_o = 14,8 кВ (Е = 29,6 кВ/см) и скорости коммутации ускоряющего поля V_к = 1,033^оС. После прохождения импульса ускоряющего поля на кольцах устанавливается потенциал U_m = 1,81 МВ (К_о = 122), который снимается после выхода пучка из пространства взаимодействия, длина которого L = 1,76 м (К = 353). Время пребывания электронов в пространстве взаимодействия t_a = 13,5 нс, концентрация электронов в сгустках при этом должна удовлетворять условию n << 6,8 ˙ 10¹³ м^-3. При дальнейших расчетах полагают n = 5 ˙ 10¹² м^-3. Магнитное поле, необходимое для поперечной фокусировки, В_о ≥ 5,1 ˙ 10^-4 Тл. Чтобы избежать продольного расплывания сгустков разброс электронов по скоростям должен удовлетворять неравенству ΔV< < <<2,6 ˙ 10⁴ м/с. Отметим, что за время Δt прохождения ускоряющего поля от одной диафрагмы к другой, начавший ускоряться сгусток приближается к впереди находящемуся на расстояние не больше, чем 6,8 ˙ 10^-5 м, что много меньше L₁. При радиусе сгустка 1 см, толщине d = 0,1 мм ток пучка составляет 27 мА, а мощность, запасенная на пучке, 41 кВт.

Использование новой операции - последовательного изменения энергии сгруппированного электронного пучка от его конца к началу, происходящее одновременно у всех электронов пучка в системе отсчета К'. сопровождающей сгустки после изменения энергии, позволяет добиться перестройки частоты электромагнитных волн в широких пределах. Прототипом такое изменение энергии не предусмотрено.

Изобретение может быть использовано в радиолокации. Оно позволяет преобразовать излучение в субмиллиметровый диапазон длин волн. Достоинством является то, что рабочая частота легко может перестраиваться путем изменения ускоряющего пучок поля. (56) Сергеев А. С и Сморгонский А. В. К теории лазеров на свободных электронах с переменными параметрами. Известия вузов, Радиофизика, т. 30, N 9, 1987, с. 1130-1137.

Авторское свидетельство СССР 1082221, кл. Н 01 J 25/00, 1989.

Область применения: способ перестройки частоты относится к технике СВЧ, включая миллиметровый и субмиллиметровый диапазон длин волн, и может быть использован для изменения частоты импульсного электромагнитного излучения, что может найти применение в радиолокации. Сущность изобретения: для изменения частоты сгруппированный электромагнитным излучением первичной частоты пучок, электроны которого имеют энергию γ₁ ускоряют последовательно от его конца к началу до тех пор, пока все электроны преобретают энергию γ₂ . Затем осуществляют излучение пучком электромагнитной волны измененной частоты. 1 ил.

СПОСОБ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на группировании электронного пучка в сгустки электромагнитным излучением первичной частоты, изменении энергии всех электронных сгустков и последующем отборе высокочастотной мощности, запасенной на пучке, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона перестраиваемых частот, изменяют последовательно от конца пучка к его началу на одинаковую величину энергию электронов в сгустках, так что в лабораторной системе отсчета электроны ускоряются не одновременно, а в системе отсчета K', сопровождающей сгустки после изменения энергии, это изменение энергии происходит одновременно, при этом измененная частота излучения определяется выражением
f₂= f
где f₁ и f₂ - частота электромагнитного излучения до и после перестройки;
γ₁ и γ₂ - начальная и конечная энергия электронов соответственно.