Многосекционный электронный усилитель Советский патент 1975 года по МПК H01J25/00 

М-типа, которое нарастает примерно по закону cthZ. Коллектор выполнен из двух электродов, поверхности которых изогнуты также по закону CthZ. Электрическое поле между ними нарастает по такой же зависимости. Один из электродов, являющийся продолжением замедляющей системы секции М-типа, как и все анодные системы, заземлен, а дру.гой - имеет участок с вторичноэмиссионным материалом и является продолжением катода секции М-типа. На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции многосекционного усилителя; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фит. 3 -форма электродов коллекторного узла. Предложенный усилитель (фиг. 1) содержит на входе две секции ЛБВО с магнитной периодической фокусировкой, состоящие из электронной пущки 1, заземляющей системы 2, магнитов 3, полюсных наконечников 4, и коллектора 5. Выход одной из секции по СВЧ сигналу связан коаксиалом 6, со входом замедляющей системы 7 секции М-типа. Коллектор 5 состоит из двух электродов, расстояние между которыми в области краевого поля магнитной системы М-типа уменьщается по закону CthZ, причем один из электродов является продолжением замедляющей системы 7, а другой электрод является продолжением вторичноэмиссионного катода 8 секции М-типа. Магнитная система состоит из магнитов 9 (см. фиг. 2) и магнитомягкого экрана 10, общего для всех секций прибора, одновременно являющегося вакуумной оболочкой прибора. Магнитная система 9 и экран 10 могут размещаться и вне вакуума, тогда вакуумная оболочка располагается между ними и внутривакуумными элементами конструкции, а магнитная система становится самостоятельным элементом конструкции. Принцип действия усилителя следующий. Поданный на вход (фиг. 1) сигнал усиливается в ЛБВО по обычному принципу и затем поступает для дальнейщего усиления в выходную секцию, представляющую собой по принципу действия усилитель М-типа с вторичноэмиссионным катодом. Усиленный сигнал через выход поступает в полезную нагрузку. Режим работы выходного конца секции ЛБВО выбран ближе к линейному, чем к режиму насыщения. При этом разброс скорости электронов от средней относительно мал и достижима достаточно глубокая одноступенчатая рекуперация. Потенциал коллектора выбирается на 20- 30% более высоким, чем потенциал катода пушки ЛБВО-секции, и параметры секции М-типа рассчитаны на работу при этом потенциале. Как уже указывалось выше, краевое поле магнитной системы секции М-типа без специальных магнитных экранов на торцах нарастает примерно по закону cth Z, где Z - продольная ось симметрии прибора. Исходя из этого закона, параметров пучка и формы электродов коллекторного узла, можно рассчитать траектории элементов. 1акие расчеты показали, что при изменении расстояния между электродами по закону, близкому к зависи.мости вида cth Z возможно больщинство вторичных электронов направить в пространство взаимодействия секции М-типа, и одновременно получить умеренную, достаточно равномерную удельную тепловую нагрузку на коллекторе. Дополнительно к этому, вторичноэмиссионный поток из коллектора играет роль «поджигателя для секции М-типа и она может иметь вторичноэмиссионный катод и работать в импульсном режиме при постоянном анодном напряжении па ее катоде («режим безмодуляторного питания) с высокой стабильностью переднего фронта импульса и одновременно уменьшенной длине, на которой формируются «спицы пространственного заряда, что при учете потерь в замедляющей системе также ведет к увеличе}1ию общего к.п.д. усилителя. На фиг. 3 показана форма электродов коллекторного узла о, а также пять наиболее характерных траекторий электронов, полученных путем моделирования на для указанного режима коллектора. Скорость электронов 1, II, 111 при влете в коллекторную область равна средней скорости потока. Электрон IV имеет на 7% меньщую скорость, а электрон V - на 5 /о большую по сравнению со средней скоростью. 1 онечная скорость всех электронов после торможения достаточна для получения коэффициента вторичной эмиссии больше единицы. (При использовании в качестве вторичноэмиссионного эмиттера, например, платины в среднем ноток электронов в данном случае увеличится примерно в 1,5 раза, а удельная нагрузка при токе пучка порядка 2 а составит приолизительно о вт/см-). ьольшинство вторичных электронов (см. фиг. 2) направляется в сторону входного конца секции М-типа и под действием ускоряющего СВЧ поля приводит к быстрому размножению электронов и формированию «сгустков «спиц пространственного заряда на малой протяженности участка этой секции. В противном случае без такого «поджига процесс формирования спиц, как известно, нестабилен и может занимать 1/3 нолезной длины пространства взаимодействия, что приводит к необходимости увеличения на 30% этой лины и к соответствующему уменьшению к.п.д. секции М-типа и к нестабильности переднего фронта СВЧ импульсов усилительного сигнала. Поскольку подавляющее большинство электронов пучка, формируемого пушкой ЛБВОсекции, попадает на отрицательный электрод коллектора 5, являющийся одновременно катодом 8 секции М-типа, то источник питания ЛБВО расходует свою энергию в основном на питание секции М-типа, имеющей высокий к.н.д. (за вычетом энергии, нреобразованной в полезный СВЧ сигнал в ЛБВО-секци; н доли, рассеиваемой в виде тенла на коллекторе и других элементах конструкции).

В результате общий к.и.д. усилителя получается близким к высокому к.п.д. выходной секции М-тица.

В данном случае высокий электронный к.п.д. ЛБВО-секций не обязателен, поэтому ее фазовая стабильность может быть выше обычной, а общая фазовая стабильность предлагаемого усилителя существенно более высокой, чем в ЛБВО с аналогичным коэффициентом усиления и рабочей полосой частот.

Расчет показывает, что предлагаемый усилитель выгоднее обычной ЛБВО и в том отиощении, что способен обеспечить при задаином анодном иаиряженин на порядок больщую импульсную выходную л-гощность. Например, ири напряжении 10-15 кв возможно получение мощности более 100 квт в импульсе при общем к.н.д.. При этом выходная секция ЛБВО должна обеспечивать ВЫХОДНУЮ

мощность порядка 3 квт, к.п.д. порядка 15% и микропервеанс 0,7-0,8.

Общий коэффициент усиления при этом может быть более 40 дб, а полоса больще 10%.

Эти параметры в десятисантиметровом диапазоне длин воли могут быть получены при поперечных габаритах порядка 5 см.

П р е д м е т и з о б р е т е и и я

Многосекцнонный электронный усилитель, содержащий на входе секции ЛБВ б-тина, на выходе секцию М-типа с замедляющей системой н катодом, коллектор секции О-тииа, совмещенный с катодоА выходной секцни. отличаю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения поперечных габаритов и увеличения стабильности переднего фронта и iпульса, коллектор секции О-тнпа выполнен из двух электродов, позерхности которых изогнуты по закону cth Z в области краевого поля магнитное системы линейной секции М-типа, нричем нродолженнем одного из электродов является вторичноэмнссиоииый катод секции М-типа, а другого - замедляющая система секцни М-типа.

Фиг 3,