ВЫХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА Российский патент 1997 года по МПК H01J25/00 

Отбор энергии электронного потока в квазиоптических приборах клистронного типа производится в открытой резонансной системе, состоящей из открытого резонатора того или иного типа, в котором расположена металлическая пластина, создающая резкий скачок амплитуд переменного поля, на которой электронный сгусток, при правильном выборе фазы вылета, отдает свою кинетическую энергию переменному полю электромагнитных резонансных колебаний [1, 2] Однако при этом для получения высоких значений КПД электронный сгусток должен отдать большую часть своей энергии за время, сравнимое с периодом резонансных колебаний. Это требует большого значения амплитуды напряженности переменного поля и добротности резонатора, что чревато опасностью высокочастотного пробоя и разрушения поверхности зеркал, приводит к выходу усилителя или генератора из строя.

Для борьбы с этим явлением в клистронных приборах используют многосекционный выходной резонатор, позволяющий снизить напряженность поля в нем за счет увеличения количества этапов отбора энергии электронов [3] (прототип). К недостаткам данного устройства относится использование в нем объемных резонаторов, которые в миллиметровом и более коротковолновом диапазонах длин волн становятся настолько малыми, что их применение становится практически невозможным.

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

Целью изобретения является уменьшение амплитуды поля в выходном резонаторе прибора и увеличение рабочей частоты устройства.

Схема резонатора с распределенным отбором энергии электронного потока изображена на фиг.1. Он состоит из двух сферических зеркал 1, в пространстве между ними возбуждена резонансная стоячая электромагнитная волна, поле которой ограничено каустической поверхностью 2. Электронный поток 4, сформированный и предварительно сгруппированный в устройстве 3, встреливается в поле ОР параллельно вектору напряженности электрического переменного поля и пролетает через последовательность диафрагм 5 с отверстиями. Отработанные электроны попадают на коллектор 6, который может быть расположен как в поле резонатора (а), так и вне его (б).

В описываемом примере мы ограничимся одноэлектронным рассмотрением частного случая конфигурации диафрагм и их взаимного расположения, при которых происходит наиболее эффективный отбор энергии электрона. Пусть в резонатор периодически встреливаются достаточно узкие сгустки или отдельные электроны с временным интервалом в 2π Электроны, влетая в адиабатически слабо нарастающее поле ОР, движутся с замедляющейся средней скоростью [4] при этом амплитуда продольных осцилляций скорости возрастает. Расположим первую диафрагму в поле ОР так, чтобы частица попала в отверстие в ней в момент своей наименьшей скорости. Полагая зависимость поля от времени и координаты в виде e(χ)sinΦ, где ε = e_oE/(m_oων_o) нормированная амплитуда напряженности поля, e_o, m_o, ν_o заряд, масса и скорость влета электрона, ω круговая частота поля, c = ωx/ν_o нормированная продольная координата, Φ = ωt фаза поля, t текущее время, нетрудно получить, что фаза влета в первую диафрагму есть Φ₁ = 0 а скорость влета равна нормированная скорость частицы, ε амплитуда волны слева от 1-й диафрагмы. Здесь и далее нижний индекс у переменных обозначает номер диафрагмы, а верхний индекс "+" или "-" обозначает ее правую или левую окрестность соответственно. Для упрощения оценок положим также, что амплитуды полей e вблизи всех диафрагм одинаковы.

Вначале рассмотрим приближение, в котором поле в отверстиях диафрагм отсутствует. Толщину n-й диафрагмы выберем из тех соображений, чтобы было полностью "заэкранировано" действие на электрон поля в течение нечетного числа полупериодов: Φ-n

= 0, Φ+n = (2k_n+ 1), k_п 0,1, Тогда соответствующая геометрическая толщина диафрагмы есть Δχ_n = (2k_n+ 1)πψ-n
Расстояние между n и n+1 диафрагмами определим из условия, чтобы замедление скорости электрона было максимальным: Φ-n+1 = Φ+n + (2m_n+ 1)π m_n 0,1, Для расчета геометрического расстояния между диафрагмами проинтегрируем дважды уравнение движения электрона в зазоре с начальными условиями ψ(π) = ψ+n = ψ-n ,χ(π) = χ+n:

Полагая в этих выражениях Φ = Φ-n+1 находим, что толщина междиафрагменного зазора есть Δχ_n,n+1 = (2m_n+ 1)π(ψ+n - ε) а изменение скорости электрона на одном каскаде равно -2ε
В частном случае минимальных размеров диафрагм и зазоров k_n m_n 0 получаем картину каскадного торможения электрона, изображенную на фиг.2. В этом случае скорость электрона, толщины диафрагм и зазоров убывают в арифметической прогрессии:

Рассмотрим энергетические характеристики взаимодействия. Если коллектор отработанных электронов расположен в поле ОР на оптимальном расстоянии от последней, N-й диафрагмы, то скорость вылета ψ_в электрона есть а КПД отбора энергии равен:

Полагая ψ_в = 0 находим напряженность поля ε^* (N), при которой происходит полный отбор энергии электрона в ОР с N диафрагмами: Поскольку для ОР без диафрагм [1, 2] то мы получаем уменьшение напряженности поля в раз. Для большого числа диафрагм, N>1, это отношение примерно равно 1,6N.

Для коллектора, расположенного вне ОР, ситуация несколько хуже, поскольку полностью остановить электрон не удается ввиду того, что, вылетая из резонатора, он набирает некоторую кинетическую энергию за счет ускоряющей квазипотенциальной силы Гапонова-Миллера [4] В этом случае

В предельном случае большого числа каскадов и малой напряженности поля (N>1, ε <1), когда можно пренебречь квадратичными кинематическими эффектами, оба случая положения коллектора сливаются и предыдущие выражения принимают вид:
Учет провисания переменного поля в отверстия диафрагм проведем в прямоугольной аппроксимации пространственного распределения амплитуды, т.е. будем считать, что в n-м отверстии поле изменяется по закону α_nεsinΦ где 0 ≅ α_n ≅ 1 некоторый постоянный коэффициент. Из анализа движения заряженных частиц в этом случае следует, что оптимальная толщина диафрагм увеличивается: Δχ_n = (2k_n+ 1)π(ψ-n

+ α_nε) поскольку средняя скорость частицы в отверстии больше, чем ранее. Кроме того, уменьшается величина погашения скорости электрона на одном каскаде: ψ-n+1- ψ-n = -2(1 - α_n)ε Эти эффекты, в свою очередь, приводят к уменьшению КПД энергообмена и к росту числа диафрагм N^*(ε) необходимых для остановки электрона при заданной величине поля:

В последних двух выражениях мы ограничились случаем малой амплитуды поля (N*>1) и одинаковых отверстий в диафрагмах: α₁ = ... = α_N* ≡ α.

Проведенный кинематический анализ каскадного отбора энергии электрона полем ОР показывает возможность существенного снижения напряженности поля в выходном резонаторе электронного усилителя или генератора. Использование открытой резонансной системы и диафрагм с достаточно малыми отверстиями позволяет использовать данное устройство для работы в приборах с частотой сигнала от СВЧ до инфракрасного диапазона.

Максимальная рабочая частота устройства определяется в первую очередь увеличением глубины провисания переменного поля в отверстия диафрагм с ростом частоты сигнала и соответствующим падением вследствие этого эффективности энергообмена и КПД устройства. Оценка максимальной частоты f_max работы выходного устройства в случае размеров отверстий в диафрагмах порядка 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 выходном устройстве могут быть использованы различные способы вывода электромагнитной энергии, например, через полупрозрачное покрытие зеркал, через систему щелевых или круглых отверстий на зеркале, дифракционным методом, когда полезное излучение снимается за счет того, что размеры зеркала меньше поперечных размеров резонансной волны.

Примеры конкретного выполнения диафрагменной решетки для выходного устройства миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн для потенциала потока 10 кВ и различных фазовых толщин приведены в табл. 1, где d толщина диафрагмы, D расстояние между диафрагмами. При этом d и D выражаются в мм для случая λ 10 мм, U_o 10 кВ, l_e 1,98 мм и d и D выражаются в мкм для λ 10 мкм (l_e 1,98 мкм), λ_e электронная длина волны.

Из этой таблицы видно, что один и тот же эффект уменьшения напряженности поля можно достигнуть при достаточно различных значениях толщин диафрагм, что позволяет использовать для изготовления выходного устройства те технологии, которые наиболее адекватны выбранному частотному диапазону (механическая обработка, ионно-лучевая эпитаксия и т.д.).

Литература
1. Алексеев Ю.К. Костиенко А.И. Физика процессов в усилителе на двухзеркальных открытых резонаторах // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1987, N6, с. 3 7.

2. Алексеев Ю.К. Сухоруков А.П. Каскадная группировка электронов в переменном поле // Вестн. МГУ. Сер.3. Физ. и астрон. 1994. Т. 35, N4, с. 15 - 25.

3. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Сб. статей под ред. А.Клэмпитта. М. Мир, 1974, с. 49.

4. Гапонов А.В. Миллер М.А. О потенциальных ямах для заряженных частиц в высокочастотном электромагнитном поле // ЖЭТФ. 1958.Т. 34, N1, с. 242 243.

Использование: электронная техника миллиметровых и более коротких длин волн, в частности генераторы и усилители электромагнитного излучения О-типа. Сущность изобретения: электродинамическая система выходного устройства выполнена в виде открытого резонатора, внутри которого находится решетка из одной или нескольких металлических диафрагм, расположенных параллельно оси резонатора, при этом в диафрагмах выполнено одно или несколько отверстий для пропускания электронного потока, коллектор же отработанных электронов расположен либо внутри резонатора, в этом случае он представляет собой диафрагму, параллельную оси резонатора, либо вне резонатора. 2 ил., 1 табл.

Выходное устройство электронного прибора, состоящее из резонансной электродинамической системы, устройства вывода электромагнитной энергии и коллектора отработанных электронов, отличающееся тем, что электродинамическая система выполнена в виде открытого резонатора, внутри которого находится решетка из одной или нескольких металлических диафрагм, расположенных параллельно оси резонатора, причем в диафрагмах выполнено одно или несколько отверстий для пропускания электронного потока, коллектор отработанных электронов расположен либо внутри резонатора, в этом случае он представляет собой диафрагму, параллельную оси резонатора, либо вне резонатора.