Монотронный генератор и способ генерации колебаний в нем Советский патент 1984 года по МПК H01J25/06 

у//////// Изобретение относится к области СВЧ-техники, а более конкретно к источникам СВЧ-мощности, и может быть использовано в ускорительной технике. Известен пролетный клистрон, со,держащий инжектор электродов и резонаторы Cll. Генерация субгармоник основной частоты производится при инжекции модулированного электронного пучка в резонатор с двумя зазорами. Этот клистрон имее сложную конструкцию, требует длительной настройки перед включением и обладает невысокой надежностью. Известен монотронный генератор СВЧ-колебаний, работающий при отрицательной активной электронной пров димости рабочего зазора резонатора монотрон, содержащий инжектор элект ронов, соосно му расположенный резонатор с пролетными каналами и выводом энергии и коллектор Г23. Гене рация в монотроне осуществляется путем ввода электронного потока в пролетный канал резонатора с невозмущенным углом пролета . Несмотря на внешнюю простоту, такие генераторы широко не используются, так как.обладают низким КПД и требуют большого пускового тока. Целью изобретения являются созда ние на основе принципа действия мон трона устройства для генерации субгармоник, повышение КПД и уменьшени пускового тока. Поставленная цель достигается те что в монотронном генераторе, содер жащем инжектор электронов, соосно ему расположенный резонатор с пролетным каналом и вьюодом энергии и коллектор, в инжектор введено уст ройство формирования электронных сгустков. Резонатор настроен на частоту f, определяемую следующим соот.ношением f/fp n/m, где fjj - частота следования электронных сгустков, n,m - целые числа и n/m 1. Генерация субгармоник в монотрон ном генераторе осуществляется путем ввода электронного потока в пролетнвц канал резонатора. При невозмущенный угол пролета бр электронных сгустков в резонаторе и вели 8 J чину среднего тока 5о выбирают из следующих соображений (бсгО (1+sineo-1+2cos0o 0, 28 g 0 (6o-1)(1+sineo-1+cosQ где do средний TOKj QO невозмущенный угол пролета сгустков в резонаторе; U(j - напряжение инжекции электронных сгустков; R - шунтовое сопротивление резонатора с учетом внешней нагрузки. На фиг. 1 представлена схема монотронного генератора; на фиг. 2 зависимость функции |(в) от невозмущенного угла продета вд электронных сгустков в резонаторе; на фиг.З результаты расчета на ЭВМ баланса. энергии зависимости электронного КПД от амплитуды напряжения на резонаторе при различных значениях невозмущенного угла пролета; на фиг. 4 представлена рабочая характеристика монотронного генератора со следующими параметрами: невозмущенный угол пролета 9о 2,67, напряжение инжекции электронньж сгустков UQ 50 кВ; сопротивление нагрузки, перечисленное к зазору резонатора, R 0,52 мОм, шунтовое сопротивление резонатора без учета внешней нагрузки R 3,70 мОм, средний за период ток р 10 А; частота субгармоники f в два раза меньше частоты следования электронных сгустков fJJ , т.е. f/fj, 1/2; КПД устройства ivj 70%; электронный КПД ц §0%. Предлагаемьй монотронный генератор работает следующим образом. Инжектор электронов 1 формирует электронные сгустки, которые поступают в резонатор 2 и взаимодействуют с его продольным электрическим полем. В результате происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-колебаний резонатора на частоте субгармоники. Энергия выводится через устройство 3, а электроны собираются на коллекторе 4, Рассмотрим физические процессы, происходящие в монотронном генераторе, в сравнении с прототипом. Непрерывный пучок в монотронне может быть рассмотрен (для анализа) как последовательность большого числа сгустков за период колебаний резонатора. Если это число сгустков N стремится к бесконечности, то получим обычный монотрон с непрерывным пучком. Начнем теперь уменьшать число N. Таким образом, формально можно утверждать, что монотрон делит бесконечно высокую частоту (, Nf в N раз и является генератором частоты f При конечном N в расчете можно рассмотреть просто баланс энергий разницу между энергией сгустков на входе и на выходе из резонатора. Наиболее просто это сделать для Расчет электронного КПД устройства при сделан в предложении малой фазовой протяженности сгустков. Вначале допускается наличие HIEKOTOрого продольного электрического поля в резонаторе, а затем показывается, что при определенных условиях на длину резонатора или (что то же самое) на величину невозмущенного угла пролета, энергия сгустков на выходе резонатора становится меньше, чем их энергия на входе. Разница между этими энергиями, отнесенная к энергии сгустков на входе, является электронным КПД 1 устройства. В рассмотрен ном случае получено для малых |; (9o)f (ев) (во-1)(1+81п0о)-И-2со8в, безразмерная ампли туда напряжения на резонаторе; -удельный заряд элек трона; -напряжение на резонаторе;10 27( ; -длина резонатора. ф(9ц) имеет ряд интерваФункциялов или зон генерации (см. фиг. 2), в которых она принимает значения бол шие нуля. В этих зонах происходит перекачка энергии сгустков в энергию СВЧ-полей резонатора. Однако из-за диссипации энергии в стенках резонатора величина должна быть достаточно большой. Это соответствует существованию пускового тока - минимальной величины конвекционного тока сгустков, при которой подкачка энергии в резонатор больше, чем потери в нем. Расчет этой величины для дает Выражение (1) для i справедливо при малых S . При достаточно больших баланс энергий был рассчитан на ЭВМ. Результаты приведены на фиг.З. КПД устройства i - это отношение мощности, идущей в полезную нагрузку, подключенную к резонатору, к мощности пучка. С другой стороны : R -RpRH 2RoUo3 o где RQ - шунтовое сопротивление резонатора без учета внешней нагрузки;Кц - сопротивление нагрузки, перес итанное к зазору резонатора. Первое из равенств (3) показывает, что полезная мощность, вьщеляемая устройством в нагрузке, есть разность между полной рассеиваемой СВЧмощностью и СВЧ-мощностью, рассеиваемой в резонаторе. Поскольку Чп пропорциональны , на графие в логарифмическом масштабе изображающие их прямые параллельны между собой и параллельны прямолинейной части криводй (Е) (см. фиг. 4). Точка пересечения v( и1() является рабочей точкой устройства. В ней энергия, отобранная у пучка распределяется между резонатором и нагрузкой. При напряжении меньшем, чем в рабочей точке, разность между мощностями и идет на повышение напряжения в резонаторе. Проведенные испытания показали работоспособность описанного монотронного генератора. Предлагаемый монотронныи генератор позволяет генеровать СВЧ-колебания на частоте субгармоники, имеет вьюокий КПД, малый первеанс пучка ( Z-IO), что крейне важно при практическом использовании, малую величину пускового тока.

1. Монотронньй генератор, содержащий инжектор электронов, соос- но ему распрложенньй резонатор с пролетным каналом и выводом энергии, коллектор, б.тличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности генерации субгармоник, повьшге- ния КПД, уменьшения пускового тока,в инжектор введено устройство формирования электронных сгустков, приэтом резонатор настроен на частоту f^определяемую следующим соотношением;f/fo = n/m,где fo - частота следования электронных сгустков;п,ш - целые числа и n/m < 1 .•2. Способ генерации колебаний в монотронном генераторе по п.1 , включающий операцию ввода электронного потока в пролетный канал резонатора, отличающийся тем, что при f/f = 1/2 невоэмущен- ный угол пролета электронных сгустков в резонаторе и величину среднего тока Я выбирают- из следующих соотношений ',

7вЗЮ- j

1

06

s- ц

3

г

i

yi

4- 3гг