ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01J25/02 

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

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), в котором используется открытый резонатор в качестве электродинамической системы прибора, при этом на одном из зеркал резонатора расположена замедляющая структура, с полем которой взаимодействует электронный поток. К недостаткам ГДИ относится эффект "прижимания" пространственных гармоник поля к замедляющей структуре с укорочением длины волны, что требует применения тонких электронных потоков, точной их юстировки и в результате приводит к падению КПД и выходной мощности генератора, его неработоспособности в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Известен монотрон, в качестве электродинамической системы которого используется объемный резонатор с двухсеточным зазором взаимодействия продольного электрического переменного поля и электронного потока. Преимуществом этого прибора является возможность использования широкого электронного потока, недостатком формирование электромагнитного поля в пространстве взаимодействия с помощью объемного резонатора, размеры которого должны быть порядка рабочей длины волны, что делает практически невозможным работу этого устройства в миллиметровом и более коротковолновом диапазонах длин волн.

Целью изобретения является увеличение рабочей частоты и эффективности устройства, расширение диапазона частотной перестройки и повышение мощности выходного сигнала.

На фиг. 1-4 приведена схема источника электромагнитного излучения.

Электронный поток 7, испускаемый эмиттером 6, пролетая через прорези-коллиматоры 8, попадает в переменное поле щелевого пространства взаимодействия 4, поле в котором связано с резонансным полем открытого резонатора, образованного плоским 1 и сферическим 2 зеркалами. Из области взаимодействия электронный поток 7 вылетает через прорези-коллиматоры 9. Отработанные электроны попадают в коллектор 10. Если электронный поток достаточно разрежен, то в качестве коллектора может служить одна из стенок щелевого пространства взаимодействия 4 (см. фиг. 2, б). Связь электродинамической системы устройства с внешними волноведущими трактами осуществляется через устройство связи 3 в сферическом зеркале 2.

Глубина щели 4, в которой происходит взаимодействие электронного потока с переменным электромагнитным полем, кратна полуцелому числу длин волн на рабочей частоте прибора. В этом случае присутствие щели на поверхности зеркала 1 открытого резонатора практически не изменяет распределения амплитуды поля резонансного колебания и незначительно изменяет добротность электродинамической структуры. Щелевое пространство взаимодействия 4 заканчивается отражающим поршнем 5 (см. фиг. 4) плоскопараболической или иной формы, подвижным в случае перестраиваемой частоты генерации прибора. Форма поршня 5 должна совпадать с поверхностью равных фаз резонансной волны в щели и рассчитывается отдельно для каждого разрабатываемого устройства.

Прорези-коллиматоры 8 матричного автокатода на боковой поверхности 11 щелевого пространства взаимодействия в случае перестраиваемой частоты генерации могут быть расположены в шахматном порядке так, что их проекция на вертикальную ось не имеет зазоров (см. фиг. 3, а). В этом случае при изменении частоты колебаний в области максимального поля стоячей волны электродинамической системы прибора всегда находится один или несколько лучей электронного потока, обеспечивающих генерацию сигнала, что обусловливает равномерность амплитудно-частотной характеристики устройства.

Если генератор имеет фиксированную частоту сигнала, то его эффективность можно поднять, расположив все прорези-коллиматоры 8 матричного автокатода в области максимального поля стоячей волны (см. фиг. 3, б), т.е. на расстоянии λ/4 + n λ /2 от кромки зеркала открытого резонатора, где n натуральное число, а λ длина волны.

Длина прорези выбирается такой, чтобы ее торцевые участки были вне резонансного поля электродинамической структуры.

Диафрагмы с прорезями 8 и 9 обрезают адиабатически плавное распределение амплитуды переменного поля вдоль электронного потока и тем самым создают условия для эффективной модуляции скорости потока и отбора энергии у электронных сгустков. Отверстия должны быть достаточно малыми в поперечном направлении и достаточно протяженными в продольном направлении (порядка λ_e), чтобы эффективная длина l_n, n 1, 2, проникновения в них переменного поля была меньше электронной длины волны λ_e). Если позволяет температурный режим работы генератора, то роль коллектора может выполнять боковая поверхность щели (см. фиг. 2, б), в этом случае эффективная длина l₂ проникновения поля совпадает с толщиной скин-слоя электромагнитной волны в материале боковой стенки.

Электронный КПД η прибора, работающего в режиме фиксированной частоты и максимальной эффективности с электронной матрицей (см. фиг. 3, б), определяется выражением
η 2a₂ε₂ J₁(a₁ε₁θ₀M_e)sinθ_o- a₂ε₂I₂(2a₁ε₁θ_oM_e)cos2θ_o (1)
где a_n exp(-2l_n/ λ_e), n 1 и 2 для прорезей-коллиматоров 8 и 9 соответственно;
l_n эффективная длина проникновения переменного поля в эти отверстия;
λ_e электронная длина волны;
ε_n η_e E_n / (ω V_o)
η_e удельный заряд электрона;
E_n амплитуда переменного поля на n-м отверстии;
θ_o пролетный угол электрона;
J_n функция Бесселя n-го порядка;
ω круговая частота сигнала;
v_o начальная скорость электронов;
М_е параметр пространственного заряда;
M_e= sin()/()(1-))
(2) где нормированная плазменная частота электронов;
n_ej_o/(ω²ε_ov_o)
(3) где j_o плотность тока в электронном потоке;
ε_o диэлектрическая проницаемость вакуума.

Оценки показывают, что η_max 66 если же а₁ а₂, ε₁ ε₂, т.е. одинаковы амплитуда и крутизна входной и выходной ступенек переменного поля в щели, то η_max ≈ 30
Для оценки l_n прорезей 8 и 9 с поперечными размерами, значительно меньшими длины волны λ можно воспользоваться соотношениями
l_n ≈ b_n/5 (4) для круглых отверстий диаметром b_n и
l_n≈ b_n/3 (5) для щелевидных отверстий с шириной щели b_n. Для случая, изображенного на фиг. 2, б, l₂ l_скин толщина скин-слоя в материале стенки щели.

Пусковой ток прибора I^start в одночастотном режиме работы с электронной матрицей (см. фиг. 3, б) оценивается выражением
I^start ≥1/(a₁a₂ γ κ₂ θ_osin θ_oM_eU_o), (6) где γ отношение амплитуд поля на входной прорези 8 и выходной 9 прорези;
U_o потенциал потока;
κ₂ характеристика резонатора, определяемая приближенным выражением
κ₂= 2/(ωv_od _k(1-r))
(7) где Z_o импеданс вакуума;
r коэффициент отражения (по мощности) от зеркал;
d_к диаметр каустики резонансного поля в электродинамической структуре.

Режим максимального электронного КПД прибора достигается при γ_opt 2,7/ θ_o, значение пускового тока в этом случае определяется соотношением
Istartopt

≥ 0,37/(a₁a₂ κ₂ M_eU_o). (8)
Для источника излучения с электронной матрицей, изображенной на фиг. 3, а, выражение для КПД имеет вид:

В этом случае электронная эффективность примерно на 1/3 меньше, чем ранее, а пусковой ток вдвое больше значения, определяемого выражением (6) или (8).

Максимальная рабочая частота устройства определяется в первую очередь увеличением глубины провисания переменного поля во входной 8 и выходной 9 прорезях с ростом частоты сигнала и соответствующим падением вследствие этого эффективности энергообмена и КПД устройства. Оценка максимальной частоты генерируемого устройством сигнала по критерию a₁ a₂1/e ≈ 1/3 в случае применения типичных матричных автокатодов с размерами отверстий 1 мкм дает значение f_max 28 ТГц ( λ_min 11 мкм) для U_o 1 кВ и f_max 89 ТГц ( λ_min 3,4 мкм) при U_o 10 кВ.

В устройстве могут быть также использованы катоды и электронные пучки других типов и форм, например термокатоды, однолучевые и многолучевые электронные потоки круглого, кольцевого или иного поперечного сечения. При работе в диапазоне коротких длин волн, когда ширина щели достаточно мала, возможна транспортировка электронного потока и генерация электромагнитных колебаний без фокусирующего магнитного поля, что определяется в каждом конкретном случае соответствующими расчетами условий распространения электронного пучка через пространство взаимодействия.

В источнике излучения могут быть использованы другие способы вывода электромагнитной энергии, например через полупрозрачное покрытие зеркала 2, через систему щелевых или круглых отверстий на этом зеркале, дифракционным методом, когда полезное излучение снимается за счет того, что размеры зеркала 2 или 1 меньше поперечных размеров резонансной волны. Если же полезный сигнал направляется из источника излучения в световод или диэлектрический волновод, то вывод энергии возможен через то или иное устройство связи в отражающем поршне. В этом случае сферическое зеркало 2 может отсутствовать, вместо него возможно использование отражающей пластины, замыкающей сверху щелевое пространство взаимодействия, форма пластины определяется поверхностью равных фаз рабочей волны в щели.

Для обеспечения технологии изготовления особо тонкого щелевого пространства взаимодействия либо для других целей возможно частичное или полное заполнение щели диэлектриком с выполненными отверстиями для электронных лучей.

Для понижения стартового тока генератора либо для увеличения мощности выходного сигнала при работе устройства в импульсном режиме возможно использование оптических затворов и метода модуляции добротности электродинамической системы источника электромагнитного излучения.

Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких волн, в частности генераторы электромагнитного излучения О-типа. Сущность изобретения: электродинамическая система устройства выполнена в виде открытого резонатора, при этом на одном из его зеркал выполнена щелевая полость с отражающими боковыми поверхностями, между которыми установлен отражающий поршень и на которых выполнены прорези-коллиматоры. Источник электронов размещен в корпусе одного из зеркал, ось источника ориентирована перпендикулярно оси открытого резонатора. Отверстия - коллиматоры на стенке щели расположены в определенном порядке, различном для источника излучения с максимальной полосой перестройки и генератора с максимальной эффективностью на фиксированной частоте сигнала. 4 ил.

ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий открытый резонатор, выполненный из двух соосных зеркал, источник электронов, ось которого сориентирована перпендикулярно оси открытого резонатора, отличающийся тем, что в одном из зеркал выполнена щелевая полость с отражающими боковыми поверхностями, между которыми установлен отражающий поршень и на которых выполнены прорези-коллиматоры, источник электронов размещен в корпусе одного из зеркал, при этом расстояние от отражающей поверхности зеркала до каждой прорези-коллиматора выбрано равным λ/4+nλ/2, где λ = 2L/m, L - расстояние между зеркалами открытого резонатора, n - порядковый номер прорези на отражающей поверхности зеркала, m ≥ 1 - целое число.