Мясін Е. А., Ільїн А. Ю., Євдокимов В. В., Чигарев С. Г. Інститут радіотехніки й електроніки РАН, Фрязінскій філія Пл. Введенського, 1, м. Фрязіно, Московської обл. -141190, Росія Тел.: (095) 5269154; e-mail: еат168@ms.ire.rssi.ru

Анотація – Проведено експериментальне дослідження оротрона зі слаборелятівістскім електронним потоком, перебудовуваним в діапазоні 78ГГц – 100 ГГц. Дослідження проведено для двох різних сферичних дзеркал і для трьох різних значень відносини періоду до висоти пролітного каналу дворядної періодичної структури. Проведено порівняння результатів експерименту з теоретичної оцінкою енергетичних параметрів [1].

I. Вступ

Останнім часом намітився все зростаючий інтерес до розробки і створення джерел короткохвильової частини міліметрового діапазону хвиль (КВЧММДВ) з підвищеним рівнем потужності випромінювання, у тому числі імпульсної дії з не надто високою робочою напругою. Це обумовлено тим, що джерела безперервного випромінювання цього діапазону мають недостатній рівень потужності для цілого ряду застосувань. Із сучасних імпульсних джерел КВЧММДВ О-типу “рекордсменом” є генератори з розподіленим взаємодією фірми Varian. Так в роботі [2] наведені параметри генератора на частоту 225,445 ГГц, використовуваного в якості джерела випромінювання для РЛС, з вихідною потужністю 60Вт в імпульсі тривалістю 50-500 нсек, і напругою 12кв. Однак, ці прилади не можуть перебудовуватися в широкій смузі частот і до того ж дороги. Тому в даній роботі була зроблена перша спроба на шляху просування в цей діапазон імпульсного ефективного оротрона зі слаборелятівістскім електронним потоком.

II. Основна частина

/ ГГц

Р, кВт

ККД,%

U, кВ

I.A

J,

А / см2

10

53

35

13

11.6

50

35.3

11.6

18.3

20.1

3.15

90

90

1.2

6

20

1

100

Тому ми почали з дослідження діапазону механічної перебудови потужного оротрона 3 мм діапазону, щоб одночасно з цим ще раз зіставити з експериментом, теоретичні прогнози з приводу деяких важливих елементів конструкції приладу Але при цьому поряд з максимальним діапазоном перебудови хотілося отримати і енергетичні параметри не гірше тих, які наведені в Таблиці 1. Не викликає сумнівів, що для досягнення цієї мети повинна використовуватися дворядна

Рис. 1 / Fig. 1

Нами накопичено багаторічний досвід зі створення експериментальних макетів таких приладів в сантиметровому і міліметровому діапазонах хвиль, включаючи 3 мм діапазон [2], але не перебудовуються по частоті. Результати цих досліджень представлені в Таблиці 1.

періодична структура (ПС) [3]. Як випливає з теорії [3], для реалізації ефективних режимів роботи оротрона необхідно виконати ряд умов. Перелічимо основні з них: коротка довжина ПС L ~ 20 I, де I – період ПС; в той же час у відкритому резонаторі (ОР) повинен порушуватися основний тип коливань TEMooq і L ~ 4гдо, Де рдо– Радіус каустики цього коливання, висота ОР не більше q = 10, але при цьому досить велика величина навантаженої добротності, де q – число напівхвиль між дзеркалами ОР, пролітний канал 2Н до ~ Х. Однак, у міру укорочення довжини хвилі доводиться збільшувати L до 5гдо і більше, робити гдо ~ Тк і т.д. Найбільший інтерес представляє з’ясувати (за інших рівних умов) залежність ефективності електронно-хвильової взаємодії від ставлення I / 2Н і оцінити граничне значення цього відношення, яке можна реалізувати за допомогою наших технічних рішень. Тому Змм прилад мав період I = 0,85 мм, число періодів N = 30 і спочатку 2Н = 0,3 мм, а I / 2Н = 2,8. Потім 2Н змінювався до 0,25 мм і, нарешті, до 0,2 мм, a I/2H до 3,4 і 4,25 відповідно. Висота катода h, що визначає товщину плоского електронного потоку, була у всіх експериментах 0,2 мм. При цьому експерименти були проведені з різними сферичними дзеркалами, що мають апертури Di = 32мм, D2 = 26мм і радіуси кривизни Ri = 65мм, R2= 93mm. Найкращі результати були отримані з першим дзеркалом і 2Н = 0,2 мм в діапазоні перебудови від 78ГГц до ЮОГГц при зміні напруги від 15, ЗКВ до 24,5 кВ при струмі на колектор 0,75 А – 0,8 А. Амплітуд- но-частотні характеристики (АЧХ) для різних значень q цього приладу наведено на рис 1.

Якщо порівняти отримані результати з результатами, наведеними в третьому рядку Таблиці 1, то слід зазначити, що максимальна вихідна потужність Р = 430Вт на частоті f = 88ГГц в 2,5 рази менше. Однак, вона отримана при меншому робочому струмі і, що ще більш важливо, при істотно меншій щільності струму з катода, всього близько ЗОА / см2 Остання обставина дає дуже серйозну надію на можливість створення ефективного 3 мм приладу при більш низькій напрузі і з квазінепереривних режимом роботи. Вихідну потужність і одночасно ККД 3 мм приладу можна, в принципі, збільшити, якщо робочий струм в пролітному каналі 2Н = 0,2 мм збільшити до 1А. Як видно з АЧХ на рис.1, верхня межа перебудови обмежена частотою ЮОГГц, яка досягається при напрузі 24,5 кВ. Це пов’язано з тим, що пусковий струм генерації при цьому напрузі виявляється лише трохи менше досяжного робочого струму. Зміни вихідної потужності по діапазону не монотонно і визначається параметрами ПС і ОР, але, тим не менш, при переході, наприклад, з q = 7 на q = 8 забезпечує в смузі 22,5% при середній частоті 88ГГц зменшення вихідної потужності на краях діапазону перебудови не більше ніж в 4,7 рази від максимальної.

Представляє інтерес порівняти, хоча б якісно, ​​отримані експериментальні результати з теоретичної оцінкою енергетичних параметрів одного з варіантів конструкції цього приладу, яка була проведена в [1]. Хоча розрахунки проведені для випадку з прогонових каналом 0,3 мм і сферичним дзеркалом D2= 26 мм і R2= 93 мм, а вище наведені більш гарні результати для іншого випадку, загальна тенденція зміни потужності робочого струму і напруги за діапазоном у них одна і та ж. Майже повний збіг з розрахунковими значеннями демонструють лише значення напруги на н.ч. і на в.ч. межах перебудови при параметрі несинхронності Ь ~ 0,1, що відповідає максимальній величині потужності в експерименті. Що стосується зміни потужності і ККД по діапазону, то вони істотно розрізняються. Пов’язано це з тим, що при розрахунку не враховувалося зміна пускового струму при зміні напруги і довжини хвилі, а передбачалося, що ставлення робочого струму до пускового току постійно і не менше 2. В експерименті пусковий струм на частоті 78ГГц становив 0,5 А, а на частоті ЮОГГц 0,7 А тому й вихідна потужність по діапазону зменшується від н.ч. до в.ч. кордоні перебудови. Резонансне збільшення потужності на частотах 88ГГц – 91 ГГц пов’язано з резонансними властивостями ПС. Вихідну потужність і одночасно ККД 3 мм приладу можна, в принципі, збільшити, якщо робочий струм в пролітному каналі 2Н = 0,2 мм збільшити, хоча б, до 1 А. З експерименту випливає, що для ефективного електронно-хвильового взаємодії ставлення I / 2Н повинно бути більше 4, а не л, як випливає з теорії.

III. Висновок

Таким чином, показана можливість широкодіапазонний перебудови ефективного оротрона 3 мм діапазону і отримана важлива інформація щодо деяких елементів конструкції приладу, необхідна для створення оротрона КВЧММДВ.

IV. Список літератури

1. Е. А. Мясін, А. Ю. Ільїн, В. В. Євдокимов, С. Г. Чигарев. Матеріали конференції КриМіКо 2003. С. 278.

2. Robert W. McMillan, С. Ward Trussel at all. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, vol. 39, no. 3, March 1991, p. 555.

3. Мясін E. А. Радіотехніка N2, 2004, с. 22.

EXPERIMENTAL RESEARCH INTO FREQUENCY TUNING OF A 3MM OROTRON WITH A WEAKLY RELATIVISTIC ELECTRON STREAM

Myasin Ye. A., Ilyin A. Yu.,

Yevdokimov V. V., Chigarev S. G.

Fryazino Branch, Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences

1  Vvedenskogo Square, Fryazino,

Moscow Region, 141190, Russia phone: +7 095 5269154, e-mail: earn 168@ms.ire. rssi. ru

Abstract – An experimental study of orotron tuning over a 78-100GHz frequency range has been carried out for two values of spherical mirror radii and three values of interaction space heights. A two-row periodic structure (PS) has been used and the comparison of experimental results with previous theoretical calculations has been made.

I.  Introduction

In recent years the development of high-power pulse sources in a short mm-wave range has attracted considerable interest. This is due to the fact that the available continuousmode sources offer insufficient output power for certain applications and also lack frequency tuning. This paper presents the first attempt at using orotrons in a near 1 mm-wave range.

II.  Main part

Our previous experience in a cm and mm-wave orotron development for fixed frequencies is summarized in Table 1. The current work was aimed at attaining wide mechanical frequency tuning of orotrons while providing power parameters achieved earlier. According to theoretical predictions [3], certain preconditions are required for this purpose: 1) short PS length L ~ 20 I, where I is the PS period; 2) a TEM0oqtype main oscillation with a caustic radius rk = L / 4, 3) intermirror distance of the order of 10X / 2, 4) large value of loaded Q, 5) interaction space height of 2H k~ X). Thus the 3-mm device parameters were as follows: the PS period I = 0.85mm; PS period number N = 30; cathode width h = 0.2mm; interaction space height 2H = 0.3, 0.25, and 0.2mm. Experimental dependences of output power on frequency for 2H = 0.2mm and different TEM0oq modes are shown in Fig. 1.

The comparison of experimental results with theoretical estimates [1] shows good agreement for operating voltage at both tuning range extremes, while the output power values and electron efficiency behavior across the orotron tuning range vary considerably. This may be attributed to an increase in starter current at the high frequency edge, as well as to the PS resonance properties.

III.  Conclusions

The possibility of a wide frequency tuning for a high-power 3mm orotron is shown. Important data has been obtained on a number of design parameters that might be applied to the development of an efficient near-1mm device.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»