СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНОМ ПРИБОРЕ Советский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано при создании мощных высокочастотных приборов с сильноточными релятивистскими электронными пучками для систем связи и радиолокации, физических экспериментальных установок, в частности для установок управляемого термоядерного синтеза.

Цель изобретения увеличение длительности выходного излучения в мощных приборах при сохранении высокого коэффициента усиления.

Сущность изобретения основана на том, что многоволновые электродинамические системы (ЭС), использование которых необходимо для получения больших мощностей, допускают синхронное взаимодействие электронного пучка с различными по своей структуре нормальными волнами, распространяющимися в этой ЭС. В соответствии с изобретением в качестве рабочих (усиливаемых) на различных участках ЭС используют разные по своей структуре нормальные волны, т.е. на разных участках ЭС обеспечивают синхронное взаимодействие собственных волн электронного пучка, имеющих одинаковую поперечную по всей длине пространства взаимодействия, с разными электромагнитными колебаниями.

Для обеспечения на каждом участке ЭС синхронного взаимодействия собственных волн I exp z+mIϕ-kt электронного пучка с нормальными волнами E ≈exp h₂ + + m_Eϕ- kt} электродинамической системы подбирают распределение T cos (+ ) (z) элементов связи таким, чтобы выполнялось какое-либо из соотношений синхронизма
h± k/β (1) и условие
Re × dϕ ≢ 0 где k ω/c; ω- круговая частота; с скорость света в вакууме; t, z, ϕ- текущее время, продольная координата и азимутальный угол соответственно; h 1 волновое число рабочей волны; = 2π/d; d,-периоды вдоль оси и число азимутальных периодов в распределении элементов связи соответственно; β ; V₂ поступательная скорость электронов пучка; m_E, m_J азимутальные числа.

Последнее из вышеприведенных условий без учета поляризованных эффектов эквивалентно выполнению одного из равенств
m_E± m_j где расположение знаков соответствует знакам в условии синхронизма. Синхронное взаимодействие на i-м участке ЭС приводит к увеличению амплитуд выбранных в качестве рабочих волн электронного пучка m_J m_Ji и поля нормальных волн с m_E m_Ei; после прохождения ими i-го участка. Взаимодействие этих же электронных волн (m_J= m_Ji) с другими электромагнитными полями, азимутальные индексы которых m_E ≠ m_Ei, не возможно из-за их взаимной ортогональности dϕ 0.Последнее однако не исключает самовозбуждение на i-м участке таких волн, если для них J_st < I_o.

Нежелательное самовозбуждение устраняют путем уменьшения длины L_iучастка (секции) и величины связи T_i так, чтобы выполнялось условие ka_i²< L₂ < L_sti, где а_i полуширина распределения поля рабочей волны в радиальном направлении (или для объемных волн радиус электродинамической системы) на i-м участке, а L_sti его минимальная длина, начиная с которой возможно самовозбуждение какого-либо колебания при заданном рабочем токе I_о. При уменьшении L_i падает также и величина коэффициента усиления рабочего сигнала. Однако выполнение на последующем j-м участке (j i + 1) условия синхронного взаимодействия волн электронного пучка, азимутальная симметрия которых та же, что и на i-м участке (m_Ji m_Ji) с полем других нормальных волн (m_E m_Ej), приводит к последующему усилению волн электронного пучка и соответственно нормальных волн ЭС с m_E m_Ej. В силу того, что амплитуда электронных волн на входе в j-й участок превосходит амплитуду этих волн на входе в i-й участок, амплитуда нормальных волн ЭС на выходе из j-го участка превосходит амплитуду нормальных волн на выходе из i-го участка. Вследствие же ортогональности нормальные волны с m_E m_Ei на j-м участке и волны с m_E= m_Ej на i-м участке не взаимодействуют с являющимися рабочими (m_Ji m_Ji) волнами электронного пучка. Синхронно не взаимодействуют они на рабочей частоте и с электронными волнами другой азимутальной симметрии (m_y m_Ji m_Ji) из-за невыполнения условий (1) продольного синхронизма. В ряде случаев (например, при m_Ej m_Ej) условия (1) синхронизма с электронными волнами другой азимутальной симметрии могут выполняться, однако, путем подбора диаметра электронного пучка, такое взаимодействие всегда можно сделать сколь угодно малым. В силу перечисленных причин на обоих участках i-м и j-м) не могут одновременно усиливаться и любые другие нормальные волны ЭС, синхронно взаимодействующие на каком-либо участке с другими электронными волнами (m_Ji ≠ m_Jj), вследствие этого невозможно усиление одной и той же обратной (h < 0) волны на нескольких участках одновременно, т.е. не возникает внутренняя обратная связь между участками. Сколь угодно малой можно сделать и внешнюю обратную связь, обусловленную переизлучениями волн на нерегулярностях ЭС, например, выполняя ее аксиально-симметричной, так что переизлучение и переотражение возможно только в волны без изменения азимутальных индексов.

Таким образом, увеличивая количество участков, на которых выполняется условие синхронного взаимодействия одних и тех же волн электронного пучка с разными по азимутальной структуре нормальными волнами ЭС, можно реализовать требуемый общий коэффициент усиления. Отсутствие же самовозбуждений как отдельных участков, так и ЭС в целом, позволяет реализовать режимы усиления с импульсами любой длительности, включая τ₄ >> τ_пр. Ограничение длительности импульса может быть связано лишь с другими причинами, например, с возможностями электроннооптической системы или с СВЧ-пробоем. При достаточно малых отражениях волн от катодного и коллекторного концов ЭС I R₁R₂ I≅ 10^-3, где R₁, R₂ коэффициенты отражения от катодного и коллекторного концов ЭС соответственно, задачу об увеличении длительности усиливаемых (в пределах 50 дб, как в прототипе) импульсов можно решить и с использованием только двух входного и выходного участков. Наряду с перечисленными приемами обратную связь между различными участками можно устранить и при возбуждении в них электромагнитных полей с одинаковой азимутальной структурой (m_Ei m_Ej, = ), но с разной поляризацией, что также приводит из-за ортогональности к устранению взаимодействия волны с m_Ej на j-м участке и волны с m_Ej на i-м участке. Такая ситуация, в частности, возможна при реализации на одном из участков аксиально-симметричной ЭС синхронного черенкового взаимодействия с электронным пучком волны Е_оп, а на другом режима ондуляторного взаимодействия с волной Н_оq.

Цель достигается разделением пространства взаимодействия на участки, на которых усиливаемые электромагнитные волны взаимно ортогональны
dϕ 0, а передача сигнала с одного участка на другой осуществляется посредством одной и той же (общей для всех участков) собственной волны электронного потока. При этом синхронизация электромагнитной волны может обеспечиваться на каждом участке своей симметрии гофра электродинамической системы (в усилителях черенковского излучения) или своей симметрией транспортирующего электронный поток статического поля (в усилителях, основанных на стимулированном тормозном излучении).

На фиг. 1 схематично изображено сечение одного из возможных конструкций усилителя убитронного типа, на котором можно реализовать предлагаемый способ; на фиг. 2 дисперсионные характеристики волн электронного пучка (прямая I соответствует первой, а прямая II второй гармоникам колебаний электронов во внешнем периодическом магнитном поле) и дисперсионные характеристики волн ЭС в примере конкретной реализации способа; на фиг. 3 представлено амплитудное распределение высокочастотного тока I, индуцированного в электроном пучке, и выбранных в качестве рабочих синхронных ему электромагнитых полей Е₁ на входном участке ЭС и Е₂ на выходном участке ЭС.

Прибор содержит аксиально-симметричную магнитоизолированную диодную пушку 1 с холодным взрывоэмиссионным катодом, формирующую трубчатый электронный пучок, соосный ЭС, выполненный в виде отрезка круглого волновода 2. Входной участок 3 ЭС расположен в двухзаходном спиральном вигглере 4 создающем пространственно периодическое магнитное поле с левовинтовой симметрией, а выходной участок 5 ЭС расположен в двухзаходном спиральном вигглере 6 с правовинтовой симметрией магнитного поля. Внешний сигнал на вход ЭС подается через волновод 7 с согласующим трансформатором. Усиленный сигнал выводится через плавно сопряженный с волноводом 2 рупор 8, который одновременно служит коллектором для отработанного электронного пучка. Окно 9 вывода энергии расположено в торце рупора 8. Направляющее электроонный пучок аксиально-симметричное магнитное поле создается соленоидом 10.

П р и м е р конкретной реализации способа усиления электромагнитного излучения частоты f 10¹⁰ Гц (f ω/2π). Пушкой 1 формируют в пространстве взаимодействия трубчатый пучок диаметром 3,6 см с энергией электронов 1,5 МэВ. На входном участке 3 в качестве рабочей используют попутную (h > 0) волну Н₂₁ с левой круговой поляризацией (m_E1= -2). Для обеспечения ее синхронного взаимодействия с первыми гармониками волн электронного пучка в соответствии с соотношением h + R/β диаметр ЭС выбирают равным, 4,48 см, а период изменения магнитного поля вигглера 4 11,2 см, при этом 0,558 см^-1. Длину вигглера 4 (и соответственно длину участка 3) выбирают из условия предотвращения возбуждений автоколебаний на участке 3. Поскольку при вышеприведенных параметрах наиболее эффективное взаимодействие с электронным пучком реализуется для рабочей H₂₁ волны, то максимально допустимый коэффициент G усиления рабочей волны и величину L выбирают из условия предотвращения самовозбуждения волны Н₂₁
G(L) < G_o__→ 25 дб (2) где G_о дополнительное (< 5 дб) усиление левополяризованной волны Н₂₁на выходном участке 5. Для тока электронного пучка ≃ 10 кА магнитного поля соленоида 10 ≃15 кЭ, азимутальной составляющей магнитного поля вигглера 4 в области пучка ≃4 кЭ длина участка 3 не превышает 50 см. При выбранных параметрах отсутствует также самовозбуждение и встречных волн, поскольку возможно лишь малоэффективное синхронное взаимодействие на высших гармониках волн электронного пучка (см. фиг. 2). На выходном участке 5 в качестве рабочей используют ту же волну Н₂₁, но с правой круговой поляризацией ( m_E2= 2), при этом диаметр пучка, период вигглера 6 и его длину выбирают равными соответствующим размерам и параметрам на участке 3 (коэффициент усиления определяется тем же выражением (2), так что возбуждение автоколебаний на этом участке также отсутствует. Для обеспечения одинакового осесимметричного распределения высокочастотного тока I(m_J1 m_J2 0)в электронных волнах как на участке 3 (m_Ji m_E1+ (m= m+)), так и на участке 5 (m= m+ ) используют двухзаходные спиральные вигглеры 4 и 6 с противоположным направлением вращения ( 2, -2). В этом случае амплитуда I осесимметричных волн электронного пучка на всем пространстве взаимодействия монотонно нарастает, причем в точке перехода с участка 3 на участок 5 сохраняется как величина I, так и ее производная dJ/dZ (см. фиг. 3). Общий коэффициент усиления G_Σ (см. фиг. 3) сигнала от входа к выходу в приборе определяется соотношением G 2G + П, где П разница начальных потерь на участках 5 и 3. Распределение амплитуд Е рабочих Н₂₁ волн на участках 3 (Е₁) и 5 (Е₂) показаны на фиг. 3. Поскольку для участка 5 входным сигналом служат волны электронного пучка, то амплитуда Е₂ нарастает с нуля. Для всех других волн общее усиление вследствие m_E1≠ m_E2 определяется в основном усилением на каком-либо одном участке и значительно меньше, чем для полезного сигнала.

Изобретение может быть использовано при создании мощных высокочастотных приборов с сильноточными релятавистскими электронными пучками для систем связи и радиолокации. Способ усиления электромагнитных колебаний в электровакуумном приборе состоит в следующем. Формируют аксиально симметричный пучок, в выходной секции электродинамической системы осуществляют синхронное взаимодействие электронного пучка с ее нормальными волнами, азимутальное распределение или поляризация которых отличается от азимутального распределения или поляризации нормальных волн входной секции, выводят усиленный сигнал с выходной секции электродинамической системы. Способ реализован в устройстве, приведенном в описании изобретения. Способ позволяет увеличить длительность выходного излучения в мощных приборах при сохранении высокого коэффициента усиления. 3 ил.

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНОМ ПРИБОРЕ, включающий формирование аксиально-симметричного пучка, синхронное взаимодействие его с полем многоволновой электродинамической системы, возбуждаемым в ее входной секции внешним сигналом и вывод усиленного сигнала с выходной секции электродинамической системы, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности импульса выходного излучения в мощном усилителе при сохранении большого коэффициента усиления, в выходной секции электродинамической системы осуществляют синхронное взаимодействие электронного пучка с ее нормальными волнами, азимутальное распределение или поляризация которых отличается от азимутального распределения или поляризации нормальных волн входной секции.