Монотронный генератор и способ генерации колебаний в нем

 

1. Монотронньй генератор, содержащий инжектор электронов, соосно ему распрложенньй резонатор с пролетным каналом и выводом энергии, коллектор, б.тличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности генерации субгармоник, повьшгения 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 невоэмущенный угол пролета электронных сгустков в резонаторе и величину среднего тока Я выбираютиз следующих соотношений ',

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1УБЛИ К

„,SU„„14162 здр Н Ol .1 25/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ С8ИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2854307/18"25 (22) 18. 12.79 (46) 30 ° 05.84. Бюл, М - 20 (72) Е.М. Закутов, Ю.Д. Черноусов и В.Д. Шемелин (7i) Институт химической кинетики и горения СО АН СССР (53) 621.385.6(088 ° 8) (56) 1. Корнилов С.А, Деление частоты в пролетном клистроне с двумя зазорами. "Радиотехника и электроника", т. 3, У 4, 1958, с. 522.

2. Лебедев И.В, Техника и приборы СВЧ.. т. 2, М., "Высшая школа", 1972, с. 55 (прототип) . (54) МОНОТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ

ГЕНЕРАЦИИ КОЛЕБАНИЙ В НЕМ (57) 1. Монотронный генератор, содержащий инжектор электронов, соосно ему расположенный резонатор с про летным каналом и выводом энергии, коллектор, о.т л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения возможности генерации субгарионик, повышения КПД, уменьшения пускового тока, в инжектор введено устройство формирования электронных сгустков, при этом резонатор настроен на частоту

1.„определяемую следующим соотношенйем;

f/f, = и/m, где f, — частота следования электронных сгустков; п,m - целые числа и и/m C 1, 2, Способ генерации колебаний в монотронном генераторе по и.1, включающий операцию ввода электронного потока в пролетный канал резонатора, отличающийся тем, что при f/f = 1/2 невозмущенный угол пролета электронных сгустков в резонаторе и величину среднего тока выбирают. из следующих соотношений; (8q-1) (1+sirÎ ) -1+2 cos8@) 0, (Ов-1) (1+вз.п 8о )-1-сов 0 R„ где U — напряжение инжекции электо ронных сгустков;

R — шунтовое сопротивление pei зонатора с учетом внешней

3 нагрузки.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1

814162!

Поставленная цель достигается тем, что "в монотронном генераторе, содержащем инжектор электронов, соосно ему расположенный резонатор с пролетным каналом и выводом энергии и коллектор, в инжектор введено устройство формирования электронных сгустков. Резонатор настроен на частоту f, определяемую следующим соотношением

f /Ер = и/ш, где fð — частота следования электронных сгустков, n,m — целые числа и n/m 4 1.

Генерация субгармоник в монотронном генераторе осуществляется путем ввода электронного потока в пролетнвц канал резонатора. При f/fr 1/2 невозмущенный угол пролета eð электронных сгустков в резонаторе и велиS$

Изобретение относится к области

СВЧ-техники, а более конкретно к источникам СВЧ-мощности, и может быть использовано в ускорительной технике. 5

Известен пролетный клистрон, со,держащий инжектор электродов и резонаторы 1 11. Генерация субгармоник основной частоты производится при инжекции модулированного электронного пучка в резонатор с двумя зазорами. Этот клистрон имеет сложную конструкцию, требует длительной настройки перед включением и обладает невысокой надежностью.

Известен монотронный генератор

СВЧ-колебаний, работающий при отрицательной активной электронной проводимости рабочего зазора реэонатора— монотрон, содержащий инжектор элект- 2о ронов, соосно ему расположенный резонатор с пролетными каналами и выводом энергии и коллектор (2 ). Генерация в монотроне осуществляется путем ввода электронного потока в пролетный канал резонатора с невозмущенным углом пролета 5/2>lj2$. Несмотря на внешнюю простоту, такие генераторы широко не используются, так как.обладают низким КПД и тре- 30 буют большого пускового тока.

Целью изобретения являются создание на основе принципа действия монотрона устройства для генерации субгармоник, повышение КПД и уменьшение З5 пускового тока. чину среднего тока ф выбирают из следующих соображений (Од-1) (1+s in Ор-1+2соз 8р >О, 1о о 8 --1) (1+s ineo-1+cos 6 К где Йр — средний ток; z — невозмущенный угол пролета сгустков в резонаторе;

Us — напряжение инжекции электронных сгустков;

R — шунтовое сопротивление ре1 зонатора с учетом внешней нагрузки.

На фиг. 1 представлена схема монотронного генератора; на фиг. 2 зависимость функции ф (6) от невозмущенного угла продета Ер электронных сгустков s резонаторе; на фиг.3 результаты расчета на ЭВИ 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 9р = 2,67, напряжение инжекции электронных сгустков 0р = 50 кВ; сопротивление нагрузки, перечисленное к зазору резонатора, R1, = 0,52 мОм, шунтовое сопротивление резонатора без учета внешней нагрузки R

3,70 мОм, средний за период ток 1р =

=10 А; частота субгармоники f в два раза меньше частоты следования электронных сгустков f, т.е. f/f = 1/2; р

КПД устройства <>= 70X; электронный

КПД < -= -goZ.

Предлагаемый 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 электро. ны собираются на коллекторе 4.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в монотронном генераторе, в сравнении с прототипом.

Непрерывный пучок в монотронне может быть рассмотрен (для анализа) о как последовательность большого числа сгустков за период колебаний ре814162 зонатора. Если это число сгустков N стремится к бесконечности, то получим обычный монотрон с непрерывным пучком. Начнем теперь уменьшать число К. Таким образом, формально можно утверждать, что монотрон делит бесконечно высокую частоту fo = Nf в N раз и является генератором частоты f.

При конечном N в расчете можно рассмотреть просто баланс энергий — 10 разницу между энергией сгустков на входе и на выходе иэ резонатора.

Наиболее просто это сделать для N=2, Расчет электронного КПД устройства при N=2 сделан в предложении ма- 15 лой фаэовой протяженности сгустков.

Вначале допускается наличие некоторого продольного электрического поля в резонаторе, а затем показывается, что при определенных условиях на 20 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 25 энергиями, отнесенная к энергии сгустков на входе, является электронным КПД 1 устройства. В рассмотренном случае N=2 получено для малых ;

y=e Ф(о ) (1) 30

Ф(Е,) =(Е,-1) (1+з1п 0 ) -1+2cos 8;

eU где — — — безразмерная ампли Д2 35 туда напряжения на резонаторе; е — — удельный заряд элекIll трона;

U — напряжение на резо- 40 наторе; о= 27ifs

d — длина резонатора.

Функция ф (0 ) имеет ряд интервалов или зон генерации (см. фиг. 2), 45 в которых она принимает значения большие нуля. В этих зонах происходит перекачка энергии сгустков в энергию

СВЧ-полей резонатора. Однако из-за диссипации энергии в стенках резонатора величина 1 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 N=2 дает

Ш = — -, (2)

20 з Uî ленск ф(р ) R

Выражение (1) для «1 справедливо при малых . При достаточно больших баланс энергий был рассчитан на

ЭВМ. Результаты приведены на фиг.З.

КПД устройства — это отношен Ie мощности, идущей в полезную нагрузку, подключенную к резонатору, к мощности пучка. С другой стороны о (3) U . . R +aRä ггГх о 2к,с,й " R,+ê оо где R — шунтовое сопротивление резонатора без учета внешней нагрузки;

RII — сопротивление нагрузки, пересчитанное к зазору резонатора.

Первое из равенств (3) показывает, что полезная мощность, выделяемая устройством в нагрузке, есть разность между полной рассеиваемой СВЧмощностью и СВЧ-мощностью, рассеиваемой в резонаторе. Поскольку 1 и 1 пропорциональны (, на графне в логарифмическом масштабе изображающие их прямые параллельны между собой и параллельны прямолинейной части криводй () (см. фиг. 4). Точка пересечения 1.(.и 1 () 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

Проведенные испытания показали работоспособность описанного монотронного генератора.

Предлагаемый монотронный генератор позволяет генеровать СВЧ-колебания на частоте субгармоники, имеет высокий КПД, малый первеанс пучка (Р и 2 -10 ) ° что крейне важно при практическом использовании, малую

1 величину пускового тока.

814162

Редактор Л. Утехина Техред Т.Дубинчак Корректор Л. Шеньо

Закаэ 3920/4 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

IIo делам иэобретений и открытий

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

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