Генератор дифракционного излучения Советский патент 1986 года по МПК H01J25/00 

2, Генератор по п. 1, о т л ичающийся тем, что поверхность дифракционной решетки выполнена в соответствии со следующим соотношением:

2(ZK+2Rn) (i arctg-j,

где об - средний угол мевду поверх982480

костью дифракционной решетки и осью прямого пучка;

- толщина прямого пучка элект ронов;

- длина решетки;

- амплитуда пульсаций граничных электронов.

1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий электронно-оптическую систему с катодом и отражателем, формирующую прямой и обратный пучки электронов, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых снабжено выводом энергии, а в центральной части второго расположена дифракционная решетка, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и стабильности частоты генерируемых колебаний, дифракционная решетка выполнена таким образом, что расстояние между ее поверхностью и осью прямого пучка электронов монотонно увеличива-з ется в направлении от катода к отра(Л жателю, а отражатель выполнен таким образом, что ось отраженного пучка расположена между поверхностью ди,фракционной решетки и осью прямого пучкаэлектронов.

I

Изобретение относится к области электроники СВЧ, в частности к электровакуумным приборам типа О миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, механизм действия которых основан на использовании эффекта дифракционного излучения, и может быть использовано, например,

в гетеродинах СВЧ приемников и измерительных генераторах, где к источникам СВЧ колебаний предъявляются . повьш1енные требования по стабильности частоты, уровню шумов и надежности генератора.

В настоящее время известен ряд электровакуумных устройств, в которых с целью уменьшения пусковых токов, повышения КПД и обеспечения без мощностной перестройки по частоте, используется принцип многократного взаимодействия электронов с ВЧ полем электродинамической системы. Наиболе широкое применение из таких приборов нашли отражательные клистроны, многопролетные резонансные лампы обратной .волны (лов) и генераторы дифракционного излучения. Более перспективными для целей генерирования колебаний миллиметровых субмиллиметровых диапазонов являются многопролетные генераторы дифракционного излучения (ГДИ), которые за счет использования высокодобротной резонансной электродинамической системы имеют достаточно высокие уровни выходной мощности, хоро. Шую стабильность частоты и более простую технологию изготовления. Так например, известен многопролетный ГДИ, содержащий два связанных открытых резонатора (ОР) расположенных зеркально-симметрично относительно оси пушка-отражатель, и полупрозрачные дифракционные решетки, нанесенные в центральной части смежных вогнутых зеркал резонаторов, между которыми пропуска.ется сходящийся пучок электронов. Для такого прибора не требуется специальных фокусирующих систем, что значительно уменьшает его вес и , габариты. Кроме того, наличие двух связанных резонаторов значительно расширяет функциональные возможности генератора. Однако многопролетность электронов в пространстве взаимодействия приводит к некоторым нежелательным явлениям: уменьшается срок

службы прибора, усиливается эффект проявления гистерезисных явлений. Поэтому для многопролетных ГДИ актуальной является задача ограничения количества пролетов электронов, которая может быть решена, например, для отражательных клистронов, разделением траекторий движения прямых и обратных электронов. Но при конструкции прибора, когда прямой и обратный пучки электронов движутся

в узком канале, образованном смежными зеркалами и дифракционными решетками, решение такой задачи является очень сложным.

Ближайшим техническим решением является отражательный генератор дифракционного излучения, содержащий электронно-оптическую систему с катодом и отражателем, формирующую прямой и обратный пучки электронов,

открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых с выводом энергии, а в центральной части второго нанесена плоская дифракцион-,.

0 ная решетка. Многократность взаимодействия электронов с ВЧ полем ОР в таком приборе осуществляется в одной плоскости, проходящей через ось катод-отражатель. Описанное устройство, по сравнению с ГДИ, у которых используется од нократное взаимодействие электронов с ВЧ полем ОР, имеет значительно большую эффективную длину дифракционной решетки. В результате реальная длина дифракционной решетки может быть уменьшена, что приведет к сниже нию омических и дифракционных потерь в приборе. Пусковые токи генератора .благодаря использованию многократнос ти взаимодействия, могут быть резко .снижены, а стабильность и спектральный состав.излучения ГДИ в значитель ной степени определяются высокодобро ной колебательной системой ОР, что является существенным отличием его от резонансной ЛОВ с мцогократнььм взаимодействием.. Однако использование многократности пролета электронов в одной плоскости приводит к уменьшению срока службы прибора за счет бомбардировки катода пушки электронами отраженного пучка, а также к ограничению уровня выходной мощности пространственным зарядом, более сильным, чем в однопролетном ГДИ. Кроме того, отраженные электроны, попадая в область катода пушки, нарушают стабильность тока эмиссии, что приво дит к ухудшению стабильности частоты и.качества спектра генерируемых колебаний. Цель изобретения - увеличение срока службы и стабильности частоты генерируемых колебаний. Цель достигается тем, что в генераторе дифракционного излучения, содержащем .электронно-оптическую систе му, с катодом и отражателем, формирующую прямой и обратный пучки электронов, открытый резонатор, образован ный двумя зеркалами, одно из которых с выводом энергии, а в центральной части второго расположена дифракцион ная решетка, которая выполнена таким образом, что расстояние между ее поверхностью и осью прямого пучка элект ронов монотонно увеличивается в направлении от катода к отражателю, и отражатель выполнен таким образом, что ось отраженного пучка расположена между поверхностью дифракционной решетки и осью прямого пучка. Целесо образно поверхность дифракционной ре шетки выполнить так, что средний угол, который она составляет с осью прямого пучка oi, удовлетворяет еле- дующему соотношению: 2(Zr+2Rn) ti arctg- - -П-, где Z 1 - толщина прямого пучка электронов; - дпина решетки; R - амплитуда пульсаций граничных электронов. На фиг. 1 изображен предложенный генератор дифракционного излучения; на фиг. 2 и фиг. 3 - варианты выполнения дифракционных решеток. Резонансная электродинамическая система такого генератора выполнена в виде открытого резонатора 1j образованного подвижным зеркалом 2, имеющим волноводный или квазиоптический вывод энергии, и неподвижным зеркалом, в центральной части которого, вдоль оси 3 электронно-оптической системы 4, формирующей прямой пучок 5 электронов, расположена дифракционная решётка, состоящая из двух частей 6,7. Часть решетки 6 расположена горизонтально относительно плоскости прямого пучка 5 электронов, а часть решетки 7 установлена с наклоном в сторону отражателя 8 таким образом, что ее поверхность у отражателя 8 находится на уровне нижней границы обратного пучка 9 электронов, ось симметрии 10 которого смещена параллельно относительно оси 3 к поверхности решетки 7 на расстояние порядка двух полутол1щн прямого пучка 5 электронов. С целью уменьшения дифракционных потерь в области расположения решетки 7 ее по верхность плавно сопрягается с поверхностью зеркала. Отражатель 8 может быть выполнен, например, в виде плоского или вогнутого электрода, расположенного под острым углом относительно оси 3 движения прямого пучка 5 электронов, а в случае использования в приборе магнитной фокусировки электронов область отражателя 8, с целью улучшения условий формирования обратного пучка 9 электронов, целесообразно экранировать от магнитного поля экраном 11. Кроме того, часть дифракционной решетки 7 может быть выполнена, например, в виде секции с возможностью углового перемещения относительно оси 10 обратного пучка 9 электронов (см. фиг. 2), или же из нескольких секций с возможностью вертикального перемещения их относительно оси 10 обратного пучка 9 элект ронов (см. фиг. 3). Описанное устройство работает еле дующим образом. Электронно-оптическая система 4 формирует симметрично оси 3 прямой пучок 5 электронов. При пролете пучка 5 электронов над частью дифракционной решетки 6 он предварительно модулируется по скорости и по плотности заршда, а затем на выходе из объема ОР 1 попадает в электростатическое norte отражателя 8. Конфигурация электростатического поля в промежутке край дифракционной решетки 7 отражатель В обеспечивает смещение оси 10 обратного пучка 9 электронов относительно оси 3 электронно-оптической системы 4 к плоскости дифракционной решетки 7, на расстояние порядка двух полутолщин пучка 5 электронов. Такое смещение электронного потока к плоскости решетйи 7 недостаточно, чтобы помешать огралсенным электронам попасть в пространство взаимодействия, но достаточно, чтобы предотвратить их попадание на катод. В процессе движения прямого пучка 5 электронов в объеме ОР 1 и в тормозящем поле отражателя 8 происходит дополнительная моду ляция пучка. В частности, модуляция по скорости переходит в модуляцию по плотности заряда, и обратный пучок 9 электронов попадает в пространство взаимодбйствия, эффективно отдавая свою энергию ВЧ полю ОР 1. Плавное сопряжение поверхности зеркала и решетки 7 позволяет уменьшить неоднородность поля ОР 1 в области отбора энергии от электронного потока, а следовательно, снизить в генераторе дифракционные потери. Кроме того. возможность механической коррекции решетки 7 относительно оси 10 позволяет дополнительно оптимизировать связь обратного пучка 9 электронов с ВЧ полем ОР 1. Предложенный генератор, по сравнению с известными ОГДО, имеет значитгльно больший срок службы, так как в нем практически отсутствует бомбардировка катода пушки отраженными электронами. Вместе с тем, в нем сохраняется основное преимущество таких генераторов перед однопролетными ГДИ - безмощностное управление частотой колебаний при изменении напряжения на отражателе. Отсутствие отраженных электронов в области катода пушки позволяет снять ограничение тока эмиссии за счет пространственного заряда, а следовательно, повысить -уровень выходной мощности генератора. Кроме того, обратный пучок электронов в таком приборе не влияет на эмиссионные свойства катода, что приводит к повьш1ению стабильности тока пучка, а следовательно, и частоты генерируемых колебаний.

(Риг.