Способ отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока Советский патент 1983 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к ной технике, а именно к приборсш О-типа СВЧ даЕапазона. Известно, что в приборах О-типа эффективность преобразования энерг пучка в энергию поля стределяется группировкой пучка в группирогател и его взаимодействием с полем выхо ной электродинамической системы. Известным способом увеличения КПД таких приборов является получение на выходе.группирователя (f-сгустк с последуюйцйм их введением в прост ранство взаимодействия выходной эл тродина УЕической с;4стемы, где проис ходит самосогласованное тсдоможение электронов и преобразование энерги движения в энергию электрсмлагнитно го поля Cl}. Однако для реальных электроншлх потоков, используекшх в СВЧ прибо рах, ,сГ -сгустки не могут бЫть реализованы в полной мере вследствие высокого уровня CHJJ КУЛОНОВСКОГО расталкивания в сгустке при глубокой модуляции и в высокопервеансн пучка При этом за счет увеличения фазовой протяженности сгустков Нарушается оптимальность энергообмена ме:хду потоком и полем основной частоты выходной электродинамической системы, что приводит к снижению КПД устройства. Наиболее близким к предлагаемому является способ отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока, включакидий опе рации введения сгруппированного электронного потока со сгустками электронов, 1о |ею1дих конечную фазову протяженность и слетакнцееся распределение скоростей в выходную электродинамическую систе г5у и после дующего самосогласованного торможения электронов в выходной системе 2. Недостаток известного способа в том, что при увеличении интенсивйоети и степени группировки электро :го потока, выполнение условий оптввйал ьности фазовой протяженности сгустков и распределение скоростей ив обеспечиваются, так как возраста ние сил кулоновского расталкивания ограничивает величину минимальной фазовой протяженности сгустков и приводит к ВЕФ&вниванию скоростей электронов в них, что обусловливает уменьшение эффективности преобра зования. Цель изобретения - повышение эффективности отбора энергии и увеличение КПД преобразования энергии. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отбора вы сокочастотной энергии от модулированного электронного потока, включающем операцию введения сгуппированного электронного потока в пространство взаимодействия выходной электродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов, в выходной электродинамической системе дополнительно возбуждают электромагнитное-поле кратных частот, амплитуда и фаза которого удовлетворяют соотношениям: )Л1«1|К )f-i 4K -tK-3- К 2, 3, 4, ... } амплитуда напряжения первой гармоники) AV;- амплитуда напряжения Ц-ой гармоники; сдвиг фазы между полями К-ой и первой гармоник. На фиг. 1 и 2 представлены возможные варианты конструкции; на фиг. 3-8 - зависимости формы и амплитуды результирующего электромагнитного поля при сложении основной и кратных гармоник с различной амплитудой и сдвигом фаз. На фиг. 1 схематично .представлена одна из конструкций, реализующая предлагаемый способ. Усилитель состоит из резонансной группирующей системы 1, выходного резонатора 2, элемента 3 связи и нагрузки 4, в которую установлен направленный ответвитель 5 для ВЧ мощности кратных частот, который высокочастотнш трактом 6 и элементом 7 связи обеспечивает возбуждение в выходной резонансной системе полей кратных частот с амплитудой и фазой, регулируемой аттенюатором 8 и фазовращателем 9. Фиг. 2 характеризует другую возможную реализацию Г1редлагаемого способа. Усилитель пролетного типа, содержит замедляющую систему 10 и выходную систему 11, связанную черей элемент 12 связи с нагрузкой 13. Имеется дополнительный резонансный элемент 14, установленный за основной выходной системой усилителя по ходу пучка, связанный ВЧ трактой 15 с основной выходной резонансной системой, который обеспечивает nepii дачу.мощности кратных частот с амплитудой и фазой, регулируемой аттенюатором 16 и фазовращателем 17 выходную систему 11. На фиг. 3 представлены графики зависимости результируювд1х полей о азы при сложении основной (криваЛг 18) и второй гармоник (кривая 19| ри относительной фазе. соотношении амплитуд АЧ/А 0,25 кривая 20 ) и AI/AI 0,33 (кривая lJ . На фиг. 4 представлены графики ависимости результирующих полей от фазы при сложении основной волны (кривая 22) и второй гармоники, при отношении амплитуды 0,25 и относительной фазе Ф +90(кривая 23), Ч,. +105( кривая 24), +13 5° {кривая 25) . tia фкг, 5 представлены графики результирующих полей при сложении первой 126) и третьей(27) гармоник при нулевой относительной фазе и соотношении амплитуд Aj/Ai 1/9 (кривая 28) и 1/5 (кривая 29) ,. На фиг. 6 представлены графики результирующего поля при сложении первой (кривая 30) и четвертой гармоник (кривая 31) при относительной фазе -90 и соотношении амплитуд А4/А 0,22 (кривая 32 . На фиг. 7 представлены графики результирующего поля (кривая ЗЗ) при сложении основной (кривая 34 и пятой (кривая 35) гармоник с относительной фазой - 180 и отношении амплитуд А5/А 0,1. На фиг. 8 представлена зависимость результирующего поля от фазы (кривая Зб) при сложении полей основной (кривая 37) и шестой (криадя 38) .гармоник при соотношении гсмплитуд Аб/ AI 0,15 и фаз Уб -270. Разность фаз меходу основны- и до полнительный полем - является оптимальной для стабилизации результирующего поля по фазе и обеспечивает однородность энергообмеяа. Для поля второй и основной частот с соотношением амплитуд AI/AI 0,25, как следует из рассмот ренных кривых фиг. 4, при применении фазы полей от 105 (кривые 23 и 24 стабильность результирующе го тормозящего поля ухудшается, ост ваясь существенно выше однородности по фазе основной частоты. Однако пр разности фаз, отличающейся от оптимальной более чем на 30, стабильность по фазе результирующего Торио зящего поля падает, становясь ниже однородности по фазе поля основной частоты. В частности, на фиг. 4 (кривая 25 представлена зависимость результирующего поля от фазы в этом случае при Ц, 135f Что касается соотношения амплитуд гармони ческих составляющих, то легко показать ; что результирующее поле им ет максимальную стабильность а «1ЛИтуди по фазе при соотношении слагае№1х AK/AI Этот случай характеризуется кривыми 20 и 28 фиг.1 и фиг, 3 соответственно. С увеличением времени взаимодействия частиц и поля в зоне выходн Я электродинамической систекы отно шение амплитуд, соответствующее наиболее однородному по фазе взаимодействию частиц и поля, уменьшается. При отношении амплитуд дополнитeльнoгq и основного полей выше оптимального стабильность по фазе тормозящего поля ухудшается, оставаясь выше стабильности поля основной частоты до величины Д)/А 1/к (кривые 21 и 29 фиг. 1 и 3 и кривые 32, 33, 36 на фиг. 6,7,8). При суперпозиции полей основной и кратной частот в зоне выходной электродинамической системы при соотношении амплитуд 0 Ак/А 5- 1/)с и фаз:|1-(1с-2) -, -(К-2)- 1 , К 2, 3, 4 ... осуществляется стабилизация амплитуды тормозящего поля по фазе, что в соответствии с критеришли оптимальности энергообмена позволяет обеспечить оптимальные, однородные по фазе влета условия преобразования энергии модулированного потока с протяженными сгустками и малым разбросом скоростей частиц в нем в энергию электромагнитных колебаний основной частоты. Предлагаемое решение обеспечивает повышение КПД преобразования и в случаях, когда формирование сгустков в соответстВИИ с критериями оптимальности их невозможно, т.е. в случаях высокопервеансных электронных потоков. Для сверхмощных электронных пучков, суперпозиция в выходной CHCTeivie полей основной и кратных частот обеспечивает повышение эффективности энергообмена как стабилизацией тормозящего поля, так и уширением его фазы по основанию. Что приводит к уменьшению числа частиц, ускоряемых в выходной системе. Сложение двух гармонических составляющих при определенных условиях, обеспечивает стабилизацию амплитуды тормозящего поля по фазе и уширение его протяженности. Такая фазовая структура поля в зоне возбуждения позволяет обеспечить опти мальные, однородные по фазе влета условия торможения частиц протяженного сгустк-а, модулированного сигналом основной частоты, что позволяет повысить эффективность энергообмена, а соответственно и КПД усилителей, не использующих высокопервеансные электронные потоки. При сложении полей основной и удвоенной частоты, результирующее поле наряду со стабилизацией амплитуды тормозящего поля по фазе имеет фазовую протяхсенность свыше 180. В случае суперпозиции полей основной и полей более высокой кратности частот (чем вторая), результирующее поле характеризует только стабилизация амплитуды по фазе. В частности, при сложении полей основной и удвоенной частоты при соотношении максимальных амплитуд ,1 и разности фаз Н +90° фазовая протяженность тормозящего поля по его основанию составляет 190,5° а на уровне 0,5 и 0,9 его амплитуды увеличивается с 120 до 13 и с 50 до 63 соответственно, т.е. на 112,5% в первом и 126% во втором случаях. Суперпозиция полей основной и третьей гармоники усиливаемого сигнала при Д 0,1 и нулевой разности фаз стабилизирует ка ускоряющую, так н тормозящую фазы поля, при этом уширение фаз на уров не 0,5 и 0,9 амплитуды результирующего поля составляет 120% и 190% соответственно. Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена несколькими путями. 1,Созданием резонансных условий для возбуждения в выходной системе усилителей сигналов основной и крат ной частот и обеспечения связи выходной системы с внешним источником сигнала на дополнительной частоте. Оптимизация амплитуды и фазы допол нительного сигнала по отнесению к основному, возбуждаемому пучком, осуществляется изменением выходных параметров этого источника. 2.Создание резонансных условий для возбугхдения в выходном резонаторе 2 усилителя основной и кра1гной частот,ответвления сигнала высшей гармоники из основного выходного тракта (фиг. l) связанного с нагруз .КОЙ через направленный ответвитель 5, и передачу этого сигнала в зону возбуждения по ВЧ тргжту б элементе 7 связи. Обеспечение опти Мсшьных соотношений амплитуд и фаз производится благодаря наличию.в тракте 6 переменного аттенюатора 8 и фазовращателя 9. 3.Для приборов пролетного типа путем возбухсдения дополнительного резонансного элемента 14 ( фиг. 2), стоящего за основной выходной резонансной системой, на кратной .частоте электронным потоком, провзаимо действовавшим с выходной резонансной системой, и передачи и оптимизации параметров этого сигнала. 4. Возбуждение резонансной,системы электронным потоком, имеющим высокий уровень модуляции на частоте дополнительного сигнала, и обеспечение ее настройки в области ниже полосы возбуждения сигналов высших гармоник таким образом, что изменение частоты резонансной систекы в области кратных частот позволяет изменить характер сопротивления выходной резонансной системы, и соответственно, фазу и амплитуду поля выолих гармоник. Это ает возможность оптимизировать соотношение амплитуд и фаз основного и дополнительного полей в соответствии с предлагаемым решением. Предлагаемое решение позволяет повысить КПД усилителей электромагнитных колебаний. Применение предлагаемого ранения наиболее эффективно в случае усиления электромагнитных колебаний с использованием сверхмощных и высокопервеансных электронных потоков. Так, например, если считать, что оптимальные условия торможения частиц моноэнергети- ческого сгустка осуществляются при значении амплитуды поля в пределах 0,8-1 максимального значения, возбуждение дополнительного сигнала второй гармоники в зоне возбуждения при соотношении фаз по отношению к ОСНОВНОЙ 9О обеспечивает увеличение фазовой протяженности области оптимального значения амплитуды тормозящего поля с 72 до 114 при отношении максимальных амплитуд второй и основной гармоник Ai/A/i 0,2 и с 72 до 143при 0,33. При этом увеличивается тормозящая фаза поля по его основанию до 195 в первом и до втрром случаях. Так что при взаимодействии высокопервеансного модулированного потока с минимально достижи1« й при группировке фазовой шириной сгустков 0,4 периода эффективность преобразования при указанной структуре поля повышается в 2 раза. .

СПОСОБ ОТБОРА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ ОТ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА, включакхдий операцию введения сгруппированного электронного потока в пространство взаимодействия выходной электродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов, отлйчающи и.-С я тем, что, с целью повышения эффективности отбора энергии, в выходной электродинамической системе дополнительно возбуждают электромагнитное поле кратных частот, амплитуда и фаза которого удовлетворяют следующим соотношениям-: :|--(«-2)- Mlci ) |где ,3,4,...; At- амплитуда напряжения первой гармоники (Л А|(- амплитуда напряжения lt-ой гармоники; сдвиг фазы между полями К-ой и первой гармоник. 4 ЭО :д с

Pui.i

Ускоряющее