Еремко В. Д. Інститут радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова Національної Академії наук України 12, вул. Академіка Проскури, Харків, 61085, Україна, Факс: +38-0572-744-11-05; e-mail: yeryomka@ire.kharkov.ua Кураєв А. А., Синіцин А. К. Гесударственний університет інформатики і радіоелектроніки 6, вул. П. Бровки, Мінськ, 220600, Республіка Білорусь Факс: (375-17) 231-09-14; e-mail: kurayev@gw.bsuir.unibel.by

Анотація. У повідомленні представлені деякі результати дослідження орботронов – генераторів міліметрових і субміліметрових хвиль з просторово розвиненими (многопучковая) електронними потоками і відкритим резонатором. Показана можливість поліпшення енергетичних характеристик многопучковая ламп при зменшенні їх габаритів і маси.

I. Вступ

Збільшувати потужність вихідного сигналу вакуумних генераторів міліметрових хвиль при зменшенні їх робочої напруги можна двома способами. Один з них зводиться до збільшення робочого струму приладів за рахунок збільшення щільності струму в пучках і питомих навантажень на емітер електронів. У цьому випадку на ефективність взаємодії електронів і високочастотного поля істотно впливає величина кулонівських сил просторового заряду. Крім того, цей шлях супроводжується зменшенням терміну безвідмовної роботи генераторів.

Характерним для іншого способу є застосування в генераторах і підсилювачах короткохвильових діапазонів просторово розвинених емітерів електронів, колекторів відпрацьованих заряджених частинок і електронно-оптичних систем (ЕОС), що формують просторово розвинені, зокрема, многопучковая стрічкові електронні потоки, які синхронно взаємодіють з хвилями високочастотного поля періодичних уповільнюють структур (ЗС) електродинамічної системи. При цьому кожен електронний пучок взаємодіє з високочастотним полем електродинамічної системи, переміщаючись в індивідуальному розподіленому просторі взаємодії у вигляді, наприклад, каналу ЗС утвореної здвоєними гребінками. Практика застосування просторово розвинених (зокрема, многопучковая) електронних потоків в прогонових клістрона дециметрового і сантиметрового діапазонів, виникла в 40-х роках минулого століття і успішно розвивається більше 60 років

[1], [2]. Геометрія тороїдальних резонаторів обмежує можливість застосування многопучковая електронних потоків в кпістронних приладах середньої і короткохвильової частини міліметрового діапазону хвиль.

Розробка принципів побудови ефективних генераторів і підсилювачів міліметрових і субміліметрових хвиль з просторово розвиненими електродинамічними системами й електронними потоками на основі орботронов – перспективний шлях вирішення завдань, пов’язаних зі створенням малогабаритних нерелятивістських джерел середньої та великої потужності в короткохвильових діапазонах хвиль. Орботрон (похідне від слів open resonator, binary comb, О-type, electron). Дані про результати дослідження многопучковая генераторів електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону представлені в [3] – [5].

II. Основна частина

1. Особливості формування многопучковая електронних потоків

При вкороченні робочої довжини хвилі Л генераторів СВЧ з розподіленим взаємодією геометричні розміри елементів їх періодичних уповільнюють систем (ЗС), що визначають робочу частоту джерела випромінювання, зменшуються пропорційно Л. Для досягнення ефективної взаємодії електронів з електромагнітними хвилями в ЗС в цьому випадку необхідно зменшити

робоча напруга пропорційно Л2. У той же час, для збереження величини потужності вихідного сигналу (при незмінному ККД), необхідно

збільшити робочий струм пучка більш ніж в Л2 разів. При

цьому мікропервеанс p = l / V3/2 пучка (I – струм пучка

в мА, V – прискорює напруга в В) зростає

не менше ніж у Л5 разів. Ефективним способом зменшення дії кулонівських сил просторового заряду є застосування просторово розвинених електронно-оптичних систем, що формують N електронних пучків із зменшеним приблизно в N раз мікропервеансом в кожному з

них. N – пучковий електронний потік взаємодіє з високочастотним полем відкритого резонатора

(ОР), рухаючись в N каналах. Канали являють собою індивідуальні розподілені простору взаємодії в ЗС у вигляді здвоєних однорідних або неоднорідних гребінок, виконаних в тілі одного з дзеркал відкритого резонатора [3-7].

2. Орботрони – многопучковая генератори міліметрових хвиль з відкритим резонатором

Просторово розвинена електродинамічна система нерелятивістських лазерів на вільних електронах (ЛСЕ) – оротронов і ледатронов, виконана у вигляді двухзеркальной відкритого резонатора (ОР) типу Фабрі-Перо або коаксіального, відкриває нові можливості для збудження в ній автоколивань за допомогою просторово розвинених, наприклад, многопучковая або трубчастих електронних потоків. В основі згаданих ЛСЕ тривалий розподілене взаємодія хвиль пространст

венного заряду (плазмових хвиль) електронних потоків і електромагнітних хвиль.

В ЛСЕ на ефекті Сміта-Парселла (ЛСЕ-СП) синхронізм взаємодії пучків з хвилею електромагнітного поля (резонанс) досягається шляхом збільшення (зменшення) моменту кількості руху (хвильового числа) електромагнітної хвилі в ЗС [відбивної дифракційної решітці]. Можна вказати кілька факторів, що обмежують електронний ККД ЛСЕ-СП, наприклад, оротронов традиційної конструкції:

1) щодо слабкий зв’язок об’ємних хвиль відкритого резонатора (ОР) з поверхневою хвилею відбивної дифракційної решітки, використовуваної в якості ЗС;

2) експоненціальне зменшення в такий ЗС амплітуди поля поверхневої хвилі, що взаємодіє з стрічковим електронним потоком, за його поперечному перерізі;

3) неоптимальний розподіл амплітуди поля поверхневої хвилі при симетричному розташуванні ЗС щодо осі симетрії ОР;

4) використання регулярної ЗС – відбивної дифракційної решітки, не дозволяє реалізувати оптимальну фазировку електронів та ефективний відбір енергії від стрічкового електронного потоку (ЕП) уздовж простору взаємодії.

Перші три проблеми вирішені в конструкції многопучковая нерелятівістского ЛСЕ орботрона описаної в [4]. Результати рішення четвертої проблеми, пов’язаної із забезпеченням оптимального по ККД управління динамічним процесом взаємодії в многопучковая орботронах, шляхом оптимізації параметрів ЗС, зокрема, регулярної та нерегулярної здвоєних гребінок, представлені в роботі [7]. Задача оптимального управління процесом електронно-хвильового взаємодії в многопучковая орботроне вирішена на основі теорії атомарних функцій [8].

При порівнянні характеристик многопучковая нерелятивістських ЛСЕ орботронов і однопучкову ЛСЕ-СП оротронов слід зазначити перевагу перших. Вони забезпечують збільшення електронного ККД, потужності вихідного сигналу, зменшення робочого магнітного поля і прискорює робочої напруги і, як наслідок, зменшення маси і габаритів джерела випромінювання при інших рівних умовах.

На рис.1 схематично представлений восьміпучковий орботрон. Генератор має ОР з двома дзеркалами, перше (1) з яких має сферичну поверхню, що відбиває забезпечено хвилеводним висновком 9 високочастотної енергії, а в тілі другого (2) з циліндричною поверхнею, що відбиває виконані ЗС 3 у вигляді здвоєних гребінок. ЕОС 5 формують вісім стрічкових електронних пучків 6. Колектор 7 відпрацьованих електронів розташований в центрі дзеркала 2 з циліндричною поверхнею, що відбиває.

Принципові особливості ЛСЕ типу орботрон такої конструкції, що відрізняють її від ЛСЕ-СП типу оротрон, полягає в наступному. Внаслідок симетричності конструкції кожен з восьми стрічкових пучків 6 пролітає між емітером ЕОС 5 і колектором 7 в наростаючому до максимуму ВЧ поле (поз.2 на рис.2). Функція Гаусса розподілу Е-поля в ОР має вигляд

Рис. 5. Схематичне зображення 8-пучкового коаксіального орботрона-ешелеттрона.

Puc. 2. Інтегральні характеристики динаміки електронно-хвильового взаємодії в восьміпучковом МСЕ з нерегулярними здвоєними гребінками (по осі T = z / L) Криві: (зверху вниз): 1 – VPh, 2 – Ag(T-функція Гаусса розподілу амплітуди Е-поля; 3 – Gr (T) – ступінь угруповання, 4 – г; (Т) – величина електронного ККД досягає тут 70%; dlt1 = dz / L; L = 10mm-довжина гребінки від її гарматного кінця до колекторного кінця, dz = 1.5 мм – відстань від кінця гребінки до колектора електронів в центрі дзеркала.

Fig. 5. Schematic sketch of an eight-beam coaxial orbotron-echeiettron

Fig. 2. Integral parameters of electron-wave interaction dynamics in an eight-beam FEM orbotron with irregular dual combs (along the T=z/L axis). Curves: (from top to bottom): 1 – VPh, 2 – Ag(T) – Gaussian function of E-field distribution; 3 – Gr(T) – clusterization degree; 4 – r;(T) – electronic efficiency reaches 70% in this particular case

Puc. 3. Взаємне розташування основних вузлів трехпучковой орботрона – ешелеттрона: 1 – канали двох стрічкових пучків; в пучків; 2 – кутикової-ешелеттное дзеркало, 3 – сферичне дзеркало; 4 – механізм перебудови ОР; 5 – хвилеводний висновок енергії; 6 – штуцер відкачування; 7

– корпус; 8 – канал третього пучка; 9 – Токоввод; 10-рідинне охолодження; 11 – керамічні ізолятори.

Fig. 3. Mutual arrangement of basic units in a three- beam FEM orbotron – ‘echelettron’: 1 – channels of two ribbon beams; 2 – angle-echelette mirror; 3 – spherical mirror; 4 – OR adjustment mechanism; 5 – waveguide power output; 6 – pumping pipe outlet; 7 – casing; 8 – third beam channel; 9 – current leads; 10- fluid cooling;

11 – ceramic insulators

Puc. 4. Залежність вихідної потужності

P/Pmax = f(lwr) Однопучкову, двухпучкового і

трехпучковой орботрона – ешелеттрона від величини робочого струму.

Fig. 4. Output power Р / Ртах = /(/„„.) а single-, two-

and three-beam FEM orbotron – ‘echelettron’ vs operating current

Рис. 6. Поперечний перетин коаксіального многопучковая орботрона.

Fig. 6. Cross-section of a coaxial multibeam orbotron

III. Список літератури

[1] Авт. св. № 64257 (СРСР). Електронно-променева лампа / В. Ф. Коваленко. (1940).

[2] А. N. Korolev, S. A. Zaitsev, 1.1. Goienitsky, Traditional and Novel Vacuum Electron Devices / / IEEE Trans. Electron Devices., Vol. ED-48, № 12, p.2929-2937, Dec. 2001.

[3] Патент № 644254 (СРСР). М. кл. Н01J25/00. Генератор дифракційного випромінювання / В. Д. Еремко (1979).

[4] Патент № 830946 (СРСР). М. кл. Н01J25/00. Генератор дифракційного випромінювання / В. Д. Еремко та ін (1981).

[5] Патент № 55721А (Україна). М. кл. Н01J25/00. Резонансний генератор електромагнітних коливань – еше-леттрон / А. Я. Білуха, В. Д. Еремко, А. І Фісун (2002).

[6] Еремко В. Д. Генерування та підсилення міліметрових хвиль багатопроменевими і трубчастими електронними потоками. / / Праці 5-ї Міжнародної Кримської конференції «СВЧ техніка і супутникові телекомунікаційні технології «. Севастополь. Т.1. – С.52-61. (1995).

[7] Еремко В. Д., Кравченко В. Ф., Кураєв А. А., Пусто-війт В. І., Синіцин А. К. Атомарні функції в задачі оптимізації по ККД двухпучкового оротрона з нерегулярною здвоєною гребінкою / / Зарубіжна радіоелектроніка. Успіхи сучасної радіоелектроніки. № 3. – С.58-62 (2000).

[8] Кравченко В. Ф. Лекції з атомарним функцій та їх застосування. М.: Радіотехніка. 2003. 470 с.

ORBOTRONS: MULTIBEAM ММ-AND SUBMM-WAVE OSCILLATORS

Yeryomka V. D.

A.        Usikov Institute of Radio Physics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine 12 Akademika Proskury St., Kharkiv 61085, Ukraine fax:+380 (572) 441105 e-mail: yeryomka @ ire. kharkov. і a Kuraev A. A., Sinitsyn A. K.

Belarussian State University of Informatics and Radio Electronics 6 P. Brovki St., Minsk – 220013, Belarus phone: +375 (17) 2398956 e-mail: kurayev@gw.bsuir.unibel.by

Abstract – Results of investigating free-electron maser (FEM) orbotrons with spatially developed (multiple-beam) electron streams are presented. A possibility is demonstrated of improving power characteristics of millimeter-wave multiple- beam tubes while reducing their overall dimensions and weight.

In FEMs the synchronism of interaction between the beams and the electromagnetic field wave (resonance) is achieved by increasing (decreasing) the angular momentum (wave number) of the electromagnetic wave in an SWS [the reflection diffraction grating or a periodic metal channel (waveguide) in the form of a binary comb], A number of factors may be cited that limit electron efficiency of FEM orotrons, including: 1) relatively weak coupling of body waves in an OR with a surface wave of the reflecting diffraction grating used as an SWS; 2) exponential decrease in this SWS of the field amplitude of a surface wave interacting with a ribbon electron stream along its cross-section; 3) nonoptimal distribution of the surface-wave field amplitude when the SWS is arranged symmetrically about the OR symmetry axis; 4) using the regular SWSs – the reflecting diffraction gratings – hinders the optimal phasing of electrons and efficient extraction of energy from the ribbon electron stream. The first three issues mentioned above have been resolved by a new design of a multibeam FEM orbotron (Open Resonator, Binary comb, О-Гурі, elect RON) described in [4]. The results of tackling the fourth issue related to obtaining optimal efficiency in managing dynamic interaction processes in millimeter-wave multibeam FEMs – orbotrons – are given in [4]. The problem of optimally controlling the electron-wave interaction in multibeam FEM orbotrons has been solved on the basis of the atomic function theory [7], [8] by optimizing SWS parameters, in particular, those of regular and irregular binary combs.

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