Оротрон Советский патент 1983 года по МПК H01J25/02 

Изобретение отнобится к электро- , вакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ/ приборам, в частности к устройству резонансного генератора с открытым резонатором.

Известны резонансные генераторы СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона (оротроны, генераторы дифракционного излучения ), содержащие полусферический открытый резонатор, пе- ... риодическую.структуру, расположенную на поверхности плоского зеркала, электронную пушку с плоским катодом, вынесенную за пределы открытого резонатора и формирующую ленточный электронный пучок, фокусируенвай однародным продольным магнитным полем и коллектор 1.

Недостатком данной конструкции является низкий коэффициент полезного действия, обусловленный гем, что 20 с высокочастотным-.электрическим по-, лем периодической структуры эффективно взаимодействует лгаоь тонкий (порядка долей периода периодической структуры алой электронного пучка, 25 двюхущийся параллельно периодической структуре в непосредственной близос- . ти от ее поверхности. Кроме того, оротрон характеризуется низкой выходной мощностью, обусловленной тем, jQ что размеры поперечного сечения пучка, а следовательно, и тока, ограничены: высота пучка по причине, указанной выше, не превышает 0,1-0,2 периода периодической структуры, а c его ширина ограничена спадом высоко- ,., частотного поля по гауссову закону ; и не превышает радиуса каустики.

Известна также конструкция коаксиального генератора дифракционного излучения, содержащего открытый ре- зонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, 45 вогнутой в сторону цилиндрического зеркёша, периодическую dTpyKTypy, имеющую цилиндрическую форму и расположенную на цилиндрическом зеркале так, что ее образукяфсе перпенди- 50 кулярны оси резонатора, кольцевой источник электронов, вынесенный за пределы отк яатого резонатора, коллектор и магнитную систему, создающую однородное магнитное поле, направ- 55 ленное вдоль оси резонатора и фокусирукщее кольцевой электронный пучок 2.

Недостатками этой конструкции являются НИЗКИЙ кпд, обусловленный той же причиной, что указана выше/ Q для предыдущей конструкции, и относительно низкая выходная мощность, превыиающая выходную мсхцность аналога не более, чем в 15-20 раз за счет того, что поверхность источника электронов здесь больше.

Цель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и выходной мощности генератора за счет создания условий более эффективного преобразования энергии электронного пучка в энергию высокочастотного поля.

Указанная цель достигается тем, что в оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вра щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, имекхдую цилиндрическую форму и рас- положенную в резонаторе соосио с зер- калами, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль резонатора, источник электронов расположен в открытс( резонаторе заподлицо с поверхностью цнлиидрического з« ркала и выполнен в виде ря;о(а- кольцеобразных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая струк тура образована стержнями, параллельными оси резонатора, и расположена между зеркаламиi .

В оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух / коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривей вогнутс в сторону цилиндричес кого зеркала, периодическую структуру, расположенную на цилиндрическом зеркале, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитндго поля, нгшравленногь . вдоль оси резонатора, источник электронов имeet цилиндрическую форму, размещен между зеркалами соосно с ними и образован стерж необразньвш эмиттерами, расположенными с периодом, меньшим периода периодической структуры,, причем эмиттеры и образующие периодической структуры ориен.ированы параллельно оси резонатора.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемой оротрон по первому варианту, общий вид,, разрез; на фиг.2 - разрез А-А HS фиг.1; на фиг.З - оротронПО первому варианту, общий вид, разрез; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.З. i Генератор (фиг.1/ содержит открытый резонатод образованный двумя.коаксиальными зеркалами, из которых внешнее зеркало 1 имеет цилиидрическую форму, внутреннее 2 образовано поверхностью вращения кривой вокруг оси ZZрезонатора, периодическую структуру 3, имеющую цилиндрическую форму, образованную рядом металличес ких стержней прямоугольного сечения параллельных оси резонатора 22 , и расположенных с периодом f вдоль окружности, имеющей центр на оси22 резонатора, источник 4 электронов, расположенный в открытом резонаторе заподлицо с внутренней поверхностью внешнего цилиндрического зеркала 1 и выполненный в виде ряда кольцеобразных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно оси 22резонатора и расположенных с периодом Р,меньшим длины волны генерируемых колебаний, магнитную систему 5, создающую однородное магнитное поле В,, направленное параллельно оси резонатора 22. На фиг.1 показаны также устройство для вывода энергии в виде прорезей 6 в зеркале 2, каустика 7, направления статических электрического EQ и магнитного BO полей, примерный вид траектории 8 электрона. Период Р периодической структуры 3, как и в известных генераторах, должен быть меньше длины волны генерируемых колебаний и выбирается из 1 словия примерного равенства фазо вой скорости пространственной гармоники и продольной скорости электронов Уф ЕО/БО, где ЕО- статическое электрическое поле, статическо магнитное поле. Для выполнения условия резонанса длина окружности . периодической структуры должна быть равной целому числу замедленных дли волн, T.e.JTR psNAj Ne,гдe RPC- Р диус периодической структуры, 1,2, Период Е расположения кольцеобразных эмиттеров должен быть меньше длины волны Д генерируе1 ых колебаний в сво бодном пространстве {(0,1-0,3 )А ), чтобы обеспечить хорошее отражение электромагнитной волны от поверхности цилиндрического зеркала. Для этой же цели источник 4 ориентирован перпендикулярно оси Л2резонатора, так как в этом случае вектор электрического поля волны,, распространяющейся между зеркалами 1 и 2, параллелен эмиттерам. Один из вариантов конкретного выполнения источника 4 электронов пока зан на фиг.2. Здесь приведен пример выполнения одного из эмиттеров, пред ставлянмдего собой кольцевой катод косвенного накала, эмиттирующгш поBepixHocTb 9 которого расположена заподлицо с внутренней поверхностью цилиндрического зеркала 1. Эмиттер вставлен в пр1орези 10 цилиндрического зеркала 1 и имеет косвенный подогрев нагревателем 11, который по ключается к источнику напряжения накапа. Ширину в источника 4 электронов в направлении оси 22 в данной конструкции можно увеличить до значения Ъ 2fK, где 2г,5- ширина каустики 7 на цилиндрическом зеркале, поскольку , вследствие круговой симметрии, электроны, эмиттируемые крайними эмиттерами, могут достигать периодической структуры 3, сделав несколько оборотов вокруг оси Z2. Оптимальное значение коэффициентов заполнения Ik, определяемого как отношение ширины отдельного эмиттера к периоду Е,, выбирают в пределах 0,4-0,6 для обеспечения достаточно высоких значений рабочего тока и добротности системы. В данной конструкции источник 4 электронов и цилиндрическое зеркало 1 находятся под высоким отрицательным потенциалом относительно периодической структуры 3, которая заземлена. Разновидностью этого варианта генератора может быть такая конструкция (фиг.З и 4 ),у которой внутреннее зеркало 2 имеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхностью вращения кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, вокруг оси Z2резонатора. Источник 4 электронов при этсм расположен зашодлицо с внеяней поверхностью внутреннего (цилиндрического / зеркала 2. В конструкции генератора (фиг.З и 4 ) в отличие от конструкций первого варианта, периодическая структура 3 расположена на поверхности внешнего (цилиндрического зеркала 1, а источник 4 электронов имеет цилиндрическую форму, размещен между зеркалами 1 и 2 резонатора соосно с ними и образован стержнеобразными эмиттерами, параплельнь 1и оси резонатора 22и расположенными с периодом P-J , меньшим периода F расположения образующих периодической структуры. Требования к выбору периодов / и Р здесь.остаются такими же, как и в первом варианте, но добавляется условие .., дпя того, чтобы фазовая скорость волны, которая может распространяться вдоль; источника электронов , отличалась от фазовой скорое-. ти синхронной пространственной гармог НИКИ периодической структуры. Ориен тация эмиттеров изменена на 90° по отношению к первому варианту, чтобы обеспечить оптимальные условия пропускания азимутально-пеляризованной волны CK.BO3I; ряд эмиттеров. Оптимальный коэффициент заполнения, опреде-г ляемый как отношение ширины одного эмиттера к периоду K.J,выбирается равным 0,4-0,6 для обеспечения достаточной амплитуды электрсдаагнитной волны в области между источником 4 электронов и периодической структурой 3. Конкретно, источник 4 электронов может быть прямоканальньФ4, либо выполнен в виде эмиттеров с косвенHbiM подогревЪм. Источник 4 электрбнов, как и в первом варианте, находится под высоким отрицательным по тенциалом относительно периодическо структуры.3 и цилиндрического зерка ла 1, которые заземлены, Этот же вариант (не показан ) может быть выполнен сЗ резонатором, в котором внутреннее,зеркало 2 тлеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхностью вргвдения во руг оси 22резонатора кривой, вогнутой в сторону внутреннего (цилиндри ческого )зеркала 2. В этом случае периодическая структура 3 расположе на на внешней поверхности внутренне го (цилиндрического )зеркала 2. Первый вариант предлагаемого , генератора работает следующим образом. При подаче высокого напряжения между источником 4 электронов с вне ним зеркалом 1(минус )и периодической структурой 3 (плюс ), включении напряжения накала на подогреватель 11 и включении источника питания магнитной системы 5 в обларти между периодической структурой 3 и источником 4 электронов воз ник aipT взаимно перпендикулярные (окрещенны статические электрическое магнитное BO поля, направление которых указано на фиг.1 и 2. Электроны, эмиттируемые источником 4 электроно движутся в скрещенных полях с азиму тальной скоростью ради альной скоростью V по циклоидальным траекториям и возвращаются на источник 4 электронов. Вследствие того, что электроны, движущиеся по циклоидальным орбитам. Излучают эле рома1гнитные колебания, в пространст ве между источником 4 электронов и периодической структурой 3 возникае переменное высокочастотное электрическое поле, с которым взаимодействуют электроны. По мере роста тока эмиттируемого источником 4 электронов, энергия колебания в резонаторе на его резонансной частоте постепен но увеличивается. При превышении тока над пусковым значением система самовозбуждается, в приборе возникают незатухающие вы сокочастотные колебания и вблизи пе риодической структуры 3. формируются медленные пространственные гармоники основного собственного колебания открытого резонатора. При этом циклоидальные траектории электронов уже не заканчиваются на источнике 4 электронов и электронй начинают подниматься к периодической структуре 3, двигаясь по укороченным с одного конца аркам циклоид, и. оседают на ней. При скорости электронов Vg, близкой к фазовой скорости Xj, одной из пространственных гармоник, происходит модуляция электронов по скорости и плотности с образованием электронных сгустков в форме язычков, движущихся с азимутальной скоростью Vg и эффективно взаимодействующих с высокочастотным электр1сческим полем периодической структуры 3. йасокочастотные колебания выводятся в нагрузку через прорези б во внутреннем зеркале 2. Второй вариант предлагаемого генератора, показанный на фиг.З и 4, работает аналогичным образом, но в отличие от первого варианта, где траектории электронов параллельны эмиттерам, образукнцим источник 4 электронов, во втором варианте траектории электронов перпендикулярны образующш источника электронов. В отличие от прототипа, где величина энергии, отдаваемой электронным пучком высокочастотному полю, определяется разностью кинетической энергии электронов в начале и в конце области взаимодействия, и КПД в нагрузке составляет величину порядка 5%, в предлагаемом генераторе высокочастотному полю отдается потенцигшьная энергия электронов, за вычетом кинетической энергии электронов, оседающих на периодическую структуру 3 и электронов, возвршцающихся на источник 4 электронов. По предварительным оценкам электронный КПД предлагаемого тенератора составляет 20-40%/ что соответствует КПД в нагрузке по« рядка 15-30%, т.е. и З-б раз выше, чем в прототипе. При одинаковой величине тока с катода в предлагаемом генераторе выходная мощность будет также в З-б раз выше, чем в известном устройстве.

1.. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью враuteHHR вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в стсфону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, имеющую цилиндрическую форму и расположенную в резонаторе соосно с зеркалами, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оси резонатора, отличаювди йс я тем, что, с целью увеличения.КПД и выходной мощности, источник электipoHoB расположен в открыт 1 резонато ре заподлицо с поверхностью цилиндрического зеркала и выполнен в виде ряда кольцеобразных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая структура образована стержнякш,.параллельными оси резонатора, и расположена между зеркалами. 2. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполне)ный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью врач щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического 4. W Ш зеркала, периодическую структуру ерка-УЛ расположенную на цилиндрическом зерка- ную ле, источник электронов и магнитную систему для создания однородного оси I, нитного поля, направлен вдоль резонатора, о т л и чающий с я тем,что,с целью увеличения КПД и выходной мощности, источник электронов имеет цилиддряческую форму, размещен межПУ зеркапанш соосно с ними и образован стержнеобразными эмиттерами, ел : расположенными с периодом, меньшим оо периода периодической ст1 уктуры, при. чем эмиттеры и образ Ьциё пёриоди, ческой структу « ориентированы па; раллельно оси резонатора. ю