Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к созданию ВЧ- и СВЧ-усилителей и генераторов. Предложенная конструкция прибора в отличие от известных является малогабаритным высокоэффективным регенеративным усилителем электромагнитных колебаний в диапазоне примерно 10 - 1000 МГц (длина волны 30 - 0,3 м) с электростатической фокусировкой электронных пучков. Техническим результатом является создание прибора с высоким коэффициентом усиления с возможностью широкодиапазонной перестройки частоты, с возможностью автоматического управления режимом генерации или усиления, с цельнометаллическими заземленными оболочками входной и выходной электродинамических систем, с возможностью непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество, со стабильно высоким КПД при уровне выходной мощности от единиц кВт до единиц МВт. Многолучевая электронно-оптическая система (ЭОС) выполнена так, что межэлектродные расстояния и размеры отверстий для прохождения электронных пучков в управляющем электроде подчиняются определенным соотношениям. Входная электродинамическая система прибора выполнена в виде замкнутой проводящей полости с введенными внутрь нее элементами - емкостными промежутками и индуктивными проводниками для активизации реакции, при этом каждая из цепей катод - управляющий электрод и управляющий электрод - анод включает по крайней мере один дополнительный индуктивный проводник и по крайней мере один дополнительный емкостной промежуток, причем емкости дополнительных промежутков в 20 - 100 раз превышают емкости промежутков катод - управляющий электрод и управляющий электрод - анод. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к созданию ВЧ- и СВЧ-приборов - резотродов, способных работать в режимах усиления и генерации и сочетающих в себе свойства СВЧ-приборов с замкнутыми электродинамическими системами (резонаторами) и свойства многоэлектродных ламп (название составлено из частей слов РЕЗОнатор и элекТРОД). Изобретение может быть использовано в различных отраслях науки, техники и промышленности для создания источников энергии среднего (единицы - десятки кВт), большого (сотни кВт) и сверхбольшого (свыше 1МВт) уровней мощности в диапазоне 10 - 1000 МГц (длина волны 30 - 0.3 м).

Предложенный многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний может работать как в режиме усиления, так и в режиме генерации. Он может быть применен для передачи энергии на расстояние, в строи тельной технике (для сушки бетонных плит, кирпичей, древесины, для разрушения твердых пород), в сельском хозяйстве (для сушки зерна, овощей, фруктов, трав), в пищевой промышленности (для размораживания продуктов, для их переработки, для изготовления сублимированных концентратов и т.п.), в парфюмерной и химической промышленности (в частности, для активизации реакций), в бытовой кулинарии (возможно создание печей большого объема), для питания ускорителей заряженных частиц, для усиления телевизионных сигналов и т.д.

Известны электронные лампы типа клистродов и индуктивные выходные лампы (10Т) - усилители телевизионного диапазона частот 470 - 860 МГц. Например, лампа типа клистрода состоит из многоэлектродной (катод, управляющий электрод, анод, коллектор) электронооптической системы (ЭОС) с соленоидом, обеспечивающим магнитную фокусировку, входной электродинамической системы, в которую вводят усиливаемый сигнал, и выходной электродинамической системы, из которой выводят усиленный сигнал. Управляющий электрод выполнен из пиролитического графита в виде мелкоструктурной сетки, размеры ячейки которой значительно меньше размера катода и меньше расстояния "катод - сетка". Анод лампы выполнен с отверстием, через которое проходят электроны. Входная электродинамическая система представляет собой систему индуктивно (общим магнитным полем) связанных между собой коаксиальных резонаторов в виде вставленных друга в друга "стаканов". Дном каждого стакана являются соответствующие электроды - катод, сетка и анод. Промежуток "катод - сетка" и промежуток "сетка - анод" являются зазорами соответствующих коаксиальных резонаторов. Внешняя оболочка входной электродинамической системы состоит из двух металлических фрагментов, один из которых подсоединен к аноду (и находится под потенциалом анода), а второй подсоединен к катоду (и, соответственно, - находится под потенциалом катода). Электродинамическое "замыкание" фрагментов оболочки между собой осуществлено через малый промежуток между ними, заполненный диэлектриком. Этот промежуток с электродинамической точки зрения является большой емкостью, имеющей на высокой частоте малое сопротивление. Выходная электродинамическая система включает в себя промежуток "анод-коллектор" в качестве емкостного зазора и область, окруженную замкнутой металлической оболочкой, соединяющей анод с коллектором. Емкостной бессеточный зазор "анод-коллектор" образован торцами труб, первая из которых является частью анода, а вторая - частью коллектора. В этом зазоре электроны взаимодействуют с СВЧ-полем, отдавая ему свою энергию (см. патент US 4527091 H 01 J 25/02, 25/04, опубл.08.06.1984).

Лампы типа клистрода имеют следующие недостатки.

1) При уменьшении рабочей частоты (увеличении длины волны) с сохранением конструкций входной и выходной электродинамических систем лампы, ее масса и размеры значительно возросли бы: линейные размеры - пропорционально длине волны, а масса - пропорционально кубу длины волны.

2) Электронно-оптическая система лампы содержит близко расположенную к катоду мелкоструктурную сетку, на которую оседают электроны и испаряющееся катодное вещество. Тепловая деформация сетки может быть значительной и соизмеримой с расстоянием "катод - сетка". Это уменьшает срок службы и ухудшает работу прибора.

3) Для фокусировки электронных пучков в лампе требуется значительное продольное магнитное поле. Эта фокусировка осуществляется соленоидом, который имеет значительную массу и габариты и требует отдельного источника питания. Это увеличивает общую массу устройства.

4) Оболочка электродинамических систем лампы состоит из фрагментов с емкостной связью между ними. Через промежутки между фрагментами происходит излучение СВЧ-поля. Подавление этого излучения требует значительного усложнения конструкции.

5) Фрагменты оболочки электродинамических систем лампы имеют разные (высокие) электростатические потенциалы, так как они напрямую соединены с разными электродами электронно-оптической системы. Это снижает надежность и электробезопасность.

6) Однолучевая конструкция лампы ограничивает ток и, следовательно, - мощность прибора. При увеличении мощности необходимо увеличивать питающее напряжение.

Известны также сеточные лампы (триоды, тетроды, пентоды и т.п.) - усилители и генераторы диапазона частот от десятков кГц до десятков МГЦ (см., например, Кацман Ю.А., Электронные лампы. М. "Высшая школа", 1979 г.) Недостатком таких ламп являются неустранимое токооседание на сетку, малый коэффициент усиления и связь входного и выходного контуров по электрическому полю, причем с ростом частоты и мощности негативное влияние этих недостатков усиливается. На высоких частотах (более 40 МГц) при больших уровнях выходной мощности такие лампы становятся очень дорогими и малоэффективными.

Известен многолучевой вакуумный усилитель (клистрод) с многоэлектродной электроннооптической системой, электроды которой имеют отверстия для прохождения электронных пучков, с полыми входной и выходной электродинамическими системами (см. патент RU 2084042 H 01 J 25/02, 25/04 опубл. 10.07.97).

Этот прибор выбран в качестве прототипа.

Электроннооптическая система прототипа состоит из многолучевого катодного узла с расположенными осесимметрично на одном радиусе катодами, управляющего электрода с отверстиями, закрытыми мелкоструктурными сетками, против каждого катода, анода, коллектора и двух дополнительных электродов, находящихся соответственно между управляющим электродом и анодом и между анодом и коллектором, имеющих отверстия для электронных лучей.

Входная электродинамическая система прототипа является полой, она окружена оболочкой, состоящей из металлических фрагментов, разделенных диэлектрическими промежутками. Диэлектрические промежутки являются большими емкостями, реализующими "замыкание" оболочки по СВЧ-полю. Входная электродинамическая система включает в себя промежуток "катод - дополнительный электрод" и промежуток "дополнительный электрод - анод" в качестве емкостных зазоров. Управляющий электрод с мелкоструктурными сетками расположен в промежутке между катодом и дополнительным электродом и разделяет первый зазор на 2 зазора. В состав входной электродинамической системы входит также индуктивный проводник древовидной формы, соединяющий дополнительный электрод с одним из фрагментов оболочки системы. Катод и анод также соединены с соответствующими фрагментами оболочки. Таким образом, фрагменты оболочки находятся под разными потенциалами. Во входной электродинамической системе прототипа возбуждается такой тип колебаний, при котором электрические поля в зазоре "управляющий электрод - дополнительный электрод" и в зазоре "дополнительный электрод - анод" противоположно направлены (противофазны). При этом поля в зазоре "катод - управляющий электрод" и в зазоре "управляющий электрод - дополнительный электрод" направлены одинаково (синфазны). Отношение амплитуды СВЧ-напряжения в зазоре "катод - управляющий электрод" к амплитуде СВЧ-напряжения в зазоре "управляющий электрод - анод" определяется соотношением емкостей соответствующих емкостных промежутков. В зазорах "катод - управляющий электрод" и "управляющий электрод - дополнительный электрод" СВЧ-поле тратит энергию на ускорение электронов. В зазоре "дополнительный электрод - анод" СВЧ-поле частично компенсирует потраченную энергию. Эта частичная компенсация позволяет достигнуть коэффициента усиления 25 дб.

Выходная электродинамическая система прототипа также является полой, она окружена замкнутой металлической оболочкой, соединяющей анод с коллектором. Система включает в себя промежуток "анод - второй дополнительный электрод" и промежуток "второй дополнительный электрод - коллектор" в качестве емкостных зазоров. В систему также включен индуктивный проводник древовидной формы, соединяющий второй дополнительный электрод с оболочкой системы.

Многолучевая конструкция прототипа позволяет избавиться от ограничения тока в приборе (см. недостаток 6 лампы типа клистрод), однако недостатки, связанные с увеличением размеров и массы при увеличении длины волны, с использованием мелкоструктурной сетки, с необходимостью использования соленоида для магнитной фокусировки, с "фрагментарностью" оболочки входной электродинамической системы (см. недостатки 1 - 5 лампы типа клистрода) остаются в силе. Кроме того, необходимо отметить следующие недостатки прототипа.

1) Входная электродинамическая система прототипа позволяет реализовать только режим усиления с коэффициентом усиления до 25 дб. Добиться более высокого усиления, а также обеспечить режим генерации без обратной связи выхода с входом прототип не позволяет.

2) В прототипе перестройка собственных частот электродинамических систем отсутствует. 3) Прототип обеспечивает высокий КПД только при подключении к согласованной нагрузке. При изменяющейся нагрузке (что характерно для режима ВЧ- или СВЧ-нагрева любых веществ) КПД падает. При этом мощность питания не уменьшается, а выделение тепла на коллекторе - увеличивается. Это может привести к выходу прибора из строя.

Техническим результатом изобретения является создание малогабаритного высокоэффективного регенеративного усилителя, способного работать в режиме усиления или генерации в диапазоне примерно 10 - 1000 МГц (длина волны 30 - 0.3 м), с возможностью электростатической фокусировки электронных пучков, с раздельными (электродинамически не связанными между собой) входной и выходной электродинамическими системами, с высоким коэффициентом усиления (в режиме усиления), с возможностью широкодиапазонной (октава и более) перестройки частоты, с возможностью автоматического управления режимом усиления или генерации, с цельнометаллическими заземленными оболочками входной и выходной электродинамических систем, с возможностью непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество, со стабильно высоким КПД (даже при изменяющейся нагрузке) при уровне выходной мощности от единиц кВт до единиц МВт.

Технический результат достигается тем, что в рассматриваемом многолучевом усилителе электромагнитных колебаний с многоэлектродной вакуумной электронно-оптической системой, электроды которой имеют отверстия для прохождения электронных пучков, включающем катодный узел, управляющий электрод, анод, коллектор, полые электродинамические входную двухзазорную и выходную системы, согласно изобретению в управляющем электроде отверстия с произвольной формой вдоль направления движения электронных пучков и в поперечном направлении выполнены с минимальным поперечным размером в 3-5 раз большим расстояния от поверхности катодов до плоскости, в которой отверстия имеют этот минимальный размер, при этом отношение расстояния от поверхности катодов до ближайшей к ним поверхности анода к минимальному поперечному размеру отверстий в управляющем электроде составляет 0.8 - 2; входная электродинамическая система окружена замкнутой проводящей оболочкой и образована соответственно промежутком "катод - управляющий электрод", промежутком "управляющий электрод - анод", и введенными внутрь оболочки дополнительными индуктивными проводниками и дополнительными емкостными промежутками, при этом каждая из цепей "катод - управляющий электрод" и "управляющий электрод - анод" включает по крайней мере один дополнительный индуктивный проводник и по крайней мере один дополнительный емкостной промежуток, причем емкости дополнительных промежутков в 20-100 раз превышают емкости промежутков "катод - управляющий электрод" и "управляющий электрод - анод", дополнительные индуктивные проводники выполнены полыми и внутри них размещены изолированные проводники, соединяющие электроды электронно-оптической системы с источником питания, а дополнительные индуктивные проводники и/или дополнительные емкостные промежутки выполнены с возможностью изменения их индуктивности и емкости соответственно, при этом дополнительные индуктивные проводники выполнены в виде отрезков коаксиальных линий или в виде спирали (экранированной спирали) с передвижным короткозамыкающим поршнем или проводником соответственно, а дополнительные емкостные промежутки - в виде подвижных пластин. Для непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество выходная электродинамическая система выполнена двухзазорной: 1-й зазор образован промежутком "анод - коллектор", 2-й зазор, в который помещают вещество, образован оболочкой выходной электродинамической системы и введенным внутрь нее дополнительным электродом, соединенным с коллектором, при этом внутрь оболочки выходной системы введен дополнительный индуктивный проводник, соединяющий коллектор и дополнительный электрод с оболочкой системы, а для поддержания заданного режима введены датчики электромагнитного поля во входную и/или выходную электродинамические системы и блок регулировки потенциала управляющего электрода, соединенный с этими датчиками и с источником питания.

Сущность изобретения заключается в следующем. Многолучевая электронно-оптическая система (ЭОС) выполнена так, что межэлектродные расстояния и размеры отверстий для прохождения электронных пучков в управляющем электроде подчиняются определенным соотношениям, а именно: минимальный поперечный размер отверстий в управляющем электроде в 3-5 раз больше расстояния от поверхности катодов до плоскости, в которой отверстия имеют этот минимальный размер, отношение расстояния от поверхности катодов до ближайшей к ним поверхности анода к минимальному поперечному размеру отверстий в управляющем электроде составляет 0.8 - 2. Заявляемые геометрические соотношения обеспечивают режим электростатической фокусировки (как в трехэлектродной электронной пушке) и позволяют значительно уменьшить (или даже вообще не использовать) внешнее фокусирующее магнитное поле.

Входная электродинамическая система прибора выполнена в виде замкнутой проводящей полости с введенными внутрь нее элементами - емкостными промежутками (зазорами) и индуктивными проводниками. В этих емкостных зазорах образованных промежутками "катод - управляющий электрод" и "управляющий электрод - анод", соответственно, электроны многолучевых потоков, проходя через соответствующие отверстия в электродах, взаимодействуют с электрическими полями входной электродинамической системы. Остальные (дополнительные) элементы, подсоединены к электродам электронно-оптической системы и соединены между собой и, если необходимо, с оболочкой системы так, что образуются замкнутые ВЧ- (СВЧ)-цепи: цепь "катод - управляющий электрод" и цепь "управляющий электрод - анод". Значения емкостей и индуктивностей дополнительных элементов выбраны так, чтобы указанные две цепи имели заданную асимметрию (разность проводимостей в резонансе). Эта асимметрия обеспечивает режим регенеративного усиления либо режим генерации на противофазном типе колебаний. При одинаковых значениях индуктивных проводимостей цепей и при непосредственном подсоединении анода к оболочке системы указанная асимметрия достигается тем, что емкости дополнительных промежутков выбираются в 20 - 100 раз большими, чем соответствующие емкости зазоров: емкость зазора "катод - управляющий электрод" и емкость зазора "управляющий электрод - анод".

Для подачи постоянного напряжения на электроды ЭОС дополнительные индуктивные проводники выполняют полыми и внутри них размещают изолированные проводники, соединяющие электроды ЭОС с источником питания. Такая схема подачи напряжения позволяет "заземлить" элементы электродинамической системы и, таким образом, повысить электробезопасность без ухудшения качества системы.

Для перестройки рабочей частоты прибора в широком диапазоне, а также для управления режимом регенеративного усиления или генерации дополнительные индуктивные проводники и/или дополнительные емкостные промежутки выполнены с возможностью изменения их индуктивности и емкости соответственно, например, индуктивный проводник, подсоединенный к управляющему электроду, - в виде экранированной спирали с передвижным короткозамыкающим проводником, индуктивные проводники, подсоединенные к другим электродам - в виде отрезков коаксиальных линий с передвижными замыкающими поршнями, емкостные промежутки - в виде подвижных пластин.

При использовании прибора для непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество выходную электродинамическую систему выполняют двухзазорной. Она представляет собой замкнутую полость, окруженную проводящей (металлической) оболочкой, с размещенными в ней зазорами и по крайней мере одним индуктивным проводником. Первый зазор образован промежутком "анод - коллектор", в котором электроны отдают свою энергию электромагнитному полю. Второй зазор, образован дополнительным электродом и оболочкой системы. В нем размещают вещество, на которое воздействует электромагнитное поле. Дополнительный электрод в свою очередь связан с коллектором прибора и с оболочкой системы при помощи одного или нескольких индуктивных проводников.

Для поддержания высокого КПД прибора (70-80% и выше) при изменяющейся нагрузке введена обратная связь, с помощью которой поддерживают заданный режим взаимодействия электронов с ВЧ- или СВЧ-полем в выходном зазоре. Поддержание такого режима при изменении нагрузки достигается автоматическим изменением потенциала управляющего электрода. Для этого вводят датчик электромагнитного поля, расположенный в выходной электродинамической системе, и блок регулировки потенциала управляющего электрода, соединенный с датчиком и с источником питания. Блок регулировки изменяет потенциал управляющего электрода (и, следовательно, ток прибора) в соответствии с сигналом датчика. Для поддержания заданного режима во входной электродинамической системе введен датчик электромагнитного поля во входную электродинамическую систему. Датчик соединен с блоком регулировки потенциала управляющего электрода. В соответствии с сигналом датчика блок регулировки изменяет потенциал управляющего электрода, если амплитуда ВЧ- или СВЧ-напряжения выйдет из заданных пределов.

Предлагаемый прибор схематически изображен на фиг. 1. Прибор состоит из вакуумной электронно-оптической системы 1, входной электродинамической системы 2, выходной электродинамической системы 3, источника питания 4, блока регулировки потенциала управляющего электрода 5, датчиков электромагнитного поля 6 во входной и выходной электродинамических системах, источника входного сигнала 7 (для режима усиления). Электронно-оптическая система 1 состоит в свою очередь из многолучевого катодного узла 8, управляющего электрода 9, анода 10 и коллектора 11. Входная электродинамическая система 2 состоит из полости внутри замкнутой металлической оболочки 12, емкостного зазора 13 между катодным узлом 8 и управляющим электродом 9, емкостного зазора 14 между управляющим электродом 9 и анодом 10, дополнительного перестраиваемого спирального индуктивного элемента 15, подсоединенного к управляющему электроду 9 через дополнительный емкостной элемент 16, двух дополнительных регулируемых коаксиальных индуктивных элементов 17 и 18, первый из которых подсоединен через дополнительный емкостной элемент 19 к катодному узлу 8, а второй - к оболочке 12. Все индуктивные элементы присоединены к оболочке 12 при помощи диэлектрического держателя 20. Регулировку индуктивных элементов 15, 17 и 18 осуществляют при помощи "закорачивающих" поршней 21, перемещаемых диэлектрическими тягами 22. Выходная электродинамическая система 3 включает в себя полость, окруженную замкнутой металлической оболочкой 23, емкостной (выходной) зазор 24 между анодом 10 и коллектором 11, регулируемый индуктивный элемент 25, включенный между коллектором 11 и оболочкой 23, второй зазор 26, объем которого изолирован от остального объема электродинамической системы защитным диэлектрическим изолятором 27. В зазор 26 помещают вещество 28, подвергаемое воздействию электромагнитного поля. Потенциал на катодный узел и ток цепи накала подают от источника питания 4 по изолированным проводникам 29, проходящим внутри полых индуктивных проводников 30 элементов 17 и 18. Аналогично, потенциал на управляющий электрод подают от источника питания 4 по изолированному проводнику 29 внутри полого индуктивного проводника 30 элемента 18 и внутри проводника спирали 31 элемента 15 (спираль 31 выполнена из трубки). Для прохождения проводников 29 элементы 15, 17 и 18 соединены между собой втулками 32. К электродам 8 и 9 электронно-оптической системы проводники подсоединяют через отверстия в пластинах элементов 16 и 19. Потенциал анода 10 положителен, а потенциал управляющего электрода 9 отрицателен по отношению к потенциалу катода 8.

Прибор работает следующим образом. Напряжения на все электроды и ток накала подают от источника питания 4. При отсутствии переменного электромагнитного поля во входной электродинамической системе 2 из-за отрицательного потенциала управляющего электрода 9 катод 8 заперт и ток в приборе не течет. При возбуждении во входной электродинамической системе 2 противофазного типа колебаний в зазорах 13 и 14 появляются переменные электрические поля, отличающиеся по фазе π (противоположно направленные). Если амплитуда переменного напряжения в зазоре 13 достигает достаточной величины, то в промежутки времени, когда поле является ускоряющим для электронов, появляется эмиссия электронов с катодов. Эти промежутки времени составляют некоторую часть периода (в оптимальном режиме от 1/5 до 1/3 периода). Переменное поле в зазоре 13 тратит энергию на ускорение электронов, а в зазоре 14, наоборот, получает энергию от электронов, которые ускоряются анодным потенциалом источника питания, т. е., электронные потери компенсируются. Для компенсации активных потерь в самой электродинамической системе 2 в ней создается асимметрия напряжений: амплитуда переменного напряжения в зазоре 14 немного (на 1-5%) больше, чем амплитуда переменного напряжения в зазоре 13. Эта асимметрия напряжений электродинамической системы 2 обеспечивается величиной емкости элемента 19 и дополнительно устанавливаемой в процессе регулировки разницей величин индуктивностей элементов 17 и 18. Из-за асимметрии напряжений в зазорах электродинамической системы 2 энергия, получаемая переменным электромагнитным полем от электронов, в зазоре 14 больше, чем энергия передаваемая этим же электронам в зазоре 13. При небольшой асимметрии напряжений происходит частичная компенсация собственных потерь электродинамической системы 2 и, следовательно, реализуется режим регенеративного усиления. Необходимо подчеркнуть, что этот режим полностью обеспечивается входной электродинамической системой без связи ее с выходной системой. При увеличении асимметрии напряжений доля скомпенсированных потерь увеличивается, что приводит к увеличению коэффициента усиления, который может достигать значительной величины (максимальная величина коэффициента усиления ограничивается стабильностью источника питания). Дальнейшему увеличению асимметрии напряжений соответствуют режим генерации. Так как электроны летят в течение определенной части каждого периода электромагнитного поля, ток представляет собой последовательность "электронных пакетов", пролетающих с катода 8 на коллектор 11. Эти пакеты, пролетая через зазор 24, возбуждают ВЧ- или СВЧ-колебания в выходной электродинамической системе 3. Под действием возбужденного переменного напряжения электронные пакеты тормозятся в зазоре 24, отдавая свою кинетическую энергию электромагнитному полю. Для того, чтобы максимальная доля кинетической энергии электронных пакетов передавалась электромагнитному полю, необходимо, чтобы амплитуда переменного ВЧ- или СВЧ-напряжения имела вполне определенную величину независимо от нагрузки. Для поддержания постоянной амплитуды ВЧ- или СВЧ-напряжения введена обратная связь, цепь которой состоит из датчика 6 электромагнитного поля в выходной электродинамической системе 3 и блока 5 регулировки потенциала управляющего электрода 9, подключенного к источнику питания 4. При изменении нагрузки блок регулировки 5 изменяет потенциал электрода 9, и, соответственно, ток прибора, в результате восстанавливается исходное значение амплитуды ВЧ- или СВЧ-напряжения в зазоре 24 системы 3.

Цепь обратной связи входной электродинамической системы 2 срабатывает, если амплитуда ВЧ- или СВЧ-напряжения превышает заданную величину - блок регулировки изменяет потенциал управляющего электрода (соответственно изменяется ток прибора). Эта обратная связь имеет более высокий приоритет, чем обратная связь выходной системы.

Электромагнитные ВЧ- или СВЧ-колебания, возбуждаемые в выходной электродинамической системе 3 воздействуют на вещество 28, размещенное в зазоре 26 между оболочкой 23 и дополнительным электродом 33. Пространство зазора 26 изолировано от остального пространства электродинамической системы при помощи изолятора 27.

Заявленные варианты конструкций прибора и некоторые способы его применения схематически представлены на фиг. 2 - 6.

На фиг. 2 изображен прибор, который может использоваться как источник ВЧ- или СВЧ-мощности для какого-либо внешнего устройства (нагревательной камеры, антенны, ускорителя заряженных частиц и т.д.). Для возможности универсального подсоединения к внешнему устройству резотрод выполнен в виде конструкции, в которой выходная электродинамическая система 3 представляет собой коаксиальный вывод ВЧ- или СВЧ-энергии 35. Такая конструкция позволяет согласовать резотрод практически с любым внешним устройством, поместив, при необходимости, между выводом энергии 35 и этим устройством дополнительное согласующее устройство, например, трансформатор - согласователь (не показан).

На фиг.3 изображен вариант конструкции резотрода, подключенный к внешнему устройству, предназначенному для воздействия ВЧ-поля на вещество (например, для ВЧ-нагрева). Размеры такого устройства могут значительно превышать размеры самого прибора, так как у резотрода входная электродинамическая система 2 может иметь размеры, значительно меньшие, чем длина волны. Это особенно важно при промышленном нагреве значительных объемов вещества. Резотрод подключен к крупногабаритной нагревательной камере 36, в которую помещено вещество 28, нагреваемое ВЧ-полем. Нагревательная камера 36, несмотря на ее большие габариты, может быть четвертьволновым (полуволновым) резонатором (изменение формы резонатора позволяет управлять величиной и пространственным распределением ВЧ-поля и соответственно поглощением ВЧ-поля в веществе 28).

На фиг. 4 изображена конструкция прибора для работы в ВЧ-диапазоне (десятки МГц). В этой конструкции можно отказаться от использования регулируемых коаксиальных индуктивных элементов 17 и 18, обеспечив необходимую асимметрию ВЧ-напряжений в зазорах 13 и 14 при помощи подобранной емкости элемента 19. При этом корпус спирального индуктивного элемента 15 непосредственно подсоединяют к оболочке 12 входной электродинамической системы 2. Емкостной элемент 19 также непосредственно подсоединяют к оболочке 12. Проводники 29, подающие потенциалы на электроды и ток накала проходят как и в исходной конструкции фиг. 1 внутри полых элементов 16 и 19. Если сделать элементы 16 и 19 регулируемыми (с перестраиваемой емкостью), то можно добиться такого же управления режимом генерации и такой же подстройки частоты, как и в исходной конструкции.

На фиг. 5 изображена конструкция резотрода для работы в СВЧ-диапазоне (сотни МГц). Она отличается, от конструкции, изображенной на фиг. 4, тем, что вместо спирального индуктивного элемента 15 использован коаксиальный индуктивный элемент 17, подсоединенный к управляющему электроду 9 и к оболочке 12 входной электродинамической системы 2.

На фиг. 6 изображена конструкция резотрода для более высоких частот (500 МГц и выше). В качестве индуктивных элементов можно использовать стержни (втулки) 37 и 38 как во входной, так и в выходной электродинамических системах. Для ввода (в режиме усиления) и вывода СВЧ-сигнала используют стандартные элементы, например, индуктивные петли 39 и 40. Такой прибор может найти применение для усиления телевизионных сигналов.

Таким образом, заявляемая конструкция прибора в отличие от известных является малогабаритным высокоэффективным регенеративным усилителем электромагнитных колебаний, способным работать в режиме усиления или в режиме генерации в диапазоне примерно 10 - 1000 МГц (длина волны 30 - 0.3 м), с электростатической фокусировкой электронных пучков (без магнитного поля или с уменьшенной величиной магнитного поля), с высоким коэффициентом усиления (в режиме усиления), с возможностью широкодиапазонной перестройки частоты (без изменения габаритов), с возможностью автоматического управления режимом усиления или генерации, с цельнометаллическими заземленными оболочками входной и выходной электродинамических систем, с возможностью непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество, со стабильно высоким КПД (70- 80% даже при изменяющейся нагрузке) при уровне выходной мощности от единиц кВт до единиц МВт.

Формула изобретения

1. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний с многоэлектродной вакуумной электронно-оптической системой, электроды которой имеют отверстия для прохождения электронных пучков, включающий катодный узел, управляющий электрод, анод, коллектор, полые электродинамические входную двухзазорную и выходную системы, отличающийся тем, что отверстия в управляющем электроде с произвольной формой вдоль направления движения электронных пучков и в поперечном направлении выполнены с минимальным поперечным размером, в 3 - 5 раз большим расстояния от поверхности катодов до плоскости, в которой отверстия имеют этот минимальный размер, при этом отношение расстояния от поверхности катодов до ближайшей к ним поверхности анода к минимальному поперечному размеру отверстий в управляющем электроде составляет 0,8 - 2, входная электродинамическая система окружена замкнутой проводящей оболочкой и образована соответственно промежутком катод - управляющий электрод, промежутком управляющий электрод - анод и введенными в полость дополнительными индуктивными проводниками и дополнительными емкостными промежутками, при этом каждая из цепей катод - управляющий электрод и управляющий электрод - анод включает по крайней мере один дополнительный индуктивный проводник и по крайней мере один дополнительный емкостной промежуток, причем емкости дополнительных промежутков в 20 - 100 раз превышают емкости промежутков катод - управляющий электрод и управляющий электрод - анод.

2. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные индуктивные проводники выполнены полыми и внутри них размещены изолированные проводники, соединяющие электроды электронно-оптической системы с источником питания.

3. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительные индуктивные проводники и/или дополнительные емкостные промежутки выполнены с возможностью изменения их индуктивности и емкости соответственно.

4. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительные индуктивные проводники и/или дополнительные емкостные промежутки выполнены соответственно в виде отрезков коаксиальных линий с передвижным короткозамыкающим проводником, а емкостные промежутки - в виде подвижных пластин.

5. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что дополнительный индуктивный проводник в цепи управляющего электрода выполнен в виде спирали или экранированной спирали с передвижным короткозамыкающим проводником.

6. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что для непосредственного воздействия электромагнитного поля на вещество выходная электродинамическая система выполнена двухзазорной: 1-й зазор образован промежутком анод - коллектор, 2-й зазор, в который помещают вещество, образован оболочкой выходной электродинамической системы и введенным внутрь нее дополнительным электродом, соединенным с коллектором, при этом внутрь оболочки выходной системы введен дополнительный индуктивный проводник, соединяющий коллектор и дополнительный электрод с оболочкой системы.

7. Многолучевой регенеративный усилитель электромагнитных колебаний по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что для поддержания заданного режима введены датчики электромагнитного поля во входную и/или выходную электродинамическую системы и блок регулировки потенциала управляющего электрода, соединенный с этими датчиками и с источником питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6