Мірошниченко В С, Демченко М Ю, Лопатин І В, Сенкевич О Б, Тищенко А С Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Академіка Проскури 12, м Харків, 61085, Україна тел: 38(057) 7203393, e-mail: mirosh@irekliarl<ovua

Анотація – Розглянуто перспективи зниження прискорюючої напруги для вакуумних джерел дифракційного випромінювання Наведено особливості конструкції та результати експериментальних досліджень вихідних характеристик генератора дифракційного випромінювання (ГДВ) 5-мм діапазону довжин хвиль, що працює при ускоряющем напрузі 600-1 ТОВ В і споживаної потужності не більше 70 Вт

I                                       Введення

Розробка вакуумних джерел випромінювання, що працюють при знижених прискорюючих напругах електронного пучка, є актуальним завданням як у міліметровому діапазоні, так і при освоєнні терагерцового діапазону довжин хвиль Альтернативу традиційним джерелам випромінювання (ЛОВ, відбивні клістрони) по ряду параметрів можуть скласти низьковольтні генератори дифракційного випромінювання (ГДВ) Так, крутизна електронної перебудови ГДВ зазвичай становить 0,1-0,5 МГц / В, що на порядок нижче ніж у відбивних кпістронах і на два порядки нижче ніж у ЛОВ Зниження споживаної потужності дозволить перейти до повітряного охолодженню низьковольтних ГДВ при автономній роботі в складі вимірювальної апаратури

У роботі розглянуті особливості роботи ГДВ при знижених прискорюючих напругах електронного пучка, запропонована нова відкрита резонансна система (ОРС) для низьковольтного ГДВ 5-мм діапазоні довжин хвиль і досліджено його характеристики

II                               Основна частина

Для оптимізації електродинамічної системи генератора проведемо оцінку величини пускового струму низьковольтного ГДВ в рамках лінійної теорії [1] При однаковій довжині простору взаємодії і поперечному перерізі електронного пучка ставлення пускових струмів низьковольтного (/ 2) і базового ГДВ (/ j) складе

де β-відносна швидкість електронного пучка Q-добротність робочого типу коливань в ОР ψ – коефіцієнт використання резонансного поля в ГДВ – Параметр просторового заряду індекси 7 і 2 позначають параметри базової та низьковольтного ГДВ відповідно

В якості обєктів порівняння виберемо базовий ГДВ (t / j = 2,5 KB Д = ОД період дифракційної

решітки (ДР) – / = 0,6 мм) і низьковольтний ГДВ, розрахований на прискорює напруга Ц = 0,6 кВ:

Д = 0,05 період ДР – = 0,3 мм При малому про

сторовий заряді згідно (1) пусковий струм в низьковольтному ГДВ знижується: / ^ / / i = 0,738 І навпаки, при великому просторовому заряді пусковий струм низьковольтного ГДВ істотно зростає порівняно з базовим ГДВ: I ^ | I ^ = 4,36 Параметр просторового заряду при = 20 мА для базового ГДВ становить = 2,83 Тому в низьковольтному ГДВ слід очікувати істотного підвищення пускового струму

Для зниження пускового струму в низьковольтному ГДВ ми використовували ОРС з підвищеним значенням Ψ за рахунок збільшення амплітуди резонансного поля поблизу ДР [2] Така ОРС утворена сферичним дзеркалом з висновком СВЧ-енергії і циліндровим дзеркалом з резонансною прямокутної канавкою Одиночна ДР розміщувалася на дні канавки, а глибина занурення решітки в канавці вибиралася виходячи з умови резонансу

де h – глибина щілин ДР, ^ – довжина хвилі в канавці (Е-поляризація), да = 1, 2, 3

У такій ОРС при виконанні резонансного умови (2) для основного TEMooq типу коливань розмір плями поля стягується до ширини канавки і стає набагато менше гауссового, що призводить до підвищення дифракційної добротності і збільшенню амплітуди резонансного поля в канавці

Були проведені дослідження властивостей ОРС з низьковольтної ДР (/ 2/2 = 0,05) і стандартної ДР

{L ^ | λ = 0,1) Порівняння добротності для ТЕМооз-типу коливань показало, що більш високі омические втрати в низьковольтної ДР призводять до зниження добротності коливань на 30% Спектр порушуваних коливань – Розріджений і складається з основного мода з різним поздовжнім індексом: ТЕМооз ТЕМ004 TEMqos ТЕМообДля низьковольтного ГДВ була розроблена елек-тронному-оптична система (ЕОС) з обмеженням пучка поздовжнім магнітним полем До складу ЕОС входить двохелектродна електронна гармата з плоскою симетрією електродів Для забезпечення роботи електронної гармати при прискорюючих напруг пучка і = 600-ь1000В зазор анод-катод становив 0,45 мм, а ширина прямокутного вікна в аноді становила 0,50 мм При сумарній потужності розжарення 9н-12 Вт в інтервалі яркостних температур 1170 ° С – 1220 ° С катод забезпечував щільності струму насичення до j = 18 н-22 А / см ^

Збудження коливань в низьковольтному макеті ГДВ 5-мм діапазону спостерігалося на ТЕМооз, ТЕМ004І TEMoos-типах коливань Діапазон комбінованої перебудови частоти становив 48 – 60 ГГц при робочому струмі 60 – 70 мА (Рис1) Максимум вихідної потужності Р = 700 мВт спостерігався поблизу режиму резонансного узгодження канавки з полем ОРС на частоті / = 58,5 ГГц У смузі перебудови загальний ККД становив; = 0,5 н-1, 0%

Рис 1

Fig 1

Мінімальний пусковий струм низьковольтного ГДВ становив = 20 мА, а на краях діапазону перебудови пусковий струм підвищувався до = 40 мА Т е обрана ОРС забезпечувала роботу низьковольтного ГДВ при / / / ^,> 2 у всьому діапазоні перебудови частоти

Крутизна електронної перебудови ГДВ становила dfjdU = 2,2 МГц / В для ТЕМооз-типу коливань і знижувалася до dfjdU = 1,3 МГц / В для TEMoos-типу коливань Загальна ширина зони електронної перебудови частоти Δ / = 100 МГц, що цілком достатньо для автоматизації більшості спектроскопічних вимірювань в міліметровому діапазоні

III                                   Висновок

Запропонована і досліджена нова модифікація ОРС для ГДВ, що працює при знижених прискорюючих напругах електронного пучка Макет низьковольтного ГДВ в смузі безперервної перебудови за частотою 48 – 60 ГГц забезпечує рівень вихідної потужності 150 – 700 мВт при низькій крутизні електронної перебудови, ККД 77 = 0,5-ь 1,0% і споживаної потужності не більше 70 Вт

IV                                   Література

[1] Русин Ф С Лінійна теорія оротрона / Електроніка великих потужностей Вип5 М Наука 1968, с9-37

[2] Мірошниченко В С Демченко М Ю, Сенкееіч Є Б, Скринник Б К Генератор дифракційного випромінювання з резонансною ступінчастою неоднорідністю на дзеркалі / / Доповіді 15-й Міжнародній Кримській конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», Севастополь, 12-16 вересня 2005г Т1, с271-272

DIFFRACTION RADIATION OSCILLATORS WITH LOW CONSUMPTION

Miroshnichenko V S, Demchenko M Yu, Lopatin I V, Senkevich Ye B, Tischenko A S

The A Ya Usikovs Institute of Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine 12, Ak Proskury Str, Kharkov, 61085, Ukraine e-mail: mlrosh@lrekharkov ua

Abstract-A new design and experimental research results of physical characteristics of the diffraction radiation oscillator in 5-mm wavelength range with lowered accelerating voltage of 600 – 10ОО V are presented

I                                         Introduction

Design of the vacuum radiation sources operating at lowered accelerating voltage of an electron beam is both actual in a millimetre wavelength range, and at development of terahertz range There are already designed and serially produced BWO and reflex klystron with 1-50mW of output power The low- voltage diffraction radiation oscillators (DRO) can be alternative to such radiation sources on a number of parameters So, the DRO electronic tuning transconductance is 01-05 MHz/V, which is lower than for reflex klystron and BWO

II                                        Main Part

To choose of optimal open resonant system (ORS) the estimation of a starting current value for low-voltage DRO is carried out within the framework of the linear theory [1] The formulas for the attitude of starting currents low-voltage and base DRO under the identical length of interaction space and electron beam size are obtained

As objects of comparison the base DRO working at accelerating voltage (7j = 2,5kV (diffraction grating (DG) period /j = 0,6mm) and low-voltage DRO, designed for U^=0,6W\/ (4 =0,3 mm) have been chosen At a small spatial charge the attitude of starting currents will make =0,738 , i e it is possible to expect insignificant decrease of a starting current in low-voltage DRO And on the contrary, at the big spatial charge the starting current low-voltage DRO essentially increase in comparison with base                     =4,36 Therefore, open reso

nant system (ORS) with raised operating resonant field ratio Ψ due to increase of field amplitude near DG has been chosen

[2]   A spherical mirror with a coupling hole and a cylindrical mirror with a resonant rectangular groove form such ORS

Researches of ORS properties with low-voltage DG and standard DG have been carried out Comparison of Q-factor for ТЕМ003oscillation showed, that higher ohmic losses in low-voltage DG result in 30% decrease of Q-factor

The excitation of low-voltage DRO was observed опТЕМооз, TEMoo4and TEMoos resonant modes The combined tuning frequency range is 48 – 60 GHz at a working current 60 – 70 mA (Fig 1) The output power maximum P = 700 mWwas observed near groove size resonance The efficiency is 77 = 0,5-1,0 %

The minimum DRO starting current is = 20 mA The electronic tuning transconductance is = 2,2 MHz/V The frequency tuning range – Δ/ = 100 MHz, that is enough for automation of spectroscopic measurements in a millimetre wave range

III                                       Conclusion

The new updating DRO working at voltage 600 – 1000 V is offered and investigated Developed low-voltage DRO provides tuning range 48-60 GHz, the output power 150 – 700 mW and have a low consumption (~ 70 W)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р