УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ Советский патент 1996 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к вакуумной электронике и может быть использовано при создании высокочастотных приборов с сильноточными релятивистскими электронным пучками для систем связи и радиолокации, СВЧ-накачки лазеров, создания ускоряющего поля в суперколлайдерах, физических экспериментальных установок, в частности, для установок УТС.

Целью изобретения является увеличение погонного коэффициента усиления при сохранении когерентности выходного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем возбуждение внешним сигналом в многоволновой электродинамической системе попутной электронному пучку волны, предварительное усиление этой волны, путем синхронного взаимодействия ее с электронным пучком и вывод усиленного сигнала, в соответствий с изобретением после предварительного усиления возбужденную внешним сигналом волну преобразуют во встречную электронному пучку волну, не взаимодействующую в электродинамической системе с электронным пучком, затем встречную волну на входе электродинамической системы преобразуют в попутную волну, отличающуюся от возбужденной внешним сигналом волны азимутальным распределением или поляризацией, после чего усиливают эту волну, и усиленный сигнал выводят из электродинамической системы.

В одном из возможных вариантов встречную электронному пучку волну преобразуют в попутную электромагнитную волну и усиливают эту волну путем синхронного взаимодействия ее с электронным пучком.

В другом возможном варианте встречную электронному пучку волну преобразуют в электронную и усиливают эту волну путем синхронного взаимодействия ее с полем электродинамической системы.

Сущность изобретения основана на том, что многоволновые электродинамические системы, использование которых необходимо для получения больших мощностей, допускают синхронное взаимодействие электронного пучка с различными по своей структуре собственными волнами, распространяющимися в этой системе. В отличие от всех предыдущих способов усилия, использующих для синхронного взаимодействия в электродинамической системе или на каждом отдельном ее участке какую-либо одну из нормальных волн, в заявляемом способе предлагается использовать на одном участке электродинамической системы несколько волн, ортогональных на электронном пучке, оставаясь для каждой из этих волн в рамках условия сохранения пространственной когерентности Многократное усилие в одной и той же электродинамической системе нетрудно осуществить, если полосы усиления ортогональных волн перекрываются. Для волн, отличающихся только поляризацией, полосы перекрываются при всех условиях. Для волн, отличающихся азимутальным распределением, для перекрытия полос следует выполнить условие которое в условиях сгущенного спектра мод в многоволновых системах с поперечным сечением S>λ² обычно выполняется. Так, в режиме усиления с оптимальным КПД, когда ν-γ^-2λ^-1 для перекрытия полос достаточно иметь сечение S>(γλ)²/π (здесь γ=(1-β²)^-1/2, β= v/c, v -скорость электронов, с скорость света).

Для организации циклов усиления в одной и той же электродинамической системе волну после взаимодействия возвращают ко входу системы, селективно преобразуя ее в другую попутную волну, отличающуюся азимутальным распределением или поляризацией, и с этой попутной волной вновь осуществляют синхронное взаимодействие. При этом если используются волны с отличающимися азимутальными распределениями, целесообразно в последнем цикле использовать волну с меньшим азимутальным индексом, поскольку для нее отстройка от точного синхронизма на частоте, задаваемой внешним, выгодна с точки зрения повышения КПД.

Для селективного преобразования попутной электронному пучку волны во встречную электромагнитную волну можно использовать брэгговские рефлекторы, ферриты, гипотропную плазму и другие невзаимные элементы, обладающие свойством прозрачности для всех мод, кроме тех, которые в зависимости от параметров этих элементов преобразуются в другие моды с желаемой структурой.

Например, правополяризованную электромагнитную волну, характеризующуюся продольным волновым числом h₁ и азимутальным индексом m, можно избирательно преобразовать во встречную электромагнитную волну с продольным волновым числом h₂ и азимутальным индексом n с помощью брэгговского рефлектора, выполненного в виде цилиндров, поверхность которого гофрирована по винтовой линии. При этом параметры рефлекторы должны быть выбраны следующим образом: число заходов винтовой линии должно быть равным m±r, (т.е ), период гофра d равным В зависимости от направления винтовой линии (правый винт или левый) величина m может быть как положительной, так и отрицательной.

Коэффициенты преобразования (по мощности) одной волны в другую определяется соотношением K=th²δL, где L длина рефлектора, δ параметр связи. Для синусоидального профиля гофра, имеющего амплитуду l, параметр d определяется следующими соотношениями: для преобразования волны H_mp в волну H_ng

для преобразования волны E_mp в волну E_ng

для преобразования волны E_mp в волну H_ng

Здесь k=2π/λ, ν_mp р-ный корень функции Бесселя I_m(ν_mp)=0 или ее производной, соответствующий мембраной функции для волны E_mp или H_mp, R_p средний радиус рефлектора. Для остальных волн параметр связи δ=0.
Если для организации s циклов усиления использовать только преобразование электромагнитных волн в электромагнитные, то при осесимметричной электродинамической системе полный коэффициент усиления определяется соотношением G=G_o G₀ где коэффициент усиления собственной волны системы, возбуждаемой внешним сигналом; коэффициенты усиления собственных волн системы на 1-ом цикле усиления: k_i1 и k_i2 коэффициенты преобразования входных и выходных преобразователей.

Селективное преобразование электромагнитной волны в электронную, отличающуюся азимутальным распределением или поляризацией, можно осуществить с помощью электронного СВЧ прибора, выполняющего функцию модулятора электронного пучка. В качестве модулятора могут быть использованы, например, ЛОВ или оротроны, работающие в предгенерационном режиме (при рабочих токах, меньших стартовых), электродинамические системы которых представляют собой отрезки волноводов с заходной винтовой гофрировкой. В таком приборе для преобразования рабочей электромагнитной волны, имеющей азимутальный индекс m, в электронную волну с азимутальным индексом n необходимо создать условия для синхронного взаимодействия электронного пучка с n-й азимутальной пространственной гармоникой. Число заходов винтового гофра определяется из соотношения период гофра d_m из условия синхронизма для этой системы , где = v₁₁/c, v₁₁- поступательная скорость электронов, h_c продольное волновое число синхронной гармоники. В отличие от преобразования электромагнитной волны в электромагнитную, при котором коэффициент преобразования K<1. в данном случае преобразование происходит с попутным усилением. При стремлении рабочего тока к стартовому коэффициент K может стать, в принципе, сколь угодно большим, однако на практике его ограничивают величиной приблизительно 10 100, поскольку при больших K возрастает, во-первых, опасность самовозбуждения из-за флюктуаций параметров пучка, во-вторых, увеличивается разброс электронов по скоростям, что снижает эффективность использования такого пучка в электродинамической системе. Применение электронной волны в качестве входного сигнала в электродинамической системе дает возможность эффективно использовать и канал дрейфа между преобразователем и электродинамической системой в канале дрейфа, как в клистроне, происходит дополнительное усиление электронной волны. Суммарный коэффициент усиления (по мощности) модулятора пучка, канала дрейфа и собственно усилителя для одного цикла усиления можно представить соотношением (при рабочем токе, существенно меньшем стартового)

где δ_1,2,3 корни уравнения (δ-b)(δ²-σ)=C3ус

; b величина, характеризующая относительную отстройку от точного синхронизма: σ величина, характеризующая пространственный заряд; - приведенные длины канала дрейфа L_др и электродинамических систем усилителя и модулятора соответственно; g отношение энергии электрона к его энергии покоя; C3ус=8•10^-3γ³IZ_ус; I ток пучка (kA); Z_ус сопротивление связи пучка с рабочей волной электродинамической системы (Oм).

Таким образом, погонный коэффициент усиления G/L_ус, при использовании предлагаемого способа существенно превышает соответствующую величину при использовании других способов.

Ввод внешнего сигнала при использовании селективных преобразователей можно осуществить в любом удобном для конкретной конструкции месте (см. примеры 1, 2 практических реализаций).

На фиг. 1 схематично изображен убитрон-усилитель; на фиг.2 - ЛБВ-усилитель.

Убитрон-усилитель (фиг.1) содержит соосно установленные в поле соленоида 1 коаксиальный диод 2 с магнитной изоляцией, входной брэгговский рефлектор 3, электродинамическую систему 4 усиления в виде отрезка цилиндрического волновода, установленного в периодическом поле, которое создается магнитами 5, а также выходной брэгговский рефлектор 6 и излучатель 7. Ввод внешнего сигнала осуществляется через волновод 8 и квазиоптический преобразователь 9.

ЛБВ-усилитель (фиг.2) содержит соосно установленные в поле соленоида 10 коаксиальный диод, содержащий цилиндрический катод 11, электродинамическую систему 12 оротрона, выполняющего функцию модулятора, электродинамическую систему 13 усилителя, выполненную в виде замедляющей системы ЛБВ, брэгговский рефлектор 14 и излучатель 15. Ввод внешнего сигнала осуществляется через внутреннюю полость катода 11. Согласование электродинамической системы 13 с оротроном 12 и рефлектором 14 осуществляется с помощью адиабатических переходов 16 и 17.

Пример 1 конкретной реализации заявляемого способа в усилителе, изображенном на фиг.1, на частоте 10 ГГц.

Диод 2 в продольном магнитном поле напряженностью 10 15 кЭ, создаваемом соленоидом 1, обеспечивает формирования трубного электронного пучка диаметром 3,6 см, током 10 Ка и энергией электронов 1,5 МэВ. Внешний сигнал мощностью 80 кВт подают через прямоугольный волновод 8.

Рефлектор 3 выполнен в виде отрезка цилиндрического волновода диаметром 4,48 см и длиной 5 см с однозаходной правовинтовой гофрировкой (амплитуда гофра синусоидального профиля 0,1 см, период 1,79 см). Такой рефлектор прозрачен для правополяризованной волны H₁₁, в то время, как левополяризованную волну H₁₁ и правополяризованную H₂₁ трансформирует друг в друга с коэффициентом k₁ 0,96 (см. формулы на стр.5). Для обеспечения синхронного взаимодействия правополяризованной волны H₁₁ с первой гармоникой волны электронного пучка в соответствии с условием синхронизма электродинамическую систему 4 выполняют в виде отрезка волновода круглого сечения диаметров 4,48 см, а период изменения магнитного поля, создаваемого системой магнитов 5, устанавливается равным Длину электродинамической системы выбирают из условия предотвращения возбуждения автоколебаний. Для электронного тока 1 10 Ка, магнитного поля импульсного соленоида 1H 10 15 кЭ, поперечной составляющей магнитного поля в области пучка 4 кЭ длина электродинамической системы 4 не должна превышать 50 см. Усиление волны H₁₁ в электродинамической системе при этих условиях равно 20 дБ.

Рефлектор 6 выполнен в виде отрезка цилиндрического волновода диаметром 4,48 см и длиной 5 см, поверхность которого представляет собой левовинтовой трехзаходный гофр синусоидального профиля (период гофра 1,79 см, амплитуда - 0,1 см). Для этого рефлектора коэффициент преобразования правополяризованной волны H₁₁ во встречную правополяризованную волну H₂₁ равен k₂ 0,8. Для мод, отличающихся азимутальной структурой или поляризацией от этих волн, коэффициент преобразования R₂ 0. Для вывода усиленного сигнала используется рупорная антенна 7 с апертурой 28 см.

Усиление осуществляют следующим образом.

Диодом 2 формирует аксиально-симметричный электронный пучок. Внешний сигнал в виде волны H₁₀ прямоугольного волновода преобразователем 9 трансформируют в правополяризованную волну H₁₁ круглого волновода. Через рефлектор 3, который прозрачен для этой волны, правополяризованная волна H₁₁ поступает в электродинамическую систему 4, в которой благодаря выбранным параметром обеспечивают предварительное усиление этой волны путем синхронного взаимодействия ее с электронным пучком. Рефлектором 6 преобразуют предварительную усиленную волну H₁₁ во встречную электронному пучку правополяризованную волну H₂₁, которая проходит через электродинамическую систему 4, не взаимодействуя в ней с электронном пучком. Рефлектором 3 волну H₂₁ преобразуют в попутную электронному пучку левополяризованную волну H₁₁, для которой в электродинамической системе выполняются те же условия синхронизма, что и для правополяризованной волны H₁₁. В электродинамической системе осуществляют усилие левополяризованной волны H₁₁ путем синхронного взаимодействия ее с электронным пучком и через прозрачный для нее рефлектор 6 с помощью конической антенны 7 выводят усиленный сигнал в открытое пространство. Полый коэффициент усиления, таким образом, близок к 40 дБ, соответственно погонный 0,8 дБ/см, выходная мощность 250 МВт.

Пример 2 конкретной реализации заявляемого способа в усилителе, изображенном на фиг.2, на частоте 9,1 ГГц.

Вся конструкция усилителя помещается в магнитное поле соленоида 10 напряженностью 12 кЭ. Магнитоизолированный диод с трубчатым катодом 11 обеспечивает формирование пучка диаметром 4,4 см, током 10 кА и энергией электронов 0,9 МэВ. Для запитки внешним сигналом правополяризованной волной H₁₁ используется полость катода 11. Электродинамическая система 12 модулятора представляет собой цилиндр диаметром 6 см с четырехзаходным правовинтовым гофром (период 3,4 см, амплитуда гофра синусоидального профиля 0,15 см, длина гофрированной части 18 см). Электродинамическая система 13 ЛБВ представляет собой цилиндр диаметром 6,66 см и длиной 32 см с осесимметричным гофром амплитудой 0,41 см и периодом 0,8 см. Параметры этой системы обеспечивают синхронное взаимодействие электронного пучка с замедленной волной HE на выбранной частоте. Для согласования электродинамической системы ЛБВ применены с обоих концов конические переходы 16, 17 длиной 12 см с адиабатическим плавным изменением глубины осесимметричного гофра. Кроме согласование, конические переходы выполняют функцию преобразователей волны H₁₁ цилиндрического волновода в замедленную волну HE₁₁ электродинамической системы ЛБВ. На выходе системы 13 устанавливается брэгговский рефлектор 14, представляющий собой отрезок волновода диаметром 6,2 см и длиной 12 см с пятизаходным правовинтовым гофром (период 2,37 см, амплитуда гофра 0,18 см). Рефлектор предназначен для трансформации правополяризованной волны H₁₁ в противополяризованную встречную волну H₄₁. Для всех других волн рефлектор 14 прозрачен. Для вывода излучения используется коническая антенна 15.

Усиление происходит следующим образом.

Магнитоизолированным диодом с взрывоэмиссионным катодом 11 формируют аксиально-симметричный электронный пучок. Внешний сигнал в виде правополяризованной волны H₁₁ подают через полый катод на вход усилителя. Эту волну, беспрепятственно проходящую через электродинамическую систему оротрона, переизлучают на коническом переходе 16 в правополяризованную замедленную волну HE₁₁ электродинамической системы ЛБВ 13. Эту замедленную волну усиливают, осуществляя синхронное взаимодействие с электронным пучком. Предварительно усиленную таким образом волну HE₁₁ выводят из электродинамической системы ЛБВ 13, при этом на коническом переходе 17 ее трансформируют в правополяризованную волну H₁₁, которую с помощью рефлектора 14 переизлучают во встречную электронному пучку правополяризованную волну H₄₁. С осесимметричной гармоникой волны H₄₁, которая проходит без взаимодействия с электронным пучком через электродинамическую систему ЛБВ 13, в оротроне 12 осуществляют синхронное взаимодействие с электронным пучком, преобразуют энергию этой волны в осесимметричную электронную волну пучка, и в электродинамической системе ЛБВ 13 осуществляют синхронное взаимодействие этой электронной волны с замедленной волной E₀₁. Усиленный сигнал в виде волны E₀₁ выводят из ЛБВ через прозрачный для этой волны рефлектор 14 и рупорную антенну 15 в открытое пространство. Коэффициент усиления электромагнитной волны HE₁₁ в ЛБВ равен G_c 25 дБ, суммарный коэффициент усиления оротрона и ЛБВ на симметричных электронной и электромагнитной волнах около 35 дБ. С учетом коэффициента преобразования в рефлекторе 14 волны H₁₁ во встречную волну H₄₁, равного k₂ 0,8, и модуляционных потерь при предварительном усилении волны HE₁₁ общий коэффициент усиления составляет около 48 дБ. При входном сигнале 50 кВт на выходе усилителя интенсивность излучения составляет около 3 ГВт при КПД 30%

Использование: электроника СВЧ. Сущность изобретения: устройство содержит установленные в магнитном поле соленоида 1 коаксиальный диод 2 с магнитной изоляцией, брэгговский рефлектор 3, электродинамическую систему 4 в виде отрезка цилиндрического многоволнового волновода, установленного в периодическом магнитном поле, которое создается магнитами 5, а также брэгговский рефлектор 6. Узел 7 ввода входного сигнала содержит волновод 8 и квазиоптический преобразователь 9, а узел вывода усиленных электромагнитных колебаний - окно вывода энергии и излучатель. 2 ил.

Устройство для усиления электромагнитных колебаний, содержащее установленные в магнитном поле соленоида пушку, формирующую трубчатый пучок релятивистских электронов и многоволновую электродинамическую систему, узел ввода входного сигнала и узел выхода усиленных электромагнитных колебаний, отличающееся тем, что, с целью увеличения погонного коэффициента усиления при сохранении когерентности выходных электромагнитных колебаний, в него введены два селективных преобразователя типов волн, выполненных в виде отрезков волноводов, при этом один селективный преобразователь типов волн размещен между узлом ввода входного сигнала и многоволновой электродинамической системой, а другой селективный преобразователь типов волн размещен между многоволновой электродинамической системой и узлом вывода усиленных электромагнитных колебаний.