СПОСОБ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ Российский патент 1995 года по МПК H01J23/26 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронных устройствах с взаимодействием О-типа.

Известен способ взаимодействия электромагнитной волны с электронными пучками [1] в котором фронт электромагнитной волны распространяется с замедленной фазовой скоростью вдоль оси спиралеобразного проводника. Недостатками данного способа являются высокие потери энергии, обусловленные необходимостью пропускать электронный пучок в непосредственной близости от проводника, а также ограниченный спектральный диапазон электромагнитных волн.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ взаимодействия электромагнитной волны с электронными пучками [2] в котором электронный пучок пропускается через замедляющую структуру в виде многозаходной спирали. Недостатком данного способа также является ограниченный спектральный диапазон электромагнитных волн и высокие потери энергии.

Цель изобретения расширение спектрального диапазона электромагнитных волн.

Цель достигается тем, что взаимодействие электронного пучка и электромагнитной волны осуществляется в замедляющей структуре в виде полого цилиндра с нанесенными на его внутреннюю поверхность спиральными канавками гладкого вогнутого профиля, образующими открытый спиралеобразный резонатор, при этом число канавок четное, а профили канавок имеют различные радиусы кривизны.

Замедленное перемещение образующихся каустик по спиралеобразной траектории позволяет, в отличие от прототипа, осуществить взаимодействие волны с электронным пучком во всем объеме замедляющей структуры. При этом ее геометрические размеры могут достигать многих длин волн и таким образом спектральный диапазон может быть расширен в область более коротких длин волн, что подтверждает достижение цели.

Кроме того, выполнение в замедляющей структуре четного числа канавок с различной кривизной позволяет осуществлять взаимодействие одновременно с несколькими пучками различного сечения. При этом в каждом пучке электроны могут распространяться не только прямолинейно (как в прототипе), но и по спиралеобразной траектории попутно или навстречу спиральным канавкам.

С целью расширения области применения за счет использования электронных пучков произвольной конфигурации радиусы кривизны R₁ и R₂ канавок, образующих открытый спиралеобразный резонатор, выбирают из условия
d (1) где D диаметр замедляющей структуры; d диаметр электронного пучка.

Выполнение замедляющей структуры с четным числом канавок и различными радиусами кривизны позволяет возбуждать в замедляющей структуре электромагнитное поле такой конфигурации, при которой максимальная его плотность достигается в точках пространства, лежащих на цилиндрической поверхности, расположенной коаксиально замедляющей структуре. Следовательно, наиболее эффективное взаимодействие в этом случае будет происходить с электронным пучком, имеющим поперечное сечение, равное сечению этой цилиндрической поверхности.

Соотношение (1) получено из следующих рассуждений. Рассмотрим резонатор с зеркалами различного радиуса кривизны R₁ и R₂ и расстоянием между ними D. Каустика поля в таком резонаторе будет иметь перетяжку на некотором расстоянии от его центра. Обозначим это расстояние как d/2, а расстояния от перетяжки до зеркал как Z₁ и Z₂. Получим следующую систему уравнений:
(2) где K π ω²/λ; ω ширина гауссова пучка в перетяжке; λ длина волны.

Из системы (2) получим соотношение для d в виде (1). Учитывая, что в перетяжке вектор электрического поля будет коллинеарен оси замедляющей структуры и, следовательно, направлению движения электронов, а сама перетяжка при распространении каустики по спиралеобразному резонатору будет описывать траекторию, лежащую на цилиндрической поверхности диаметром d, получим, что наиболее эффективное взаимодействие с полем будет происходить для электронов, распространяющихся на расстоянии d/2 от центральной оси замедляющей структуры. Меняя радиусы кривизны канавок, можно, следовательно, использовать электронные пучки с произвольным сечением в диапазоне от близкого к нулевому до близкого к внутреннему диаметру замедляющей структуры, чем и обусловливается достижение поставленной в п.2 цели.

Кроме того, если, согласно п.3, одну из двух канавок, образующих открытый спиралеобразный резонатор, выполнить с достаточно большим радиусом кривизны, то каустика волны будет вблизи этой канавки наиболее узкой. Поэтому при вводе-выводе волны через эту канавку требуются отверстия минимального размера и волна имеет оптимальную диаграмму направленности. Это обуславливает достижение дополнительного положительного эффекта-уменьшения потерь электромагнитной энергии.

В результате проведенных патентных исследований известных технических решений, содержащих отличительные признаки предложения, не установлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

На чертеже показана используемая в предлагаемом способе замедляющая структура.

На чертеже обозначены: 1 фрагмент замедляющей структуры в разрезе; 2 канавки двух соседних заходов спирали; 3 одно из отверстий для ввода-вывода волны.

Способ осуществляют следующим образом. Через одно из отверстий 3 возбуждают в замедляющей структуре 1 электромагнитное поле, которое будет локализовано внутри каустик, образующихся в результате дифракции поля на канавках, выполняющих функцию винтообразных фокусирующих зеркал. Каустики дифрагированного поля при перемещении вдоль замедляющей структуры вращаются, и поле заполняет все пространство внутри нее. При этом вектор напряженности электрического поля коллинеарен оси замедляющей структуры. В этом же направлении пропускают электронный пучок (на чертеже не показан). Усиленная волна выводится через второе отверстие ввода-вывода (на чертеже не показано).

Способ имеет широкую область применения за счет низких потерь энергии, возможности в широких пределах менять геометрию взаимодействия волны с электронными пучками и, соответственно, элементы конструкции и режимы работы, и может быть реализован в электронных приборах различного назначения (лампы бегущей волны и др.).

Область применения: электронная техника, в частности электронные приборы пролетного типа. Сущность изобретения: в способе взаимодействия электромагнитной волны с электронными пучками, в котором пучок пропускают внутри замедляющей структуры в виде полого цилиндра, на внутренней стенке которого нанесена многозаходная спиральная канавка с гладким вогнутым профилем, и возбуждают в замедляющей структуре электромагнитное поле, дополнительно у каждой пары заходов выполняют канавки с различными радиусами кривизны, используя при этом электронный пучок, поперечное сечение которого определяется как функция параметров замедляющей структуры, дополнительно осуществляют ввод и вывод электромагнитной волны через отверстия в канавке с большим радиусом кривизны. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ включающий пропускание электронного пучка через спиралеобразную замедляющую структуру и возбуждение в ней электромагнитной волны, отличающийся тем, что замедляющая структура выполнена в виде полого цилиндра с нанесенными на его внутренней поверхности спиральными канавками гладкого вогнутого профиля, образующими спиралеобразный резонатор, при этом число канавок четное, а профили канавок имеют различные радиусы кривизны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что радиусы кривизны R₁ и R₂ канавок, образующих открытый спиралеобразный резонатор, выбирают из условия

где D диаметр замедляющей структуры;
d диаметр электронного пучка. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ввод и вывод волны осуществляют через отверстия в одной из двух канавок, образующих открытый спиралеобразный резонатор, радиус кривизны которой выбирают немного большим, чем радиус кривизны другой канавки.