РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ПРИБОР КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике электровакуумных приборов и может быть использовано при конструировании мощных СВЧ-источников электромагнитного излучения для экспериментальных установок, комплексов по нагреву плазмы, в частности термоядерной плазмы, нелинейной спектроскопии и т.п.

Цель изобретения повышение мощности высокочастотного прибора когерентного электромагнитного излучения путем создания в нем условий, в которых электронный пучок с поперечными размерами L₁, значительно превышающими длину волны λ, не только возбуждает, но и формирует поперечную, а при необходимости и продольную пространственные структуры только одного рабочего типа колебания или одной рабочей волны.

Сущность изобретения основана на эффектах взаимодействия электронного пучка с электромагнитным полем, которые могут быть интерпретируемы как преломление или отражение электромагнитных волн в неоднородной среде, в роли которой выступает электронный пучок. Причем в зависимости от конкретных условий электронный пучок, как неоднородная диэлектрическая среда, может приводить как к фокусировке, так и дефокусировке электромагнитных волн. Вследствие этого в канале транспортировки электронного пучка при выполнении определенных условий возможно образование и возбуждение устойчивых структур электромагнитного поля. Неоднородности в электронном пучке, играющем роль своеобразной диэлектрической среды, можно создать изменением в поперечных направлениях плотности тока в пучке, изменением величины сопротивления излучения, а также изменением в поперечном сечении какого-либо параметра, влияющего на фазовую скорость электронных волн в пучке, например, переменного статического провисания потенциала переменного коэффициента редукции плазменной частоты пучка и т.д. Во всех этих случаях для формирования и эффективного возбуждения только одной возможной структуры самосогласованного поля излучения максимальный поперечный размер пучка и соответственно размер L₁ пространства взаимодействия должен удовлетворять условию
0,5 2 (I) где L мин L, ν- пространственный инкремент нарастания высокочастотного поля; L_II длина рабочего пространства прибора.

Подобно модам открытых резонаторов и открытых волноводов с фазовыми корректорами при выполнении (3) (в этом случае L расстояние между корректорами) все образующиеся структуры полей, кроме рабочей, обладают большими потерями на излучение и, соответственно, для их возбуждения ток I_n электронного пучка должен значительно превышать (более чем в два раза) ток I_o возбуждения рабочей моды. С другой стороны, для обеспечения высокой эффективности работы прибора ток I релятивистского электронного пучка должен удовлетворять соотношению I ≃ (1,5-2) I_о. Таким образом, всегда можно удовлетворить условиям эффективного возбуждения только одной определенной структуры высокочастотного поля (1,5-2) I_o ≃ I < I_n(n ≠0).

В незамкнутых каналах транспортировки электронных пучков большого поперечного сечения (L₁/λ >> I) как и открытых волноводах типа канал в поглотителе или периодическая система плоских поглощающих экранов с отверстиями возможно формирование и, соответственно, избирательное возбуждение. При этом избирательность обусловлена сильной зависимостью декремента затухания волн от поперечного волнового числа.

С целью обеспечения избирательного возбуждения волн электронным пучком с предельно большими поперечными размерами канал транспортировки на участке, прилегающем к узлу связи прибора с выходным трактом (или антенной), выполняется в виде двумерного открытого резонатора неустойчивого типа, не обладающего по отношению к электромагнитным волнам ни волноведущими, ни резонансными свойствами. Неустойчивые открытые резонаторы можно условно разделить на два вида: с рассеивающими (дефокусирующими) и сильно фокусирующими (например, в симметричных системах с фокусными расстояниями, меньшего некоторого предельного значения) зеркалами. В первом случае, для образования устойчивой поперечной структуры электромагнитного поля электронный пучок должен играть роль фокусирующей среды, а во втором дефокусирующей среды. Если же размеры и конфигурация таковы, что система близка к порогу устойчивости, так что в ней возможно существование, по крайней мере, одной вытекающей волны с декрементомV_B| π/L₁, то подбором величины тока пучка (или величины сопротивления излучения) возможно формирование и возбуждение этим пучком одной самосогласованной моды с небольшими радиационными потерями.

Фокусирующие свойства электронных пучков больших поперечных размеров зависят от конфигураций систем, связывающих его с высокочастотным полем, от взаимного положения зеркал и пучка, от расстройки (V_ф V)/V_ф (где V_ф С/k d ϕ/CZ, ϕ () фаза волны; V скорость электронов; радиус вектор; С скорость света, k 2 π/λ, a Z координата вдоль оси прибора) и, соответственно, от длины волны излучения (поскольку V_ф V_ф(λ)), от распределения в поперечном направлении энергии электронов, коэффициента редукции и т.д. Следует отметить, что при расположении зеркал вблизи пучка уменьшается как провисание его статического потенциала, так и коэффициент редукции плазменной частоты. Расположение зеркал вблизи узла связи прибора с внешним трактом необходимо для обеспечения высокой электропрочности и согласованного в широком диапазоне длин волн вывода излучения из рабочего пространства без нарушения избирательности взаимодействия пучка с высокочастотным полем. При этом возможны различные варианты как конструкции узла связи, так и его сочленения с зеркалами. Сформулированным требованиям в значительной мере удовлетворяет дифракционный узел вывода высокочастотной энергии, состыкованный с одним из торцов участка канала транспортировки, выполненного в виде зеркал. Например, в случае оротронов в ЛБВ-усилителей узел вывода целесообразно расположить со стороны коллектора, а в ряде случаев совместить с ним. В случае же приборов типа ЛОВ узел связи располагается со стороны, обращенной к пушке. Таким образом, в заявляемой конструкции обеспечивается создание условий формирования и возбуждения электронным пучком только определенной структуры электромагнитного поля.

Механизм взаимодействия электронного пучка с полем излучения в заявляемом приборе может быть различным черенковским, магнитотормозным, аномально-доплеровским и т. д. Соответственно могут быть выполнены различными конструкции систем, связывающих пучок с высокочастотным полем: нанесенная непосредственно на зеркала гофрировка, магнитный вигглер, устройство, обеспечивающее раскачку каких-либо колебаний в пучке и т.д. Различными может быть и сам тип прибора: автогенераторы и усилители на основе оптронов, карсинотронов, ЛБВ и многие другие варианты и их комбинации.

На фиг. 1 изображен разрез одного из вариантов релятивистского прибора усилитель черенковского типа; на фиг. 2 сечение канала транспортировки электронного пучка по линии А-А на фиг. 1.

Прибор содержит являющийся вакуумным кожухом корпус 1, установленный в соленоиде 2, создающем продольное фокусирующее магнитное поле. В корпусе 1 расположена электронная пушка (на чертеже не приведена), канал 3 транспортировки электронного пучка, состыкованный с коническим коллектором 4, выполняющим одновременно и функцию дифракционного узла вывода энергии излучения. Канал 3 за исключением участка, прилегающего к коллектору 4, выполнен в виде коаксиальной пучку трубы круглого сечения, а на упомянутом участке в виде двух цилиндрических зеркал 5 и 6 с плавно гофрированными поверхностями (гофрировка обеспечивает синхронное взаимодействие электромагнитных волн и волн электронного пучка). В плоскости поперечного сечения контур канала 3 в месте расположения зеркал представляет собой две одинаковые части окружности, одна из которых является контуром сечения зеркала 5, а другая зеркала 6, причем зеркала расположены так, что их центры кривизны О₁ (зеркала 5) и О₂ (зеркала 6) лежат по разные стороны от оси канала 3, так что расстояние между зеркалами больше удвоенное радиусу их кривизны. Зеркала выполнены гофрированными по всей их длине с продольным профилем, близким к синусоиде. Края зеркал образуют две излучающие щели 7. Энергия внешнего управляющего источника вводится через рупорный излучатель 8 и окно 9, выполненные в одном из зеркал (зеркале 5). В пространство между зеркалами 5 и 6 и корпусом 1, в частности напротив щелей 7, может быть расположен поглотитель.

Прибор работает следующим образом.

Сформированный и ускоренный в пушке трубчатый пучок дрейфует по каналу 3 и осаждается на коллекторе 4. Внешним источником на обращенном к окну 9 торец зеркал 5 и 6 возбуждается играющая роль входного сигнала волна с декрементом V_В и реальной частью продольного волнового числа h_В, т.е. волна, обладающая радиационными потерями (вытекающая). Поскольку контур зеркал 5 и 6 и их взаимное расположение соответствует конфигурации неустойчивого резонатора, то
L2⊥

С выполнением этих условий декремент V_В возбужденной на входе волны с волновым числом h_з вдоль контура поперечного сечения зеркал (h₁₃ π/L₁₃) значительно ниже декремента других возможных вытекающих волн с большими h₁₃. Проекции на поверхности зеркал волнового фронта для вытекающих волн выпуклые (под волновым фронтом понимается поверхность, нормаль к которой совпадает с направлением вектора плотности потока мощности, в данном случае вектора Пойтинга), причем чем больше декремент, тем меньше радиус кривизны волнового фронта. Кривизна же волнового фронта волн электронного пучка близка к нулю (равна нулю при исчезающе малых полях высокочастотного пространственного заряда), поскольку вектор плотности потока энергии в них направлен вдоль поступательной скорости электронов. В результате синхронного взаимодействия электронного пучка с вытекающими электромагнитными волнами возникают самосогласованные электронно-электромагнитные моды с более плоскими, чем у вытекающих мод, волновыми фронтами (для обеспечения синхронного взаимодействия период d в пучке удовлетворяет соотношению:
k-h_в- < где β V/e), при использовании релятивистких пучков с радиусом R_п ≃ , то при заданной глубине гофрировки (т.е. сопротивлении излучения) путем подбора тока пучка всегда можно обеспечить нарастание самосогласованной волны сh₁₃ < π/L₁₃ и затухание волн с большими h₁₃. В рамках вышеприведенного условия может быть обеспечен высокоэффективный режим работы прибора, поскольку рабочий ток пучка может превышать стартовое его значение более чем в два раза. В общем случае нарастающее электромагнитное поле излучает (хотя и меньше, чем вытекающая электромагнитная волна) в поперечных направлениях. Если же энергия электронов, находящихся вблизи середины зеркал, меньше, чем энергия электронов у края зеркал (в заявляемом приборе это связано с переменным провисанием потенциала в пучке), то возникает дополнительная фокусировка электронным пучком поля усиливаемой волны в направлении оси прибора и, соответственно, дефокусировка в поперечном направлении, параллельном линии расположения центров кривизны зеркал. Это связано с зависимостью от поперечных координат скорости переноса возмущений по пучку. При достаточно большой разнице энергией kL Δβ π образует не излучающее в поперечных направлениях распределение электромагнитного поля с нарастающей вдоль оси прибора амплитудой. На плавном дифракционном переходе зеркал 5 и 6 к коллектору 4 усиленная волна преобразуется в выходное излучение (либо в виде одной из волн выходного тракта, либо излучается в свободное пространство, при этом коллектор может одновременно служить и излучающей антенной). Любые другие электромагнитные возбуждения, не взаимодействующие синхронно с электронным пучком, при распространении вдоль зеркал 5 и 6 как в прямом (вдоль движения электронов), так и во встречном направлении могут только затухать. Следовательно, отраженные от выходного узла электромагнитные волны не поступают (или если поступают, то сильно ослабленными) на входной торец системы зеркал. Соответственно, не возникает и обратная связь за счет переотражений на торцах рабочего пространства, которая могла бы привести к недопустимым для усиления паразитным автоколебаниям. Не самовозбуждается прибор и на обратных самосогласованных волнах, поскольку синхронное их взаимодействие с электронами пучка возможно только на очень низких частотах λ_обр ≃ 2d, где d период структуры, когда L₁₃/4 λ_обр (2R_g + Δ) << 1 и, соответственно, их излучение в поперечных направлениях велико. При создании приборов с предельно высокими коэффициентами усиления, когда усиление ограничено шумами (флуктуациями тока), используемых электронно-оптических систем, для более глубокого подавления самовозбуждения на обратных волнах следует использовать промежуточные дрейфовые участки, т.е. гофрировать зеркала на отдельных, разнесенных вдоль оси прибора участках. В таком приборе на участке дрейфа, как и в клистроне, усиление в направлении движения пучка не пропадает, а в обратном направлении из-за дефокусировки не связанных с пучком волн значительно снижается.

Работоспособность прибора не изменяется и в условиях V_В > h_В, когда спектр вытекающих волн становится по сути дела непрерывным, а возникающая самосогласованная поперечная структура поля далека от структуры какой-либо одной вытекающей волны.

Изобретение относится к технике электровакуумных приборов. Цель изобретения повышение мощности высокочастотного прибора когерентного электромагнитного излучения достигается путем создания условий, в которых электронный пучок с поперечными размерами, значительно превышающими длину волны не только возбуждает, но и формирует поперечную, а при необходимости и продольную пространственные структуры только одного рабочего типа колебания или одной рабочей волны. В зависимости от конкретных условий электронный пучок как неоднородная диэлектрическая среда может приводить как к фокусировке, так и дефокусировке электромагнитных волн. Вследствие этого в канале транспортировки электронного пучка возможно образование и возбуждение устойчивых структур электромагнитного поля. 2 ил.

1. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ СВЧ-ПРИБОР КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронную пушку, канал транспортировки электронного пучка и узел связи прибора с выходным трактом, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, канал транспортировки на участке, примыкающем к узлу связи, выполнен в виде одного или нескольких зеркал с цилиндрической поверхностью, образующая которой ориентирована вдоль прибора, а направляющая в плоскости поперечного сечения имеет контур, совпадающий с контуром сечения двумерного неустойчивого резонатора открытого типа.