МОНОТРОН Российский патент 1998 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.

Известен классический монотрон [1], в котором электронный поток взаимодействует с переменным полем объемного резонатора тороидальной или иной формы. Основным недостатком этого устройства является низкий КПД (около 20%), что объясняется невозможностью одновременной оптимизации в обычном монотроне процессов группировки электронов в сгустки и их энергообмена с переменным полем при равенстве амплитуд напряженности на входе и выходе резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является квазиоптический монотрон [2] (прототип), содержащий открытый резонатор в качестве электродинамической системы, элемент связи для вывода электромагнитной энергии, входную и выходную диафрагмы (сетки), ограничивающие пространство взаимодействия, источник и коллектор электронов. В этом устройстве возможно значительное увеличение КПД энергоотбора за счет выбора лучшего соотношения амплитуд поля на модулирующей и выходной диафрагмах. Однако степень фазовой компрессии и форма электронного сгустка в квазиоптическом монотроне также далеки от оптимального значения, что приводит к ограничению максимального КПД генератора (не более 66%) и большой величине стартового тока.

Задачей настоящего изобретения является создание каскадного монотрона - высокоэффективного источника электромагнитного излучения субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн. Эта задача решается за счет того, что в пространстве взаимодействия электронов и поля открытой электродинамической системы на пути электронного потока перпендикулярно Е-направлению электромагнитного поля расположены одна или несколько дополнительных модулирующих диафрагм с отверстиями для электронного потока, выполненных из материала или иного вакуумночистого материала. Размеры отверстий должны быть менее длины волны излучения, а толщины диафрагм и их взаимное расположение подбираются таким образом, чтобы электроны потока фокусировались в томрозящей фазе поля около выходной диафрагмы пространства взаимодействия.

Технический результат заключается в том, что введение в зазор взаимодействия на пути электронного потока модулирующих диафрагм с малыми отверстиями приводит к дополнительной модуляции средних скоростей электронов и каскадной группировке в переменном поле электродинамической системы. Каскадная группировка позволяет сформировать в тормозящей фазе поля на выходной диафрагме более совершенный электронный сгусток и, тем самым, повысить электронную эффективность и снизить стартовый ток монотрона.

На чертеже приведена схема примера конкретного выполнения монотрона. В рассматриваемом примере устройство содержит открытую резонансную электродинамическую систему, состоящую из сферического 1 и плоского 2 зеркал с элементом связи 3 для вывода электромагнитной энергии. Пространство взаимодействия 4 представляет собой прямоугольную канавку на плоском зеркале 2, ограниченную входной 5 и выходной 6 диафрагмами, с глубиной, кратной полудлине волны, длина канавки (в направлении, перпендикулярном чертежу) такова, что ее края выходят за границы пятна поля на плоском зеркале, а ширина определяется на основе нижеприведенных соотношений. В пространстве взаимодействия 4 расположены дополнительные металлические диафрагмы 7 с отверстиями для электронов, ориентированные параллельно диафрагмам 5 и 6. Электронный поток 8, испускаемый эмиттером 9, пройдя через диафрагмы 5, 7, 6, попадает в коллектор отработанных электронов 10.

Устройство работает следующим образом. Электроны пучка 8 через отверстие во входной диафрагме 5 попадают в пространство взаимодействия 4, в котором возбуждено переменно поле с вектором электрической напряженности, параллельным скорости электронов. Дополнительные диафрагмы 7 с малыми отверстиями нарушают пространственную однородность распределения поля в пространстве взаимодействия 4, приводя тем самым к появлению модуляции средних скоростей электронов на каждой диафрагме и их каскадной группировке в переменном поле резонатора. Сформированный сгусток электронов отдает запасенную энергию в тормозящей фазе переменному полю электродинамической системы и затем, через отверстие в выходной диафрагме 6, попадает в коллектор отработанных электронов 10, где рассеивает остаток своей кинетической мощности.

В предположениях, что входная диафрагма 5 находится вне резонансного поля, n - 1 дополнительные диафрагмы 7 - достаточно тонки, чтобы можно было пренебречь различием амплитуд полей справа и слева от них, а отверстия в диафрагмах малы, КПД η монотрона имеет следующий вид:

где
нормированная амплитуда напряженности переменного поля у выходной диафрагмы, ω - круговая частота сигнала, e₀, m₀, v₀ - заряд, масса и начальная скорость электрона,

J_p - функция Бесселя порядка p, параметр группировки в зазоре между i-й и j-й дополнительными диафрагмами, ξ_i - коэффициент "использования напряжения" на i-й диафрагме, равный E_id_i/U₀, E_i, d_i - амплитуда напряженности поля у i-й диафрагмы и ее толщина, U₀ - потенциал потока, коэффициент эффективности модуляции, θ_i≡ ωd_i/v₀,θ_ij - угол невозмущенного пролета от i-й до j-й диафрагмы.

Пусковой ток I монотрона определяется выражением

где
k_n - параметр, пропорциональный добротности резонатора, связывающий мощность сигнала P, возбуждающего поле в резонаторе, с амплитудой ε_n электрического поля на выходной диафрагме: γ_i≡ E_i/E_n.
Анализ выражений (1), (2) показывает, что возможности формирования оптимального сгустка и повышения КПД электронного потока аналогичны случаю многорезонаторного клистрона, а пусковой ток при правильном расположении дополнительных диафрагм 7 (например, при γ_i= γ₁,θ_in~θ_ln,cosθ_in= 1, i = 1,2,...,n-1) ) уменьшается в n - 1 раз в сравнении со случаем однозазорного монотрона [3].

Так, например, если для однозазорного 8-мимиллиметрового монотрона с потенциалом потока 10 кВ, глубиной щели 4 пространства взаимодействия 4 мм, расстоянием между диафрагмами 4 и 6 в 2 мм, диаметром отверстий в диафрагмах 0,6 мм, диаметре каустики поля на плоском зеркале 20 мм, добротности резонатора 15000 при расстоянии между зеркалами 40 мм, отношением амплитуд переменного поля на входной 5 и выходной 6 диафрагмах, равном единице, плотности тока в потоке 200 А/см² стартовый ток равен примерно 400-600 мА, то добавление одной дополнительной модулирующей диафрагмы позволяет уменьшить пусковой ток вдвое (200-300 мА), двух диафрагм - втрое (130-200 мА) и т.д. При этом КПД растет и определяется на основе вышеприведенных соотношений.

Возможны и другие примеры конкретного выполнения монотрона. Например, зеркала 1, 2 могут быть сферической, параболической, желобковой или иной формы, вогнутые или выпуклые. Зазор взаимодействия 4 с диафрагмами 5, 6, 7 может располагаться в области пространства между зеркалами 1, 2, заполненной резонансной волной. Электродинамическая система описываемого монотрона может содержать одно, два, три и более зеркал, например, когда в генераторе используется многозеркальный резонатор или лучевод.

Возможно использование одно- и многолучевых электронных пучков, в последнем случае в диафрагмах 5, 6, 7 должно быть выполнено соответствующее количество отверстий для электронов, а глубина щели может многократно превышать рабочую длину волны. В качестве эмиттера электронов могут быть использованы термокатоды, фото- и автоэмиссионные катоды и т.п. Необходимость использования в монотроне фокусирующего магнитного поля решается в каждом отдельном случае проведением соответствующих расчетов условий транспортировки электронов через пространство взаимодействия.

Указанные особенности выполнения устройства обеспечивают решение поставленной задачи - повышение электронной эффективности и выходной мощности, а также снижение пускового тока генерации монотрона.

Литература
1. Лопухин В.М. Возбуждение электромагнитных колебаний и волн электронными потоками. - М.: ГИТТЛ. - 1953. - 324 с.

2. Алексеев Ю.К., Костиенко А.И. Квазиоптический монотрон. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1987. - 10(404). - С. 16-21. (Прототип).

3. Алексеев Ю. К., Негирев А.А., Романуша Е.И. Исследование выходных и стартовых характеристик квазиоптического монотрона. М.: МГУ. - 1992. - 68 с. - Деп. в ВИНИТИ 24.02.93 448-В93.

Монотрон состоит из открытой электродинамической системы, элемента связи для вывода сигнала, источника и коллектора электронов, входной и выходной диафрагм, ограничивающих пространство взаимодействия. Повышение КПД и уменьшение пускового тока генератора достигается за счет расположения в пространстве взаимодействия перпендикулярно Е-направлению электромагнитного поля одной или нескольких дополнительных модулирующих диафрагм с отверстиями для электронного потока. При этом размеры этих отверстий меньше длины волны излучения, а толщины и месторасположение диафрагм определяются условием фокусировки электронов потока в тормозящей фазе переменного поля на выходной диафрагме. 1 ил.

Монотрон, содержащий открытую электродинамическую систему, элемент связи для вывода электромагнитной энергии, эмиттер электронов, входную и выходную диафрагмы, ограничивающие пространство взаимодействия, коллектор отработанных электронов, отличающийся тем, что в пространстве взаимодействия перпендикулярно Е-направлению электромагнитного поля расположены одна или несколько дополнительных модулирующих диафрагм с отверстиями для электронного потока, причем размеры отверстий менее длины волны излучения, а толщины диафрагм и расстояния между ними выбраны такими, что выполняется условие фазовой фокусировки электронов в тормозящем полупериоде поля на выходной диафрагме пространства взаимодействия.