КАРСИНОТРОД Российский патент 1998 года по МПК H01J25/40 H01J25/46 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты.

Известен электровакуумный прибор СВЧ типа клистрод (1), включающий электронную пушку с катодом и с дополнительными электродами, предназначенными для модуляции эмиссии электронов с катода, выходной резонатор и коллектор электродов. При подаче на указанные электроды входного СВЧ-сигнала происходит модуляция эмиссии электронов с катода и образуются сгустки электронов, которые при пролете через выходной резонатор возбуждают в нем усиленные выходные колебания. Полоса рабочих частот такого прибора определяется полосой частот нагруженного резонатора, имеющей ограниченную величину, что является недостатком клистрода.

Наиболее близким к предлагаемому является лампа обратной волны (ЛОВ, карсинотрон) (2), включающая электронную пушку без модуляции эмиссии, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной и коллектор электронов. В карсинотроне возможна генерация электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты при изменении ускоряющего электроны напряжения между катодом и замедляющей системой в широкой полосе частот в десятки процентов, определяемой полосой рабочих частот замедляющей системы. Недостатком карсинотрона является невысокий КПД и соответственно выходная мощность, так как вылетающий с катода немодулированный электронный поток группируется в сильном поле обратной электромагнитной волны в начале замедляющей системы, а отдает энергию слабому полю этой волны у коллекторного конца замедляющей системы.

Задачей изобретения является создание мощного генератора электромагнитных колебаний.

Техническим результатом является повышение КПД и выходной мощности генератора.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом карсинотроде, содержащем электронную пушку с термо- или автоэмиссионным катодом и электродом для модуляции эмиссии электронов с катода высокочастотным полем, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной, синхронной с электронами, и коллектор электронов, замедляющая система соединена с электронной пушкой с помощью электродинамической системы, передающей высокочастотное поле с выхода замедляющей системы на модулирующий электрод электронной пушки с определенным сдвигом фазы поля в электродинамической системе.

Новым в предлагаемой конструкции является то, что имеется цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний в широкой полосе электронной перестройки частоты при надлежащем выборе набега фазы в цепи обратной связи.

На чертеже приведен общий вид карсинотрода. Он содержит электронную пушку 1, входящие в нее катод 2 и модулирующий электрод 3, фокусирующую систему 4, замедляющую систему с обратной волной 5, коллектор 6, электродинамическую систему 7, образующую цепь обратной связи между замедляющей системой и катодом.

Работает карсинотрод следующим образом. Вылетающий из электронной пушки 1 электронный поток формируется фокусирующей системой 4 и пролетает на коллектор 6 через замедляющую систему 5, где он взаимодействует с полем обратной волны. При выполнении обычных для ЛОВ условий синхронизма электронов и обратной волны они передают энергию этой волне, которая распространяется навстречу электронному потоку, через цепь обратной связи 7 поступает на катод и создает в зазоре между модулирующим электродом 3 и катодом 2 электромагнитное поле, модулирующее эмиссию электронов с катода. Таким образом, в начало замедляющей системы "Б" поступает модулированный электронный поток. Сдвиг фазы в цепи обратной связи между точками "А-Б" выбран таким образом, что сгустки электронов в точке "Б" попадают в тормозящее электрическое поле обратной волны и сразу начинают отдавать свою энергию этому полю, которое максимально у выхода системы "Б". Это обстоятельство приводит к увеличению КПД и мощности карсинотрода по сравнению с обычной ЛОВ (карсинотроном) без модуляции эмиссии на катоде, поскольку в обычной ЛОВ электроны начинают группироваться только после влета в замедляющую систему и отдают свою энергию волне на коллекторном конце лампы, где амплитуда волны мала.

Для получения широкой полосы электронной перестройки частоты карсинотрода цепь обратной связи должна обеспечивать модуляцию эмиссии на катоде в нужной фазе во всей полосе частот.

Выведем необходимые условия. Пусть ϕ_oc(ω) - набег фазы на частоте ω в цепи обратной связи в направлении от высокочастотного выхода "Б" замедляющей системы 5 к катоду 2 (точка "А"), который обусловлен как запаздыванием поля в электродинамической системе 7, осуществляющей обратную связь, так и возможным геометрическим поворотом проводников этой системы. Поскольку сгусток электронов должен влетать в замедляющую систему в тормозящую фазу поля обратной волны, а с катода последующий сгусток электронов появляется в ускоряющей фазе, то запаздывание последующего сгустка на катоде составляет ϕ_oc(ω)+π. . После пролета этого сгустка от катода до замедляющей системы он снова должен попасть в тормозящую фазу поля, что приводит к условию
ϕ_oc(ω)+π+ϕ_к(ω) = 2πn, n = 1,2,... (1)
где
ϕ_к(ω) набег фазы поля за время пролета сгустка T_k от катода до замедляющей системы
ϕ_к(ω) = ωT_к.
В свою очередь, время пролета T_k можно записать в виде
T_к= (L_к/V_е)α,
где
L_к - расстояние от катода до замедляющей системы; V_e - скорость электронов на входе в замедляющую систему "Б", определяемая постоянным ускоряющем электроны напряжением замедляющей системы по отношению к катоду U_e, c/v_e = 505/ (B), а коэффициент α определяется распределением статического потенциала между катодом и замедляющей системой, но не зависит от абсолютного значения U_e. Если, например, модулирующий электрод 3 соединен по постоянному току с замедляющей системой и расстояние от него до катода много меньше L_к, то электроны пролетают отрезок L_к с постоянной скоростью v_e и α = 1. В других случаях при монотонном увеличении потенциала от катода до замедляющей системы α > 1, в частности при линейном изменении потенциала между замедляющей системой и катодом существует постоянное ускоряющее электрическое поле, движение электронов равноускоренное и α = 2..

Возьмем в качестве электродинамической системы обратной связи 7 отрезок замедляющей системы того же типа 5, которая используется в карсинотроде. Тогда выбором его размеров можно удовлетворить условие (1) в широкой полосе частот. Чтобы показать это, представим обратную волну замедляющей системы, имеющую сдвиг фазы ϕ_-1(ω) = ωL/V_-1 на период системы L как 1-ю гармонику основной волны, имеющей сдвиг фазы на период ϕ_o(ω) и учтем условие синхронизма на частоте генерации ω,V_-1(ω) = V_e. Тогда имеем

где
T = L/v_e - время пролета одного периода замедляющей системы.

Из условия (1) с учетом (2), (3), (4) получим

Это соотношение выполняется тождественно независимо от частоты, если

и

Соотношение (5) определяет необходимую длину L_к через период L и коэффициент распределения электрического поля α. Соотношение (6) выполняется ввиду подобия законов дисперсии ϕ_o(ω) в замедляющей системе и ϕ_ос(ω) в электродинамической системе 7 при указанном выборе этой системы и выборе ее размеров, определяемых из (6).

Таким образом, указанный выбор электродинамической системы 7 при условии (1) обеспечивает широкую полосу электронной перестройки частоты карсинотрода с помощью изменения напряжения

Источники информации
1. Прист Д.Х., Шредер М.Б. Клистрод - необычная мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне.//ТИИЭР, 1982, т. 70, N 11, с. 84-92.

2. Джонсон Х.Р. Генераторы с обратной волной.//Вопросы радиолокационной техники, 1956, N 2 (32), с. 43-44.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, а точнее к лампам обратной волны (ЛОВ, карсинотроны) и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Изобретение обеспечивает увеличение КПД и выходной мощности ЛОВ при сохранении широкой полосы электронной перестройки частоты, характерной для ЛОВ. В карсинотроде вводится цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний. Для сохранения широкой полосы электронной перестройки частоты электродинамическая система выполняется в виде отрезка замедляющей системы того же типа, который применяется в приборе с размерами, обеспечивающими необходимый сдвиг фазы в цепи обратной связи. 1 ил.

Карсинотрод, содержащий электронную пушку с термо- или автоэмиссионным катодом и электродом для модуляции эмиссии электронов с катода высокочастотным полем, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной и коллектор электронов, отличающийся тем, что электронная пушка и замедляющая система карсинотрода соединены электродинамической системой, передающей генерируемую в замедляющей системе карсинотрода высокочастотную мощность с выходного катодного конца этой замедляющей системы в электронную пушку на электрод для модуляции эмиссии электронов с катода и выполненной в виде дополнительного отрезка замедляющей системы того же типа, который применяется в карсинотроде, имеющей размеры, обеспечивающие поворот фазы электромагнитного высокочастотного поля от выходного катодного конца замедляющей системы карсинотрода до катода, равный нечетному числу π радиан за вычетом набега фазы колебаний за время пролета электронов от катода до замедляющей системы во всей полосе электронной перестройки частоты.