СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗИ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ Советский патент 1971 года по МПК H01J9/42 

Ввиду сложности замедляющих систем, применяемых в настоящее время, строгое описание электродинамических процессов в них требует использования громоздкого математического аппарата. Несмотря на это, теоретические формулы для расчета основных электродинамических характеристик замедляющих систем - сопротивления связи и коэффициента замедления - в ряде случаев дают только приближенный результат, не обладающий требуемой для конструирования приборов точностью. Поэтому проблема экспериментального исследования электродинамических свойств периодических структур является весьма актуальной и практически важной.

Наибольщими достоинствами среди известных способов измерений параметров замедляющих систем обладают способы, основанные на изучении взаимодействия электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, поскольку электронный пучок является тем естественным анализатором, который автоматически выделяет необходимую пространственную гармонику, взаимодействуя при этом только с продольной составляющей электромагнитного поля. Эти способы отличаются высокой точностью определения сопротивления связи и дисперсии замедляющих систем И простотой измерений.

Известны два способа измерения сопротивления связи замедляющих систем с помощью электронного пучка: полного подавления сигнала и малых электронных затуханий, которые, несмотря на свои несомненные преимущества, все же обладают некоторыми недостатками и трудностями, ограничивающими возможность их щирокого применения. Дело в том, что наиболее простые измерения сопротивления связи по условиям бесконечного затухания сигнала (эффект Компфнера) при практически приемлемой длине взаимодействия и тока пучка можно осуществить для структур с относительно высоким сопротивлением связи. Метод малых электронных затуханий более универсалеп и позволяет исследовать замедляющие системы при малых электрических длинах и сопротивлении связи порядка нескольких ом, однако применение

этого метода требует измерения величины электронного затухания, что представляет собой самостоятельную задачу.

Целью изобретения является создание наиболее простого способа измерения сопротивления связи замедляющих систем, основанного на взаимодействии электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, заключающегося в определении величин, легко поддающихся измерению, таких, как ток и напряжение, в результате чего упрощается и ускоряется процесс измерений.

Для достижения этой цели предлагается использовать способ измерения сопротивления связи замедляющих систем, предусматривающий взаимодействие электроииого пучка с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в исследуемой замедляющей системе. Согласно изобретению снимают зависимость напряжения, соответствующего режиму отсутствия взаимодействия электронного пучка с замедленной электромагнитной волной (режим «невлияния) от тока электронного пучка, проходящего в исследуемой замедляющей системе, и затем по формуле определяют сопротивление связи:

12

-

RcTs -сопротивление связи замедляющей

системы;

Ре - постоянная распространения электронного пучка;

/ - геометрическая длина замедляющей системы; /к - ток коллектора; /7 -напряжение, соответствующее режиму «невлияния.

Чтобы измерить сопротивление связи св, определяют изменение напряжения «невлияния (т. е. напряжения, соответствующего режиму «невлияния), при котором скорость Ve пучка равна фазовой скорости Уф волны (при варьировании тока пучка, который заметно меньще тока срыва колебаний в замедляющей системе). Замедляющая система вводится в измерительный тракт либо с помощью электронного зонда, либо с помощью лампы бегущей волны (ЛБВ).

Процесс измерения состоит из следующих этапов.

При определенном токе / пучка измеряют напряжение U точки перехода от релшма ослабления сигнала электронным пучком на выходе ЛБВ к режиму усиления (напряжение «невлияния).

Аналогичные измерения проводят при меньших токах пучка (до таких значений тока, при которых еще наблюдается взаимодействие волны с пучком).

По полученным данным строят кривую зависимости напряжения U от тока пучка /.

Из графика U (/) находят производную dl/dU при наименьщих токах пучка, после чего по формуле

п 12

АСВ -

А J

(.0

2 и dU)

определяют сопротивление связи замедляющей системы на данной частоте сигнала.

ма одного из вариантов измерительной установки.

Для пояснения основных соотнощений, выведенных в рамках линейной теории ЛБВ, из которых получена аналитическая формула для расчета сопротивления связи по измеренным току и напряжению, рассмотрим взаимодействие электронного пучка с бегущей волной в релсиме, близком к синхронизму.

На первый взгляд может казаться, что при точном синхронизме, когда , коэффициент электронного взаимодействия G равен нулю (см. фиг. 1). Однако это не так, поскольку при прохождении пучка через поля, замедляющей системы пучок группируется по плотности в нулевой фазе поля и, в свою очередь, наводит в системе поле, сдвинутое в фазе относительно внещнего сигнала, что эквивалентно изменению скорости суммарной волны.

При этом средняя скорость электронов несколько больще скорости волны, электронные уплотнения оказываются в тормозящей фазе, и становится возмол ной передача их энергии полю суммарной волны, а следовательно, и

усиление. Заметим, что при активная мощность взаимодействия равна нулю, и именно реактивное влияние пучка на волну делает возможным усиление. Реактивная мощность не влияет на усиление сигнала, однако изменение последней влечет за собой изменение фазовой скорости суммарной волны, и точка А на кривой взаимодействия (см. фиг. 1), являющаяся точкой перехода от ослабления к усилению, смещается по оси абсцисс. Поскольку реактивная мощность зависит от сопротивления связи, электрической длины, тока взаимодействия и ускоряющего напряжения, то естественно предположить, что при изменении одного из названных параметров (например, тока /) точка А будет смещаться, причем величина смещения должна зависеть от зафиксированного параметра (например, сопротивления связи). Очевидно, что чем меньше ток, тем меньще реактивная

связь пучка с полем системы, что соответствует повыщению скорости электронов. Поэтому, зная характер зависимости скорости пучка электронов от тока пучка в режиме невлияния (точка А на фиг. 1), можно использовать ее для нахождения сопротивления связи.

В рамках линейной теории рассмотрим процесс взаимодействия пучка с волной в режиме невлияния. При этом ограничимся малыми cN (с - параметр усиления Пирса, N - электрическая длина замедляющей системы). Нетрудно заметить, что имеется вполне определенная зависимость соотношения фазовой скорости волны и скорости электронов от тока пучка, сопротивления связи, ускоряющего напряжения и электрической длины. Для удобства теоретического анализа необходимо установить связь этих величин, используя известную теорию ЛБВ «О типа. Сотронов удобнее всего описать с помощью относительного угла полета Фо:

Фо (Рв-р)/,

где Ре - постоянная распространения электронного пучка;

р-постоянная распространения волны; / - геометрическая длина замедляющей

системы.

В режиме невлияния скорость пучка отличается от скорости волны незначительно, что позволяет считать относительный угол полета малой величиной. Как показал теоретический расчет, не приводимый в настоящем описании, это дает возможность значительно упростить математические преобразования и получить следующую аналитическую формулу для сопротивления связи:

12

Rc.

С помощью описанного способа измерили сопротивление связи замедляющей системы в виде однозаходной проволочной спирали, установленной в ЛБВ. Сравнив результаты измерений с результатами, полученными другими способами (например, способом полного подавления, известного высокой точностью), получили хорощее совпадение во всем диапазоне частот.

Измерения можно проводить, например, с помощью измерительной установки, использующей супергетеродинный метод (см. фиг. 2).

Высокочастотный сигнал от генератора 1 стандартных сигналов с уровнем мощности, соответствующим линейному режиму взаимодействия электронного пучка с волной, проходит через ферритовый вентиль 2, исследуемую замедляющую систему 3 в ЛБВ или электронном зонде и фиксируется установкой 4 для калибровки аттенюаторов типа Д1-1.

Установка 4 позволяет сравнивать отношение двух сигналов одной и той же промежуточной частоты: внешнего сигнала, проходящего через испытуемый элемент, и сигнала внутреннего генератора промежуточной частоты. Оба сигнала в противофазе поступают в схему фазового детектора на выходе УПЧ, и по нулевой индикации можно судить о равенстве уровней сравниваемых сигналов. Индикатором является стрелочный гальванометр с нулем на середине щкалы. Ири выключенном электронном пучке схема балансируется, т. е. выравниваются два сигнала, и на шкале устанавливается нуль. При включенном электронном нучке в режиме взаимодействия пучка с волной замедляющей системы баланс нарушается, так как пучок либо усиливает входной сигнал замедляющей системы, либо ослабляет его (см. фиг. 1). В соответствии с этим на индикаторном приборе стрелка отклоняется вправо или влево от нуля, а режим «невлияния фиксируется в момент прохождения стрелки гальванометра через нуль при переходе от ослабления сигнала к режиму усиления.

Кроме указанных выше, в блок-схеме имеются следующие элементы: блок 5 питания

электронного зонда, ферритовый вентиль 6,

смесительная камера 7, буферный аттенюатор

8, гетеродин 9 и блок 10 питания установки 4.

Сонротивление связи находят следующим

образом. В исследуемой замедляющей системе 3 устанавливают режим полного подавления сигнала. Зная ток срыва /ср и напряжение срыва Ucp, увеличивают ускоряющее напряжение до нанряжения «невлияния

. При этом на индикаторе установки 4 наблюдается «невлияние пучка на волну при токе взаимодействия /ср. Далее снимают зависимость И от тока взаимодействия / при уменьшении его значения до минимально

возможной величины, при которой еще наблюдается эффект взаимодействия. Иаименьший ток при таких опытах 5-10 мка. RCB рассчитывают для токов взаимодействия /, в 3-5 раз меньших /ср, т. е. в области, где

теория дает наименьшую погрешность. Зная ток, соответствуюш,ее ему напряжение «невлияния, частоту сигнала, длину взаимодействия, радиусы пучка и канала взаимодействия, распределение затухания системы рассчитывают RCE по вышеупомянутой формуле. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, способ измерения сопротивления связи по смещению напряжения «невлияния позволяет исследовать замедляющие системы в дециметровом и сантиметровом диапазонах с величинами от единиц до нескольких сотен сантиметров. Относительная погрешность измерений при этом 12%.

Предмет изобретения

Способ измерения сопротивления связи замедляюпдих систем, основанный на взаимодействии электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в исследуемой замедляющей системе, отличающийся тем, что, с целью упрощения н ускорения процесса измерений, снимают зависимость напряжения, соответствующего режиму

отсутствия взаимодействия электронного пучка с замедлепной электромагнитной волной, от тока электронного пучка и затем по формуле определяют сопротивление связи:

12

dJ

/51

(3,,/)2 I

2 и dU

Сонротивление связи замедляющей

системы;

постоянная распространения электронного пучка;

геометрическая длина замедляющей системы;

Фиг.1