СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДВУХПУЧКОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЛАМПЕ Российский патент 2002 года по МПК H01J25/48 

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано при разработке двухпучковых СВЧ-ламп.

Известен способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, и пропускают оба пучка сквозь один канал параллельно друг другу в одном направлении (Федорченко B. Д. , Мазалов Ю.П., Бакай А.С., Руткевич Б.Н. Управление развитием неустойчивости в многопучковых системах, ЖЭТФ, 1973, т. 65, 6(12), с. 2225-2236) [1] . Тогда в результате развития двухпотоковой неустойчивости в пучках самовозбуждаются волны плотности пространственного заряда, которые генерируют СВЧ электромагнитные волны.

Известен также способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют один или оба пучка по плотности и скорости, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал параллельно друг другу в одном направлении (Шевчик В. Н. Основы электроники сверхвысоких частот, М.: Сов. Радио, см. с. 286, 1959) [2] . Особенностью этого способа является то обстоятельство, что если модулируются оба пучка, то эти модуляции осуществляются на одной и той же частоте с помощью одного и того же устройства. Этот способ выбран за прототип.

Достоинством известных способов [1, 2] является отсутствие необходимости использования замедляющих электродинамических структур, что упрощает изготовление двухпучковых СВЧ-ламп в отличие, скажем, от лампы бегущей волны (ЛБВ) или лампы обратной волны (ЛОВ).

Однако эти способы имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что самовозбуждаемые в канале при пропускании через него электронных пучков волны плотности пространственного заряда имеют фазовую скорость v_пз, много меньшую скорости света с, и тем более фазовой скорости электромагнитной волны в канале v_рh:v_пз<<c<v_ph, что затрудняет вывод генерируемого СВЧ-излучения в свободное пространство и, следовательно, снижает кпд СВЧ-лампы.

Задачей изобретения является создание способа осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, позволяющей повысить ее кпд.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение кпд двухпучковой СВЧ-лампы за счет обеспечения условия |v_пз|>c.
Этот результат достигается за счет того, что при реализации способа осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, который заключается в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении, в отличие от прототипа модуляцию пучков по плотности осуществляют, сохраняя пучки моноскоростными, так, чтобы частоты модуляции первого ω₁ и второго ω₂ пучка удовлетворяли условию:

где v₁ и v₂ - скорости электронов в первом и втором пучках, соответственно, v_ph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте

Поясним, почему указанное условие приводит к достижению необходимого технического результата.

Рассмотрим два модулированных по плотности моноскоростных (скорости v₁ и v₂, соответственно) пучка, проходящих друг сквозь друга и параллельно друг другу в одном направлении с частичным перекрытием. Это можно проиллюстрировать фиг.1, на котором условно в виде линий показаны мгновенные положения максимумов плотности. Видно, что в этом случае возникает низкочастотная волна биений пространственного заряда. Так как волна биений здесь является одной из нескольких волн пространственного заряда, возбуждаемых в пучках, то во избежание путаницы будем считать, что именно ее (волны биений) фазовая скорость v_b=v_пз. Оценим частоту ω_b и фазовую скорость v_b волны биений.

Представим плотность тока каждого из пучков в виде

где z - координата вдоль направления движения пучков.

Тогда суммарную плотность тока можно выразить следующим образом:

Последний сомножитель соответствует волне биений, частоту ω_b и фазовую скорость v_b которой можно легко найти после несложных арифметических преобразований. Получаем


Анализируя это выражение, можно легко установить, что подбором скоростей v₁, v₂ и частот ω₁,ω₂ можно добиться того, чтобы модуль скорости волны биений v_b превосходил любую наперед заданную величину, например, скорость света в свободном пространстве с, или даже фазовую скорость продольной волны v_ph в гладком волноводе или изотропной плазме. Напомним, что в последних случаях v_ph>c.

Тогда волна биений излучает в канале продольную электромагнитную СВЧ-волну с частотой ω = ω_b, причем механизм излучения основан на известном излучении Вавилова-Черенкова для продольных волн.

Подобрать такие параметры v₁, v₂, ω₁ и ω₂ всегда возможно.

Действительно, приведем два численных примера (в скобках указаны соответствующие кинетические энергии электронов T₁ и Т₂):
I. Для v₁= 2,5•10⁸м/с (T₁= 413,4 кэВ). v₂=2,7•10⁸ м/с (Т₂=661,2 кэВ), ω₁/2π = 10 ГГц, ω₂/2π = 12 ГГц, параметры волны биений v_b= 4.5•10⁸ м/с, ω_b/2π = 1 ГГц;
II. Для v₁= 2•10⁸ м/с (T₁=174,8 кэВ), v₂=2,9•10⁸ м/с (Т₂=1484,9 кэВ), ω₁/2π = 9,5 ГГц, ω₂/2π = 12 ГГц, параметры волны биений v_b=-4,085•10⁸ м/с, ω_b = 1,25 ГГц.
Положительное значение скорости волны биений означает, что волна биений движется в ту же сторону, что и пучки. Следовательно, генерация электромагнитной СВЧ-волны происходит в режиме ЛБВ.

Знак минус у скорости волны биений во втором примере означает, что волна биений движется в сторону, противоположную направлению распространения пучков. Следовательно, здесь реализуется режим генерации типа ЛОВ.

Фиг. 2 - график в координатах (μ,ξ), где μ=v₁/v₂ и ξ = ω₁/ω₂, который демонстрирует, где лежит область параметров, в которых происходит генерация в режимах ЛБВ или ЛОВ в свободном пространстве (|v_b|>c). В случаях же, когда канал представляет собой гладкий волновод или изотропную плазму, заштрихованные секторы режимов ЛБВ и ЛОВ имеют лишь меньший угол раствора α. Приведем значения этих углов (см. фиг.2):


Таким образом, излучение Вавилова-Черенкова в свободном пространстве, гладком волноводе и изотропной плазме возможно как в режиме ЛБВ, так и в режиме ЛОВ, вопреки противоположным утверждениям, высказанным, например, в [3] (Зрелов В. П., Излучение Вавилова-Черенкова, М.: - Атомиздат, 1968, ч. 1).

Что касается самой заявляемой двухпучковой электронной СВЧ-лампы, работающей в одном из предлагаемых режимов (ЛБВ или ЛОВ), то генерируемая электромагнитная волна будет иметь в ней естественную для канала фазовую скорость, за счет чего обеспечивается ее излучение в свободное пространство без потерь и отражений. Этим обуславливается повышение кпд лампы.

Выполнить необходимое условие (см. формулу изобретения) возможно, выбрав тип электромагнитной волны и ее частоту и рассчитав ее фазовую скорость. Например, для примера I, выбирая тип волны ТМ₁₁ в канале, выполненного в виде волновода прямоугольного сечения а х b, фазовая скорость определится, как
,
где критическая частота волновода равна:

Фактически выполнение необходимого условия сводится к правильному выбору поперечных размеров волновода.

Укажем, что пропускать модулированные пучки можно с частичным или полным их взаимопроникновением, а также когда пучки проходят друг от друга на небольшом расстоянии.

Легко понять, что модулирующая секция типа клистронного резонатора или типа спирали [2] не годится для реализации предлагаемого способа, так как модуляция по плотности там сопровождается модуляцией по скорости электронов. Это приведет к сбою волны биений.

Здесь нужны модуляторы пучка иного типа, осуществляющие "затворный" принцип работы.

В предлагаемом способе можно использовать, например, модуляторы следующих типов, позволяющие осуществить модуляцию пучков только по плотности:
- управляемый импульсно-периодическим лазером фотокатод, причем частота модуляции пучка задается частотой следования лазерных импульсов, а скорость электронов - напряжением в катод-анодном промежутке - так называемый "лазертрон" (Лебедев АН. , Перельштейн Э.А. Ускорители будущего, Релятивистская высокочастотная электроника, Горький: ИПФ АН, 1990, 6, с. 217-255) [4].

-осциллирующий виртуальный катод, создаваемый в самом пучке собственным пространственным зарядом и периодически то пропускающий, то отражающий электроны, причем частота модуляции пучка задается его плотностью (или величиной тока), а скорость электронов - напряжением в катод-анодном промежутке -так называемый "виркатор" (Курилко В. И. , Файнберг Я.Б. Об одной возможности модуляции электронных пучков, Письма в ЖТФ, 1976, т. 2, 9, с. 397-400) [5].

Возможны модуляторы и других типов.

На фиг.1 показана уже упоминавшаяся схема образования волны биений (для определенности - в режиме ЛОВ).

На фиг. 2 показан уже упоминавшийся график в координатах (μ,ξ), показывающий области существования различных режимов.

На фиг. 3 показан пример лампы с модулятором типа "лазертрон", реализующий предлагаемый способ в режиме ЛБВ.

На фиг. 4 показан пример лампы с модулятором типа "лазертрон", реализующий предлагаемый способ в режиме ЛОВ.

На фиг.5 показан пример лампы с модулятором типа "виркатор", реализующий предлагаемый способ в режиме ЛБВ.

На фиг.6 показан пример лампы с модулятором типа "виркатор", реализующий предлагаемый способ в режиме ЛОВ.

Цифрами на фиг. 3-6 обозначено: 1 - катод; 2 - анодная диафрагма; 3 - канал; 4 - соленоид магнитного поля; 5 - рупорная антенна; 6 - окно вывода излучения; 7 - электронный пучок. Кроме того, на фиг.3 и 4 обозначено: 8 - зеркало подвода лазерного излучения к катоду, сам лазер при этом не показан; на фиг.5 и 6: 9 - виртуальный катод.

Поясним, как могут быть выполнены конструктивные элементы лампы в соответствии с фиг.3-6.

Катод 1 может быть выполнен для случаев фиг.3 и 4 в виде фотокатода. Если в качестве освещающего фотокатод лазера использовать неодимовый лазер, работающий на второй гармонике λ=0,53 мкм, то возможные материалы для фотокатода следующие: покрытие с отрицательным сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо Cs₃Sb; при использовании УФ-лазера применимы покрытия на основе окислов металлов типа W-Zr-O. Если же лампу предполагается использовать в условиях постоянного освещения, например дневного света, то рекомендуется использовать УФ-лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа Сs₂Те или Rb₂Te, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра.

Катод 1 для случаев фиг.5 и 6 можно выполнить многоострийным из любого металла или графита, так как для получения тока пучка, способного сформировать виртуальный катод, необходимо использовать взрывную эмиссию электронов.

Анодную диафрагму 2 можно выполнить в виде толстого электрода с отверстием для пучка, или в виде тонкой прозрачной для электронов металлической фольги или сетки.

Канал 3, в котором происходит взаимодействие модулированных пучков и генерация СВЧ-излучения, может быть выполнен, например, в виде гладкого цилиндрического волновода, внутри которого обеспечиваются вакуумные условия.

Остальные конструктивные элементы, а именно соленоид магнитного поля 4, рупорная антенна 5, окно вывода излучения 6, а также зеркало подвода лазерного излучения к катоду 8 выполняются в стандартном виде и в подробном описании не нуждаются.

Предлагаемый способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе реализуется следующим образом.

Если лампа выполнена по схеме фиг.3 или 4, то одновременное формирование двух пучков необходимой скорости и их модуляцию только по плотности при сохранении пучков моноскоростными на необходимой частоте осуществляют до пропускания пучков через один канал, подав на катоды 1 требуемое значение потенциала и освещая каждый из катодов 1 периодической последовательностью импульсов лазерного излучения. Электроны вытягиваются ускоряющим полем катод-анодного промежутков и проходят сквозь анодные диафрагмы 2. Далее промодулированные пучки 7 сводятся по силовым линиям магнитного поля соленоида 4 в канал 3, в котором происходит формирование волны биения пространственного заряда Волна биений, двигаясь с фазовой скоростью v_b(напомним, что v_b= v_пз), превышающей фазовую скорость электромагнитной СВЧ-волны v_ph, генерирует СВЧ-излучение Вавилова-Черенкова, которое выводится через рупорную антенну 5 сквозь окно вывода излучения 6.

Если же лампа выполнена по схеме фиг.5 или 6, то пучки формируются на катодах 1 в результате взрывной эмиссии, ускоряются и проходят сквозь анодные диафрагмы 2. Далее в пучках вследствие их пространственного заряда формируются виртуальные катоды 9, которые своими осцилляциями модулируют пучки по плотности, пропуская пролетные электроны без модуляции по скорости. Далее процесс развивается аналогично. Требуемую частоту осцилляции виртуального катода, а следовательно, и частоту модуляции пучков можно установить варьированием длины промежутка катод - анодная диафрагма.

Во всех случаях требуемые скорости пучков устанавливаются выбором ускоряющего напряжения на промежуток катод - анодная диафрагма.

То, что в лампе формируется излучение Вавилова-Черенкова, позволяет ожидать увеличение кпд лампы до значения 30-40%, что недоступно для ламп, реализующих известные способы [1, 2].

Таким образом, реализовано назначение способа - он позволяет осуществить генерацию электромагнитных волн СВЧ-диапазона в двухпучковой электронной лампе с повышенным кпд этой лампы за счет обеспечения условия |v_b| = |v_пз|>c.о

Изобретение относится к СВЧ-электронике, может быть использовано при разработке двухпучковых СВЧ-ламп. Сущность изобретения: при реализации способа осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость или энергию, отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении. Модуляцию пучков по плотности осуществляют, оставляя пучки моноскоростными, так, чтобы частоты модуляции первого ω₁ и второго ω₂ пучка удовлетворяли условию

где v₁ и v₂ - скорости электронов в первом и втором пучках, соответственно, v_ph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте При выполнении этого условия фазовая скорость волны биений пространственного заряда будет превышать v_ph, причем возможны два рeжимa ЛБВ и ЛОВ. Технический результат: повышение кпд двухпучковой СВЧ-лампы. 6 ил.

Способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость или энергию, отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении, отличающийся тем, что модуляцию пучков по плотности осуществляют, сохраняя пучки моноскоростными так, чтобы частоты модуляции первого ω₁ и второго ω₂ пучка удовлетворяли условию:

где v₁ и v₂ - скорости электронов в первом и втором пучках соответственно;
v_ph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте