оротрон

Формула изобретения

1. Оротрон, содержащий электронную пушку, коллектор, периодическую структуру, расположенную между электронной пушкой и коллектором, открытый резонатор, содержащий плоское зеркало, на поверхности которого размещена упомянутая периодическая структура, и фокусирующее зеркало, расположенное напротив плоского зеркала так, что его ось симметрии перпендикулярна поверхности плоского зеркала, а расстояние до этой поверхности, отсчитанное по оси симметрии, меньше фокусного, при этом в одном из зеркал резонатора выполнено отверстие для вывода энергии, отличающийся тем, что он содержит отражатель, расположенный у одного из концов периодической структуры над поверхностью плоского зеркала резонатора под острым углом к ней в плоскости, линия пересечения которой с упомянутой поверхностью перпендикулярна плоскости симметрии периодической структуры, при этом величина данного угла выбрана из условий

₁=135-[arccos(c/V_e-|n|/l)]/2

для отражателя, расположенного у пушечного конца периодической структуры, и

₂=45+[arccos(c/V_е-|n|/l)]/2

при размещении отражателя у коллекторного конца периодической структуры,

где с - скорость света,

l - период периодической структуры,

|n| - номер излучающейся гармоники,

- длина волны генерируемых электромагнитных колебаний,

V_e - скорость электронов, определяемая соотношением V_e=5,93×10⁵U ₀,

U₀ - ускоряющее напряжение.

2. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительный отражатель, расположенный у другого конца периодической структуры над поверхностью плоского зеркала резонатора под соответствующим углом ₁ или ₂ к ней в плоскости, линия пересечения которой с упомянутой поверхностью перпендикулярна плоскости симметрии периодической структуры.

3. Оротрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что периодическая структура выполнена из ламелей толщиной d, составляющей (0,1-0,2)l.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.

Известен оротрон [1], содержащий электронную пушку, коллектор, периодическую структуру, выполненную в виде узкой дифракционной решетки, расположенной на плоском зеркале, открытый резонатор, образованный этим зеркалом и полуцилиндрическими зеркалами, расположенными у пушки и коллектора так, что их ось симметрии лежит на плоском зеркале и параллельна оси симметрии электронно-оптической системы прибора (т.е. оси - катод-коллектор). Отражающая поверхность полуцилиндрических зеркал образует конфокальный открытый резонатор, обеспечивающий максимум распределения напряженности высокочастотного электромагнитного поля в центре между ними. Над этими зеркалами расположен отражатель для уменьшения потерь на излучение в направлении, перпендикулярном к поверхности плоского зеркала. Плоский электронный поток пропускается через отверстия, сделанные в области максимального магнитного высокочастотного поля на поверхности конфокальных зеркал и, следовательно, в максимуме высокочастотного тока. Вывод энергии осуществляется через отверстие в одном из этих зеркал. При подаче на подогреватель катода напряжения накала, а на электронную пушку высокого напряжения она формирует плоский электронный поток, движущийся над поверхностью периодической структуры и оседающий на коллектор. Для фокусировки электронного потока используется постоянное магнитное поле. При движении электронного потока вблизи поверхности периодической структуры он возбуждает в ней сложное дифракционное электромагнитное поле, которое можно представить как поле излучения в виде электромагнитных волн в свободном пространстве, распространяющихся со скоростью света с (быстрых излучающихся дифракционных гармоник), так и поле медленных пространственных гармоник, распространяющихся в периодической структуре попутно с электронным потоком и в противоположную сторону. С одной из медленных пространственных гармоник, имеющей скорость, близкую к скорости электронного потока (так называемой синхронной), взаимодействует электронный поток.

Полуцилиндрические зеркала отражают быстрые дифракционные гармоники, излучающиеся под малыми углами к поверхности периодической структуры, в область, находящуюся в центре между зеркалами. При превышении током электронного потока пускового тока генерации дифракционное излучение, падающее на периодическую структуру в указанной области резонатора, группирует электроны потока в сгустки, которые, двигаясь синхронно с одной из медленных пространственных гармоник, взаимодействуют с ее полем, отдавая часть своей энергии. В результате в резонаторе, настроенном на частоту соответствующей излучающейся (быстрой) дифракционной гармоники, возбуждаются его собственные колебания.

Недостатками такой конструкции являются большие потери энергии, обусловленные значительными омическими потерями на металлических поверхностях резонатора из-за того, что основная их часть находится в области протекания больших высокочастотных токов, и дифракционными потерями на отверстиях для прохождения электронного потока.

Кроме того, совмещение осей электронно-оптической системы и конфокального резонатора не дает возможности использовать более широкие электронные потоки по причине увеличения дифракционных потерь и связанных с этим ухудшением качества резонатора, о чем уже говорилось ранее.

Указанные недостатки приводят к ограничению мощности генерируемых колебаний и снижению КПД прибора.

Из числа известных технических решений наиболее близким к предложенному является оротрон [2], содержащий электронную пушку, коллектор, периодическую структуру, расположенную между электронной пушкой и коллектором, открытый резонатор, содержащий плоское зеркало, на поверхности которого размещена периодическая структура, и фокусирующее зеркало, расположенное напротив плоского зеркала так, что его ось симметрии перпендикулярна поверхности плоского зеркала, а расстояние до этой поверхности, отсчитанное по оси симметрии, меньше фокусного, при этом в одном из зеркал резонатора выполнено отверстие для вывода энергии генерируемых колебаний. В этом оротроне отсутствуют указанные выше недостатки оротрона [1], связанные с конструкцией резонатора.

Конструкция открытого резонатора оротрона [2] обеспечивает "захват" излучения, распространяющегося в направлении, близком к нормальному к поверхности периодической структуры, реализуя таким образом обратную связь, необходимую для возбуждения автономных колебаний в резонаторе. Расстояние между зеркалами резонатора определяет частоту, на которой эта обратная связь осуществляется. В данной конструкции обеспечивается электронно-волновое взаимодействие электронного пучка с электромагнитным полем дифракционных гармоник, излучающихся под углами, близкими 90° к поверхности периодической структуры. При заданной величине периода в зависимости от ускоряющего напряжения излучаться под этими углами могут дифракционные гармоники одной и той же частоты f (длины волны ) с любыми номерами |n|=|-1|, |-2|, |-3| и т.д. в соответствии с законом Смита-Парселла:

где - угол между направлением излучения и направлением движения электронного потока, отсчитываемый в плоскости симметрии периодической структуры,

с - скорость света,

l - период периодической структуры,

V_e - скорость электронного потока, определяемая соотношением V_e=5,93×10⁵U ₀, где U₀ - величина ускоряющего напряжения.

Из выражения (1) видно, что при фиксированном отношении /l гармоникам с большими номерами соответствует большая величина отношения c/V_e, т.е. меньшее значение скорости V _e или величины ускоряющего напряжения.

Однако амплитуда ВЧ поля медленных поверхностных гармоник с номерами |n|>1 быстро уменьшается при удалении от поверхности периодической структуры, поэтому наиболее эффективные режимы работы оротрона [2] реализуются при электронно-волновом взаимодействии с первой медленной пространственной гармоникой. При этом оптимальное отношение толщины d ламели периодической структуры к периоду l структуры d/l=0,5. Для мощных эффективных оротронов, работающих на первой гармонике, с рабочим напряжением до 20 кВ отношение скорости света с к скорости V_e электронов потока c/V_e >3,57 (без учета релятивистской поправки), т.е. отношение длины волны рабочего колебания к периоду l больше чем 3,57. При этом область эффективного электронно-волнового взаимодействия у поверхности структуры ограничивается величиной порядка 1/5-1/7 в направлении, перпендикулярном к этой поверхности (далее для краткости - малость высоты пространства взаимодействия). Поэтому недостатками конструкции такого оротрона в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн являются малая величина периода периодической структуры и малость высоты пространства взаимодействия. Малость высоты этой области, в свою очередь, затрудняет отвод тепла от ламелей и эффективное использование больших токов пучка. Все это делает невозможным создание оротрона с большим уровнем мощности генерируемых электромагнитных колебаний и высоким значением КПД в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в повышении мощности генерируемых колебаний и КПД прибора в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.

Для решения этой задачи в оротрон, содержащий электронную пушку, коллектор, периодическую структуру, расположенную между электронной пушкой и коллектором, открытый резонатор, содержащий плоское зеркало, на поверхности которого размещена упомянутая периодическая структура, и фокусирующее зеркало, расположенное напротив плоского зеркала так, что его ось симметрии перпендикулярна поверхности плоского зеркала, а расстояние до этой поверхности, отсчитанное по оси симметрии, меньше фокусного, и в отверстие для вывода энергии, выполненное в одном из зеркал резонатора, введен дополнительно отражатель, расположенный у одного из концов периодической структуры над поверхностью плоского зеркала резонатора под острым углом к ней в плоскости, линия пересечения которой с упомянутой поверхностью перпендикулярна плоскости симметрии периодической структуры, при этом величина указанного угла выбрана из условий

для отражателя, расположенного у пушечного конца периодической структуры и

для отражателя, расположенного у коллекторного конца периодической структуры,

где с - скорость света,

l - период периодической структуры,

|n| - номер излучающейся гармоники,

- длина волны генерируемых электромагнитных колебаний,

V_e - скорость электронов, определяемая соотношением V_e=5,93×10⁵U ₀,

U₀ - ускоряющее напряжение.

В ряде случаев в оротрон может быть введен дополнительный отражатель, расположенный у другого конца периодической структуры над поверхностью плоского зеркала резонатора под соответствующим углом ₁ или ₂ к ней в плоскости, линия пересечения которой с упомянутой поверхностью перпендикулярна плоскости симметрии периодической структуры. В оптимальном варианте периодическая структура выполнена из ламелей с толщиной d, составляющей d=(0,1-0,2)l. Данное изобретение основано на следующем.

Известно, что электронный поток, двигаясь со скоростью V_e в пространстве взаимодействия, может излучать на некоторой частоте электромагнитные волны в виде одной (одноволновый режим излучения) или одновременно нескольких (многоволновый) дифракционных гармоник с индексом n=-1, -2, -3 и т.д., причем одна из них под углами, близкими 0° или (и) 180° к направлению движения электронов (в уравнении (1) |cos|=1), то есть к поверхности плоского зеркала. В этом случае для излучающейся дифракционной гармоники этой частоты может иметь место резонанс дифракционного излучения [3], при котором наблюдается увеличение амплитуды всех дифракционных гармоник резонансной частоты, а также увеличение связи электронов потока с полем синхронной поверхностной гармоники периодической структуры этой же частоты за счет более слабого уменьшения ее амплитуды по мере удаления от поверхности периодической структуры по сравнению с нерезонансным случаем. В частном случае может иметь место двойной резонанс, когда одновременно одна из гармоник излучается под углом, близким к 0°, а другая - к 180°. Резонанс дифракционного излучения наблюдается в узком диапазоне частот, определяемом величиной периода периодической структуры и скоростью электронов. При резонансном режиме работы такого оротрона по сравнению с конструкцией [2], предназначенной для работы с нерезонансным режимом излучения, обеспечивается увеличение эффективности электронно-волнового взаимодействия как на первой медленной пространственной гармонике периодической структуры, так и, что особенно важно, на 2-й, 3-й и т.д. медленных гармониках с большими номерами. Последнее означает, что при фиксированном периоде периодической структуры и ускоряющем напряжении, несколько большем или меньшем (в зависимости от направления резонансного излучения - 180° или 0° соответственно), чем ускоряющее напряжение U₀, соответствующее эффективному нерезонансному режиму генерации на первой пространственной гармонике, прибор может с относительно высокой эффективностью генерировать излучение с длиной волны в два, три и т.д. раз короче при электронно-волновом взаимодействии соответственно со второй, третьей и т.д. медленными синхронными гармониками.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-3 схематически изображены три возможные конструкции предлагаемого оротрона для использования трех возможных вариантов режима резонанса дифракционного излучения. На фиг.1 представлен вариант для резонанса при излучении резонансной гармоники под углами, близкими 180°, на фиг.2 - для резонанса при излучении резонансной гармоники под углами, близкими 0°, а на фиг.3 - для резонанса при излучении одновременно двух резонансных гармоник: одной - под углами, близкими 180°, а другой - 0°.

Оротрон, представленный на фиг.1 (а, б), содержит электронную пушку с катодом 1 и анодом 2, коллектор 3, периодическую структуру 4, расположенную между электронной пушкой и коллектором 3, открытый резонатор, содержащий плоское зеркало 5, на поверхности которого размещена периодическая структура 4, и фокусирующее зеркало 6 с фокусом F, расположенное напротив плоского зеркала 5 так, что его ось симметрии Z перпендикулярна поверхности плоского зеркала 5, а расстояние Н до этой поверхности, отсчитанное по оси симметрии Z, меньше фокусного и отражатель 7, расположенный у пушечного конца периодической структуры 4 над поверхностью плоского зеркала 5 под острым углом ₁ к ней, величина которого определяется из выражения (2). На фиг.1б показан вид сверху на плоское зеркало 5 с периодической структурой 4. Плоскость симметрии периодической структуры 4 перпендикулярна поверхности плоского зеркала 5 и пересекает ее по прямой АА. Плоскость, в которой расположен отражатель, пересекается с поверхностью плоского зеркала 5 по прямой, перпендикулярной плоскости симметрии периодической структуры 4. Периодическая структура 4 выполнена из ламелей, расположенных на поверхности плоского зеркала 5 с периодом l, величина которого выбирается с учетом частоты f генерируемых колебаний, а толщина d ламели выбирается в пределах d=(0,1-0,2)l. В плоском зеркале 5 открытого резонатора выполнено отверстие 8 для вывода энергии генерируемых колебаний, расположенное между ламелями периодической структуры 4. Фокусирующее зеркало 6 имеет полусферическую или полуцилиндрическую отражающую поверхность. Расстояние "Н" между плоским 5 и фокусирующим 6 зеркалами резонатора выбирается из условия

где m - 1, 2, 3 и т.д.,

- длина волны генерируемого колебания,

f - частота генерируемых колебаний.

Конструкция оротрона, показанная на фиг.2, отличается от описанной выше тем, что вместо отражателя 7 она содержит отражатель 9, расположенный у коллекторного конца периодической структуры 4 над поверхностью плоского зеркала 5 под острым углом ₂ к ней, величина которого определяется из выражения (3). Конструкция оротрона, показанная на фиг.3, содержит два отражателя 7 и 9. Отражатель 7 расположен у пушечного конца периодической структуры 4 под острым углом ₁ к поверхности плоского зеркала 5, а отражатель 9 - у коллекторного конца под острым углом ₂ к той же поверхности.

Предложенный оротрон работает следующим образом. При подаче на подогреватель катода 1 (см. фиг.1) напряжения накала, а на анод 2 электронной пушки высокого напряжения U₀ в оротроне формируется плоский электронный поток 10, движущийся над поверхностью периодической структуры 4 со скоростью V_e и оседающий на коллектор 3. Для фокусировки электронного потока используется постоянное магнитное поле. При движении электронного потока 10 вблизи поверхности периодической структуры 4 он возбуждает в ней сложное дифракционное электромагнитное поле, как было описано выше. При заданных значениях периода 1 периодической структуры 4 и длины волны угол излучения дифракционной гармоники с выбранным номером n зависит от величины ускоряющего напряжения U₀ и определяется уравнением (1). При значении напряжения, когда cos=c/V _e-|n|/l=-1, угол излучения равен 180°. На практике угол несколько меньше 180°. Это излучение 11 (фиг.1) попадает на отражатель 7 и отражается от него в направлении фокусирующего зеркала 6. Угол ₁ наклона отражателя 7 к поверхности плоского зеркала 5 выбран таким, чтобы падающее на него излучение 11 отражалось на фокусирующее зеркало 6 в направлении, параллельном оси Z открытого резонатора. Фокусирующее зеркало 6 отражает падающее на него излучение 11 в направлении фокуса. В этом случае отраженное излучение 11 падает на плоское зеркало 5 резонатора в область каустики с радиусом (фиг.16) колебания вида TEMooq и захватывается резонатором. В результате в открытом резонаторе формируется основной вид колебания TEMooq с Гауссовым распределением ВЧ поля вдоль движения электронного потока на нужной длине волны . На своем пути поток взаимодействует с высокочастотным полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, вблизи периодической структуры 4 в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны рабочего колебания резонатора. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии электронов потока электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 5 и 6. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой известным образом. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними ламелями периодической структуры 4, проходит через отверстие 8 вывода энергии во внешний высокочастотный тракт и по нему поступает в нагрузку. При значении тока I _p электронного потока, большем некоторого пускового значения I_n, система самовозбуждается и работает как автогенератор, а при значении I_p<In, при условии подачи в резонатор внешнего сигнала, - как усилитель.

Так как оротрон работает в режиме резонанса дифракционного излучения на частоте, все гармоники которой имеют резонансное увеличение амплитуд, и, кроме того, для всех поверхностных гармоник этой частоты наблюдается более медленное уменьшение их амплитуд по мере удаления от поверхности периодической структуры, чем в обычном режиме, это позволяет обеспечить эффективное электронно-волновое взаимодействие с высшими дифракционными гармониками резонансной частоты с большим поперечным сечением, чем на нерезонансных частотах. В свою очередь, работа на высших гармониках по сравнению с работой на первой гармонике позволяет при фиксированном периоде периодической структуры 4 уменьшить длину волны генерируемого излучения пропорционально номеру гармоники. Это следует из известной формулы

где V_e - скорость электронов,

f - частота генерируемых колебаний,

l - период периодической структуры,

b - параметр несинхронности, связывающий скорость электронов V_e и фазовую скорость Vфn гармоники с индексом n, определяемый известной формулой:

b=Ve/Vф-1, где Vф=lf/|n|.

Конструкция оротрона на фиг.2 предназначена для режима работы, когда излучение дифракционной гармоники распространяется под углами к поверхности плоского зеркала 5, близкими к 0°. В этом случае величину ускоряющего напряжения U₀ выбирают такой, чтобы в соответствии с уравнением (1) cos=c/V _e-|n|/l=1. Это излучение 12 попадает на отражатель 9 и отражается от него в направлении фокусирующего зеркала 6. Угол ₂ наклона отражателя 9 к поверхности плоского зеркала 5 выбран таким, чтобы падающее на него излучение 12 отражалось на фокусирующее зеркало 6 в направлении, параллельном оси Z открытого резонатора. В свою очередь фокусирующее зеркало 6 отражает падающее на него излучение 12 на плоское зеркало 5 в область каустики. В остальном работа этого варианта аналогична работе варианта, описанного выше.

Как было сказано ранее, оротрон может работать в режиме двойного резонанса, когда возбуждаются на одной и той же частоте одновременно две гармоники, одна из которых излучается под углом, близким к 0°, а другая - под углом, близким к 180°. Для работы в таком режиме используется конструкция оротрона, показанная на фиг.3, с двумя отражателями 7 и 9. Эта же конструкция может быть использована и в случае режима многоволнового резонансного излучения, когда оно содержит гармоники, излучающиеся одновременно под углами 180° и 0° и, кроме того, под какими-либо другими углами.

Во избежание возбуждения оротрона на основной гармонике (|n|=1) более низкой частоты, чем рабочая, толщина ламели d должна иметь размер порядка d=(0,1-0,2)1, где 1 - величина периода периодической структуры. При таком соотношении периода и толщины ламели, согласно [4] амплитуда основной гармоники |n|=1 соизмерима с амплитудами 2-й и 3-й гармоник, что обеспечивает более эффектное электронно-волновое взаимодействие на высших гармониках резонансной частоты по сравнению с взаимодействием на первой гармонике нерезонансной более низкой частоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. E.M.Marschall, P.M.Fillips and J.E.Walsh, Planar Orotron Experiments in the Millimeter Wavelength Band. // Transactions on Plasma Sciences, vol.16, N2. April 1988.

2. Ф.С.Русин, Г.Д.Богомолов, Оротрон как генератор миллиметрового диапазона длин волн // Электроника больших мощностей, М., Наука, Вып.3, с.38.

3. Власов А.Н., Королева О.В., Максимов А.С. Дифракционное излучение релятивистского электронного потока в открытых периодических линиях. // Известия АН, серия физическая. 1997. Т.61. №12. С.2289.

4. Myasin Ye.A., Chigarev S.G., Lytkina T.A. lnfluence of the Form of the Distribution Field in the Beam Motion Direction on Forming Space Harmonics in the Orotron Electrodynamics System lnteraction Region. // Sixteenth lnternational Conference on lnfrared and Millimeter Waves. Confer. Dig. 1991. Lausanne, Switzerland. P.563.