ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ С МПФС Российский патент 1997 года по МПК H01J25/42 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к лампам бегущей волны (ЛБВ) О-типа с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС).

Известны конструкции ЛБВ с МПФС, в которых реализуется синусоидальное распределение магнитного поля за счет изменения намагниченности магнитов в соседних ячейках МПФС и выбора соответствующих размеров магнитов и наконечников (см. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М. Сов. радио, 1966, 456 с.).

Основным недостатком ЛБС с МПФС с синусоидальным распределением магнитного поля является наличие чередующихся областей устойчивой и неустойчивой фокусировки электронного пучка, характеризующихся так называемым параметром магнитного поля α, величина которого пропорциональна квадрату произведения амплитуды поля и его периода. На практике наибольшее распространение получила фокусировка в первой зоне устойчивости, для которой параметр магнитного поля меньше критического значения
a ≅ α_кр = 0,66 (1)
Для ЛБВ средней и высокой мощности коротковолновой части СВЧ-диапазона амплитуда магнитного поля, необходимая для получения пучка требуемого диаметра, часто оказывается столь высокой, что не может быть реализована при заданных конструктивных размерах магнитов, а увеличение последних приводит к нарушению требования (1). Фокусировка во второй и следующих зонах устойчивого формирования пучка в синусоидальном магнитном поле практически не применяется по причине большой величины пульсаций пучка, возникающих из-за недостаточной крутизны нарастания поля на границах соседних ячеек МПФС при больших периодах.

Описанных недостатков лишены известные системы фокусировки электронного пучка с помощью МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля за счет ввода высших гармонических составляющих (см. Бахрах Л.Э. Мурзин В.В. Беляев В.К. Исследование фокусировки электронных пучков МПФС с негармоническим распределением поля. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1978, вып. 10, с. 39-46).

Наиболее близким к заявляемому решению, которое реализует ЛБВ с МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля, является конструкция ЛБВ с МПФС, описанная в патенте США N 2867745, кл. 315-3,5, опубликованном в 1959 г. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.

В этой конструкции создание высших гармонических составляющих в МПФС обеспечивается посредством размещения в пространстве под магнитом дополнительных дисков, выполненных из магнитомягкого материала.

Недостатком такой конструкции является сильная зависимость величины каждой из высших гармонических составляющих индукции магнитного поля от взаимного расположения и геометрических размеров дополнительных элементов и отсутствие готовых методов математического расчета этих параметров. Это приводит к усложнению конструкции лампы и к значительной трудоемкости экспериментального подбора требуемого распределения индукции магнитного поля на оси прибора.

Целью предлагаемого изобретения является повышение токопрохождения в ЛБВ с МПФС с несинусоидальным магнитным полем за счет увеличения эффективной фокусирующей величины последнего и обеспечения требуемого уровня его гармонических составляющих.

Цель достигается тем, что в ЛБВ с МПФС, состоящей из аксиально-намагниченных кольцевых магнитов и полюсных наконечников из магнитомягкого материала, по крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ-энергии, состоит из примыкающих друг к другу секций, каждая из которых содержит не менее трех магнитов с однонаправленной в осевом направлении намагниченностью, причем намагниченность магнитов в соседних секциях имеет противоположное направление. Магниты и наконечники, входящие в состав каждой секции, формируют один полупериод фокусирующего поля МПФС. Отметим, что полюсные наконечники, разделяющие секции и наконечники между магнитами в пределах каждой секции могут иметь в частном случае одинаковую толщину. Изменение уровня намагниченности отдельных магнитов, входящих в одну секцию, позволяет просто и без изменения размеров конструктивных элементов магнитной системы реализовать самые различные соотношения гармонических составляющих в распределении осевой компоненты магнитной индукции, а чередование секций с противоположной намагниченностью магнитов обеспечивает ее периодичность.

В ЛБВ с традиционной синусоидальной МПФС эффективное (среднеквадратичное) значение магнитного поля B_эфф связано с единственной гармоникой поля B соотношением
B_эфф=0.707B,
а для заявляемой конструкции

где B_n амплитуды отличных от нуля гармоник магнитного поля. Среднее заполнение пучком пролетного канала (в/a), обратно пропорциональное эффективному значению магнитного поля
(в/a) ≈ 1/B_эфф
в заявляемой конструкции меньше за счет большей величины B_эфф. Так как токопрохождение пучка определяется, в первую очередь, заполнением пучка в пролетном канале, то в заявленной конструкции (при одинаковых конструктивных размерах) токопрохождение улучшается. Малые амплитуды пульсаций пучка обеспечивается выбором требуемых амплитуд высших гармонических составляющих поля.

На фиг. 1 схематически изображена ЛБВ с МПФС заявляемой конструкции. ЛБВ содержит область пролетного канала 1 и МПФС, состоящую из магнитных секций 2, выполненных из кольцевых магнитов 3 с однонаправленной намагниченностью, разделенных между собой полюсными наконечниками 4. Магниты 3 в каждых двух соседних секциях имеют противоположную намагниченность.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения заявляемой конструкции, в которой магнитные секции введены только на выходном участке пространства взаимодействия, примыкающем к выводу СВЧ энергии.

Экспериментальные измерения диаметра электронного пучка в ЛБВ с синусоидальной МПФС и в ЛБВ с МПФС заявляемой конструкции (фиг. 1), представленные на фиг. 3, показывают, что в последней пучок имеет меньшие поперечные размеры при одинаковых амплитудных значениях магнитного поля.

На фиг. 4 представлены результаты расчетов в динамическом режиме электронного пучка 1 и токооседания 2 по длине ЛБВ средней мощности коротковолновой части СВЧ диапазона с МПФС заявляемой конструкции, изображенной на фиг. 1.

Результаты аналогичных расчетов для варианта конструкции, изображенного на фиг. 2, показаны на фиг. 5.

На фиг. 6 показаны результаты расчетов электронного пучка и токооседания в ЛБВ с обычной синусоидальной МПФС.

Сравнительный анализ расчетов на фиг. 4, 5 и 6 показывает, что уровень динамического токооседания в ЛБВ с МПФС предлагаемой конструкции существенно (почти в три раза) меньше, чем в ЛБВ с синусоидальной МПФС. Отметим, что уменьшение токооседания, обусловленного динамической расфокусировкой, особенно важно в широкополосных ЛБВ из-за его существенного изменения по диапазону.

Новым положительным свойством конструкции является повышение эффективности юстировки при настройке ЛБВ на максимальное токопрохождение при повороте магнитов вокруг оси. Так как каждый полупериод фокусирующего магнитного поля формируется несколькими магнитами и наконечниками, нахождение их оптимального азимутального взаиморасположения позволяет уже при прохождении пучком следующего полупериода поля уменьшить отклонение пучка от оси пролетного канала, вызванноге поперечными составляющими поля, появляющимся из-за неточностей сборки и неоднородности материала магнитов.

Таким образом, предлагаемая конструкция ЛБВ с МПФС не приводит к усложнению конструкции ЛБВ с синусоидальной МПФС, но обладает следующими преимуществами:
улучшение токопрохождения в статическом режиме работы лампы вследствие повышения значения эффективного фокусирующего поля;
эффективное снижение динамической расфокусировки пучка и повышение токопрохождения в динамическом режиме;
повышение эффективности юстировки ЛБВ.

Использование: в электровакуумных приборах СВЧ, в частности в лампах бегущей волны (ЛБВ) О-типа с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС). Сущность изобретения: ЛБВ содержит область пролетного канала МПФС, состоящую из аксиально намагниченных кольцевых магнитов и полюсных наконечников из магнитомягкого материала. Для повышения токопрохождения за счет увеличения эффективной фокусирующей величины магнитного поля и обеспечения требуемого уровня его гармонических составляющих по крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ-энергии, состоит из примыкающих друг к другу секций. Каждая секция содержит не менее трех магнитов с однонаправленной в осевом направлении намагниченностью. Магниты в каждых двух соседних секциях имеют противоположную намагниченность. 6 ил.

Лампа бегущей волны с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из аксиально намагниченных кольцевых магнитов и полюсных наконечников из магнитомягкого материала, отличающаяся тем, что по крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ-энергии, состоит из примыкающих друг к другу секций, каждая из которых содержит не менее трех магнитов с однонаправленной в осевом направлении намагниченностью, причем намагниченность магнитов в соседних секциях имеет противоположное направление.