Генератор дифракционного излучения Советский патент 1986 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, в частности к генераторам СБЧ с открытым резонатором.

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), содержащий катод, открытый резонатор, образованный внешним цилиндрическим зеркалом и внутренним, выцолненным в виде гиперболоида вращения, коллектор, цериодическую структуру, нанесенную на внутреннюю поверхность внешнего цилиндрического зеркала, помещенные внутри соленоида.

Недостатком генератора является недостаточная разреженность спектра генерируемых колебаний.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является ГДИ содержащий электронно-оптическую систему с катодом, коллектором, открытьш резонатор, образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру в виде дифракционной структуры, нанесенную на плоское зеркало, устройство для вьгеода энергии из ГДИ, помещенное внутри соленоида.

Недостатком ГДИ является недостаточная разреженность спектра генерируемых колебаний, обусловленная фундаментальным свойством открытых резонаторов, вьшолненных в виде плоских зеркал или вьшуклых , обращенных друг к другу вогнутыми поверхностями.

Целью изобретения является увеличение объема передаваемой информации за счет повышения разреженности спектра излучения.

Указанная цель достигается тем, что в известном генераторе дифракционного излучения, содержащем электронно-оптическую систему с катодом, коллектором, открытый резонатор в виде двух зеркал, периодическую структуру, вьтолненную на поверхности одного из зеркал, и устройство для создания магнитного поля, по крайней мере одно из зеркал открытого резонатора выполнено в виде части поверхности вращения, образованной при движении кривой второго порядка по окружности, параллельной второму зеркалу, и обращено своей выпуклой стороной к второму зеркалу, а электронно-оптическая система выполнена в виде кольцевой формирующей

систем, содержит электростатическую систем, фокусировки и расположена внутри вьшуклого зеркала, при этом кривизна выпуклого зеркала должна удовлетворять следующему соотношеш ю:

,

где R - радиус кривизны выпуклого

зеркала/

Т - длина волны в вакууме. Одно из зеркал ГДИ может быть вы- полнено в виде круглого тора, магнит может быть вьшолнен с кольцевыми магнитными наконечниками, а периодическая структура - в виде шелай на поверхности выпуклого зеркала.

На фиг. 1 схематически изображен ГДИ; на фиг,2 и 3 даны две проекции зеркала в виде тора; на фиг.4 - обобщенные зависимости поперечного волнового числа от отношения а/в, где а внутренний радиус тороидального зеркала, в - внешний радиус окружности тороидального зеркала.

ГДИ содержит зеркала 1 в виде торов, которые образуют открытый резонатор. На обращенныхдруг к другу

впутренних поверхностях тороидальных зерка.т1 1 выполнена периодическая структура 2 в виде щелей в их стенках. Катод 3 и коллектор 4 (см.фиг,2) обращены друг к другу нерабочими поверхностями и расположены внутри полости тороидальных зеркал 1, помещенных внутри соленоида 5. Вьюод энергии осуществляется через отверстие 6 В ГДИ имеется также электростатическая система 7 фокусировки и пров€;дения электронного пучка.

ГДИ работают на колебаниях вида Нга,Р, где m - азимутальный индекс колебаний (по координате Ч ), 1 радиальньм индекс (по ), Р - поперечньй индекс (поперек тора) в области между,каустическими поверхностями 8,

Целесообразен режим работы по поперечному индексу , ибо при этом создается максимально равномерное поле поперек периодической структуры 2, Принципиальным является значение радиального индекса, равного 1,

пocкoльJкy в этом и только в этом случае в системе из двух зеркал в виде торов возникают слабо затухающие колебания. Данный тип магнитных колебаний Hm р существует за счет наличия кольцеобразных критических сечений (совпадающих в данном случае с каустическими пов.ерхностями) . Поле между ними носит колебательный харак тер, а вне этой области убывает по экспоненциальному закону.

Система двух зеркал в виде торов, составляклцая принципиальную основу открытого резонатора предлагаемого ГДИ является предельным случаем биконического рупора с магнитными волнами типаНт,. Волны Нщ, , обладают свойством иметь критическое сечение не в сужающейся, а в расширяющейся части волновода. Это обстоятельство ведет к возможности создания предложенного ГДИ, так как наличие конечной проводимости стенок тороидальных зеркал 1 и излучение энергии через периодическую структуру 2 приводит к появлению затухания рабочего типа колебаний. Однако оно существенно меньше, чем затухание нерабочих типов колебаний, которые свободно излучаются из данной резонансной структуры. Последнее обстоятельство приводит к редкому спектру собственных колебаний типа Нт,р, что имеет большое значение для ГДИ и позволяет воз будить одно рабочее колебание в-полосе частот шириной порядка октавы.

Добротность открытого резонатор а ГДИ, как и ГДИ с фокусирующими зеркалами, равна 1-5 -.10 , Хорошо отработанные на практике методы возбуждения ГДИ позволяют уверенно обеспечить один тип колебаний (с единичным вторым.индексом) при расстояниях между зеркалами порядка 6-12 длин волн рабочей частоты. При чрезмерном увеличении расстояния между зеркалами возникает опасность возбуждения колебаний с не единичным вторым индексом.

Прицельный параметр обычен для генераторов дифракционного излучения электронный поток должен располагаться в возможной близости от перио дической структуры, однако не попадать на нее. Поверхностная волна, с которой электронный пучок взаимодействует, убьшает по экспоненциальному закону, а стало быть для эффектив ного взаимодействия электронный пучо должен быть максимально приближен к периодической структуре.

Ширина зоны (ширина пятна) между критическими сечениями (каустиками) выбрана из соображений работы открытого резонатора ГДИ на колебаниях магнитного типа с единичным индексом в направлении, поперечном по отношению к электронному потоку, и составляет несколько длин волн рабочей частоты. Рабочее поле формируется путем последовательного отражения волны от критических сечений. В силу необходимой слабой нерегулярности зеркал резонатора в поперечном направлении (так как kR 1) это выполняется при kR 10-20, где к 21/-л, (R - радиус кривизны выпуклого зеркала, Я - длина волны в вакууме отношение 4/R, где А - максимальный прогиб зеркала, должен быть порядка 0,03-0., 1 .с тем, чтобы преобразование в волны других типов было пренебрежимо мало (по порядку величины оно есть квадратная величина от степени нерегулярности) .

Минимальный радиус г „ генератора

Ип

дифракционного излучения определяет- ся в основном конструктивными соображениями и cocтaвляeтг R, где R радиус выпуклого зеркала. Максимальный радиусr g j.определяется возможностями системы электростатической, проводки электронного потока. Он не может быть слишком большим, так как это требует больших энергетических затрат на электромагнитную фокусировку и удержание потока. Целесообразно выбрать «акс )R,

ГДИ работает следукяцим образом. Катод 3 испускает в сторону коллектора 4 поток электронов, который под действием постоянного магнитного поля, линейно-неоднородного по поперечному сечению ГДИ фокусирующего соленоида 5 образованного катушками и электростатической системой фокусировки и проведения электронного пучка 7, формируется в электронный пучок 9. Последний, пролетая под периодической структурой 2, возбуждает над ней пространственные гармоники, фазовые скорости которых меньше ско.рости света. При скорости электронного пучка, близкой к фазовой скорости одной из пространственных гармоник, происходит эффективное взаимодействие электронного пучжа 9 с продольной составляющей электрического высокочастотного поля Е « откры$1

Того резонатора, образованного тороидальными зеркалами 1. При токе электронного пучка, большего его пускового значения, система открытый резонатор электронньй пучок - периодическая структура самовозбуждается и генерирует электромагнитные колебания, выводимые через отверстие 6.

В качестве базового объекта рассмотрим ГДИ-Д, ГДИ-3 и ГДИ-5. Данное изобретение обеспечивает более высокую разреженность спектра излучаемых колебаний, так как число колебаний iN, приходящихся на интервал частот 4йв базовом объекте, равно AN, 8щ Aw/i C , а в предложенном изобретении A-N2 2L&(o/nC, где S - площадь открытого резонатора; w , i - частота в вакзгуме; С - скорость света; L - длина площади окружности

822206

открытотО резонатора. При выполнении выпуклого зеркала в предложенном изобретении в виде тора эквивалентная площадь открытого резонатора в 5 базовом объекте будет S 1(), где b - радиус внешней окружности зеркала в виде тора, а - радиус его внутренней окружности. Отношение uNy к ьК равно 1/А-(кв-ка), где 10 к , -д - длина волны в вакууме,

которое при значениях кЬ 10, ка О показьшает, что число колебаний -ftN на единицу частотного диапазона в предложенном изобретении в 2,5 раза

15 меньще. При использовании предложенного ГДИ в квазиоптической линии передачи объем передаваемой информации можно в первом приближении увеличить в два раза, а следовательно, во

20 столько же раз снизить .стоимость передачи информации.

1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-cftiтическую систему с катодом и коллектором, открытый резонатор в виде двух зеркал, периодическую структуру, выполненную на поверхности одного зеркала, и устройство для создания магнитного поля, отличающийс я тем, что, с целью увеличения объема передаваемой информации за счет повьппения разреженности спектра излучения, по крайней мере одно из зеркал открытого резонатора выполнено в виде поверхности вращения, образованной при движении кривой второго порядка по окружности, параллельной второму зеркалу, и обращено своей выпуклой стороной к второму зеркалу, а электронно-оптическая система вьтолнена в виде кольцевой формирующей системы, содержит электростатическую систему фокусировки и расположена внутри вьшуклого зеркала, при этом кривизна вьтукло- го зеркала должна удовлетворять следующему соотнощению: , (Л где R - радиус кривизны выпуклого зеркала; Л - длина волны в вакууме. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере одно из зеркал выполнено в виде о эо круглого тора, а периодическая структура выполнена в виде.щелей на поN9 N3 верхности выпуклого зеркала. о о

иг.2

mtfyffi, mpi,

1 а/д

ФигЛ