ЭЛЕКТРОННО - ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1996 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электронной технике миллиметровых и более коротких длин волн, может быть использовано в разработке и производстве генераторов электромагнитного излучения О-типа.

Известен клистрон и лампы бегущей и обратной волны, служащие для генерации или усиления электромагнитного сигнала. К недостаткам этих устройств относится использование для формирования переменного электрического поля, с которым взаимодействует электронный поток, объемных электродинамических систем, характерные размеры которых для нормальной работы прибора должны быть порядка или меньше длины волны излучения. Это ограничение не позволяет или значительно затрудняет использование таких устройств в коротком миллиметровом и субмиллиметровои диапазонах длин волн.

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ) (прототип), в котором в качестве электродинамической системы используется открытый резонатор, например типа Фабри-Перо, при этом на одном из зеркал резонатора расположена замедляющая структура, с полем пространственных гармоник которой взаимодействует электронный поток. Такое устройство работоспособно в миллиметровом и ближнем субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Общим конструктивным недостатком прототипа и аналогов является тот факт, что с целью создания достаточного для транспортировки электронного потока вакуума эти устройства полностью помещаются в металлическую или диэлектрическую оболочку, из которой после процедур очистки и обезгаживания производят откачку газов и которую затем герметически запаивают. Такое конструктивное выполнение электронных приборов приводит к повышенному расходу вакуумно-чистых дорогостоящих материалов, увеличивает вес устройства, излишне усложняет технологию изготовления и механику прибора. В частности, для осуществления механической настройки открытого резонатора приходится использовать ненадежные и резко ограничивающие диапазон перемещений и юстировки сильфонные устройства, отсутствует возможность замены подвижного зеркала, изменения элемента электромагнитной связи с подводящим электромагнитным трактом, затрудняется регулировка добротности резонатора или введение в него каких-либо дополнительных устройств, необходимых для оптимизации режима работы или для технических и научных применений прибора.

Целью изобретения является экономия вакуумно-чистых материалов, уменьшение веса устройства и упрощение его конструкции.

На чертеже приведена схема электронно-вакуумного устройства.

Устройство содержит сферическое зеркало 1 с отверстием 2 связи для вывода электромагнитной энергии, плоское зеркало 3 с нанесенной на него замедляющей структурой 4. Эмиттер 5 электронов испускает электронный поток 6, который, провзаимодействовав с полем пространственных гармоник замедляющей структуры, осаждается в коллекторе 7 отработанных электронов. Электронный поток 6 и замедляющая структура 4 со стороны сферического зеркала герметически закрыты газонепроницаемой диэлектрической пластиной 8, которая с помощью газонепроницаемого фланца соединена с кромкой зеркала 3.

Работа устройства происходит следующим образом. В режиме установившихся электромагнитных колебаний вблизи замедляющей структуры 4 (гребенки) на плоском зеркале возникают медленные волны пространственных гармоник поля, движущиеся вдоль и навстречу электронному потоку 6. Подбирая потенциал пучка 6, можно реализовать условия синхронизма электронов и поля той или иной медленной волны. В этом случае поток электронов эффективно отдает свою энергию электромагнитному полю открытого резонатора. Отработанные электроны осаждаются на стенках коллектора 7.

Для того, чтобы диэлектрическая пластина 8, помещенная в электродинамическую систему прибора, не ухудшала его работы, параметры пластины (диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь, толщина, чистота обработки поверхности и т.д.) должны удовлетворять следующему соотношению:
min >
(1) где q число полуволн между зеркалами резонатора; R₁ коэффициент отражения (по мощности) резонансной волны от системы диэлектрик 8 слой воздуха зеркало 1; R₂ коэффициент отражения рабочей волны от зеркала 3 с замедляющей структурой 4; Q* минимальная добротность резонатора без диэлектрика, при которой возможна генерация колебаний.

При выполнении соотношения (1) накопление поля в пространстве у гребенки 4 происходит достаточно эффективно для возбуждения электромагнитных колебаний при заданной величине тока электронного пучка, вносимые диэлектрической пластиной потери в открытый резонатор находятся в допустимых пределах, когда суммарные потери в резонаторе меньше энергетического вклада электронов пучка в резонансное поле.

Кроме того, пластина 8 должна быть достаточно прозрачной, чтобы связь между двумя образующимися частями открытого резонатора (пластина 8 плоское зеркало 3 и пластина 8 сферическое зеркало 1) была больше критической. В противном случае поле электромагнитных колебаний может не дойти до отверстия 2 связи и внешнего волноведущего тракта, усложняется частотная перестройка прибора и т.д.

При выборе материала и толщины пластины 8 должен быть учтен тепловой режим ее работы, зависящий от мощности и частоты генерируемого сигнала, способа функционирования устройства (импульсный или непрерывный, работа в режиме регенеративного усиления и т.д.), метода охлаждения прибора и т.п.

Использование газонепроницаемой диэлектрической пластины 8, соединенной газонепроницаемым фланцем с плоским зеркалом 3, позволяет значительно уменьшить вакуумированный объем устройства, который ограничивается лишь электронно-оптической системой, областью распространения электронного пучка, замедляющей структурой и коллектором. При этом все остальные поверхности электродинамической структуры, в том числе и подвижные, расположены вне вакуумированного пространства устройства. Указанная особенность выполнения прибора обеспечивает достижение цели экономии вакуум-чистых материалов, уменьшения веса устройства, упрощения конструкции и технологии его изготовления.

Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких длин волн, в частности генераторы электромагнитного излучения О - типа. Сущность изобретения: электронно - вакуумное устройство для генерации электромагнитных колебаний состоит из открытой резонансной системы, источника и коллектора электронов, замедляющей структуры на одном из зеркал резонатора. С целью экономии вакуумно-чистых материалов, уменьшения массы устройства и упрощения его конструкции над отражающей поверхностью зеркала с замедляющей структурой установлена прозрачная газонепроницаемая диэлектрическая пластина, которая при помощи газонепроницаемого фланца вакуумно - плотно соединена с кромкой плоского зеркала, в результате чего вакуумированный объем устройства значительно сокращен и включает в себя лишь область транспортировки электронного пучка, замедляющую структуру, эмиттер и коллектор электронов. Параметры пластины должны удовлетворять определенному соотношению. 1 ил.

ЭЛЕКТРОННО - ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащее открытую резонансную электродинамическую систему, источник электронов, замедляющую структуру на одном из зеркал резонатора, выполненном плоским, и коллектор электронов, отличающееся тем, что источник электронов, замедляющая структура на плоском зеркале резонатора и коллектор электронов расположены внутри полости, ограниченной внутренней поверхностью фланца, один торец которого вакуумно-плотно соединен с кромкой плоского зеркала резонатора, а другой торец закрыт прозрачной газонепроницаемой диэлектрической пластиной с образованием вакумно-плотного соединения, причем полость вакуумирована, а параметры диэлектрической пластины должны удовлетворять следующему соотношению:

где R₁ - коэффициент отражения (по мощности) резонансной полны от системы диэлектрик - воздух - зеркало;
R₂ - коэффициент отражения от зеркала с замедляющей структурой;
Q^* - минимальная добротность резонатора без диэлектрика, при которой возможна генерация колебаний;
q - число полуволн в резонаторе между зеркалами.