Оротрон

 

1.. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью враuteHHR вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в стсфону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, имеющую цилиндрическую форму и расположенную в резонаторе соосно с зеркалами , источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оси резонатора, отличаювди йс я тем, что, с целью увеличения.КПД и выходной мощности, источник электipoHoB расположен в открыт 1 резонато ре заподлицо с поверхностью цилиндрического зеркала и выполнен в виде ряда кольцеобразных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая структура образована стержнякш,.параллельными оси резонатора, и расположена между зеркалами. 2. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполне)ный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью врач щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического 4. W Ш зеркала, периодическую структуру ерка-УЛ расположенную на цилиндрическом зерканую ле, источник электронов и магнитную систему для создания однородного оси I, нитного поля, направлен вдоль резонатора, о т л и чающий с я тем,что,с целью увеличения КПД и выходной мощности, источник электронов имеет цилиддряческую форму, размещен межПУ зеркапанш соосно с ними и образован стержнеобразными эмиттерами, ел : расположенными с периодом, меньшим оо периода периодической ст1 уктуры, при . чем эмиттеры и образ Ьциё пёриоди , ческой структу « ориентированы па; раллельно оси резонатора. ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГЗУБЛИН

Ц50 Н 01 7 25/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:: н авчоюсномм свицатвъстви

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

re ДЕЛАМ ИЗОБ ЕТЕЧИЙ И ОТНЮТИЙ

21) 3454790/18-21

22) 18.06.&2 (46) 30.11.83. Бюл.Â44 (72} Е.А. Мясин, В.8, Евдокимов, М.Б. Цейтлин и A.H. Соловьев (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (53) 621.385.6(088.8) (56) 1.. Авторское свидетельство СССР

9. 195557, кл, Н 01 Х 25/00, 1967

2. Авторское свидетельство СССР

9 472598, кл. Н 01 J 23/24, 1976 (прототип )., (54 ) ОРОТРОН (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57 ) 1. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно нз которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, имеющую цилиндрическую форму и расположенную в резонаторе соосно с зеркалами, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оск резонатора, о т л к ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения,KIQ и выходной мощности, источник. элект,ронов расположен в открытом резонато..SU„„1058002 А ре занодлицо с поверхностью цилиндри ческого зеркала и выполнен в вкде ряда кольцеобраэных эмкттеров, ориентированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая, структура образована стержняьы,.параллельными оси резонатора, и расположена между зеркалами.

2. Оротрон, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образ вано поверхностью эра щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического Я зеркала, периодическую структуру, расположенную на цилиндрическом зерка ле, источник электронов и магнитную систему для создания однородного маг нитного поля, направлен вдоль оси резонатора, отличающийся о тем,что,с цельюувеличения ЕПД и выходйой мощности, источник электронов имеет цкпиддраческую форму, размещен между зеркалами соосно с ними и обра зован стержнеобразныик эииттерами, расположенньвии с периодом, меньшим периода периодической структуры, при чем эмиттеры к образ36щке периодической структуры ориентированы параллельно оси резонатора.

1058002

Изобретение относится к электро- вакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ приборам, в частности к устройству резонансного генератора с открытым резонатором.

Известны резонансные генераторы

СВЧ-колебаний миллиметрового диапазона (оротроны, генераторы дифракционного излучения ) содержащие полусферический открытый резонатор, периодическую:структуру, расположенную на поверхности плоского зеркала, электронную пушку с плоским катодом, вынесенную за пределы открытого резонатора и формирующую ленточный электронный пучок, фокусируемый однородным продольным магнитным полем и коллектор (1).

Недостатком данной конструкции является низкий. коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что 2Î с высокочастотным".электрическим по-. лем периодической структуры эффективно взаимодействует лишь тонкий (порядка долей периода периодической структуры ) слой электронного пучка, 25 движущийся параллельно периодической структуре в непосредственной близос-, ти от ее поверхности. Кроме того, оротрон характеризуется низкой выходной мощностью, обусловленной тем, Зр что размеры поперечного сечения лучка, а следовательно, и тока, ограничены: высота пучка по причине, указанной выше, не превышает 0,1-0,2 периода периодической с руктур а 35 его ширина ограннчена спадом высоко-,, частотного поля по гауссову закону и не превышает радиуса каустики.

Известна также конструкция коаксиального генератора дифракционного излучения, содержащего открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиалвных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, 45 вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуруi, имеющую цилиндрическую форму и расположенную на цилиндрическом зеркале так, что ее образующие перпенди- Я кулярны оси резонатора, кольцевой источник электронов, вынесенный за пределы открытого резонатора, коллектор и магнитную систему, создающую однородное магнитное поле, направ- 55 ленное вдоль оси. резонатора и фокусирующее кольцевой электронный пучок f23.

Недостатками этой конструкции яаляются низкий КПД, обусловленный той же причиной, что указана выше; для предыдущей конструкции, и относительно низкая выходная мощность, превыаающая выходную мощность аналога не более, чем в 15-20 раз за счет того, что поверхность источника электронов здесь больше. :65

Цель изобретения - увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и выходной мощности генератора за счет создания условий более эффективного преобразования энергии электронного пучка в энергию высокочастотного поля.

Указанная цель достигается тем, что в оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальных зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вра щения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, лериодическую структуру, имеющую цилиндрическую форму и расположенную в резонаторе соосно с зер калами, источник электронов и магнит-. ную систему для создания однородного магнитного поля, направленного вдоль оси резонатора, источник электронов расположен в открытом резонаторе заподлицо с поверхностью цилиндрического зеркала и выполнен в виде ряда.кольцеобразных эмиттеров, ориен:тированных перпендикулярно к оси резонатора и расположенных с периодом, меньшим длины волны генерируемого излучения, а периодическая струк-. тура образована стержнями, параллель-: ными оси резонатора, и расположена между зеркалами..

В оротроне, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде двух коаксиальйых зеркал, одно из которых имеет цилиндрическую поверхность, а другое образовано поверхностью вращения вокруг оси резонатора кривой, вогнутой s сторону цилиндрического зеркала, периодическую структуру, расположенную на цилиндрическом зеркале, источник электронов и магнитную систему для создания однородного магнитндго поля, направленного . вдоль оси резонатора, источник электронов имеет цилиндрическую форму, размещен между зеркалами соосно с ними и образован стержнеобразными эмиттерами, расположенньваи с перио-. дом, меньшим периода периодической структуры„ причем эмиттеры и образующие периодической структуры ориен,тированы параллельно оси резонатора.

На фнг. 1 схематически изображен пред лагаемый оротрон по первому варианту, общий вид„ разрезу на фиг.2 " разрез

A-A на фиг.1; на фиг.З - оротрон по первому варианту, общий внд, разрез; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.З.

Генератор (фигЛ / содержит открытый резонатор, образованный двумя коаксиальными зеркалами, из которых внешнее зеркало 1 имеет цилиндрическую форму, внутреннее 2 образовано поверхностью вращения кривой вокруг оси Zz резонатора, периодическую структуру 3, имеющую цилинфрическую

1058002 форму, образованную рядом металлических стержней прямоугольного сечения, параллельных оси резонатора 2 2, и расположенных с периодом ) вдольокружности, имеющей центр на оси ZZ резонатора, источник 4 электронов, 5 расположенный в открытом резонаторе заподлицо с внутренней поверхностью внешнего (цилиндрического ) зеркала

1 и выполненный в виде ряда кольцеобразных эмиттеров, ориентированных перпендикулярно оси ZZ резонатора и расположенных с периодом E,меньшим длины волны генерируемых колебаний, магнитную систему 5, создающую однородное магнитное поле S „ направленное параллельно оси резонатора zz

На фиг.1 показаны такие устройство для вывода энергии в виде прорезей, б в зеркале 2, каустика 7, направления статических электрического Е0 и магнитного & полей, примерный вид траектории 8 электрона.

Период Р периодической структуры 3, как и в известных генераторах, должен быть меньше длины волны генерируемых колебаний и выбирается из условия примерного равенства фаэовой скорости пространственной гармоники и продольной скорости электронов Чф Е S, где Ео- статическое электрическое поле, 6 — статическое З0 магнитное поле. Для выполнения условия резонанса длина окружности . . периодической структуры должна быть .равной целому числу замедленных длин

35 волн, т.е. ЯЗЩ„яд =gg, где Р„- радиус периодической структуры, )М =1,2,3,, Период Р„расположения кольцеобраэ ных эмиттеров должен быть меньше длины 40 волны Л генерируемых колебаний в свободном пространстве(Р,=(0,1-0,3)Л ), чтобы обеспечить хорошее отражение электромагнитной волны от поверхнОсти цилиндрическОгО зеркала ДЛя 45 этой же цели источник 4 ориентирован перпендикулярно оси 2,2 резонатора., так как в этом случае вектор электрического поля волны„ распространяющейся между зеркалами 1 и 2, параллелен змиттерам.

Один из вариантов конкретного выполнения источника 4 электронов показан на фиг.2. Здесь приведен пример выполнения одного из эмиттеров, представляющего собой кольцевой катод косвенного накала, эмиттирующая поверхность 9 которого расположена эаподлицо с внутренней поверхнос« тью цилиндрического зеркала 1. Змиттер вставлен в.прорези 10 цилиндри- Щ ческого зеркала 1 и имеет. косвенный подогрев нагревателем 11, которыЙ подключается к источнику напряжения накала. Ширину "в" источника 4 электронов в направлении осн 22 в данной конструкции можно увеличить до эначениЯ Ь =2 -„, где 2гк- шиРина каУстики 7 на цилиндрическом зеркале, поскольку, вследствие круговой симметрии, электроны, змиттируемые крайними эмиттерами, могут достигать периодической структуры 3, сделав несколько оборотов вокруг оси ZZ . Оптимальное значение коэффициентов заполнения %, определяемого как отношение ширины отдельного эмиттера к периоду Р, выбирают в пределах 0,4-0,6 для обеспечения достаточно высоких значений рабочего тока и добротности системы. В данной конструкции источник 4 электронов.и цилиндрическое зеркало 1 находятся под высоким отрицательным потенциалом относительно периодической структуры 3, которая заземлена.

Разновидностью этого варианта генератора может быть такая конструкция (фиг .3 и 4 )<у которой внутреннее зеркало 2 имеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхчостью вращения кривой, вогнутой в сторону цилиндрического зеркала, вокруг оси

ZZ ðåçoíàòîðà. Источник 4 электронов при этом расположен заподлицо с внешней поверхностью внутреннего (цилиндрического ) зеркала 2.

В конструкции генератора (фиг.3 и 4 ) в отличие от конструкций пер- вого варианта, периодическая структура 3 расположена на поверхности внешнего (цилиндрического ) зеркала

1, а источник 4 электронов имеет цилиндрическую форму, размещен между зеркалами 1 и 2 резонатора соосно с ними и образован стержнеобразными змиттерами, параллельными оси резонатора ZZ è расположенными с периодом Г1, меньшим периода 8 расположения образующих периодической структуры. Требования к выбору. периодов 1 и 8 здесь.остаются такими же, как и .в первом варианте, но добавляется условие Р.,л 0 для того, чтобы фазовая скорость волны которая может распространяться вдоль источника электронов, отличалась от фазовой скорос- . ти синхронной пространственной гармо-. ники периодической структуры. Ориен " тация змиттеров изменена на 900 по отношению к первому варианту, чтобы обеспечить оптимальные условия пропускания азимутально-поляризованной волны сквозь ряд эмиттеров. Оптимальный коэффициент заполнения, опреде ляем и как отношение ширины одного эмиттера к периоду .,выбирается равным 0,4-0,б для Обесйечения достаточной амплитуды электромагнитной волны в области между источником 4 электронов и периодической структурой 3. Конкретно, источник 4 электронов может быть прямоканальным, либо выполнен в виде эмиттеров с косвен1058002 6 ным подогревом. Источник 4 электро. нов, как и в первом варианте, находится под высоким отрицательным по"-, тенциалом относительно периодической структуры. 3 и цилиндрического зеркала 1, которые заземлены. 5

Этот же вариант (не показан ) может быть выполнен с резонатором, в котором внутреннее, зеркало 2 имеет цилиндрическую форму, а внешнее 1 образовано поверхностью вращения вок- 10 руг оси 22 резонатора кривой, вогну той в сторону внутреннего (цилиндрического ) зеркала 2:. В этом случае периодическая структура 3 расположена на внешней поверхности внутренне- (5 го (цилиндрического ) зеркала 2.

Первый вариант предлагаемого генератора работает следующим образом.

При подаче высокого напряжения между источником 4 электронов с внешним зеркалом 1 (минус ) и периоди-. ческой структурой 3 (плюс }, включении напряжения накала на подогреватель 11 и включении источника питания магнитной системы 5 в области между периодической структурой 3 и источником 4 электронов возникают .взаимно перпендикулярные (окрещенные) статические электрическое С и магнитное Sp поля, направление которых указано на фиг.1 и 2. Электроны, эмиттируемые источником 4 электронов, движутся в скрещенных полях с азимутальной скоростью Yp = F p /Sp и ради" альной скоростью V„no циклоидаль- 35 ным траекториям и возвращаются на источник 4 электронов. Вследствие того, что электроны, движущиеся по циклоидальным орбитам, излучают электромагнитные колебания, в пространст-.40 ве между источнйком 4 электронов и периодической структурой 3 возникает переменное высокочастотное электрическое поле, с которым взаимодействуют электроны. По мере роста тока, эмиттируемого источником 4 электронов, энергия колебания в резонаторе на его резонансной частоте постепенно увеличивается.

При превышении тока над пусковым значением система самовозбуждается, в приборе возникают незатухающие высокочастотные колебания и вблизи пернодической структуры 3 формируются медленные пространственные гармоники основного собственного колебания открытого резонатора. При этом циклоидальные траектбрии электронов уже не заканчиваются на источнике 4 электронов и электроны начинают подниматься к периодической структуре.3, двигаясь по укороченным с одного конца аркам циклоид, и. оседают на ней. При скорости электронов Ч, близкой к фазовой скорости V+ одной из пространственных гармоник, происходит модуляция электронов по скорости и плотности с образованием электронных сгустков в форме "язычков", движущихся с азимутальной скоростью Ч хЧф и эффективно взаимодействующих с высокочастотным электрическим полем периодической структуры 3. Высокочастотные колебания выводятся в нагрузку через прорези б во внутреннем зеркале 2.

Второй:.вариант предлагаемого гене" ратора, показанный на фиг.3 и 4, работает аналогичным образом, но в отличие от первого варианта, где траектории электронов параллельны эмиттерам, Образующим источник 4 электронов, во втором:варианте траектории электронов перпендикулярны образунлцим источника электронов..

В отличие от прототипа, где величина энергии, отдаваемой электронным пучком высокочастотному цолю, определяется разностью кинетической энергии электронов в начале и в конце области вЗаимодействия, и КПД в нагрузке составляет величйну порядка

5%, в предлагаемом генераторе высокочастотному полю отдается потенциаль« ная энергия электронов, за вычетом кинетической энергии электронов, оседающих на периодическую структуру 3 и электронов, возвращающихся на источник 4 электронов. По предварительным оценкам электронный КПД предлагаемого генератора составляет 20-40%, что соответствует КПД в нагрузке no рядка 15-30%, т.е. в 3-6 раз выше, чем в прототипе. При Одинаковой величине тока с катода в предлагаемом генераторе выходная мощность будет также в 3-б раз выше, чем в известном устройстве.

1058002

1058002

1058002

1058002

Составитель Л. Фролова

Редактор О. Сопко Техред В.далекорей Корректор И. Муска

Заказ 3587/54 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4