Способ определения коэффициента редукции плазменной частоты в приборах СВЧ Советский патент 1985 года по МПК H01J9/42 

Изобретение относится к области ЬВЧ электроники, а конкретно к измерению динамипеских характеристик эле тронногопотока иможет быть использовано для определения коэффициента редукции плазменной частоты электрон .ногр пучка приборов миллиметрового и субмшшиметрового диапазонов длин волн, в частности генераторов дифрак ционного излучения, что необходимо для oптимизaциv их выходных характеристик.. Известны способы определения коэф-, фициента редукции плазменных, волн, основанные на измерении параметров модулированного электронного потока путем зондирования его объемнь1ми зак рытыми резонаторами tlЗ.В частности, один из способов основан на измерени Эффективной длины волны плазмы в электронном потоке путем сравнения усиления клистрона, состоящего из трех реаонаторов, находящихся на неодинаковом расстоянии друг.от друга.. . : . : . . Известные способы напиши широкоеприменение в длинноволновой области СВЧ диапазона, однако они являются малоэффективными для приборов миллиметро.ных и субмиллиметровых диапазонов. Это связано как с более высокими требованиями, предъявляемыми .-к те нологии .изготовления объемных измери тельных резонаторов в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах, так и с увеличением погрешности измерений, вызванной возмущениями, вносимыми в электронный поток резонаторами. , -.. Известен способ определения коэффициента реакции плазменной частоты в приборах СВЧ, модулированного элек тронного потока путем измерения излучения электронного потока,, измерения среднего, значения плотности электронного тока и ускоряюш;его напряжения в узлах и цучностях сигнала биений 2}. Этот способ обладает тем преимуществом, что позволяет изме-. рять в электровакуумных приборах миллиметрового диапазона динамические характеристики электронного пото ка.в дальней зоне, т.е. на больших расстояниях от электронного пучка. Однако. С5тцественными недостатка ми известного способа является сравнительно низкая точность и малая разрешающая способность измерения 1 12 коэ.ффициента редукции, обусловленные широкой диаграммой, низкой интенсивностью, слабой когерентностью переходного излучения и измерением усредненных значений электронного тока в узлах и пучностя.х. видеосигнала биений. , Цель изобретения - повьш ение точности и разреЦающей способности определения коэффициента редукции плазмен ной частоты электронного потока. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента редукции плазм.енной частоты в приборах СВЧ, включлющ ем .предварительную модуляцию электронов по пл.отности, измерение излучения электронного пото- ка.и измерение плотности электронного тока в приборах с дифракцконной решеткой, вблизи дифракционной решетки пропускают электронньш поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока,.при которой диаграмма направленнности дифракционного излучения электронного потока Имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивности этой диаграммы, увеличивают плотность тока до значений, при которых возбуждается двухлепестковая диаграмма направленности дифракционного изо6.. Vлучения, измеряют углы отклонений максимальной интенсивности излучениялепестков этой диaгpa lмы относительно начального.угла Г и опR редукции по ределяют коэффициент формуле . R -Э,4..0 -j (cos(..os (г;-оС-)|, где Up. - ускоряющее напр.яжение, В; 1(5 - плотность электронного тока при излучении двухлепестковой диаграммы, f - частота модуляции электронов, Гц; п- -1; -2; -3; ... -,номер пространственной гармоники дифракционного йзлучен.ия. На фиг. 1-6 изображены варианты возбуждения диаграмм направленности дифракционного излучения; на фиг. 7 экспериментальная установка, общий . вид; на фиг. 8-10 результаты эксперим нтальных измерений. Предлагаемый способ заключается в следующем. 31 Модулированяый электронный поток 1 пропускают вблизи дифракционной решетки 2, возбуждают дифракционное излучение в направлениях, связанных с фазовыми скоростями распространени волн пррстранственного заряда электронного потока и параметрами электр . динамической структуры. Эта связь оп ределяется из условий возбуждения .дифракционного, излучения. Для волн низшего порядка медленной и быстрой, имеюпщх максимальную амплитуду конвекционного тока, получаем: 23Гс cosr: углы максимальной интен сивности диаграмм направленности дифракционйого излучения.; коэффициент редукции; период дифракционной ре шетки; ui 2j7f частота модуляции электронного потока; о. i/z ,,-1/+ 1,83, 10 1 о Ug - плазменная частота; плотность тока при излу чении двухлепестково.й диаграммы. ускоряющее напряжение,В i скорость света; скорость электронов на выходе модулятора; е,т- заряд и масса электрона п -1; -2; -3; ... - номер простран ственной дифракционной гармоники изл чения. Уменьшением плотности .тока -I.rmH при ближают углы излучения Гр , п углу излучения t йГС COS идеализированного монохроматического потока. При плотностях электронного тока- J 1/2 i,;fO,46-10 Uo Sin влияние.волн пространственного заряда на направление дифракционного излуче ния незначительно,угол Гп /V (ff(Qyb - 2) ), а электронный по ток возбуждает однолепестковую диаграмму направленности излучения. Следовательно, устанавливая плотность тока (2), всегда получают однолепестковую диаграмму 3 направления излучения (фиг. 1) с максимальной ин01тенсивностью излучения под углом Г г.. ± сГ. Угол Г р у ± сГ. УГОЛ I f, измеряют относительно положительного направления движения электронов и в дальнейшем выбирают за начальный (базовый), относительно которого проводят последующие измерения. Увеличивая плотность тока i , получают двухлепестковую диаграмму 4,5 направленности излучения (фиг.2), возбуждаемого медленной и быстрой волнами прост акственного заряда, меряют углы о, отклонений максимальной интенсивности полученных диаграмм относительно начального угла Г° и находят углы . Зная углы Г, rj, из соотношения (1) определяют коэффициент редукции плазменной частоты ,3/f .R 3,4-fo f ). (3) (COST - cos Г-Р7 . Из сботношений (. U, (3) следует, что коэффициент редукции плазменной частоты также можно определить, если измерять один из углов в этом случае формула (3) .преобразовывается к виду: 1)при измерении угла Г{, d ,8VuJS- f(cosr;-cosr;.) С4 2)при измерении угла Тп+ о1. ,8- o- ufr;f(cosr;-cosr;) .(4«Г. Формулами (4), (4а) удобно пользоваться, если одна из диаграмм 4 или 5 близко прилегает к поверхности дифракционной решетки (фиг. 3; d- , где ширина диаграммы направленности дифракционного излучения). Следует отметить, что если один из углов 0 (фиг.3,4) или оба эти угла одновременно (фиг.5,6) пунктирными диаграммами 4,5 близко прилегают к поверхности дифракционной решетки, то путем уменьшения (фиг.5) или увеличения (фиг.6) ускоряющего напряжения относительно значения U поворачивают диаграммы 4,5 излучения по направление к углу Г , измеряют углы поворота jb диаграмм и определят коэффициент редукции по соответствующим формулам: а) при уменьшении ускоряющего напUA ДО значения (J, яжения от величины .зн.-ш (r;-/i-)-cos()J(S,| б) при увеличении ускоряющего напряжения от значения U0 до величины Ц (( Формулы .(5), (5а), следуют из общего соотношения (3) или из частных формулы (4), (4а).. , Точность измерения углов Г, Г р- и разрешающая способность (минимальное расстояние между двумя первыми измеряемыми максимумами интенсивности диаграмм направленности излучения - предлагаемого способа зависит от ширины 20 диаграмм излучения. На уровне половинной мощности величину можно оценить по формуле 26 65 . . f1ГТ . где 1 - количество периодов дифракционной решетки.Следовательно,всегда можно выбрать такую длину периодической структуры,.при которой диаграмма излучения будет иметь незначительную ширину, что указывает на практическую возможность rt измерения углов высокой точностью и разрешающей спо- собностью. В частности, в приборах типа ГДИ значения 26 составляет не более 5 - 6° с абсолютной погрешностью сЛ измерения углов излучения не более 1. Предлагаемый способ определения коэффициента редукции плазменной частоты электронного потока бып реализован экспериментально на установке, показанной на фиг.. 7, Экспериментальные измерения проводились в сантиметровом диапазоне, что позволило сравнить результаты измерений прототипа с измерениями предлагаемого способа. Модулированный электронный поток 1 , создаваемый электронной пушкой 6 (катод) - 7 (анод) и модулирующим тороидальным резонатором 8, поступает В пространство взаимодействия дифракционной решетки 2 и рассеивается на коллекторе 9. При эксперименте использовались дифракционные двух видов: гребенка и пластинка с кольцами (на фиг. 7 показана вторая пе риодическая структура). Основные параметры этих решеток и электронного, потока приведены в таблице.

. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕДУКЦИИ ПЛАЗМЕННОЙ ЧАСТОТЫ .ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИБОРАХ СВЧ,включающий предварительную модуляцию электронов по плотности,измерение излучения электронного потока и измерение плотности электронного тока, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и разрешающей способности в приборах с дифракционной решеткой, вблизи дифракционной решетки пропускают электронный поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока, при которой диаграмма направленности дифракционного излучения электронного потока имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивности излучения этой, диаграммы, затем увеличивают плотность тока до значений, при которых возбуждается двухлепестковая диаграмма направленности дифракционного излучения электронного с. потока, измеряют углы отклонений максимальной интенсивности с излучения лепестков этой диаграммы относительно начального.угла ел определяют коэффициент редукции по формуле ..т -« (с..з()), R 3,f-to f iiT и ускоряющее напряжение, В; где плотность электронного If, тока при излучении двухсл лепестковой диаграммы, А/см ; - модуляции электронов, Гц; п -1, -2, -3... - номер простран-. ственной гармоники дифракционного излучения.

2,6

65

Гребенка

Период дифракционных решеток выбирался из соотношения 1

е(мм)5,94-10 -((Гц .

для основной пространственной дифракционной гармоники . (h -1), что соответствует условию возбуждений монохроматическим электрстнньм потоком 50 дифракционного излучения перпендику- / лярно поверхности решетки. Резонаторы 8 отличались только формой и размерами отверстия, через которые проходит электронный поток. Механическая п&ре-55 стройка резонатора 8 позволяла изме- нять еГо собственную частоту в диапазоне f 8,7 - 10 ГГц. Дифракцион3x0,4

Лент.

ная решетка 2, электронная пушка (6-7), резонатор 8, коллектор 9 размещались в вакуумной стеклянной оболочке 10.

Источником опорного сигнала резонатора 8 служил отражательный клистрон 11 трехсантиметрового диапазона, перестраиваемый в процессе измерений в соответствии с изменением собственной частоты модулирующего резонатора 8. Дифракционное излучение принимается рупорной антенной 12 (размером 80 X 100 мм), детектором, расположен ным на расстоянии 900 мм от решетки. Сигнал излучения после детектора через усилитель 13 поступал на осциллограф или микроамперметр 14. Макет-анализатор располагался в зазоре полюсных, наконечников электромагнита 15, необходимого для фокусировки электрон него потока в пространстве взаимодей.СТ)ЗИЯ, . Полюсные наконечники электромагнита ограничивали возможность проведения измерений при углах излучения 150 . Для уменьшения влияния на диаграммы 3, 4, и 5 дифракционного , излучения отраженных от различных неоднородностей СВЧ .сигналов полюсные наконечники и часть стеклянной колбы покрывались СВЧ поглотителем 16. Ускоряющее напряжение, создаваемое источником 17, менялось в интерва ле О - 3500 В, плотность тока io соетавляла (0,05 - 4) А/см. Осуществляя управление скоростью электронов при постоянной плотности тока и частоте модуляции или же при постоянном напряжении и частоте модуляции плотностью тока, можно плавно вводить волны плотности пространственного заряда и синхронизм с гармониками периодической структуры и изменять направление диаграмм дифракционного излучения. Экспериментально установлено, что при плотностях тока ij(0,05 - 0,1) А/см формируется однолепестковая диаграмма 3 (фиг. 1) сщириной по уровню половинной мощности , что удовлетворительно согласуется с теоретичес кими соотношениями (О, (,6).Максимальная интенсивность излучения этой диаг раммы наблюдается под углом Г I 1сЛ(,5 - 3°) при пара метрах: , 9,740 ГГц Uo 1820 В для гребенки; f 8,90 ГГцрио 2000 для решетки плоскость t кольцами. Увеличивая плотность тока электрон ного пучка (путем увеличения накала электронной пушки), наблюдаем смещени максимальной интенсивности диаграмм излучения.На фиг.8,показаны результаты экспериментальных измерений излучения Г- и коэффициента редукцци от плотности тока i для гребенки (графики, обозначенные крестиками) дл плоскости скольцами-точками.Видно/ что коэффициент редукции в данном случае для i - (0,5-1) А/см соетавляет 0,79-0,8. Для токов г А/см вследствие относительно широких диаграмм излучения одновременное измерение углов затруднялось. Однако, путем Уменьшения или увеличения ускоряющего напряжения при токах (1,5 - 2) А/см получены диаграммы направленности, соответствующие возбуждению излучения только медленной (фиг.6) или быстрой (фиг.5) волнами пространственного заряда. Коэффициент редукции в этом случае вычислялся по формулам (5), (5,а). На фиг. 10 приведены результаты измерений коэффициента ( для различ:Ных значений ускоряющего напряжения Up (или углов излучения rf., ) при изменении вёличины плотности тока в . интервале (0,,05-2) А/см Здесь же показаны (треугольничками) данные измерений и теоретический график, взятые из прототипа. Если в прототипе в области напряжений U 1750-2000 В наблюдался резкий скачок коэффициента редукции ( R-0,65-0,8), вызванный неточностью измерений Ъ низкой разре-тающей способностью, то предлагаемым способом удается получить более достоверные данные: меньший разброс точек экспериментальных измерений и плавный характер изменения коэффициента R от (J . . Следовательно, предлагаемьй способ, по сравнению с базовым прототипом, позволяет примерно в два раза повысить точность и разрешающую способность измерения коэффициента редукции плазменной частоты. При этом с. увеличением частоты возбуждаемых колебаний точность и разрешающая способность.измерений возрастает, что связано с уменьшением ширины диаграммы направленности излучения. Этотфакт указывает на перспективность использования предлагаемого способа для измерений динамических характеристик электронного потока приборов МСМ диапазона, в частности.генераторов дифракционного излучения,что не позволяют сделать другие известные способы. Кроме того, измерение коэффициента редукции с высокой точностью позволяет определить в реальных приборах достов.ерную плазменную частоту,, параметры пространственного заряда,фазовую скорость распространения волн, уровень шумов и другие параметры, которые необходимы при решении задач оптимизации электровакуумных приборов . О - типа миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Фиг. 2

/Г ГМГПТтГШТГПТ

(риг.З

Шиг4

0,5 0,6 0,7 0,6 0,3 (Put.S

0.5 0,6 OJ 0,8 0,9L,AlcM Фиг.9

WOO 1500 2000 2500 Uo,8 фиг.Ю