А. В. Галдецької

ДНВП “Істок”, Фрязіно

Використання ВЧ-модуляції термоеміссіі в тріодах, тетродах і т. Д. Дозволило створити прості, дешеві, компактні, низьковольтні підсилювачі з високим ККД, що працюють до частот менше 1 ГГц [1, 2]. В таких приладах вже на вході системи формується електронний потік з високою амплітудою першої гармоніки струму, і надалі немає необхідності в тривалій взаємодії: досить відібрати енергію від сгруппированного потоку в короткому проміжку. Це, в свою чергу, означає відсутність фокусування пучка (і громіздкою магнітної системи), низька напруга живлення, невеликі розміри і вартість. Однак при вкороченні довжини хвилі λ в таких приладах потрібно використовувати пропорційно малі зазори сітка-катод, що важко забезпечити технологічно (особливо в умовах розпилення активної речовини з термокатодом і термопружних деформації електродів). Крім того, при збільшенні частоти і вхідний ємності швидко падає добротність вхідний електродинамічної системи через збільшення струмів перезарядки вхідний ємності і спаду глибини скін-шару. В результаті на частотах вище ~ 1 ГГц використовуються в основному прилади з тривалою взаємодією (клістрони, ЛЕВ) [1].

Представляється привабливим повернутися до застосування модуляції емісії, проте використовувати при цьому інші її види, наприклад вторинну емісію. До цих пір ВЧ модуляція вторинної емісії використовувалася в основному в магнетронах і амплітрона [3]. Двухелектродний вторинно-емісійний розряд (мультіпактор) в резонаторах клистронов розглядався як паразитне явище. Нещодавно були виконані роботи по застосуванню двохелектродного мультіпактора в якості джерела сгруппированного пучка для прискорювачів електронів [4-6].

У даній роботі ми пропонуємо використовувати для посилення НВЧ-коливань механізм одноелектродні мультіпактора, в якому зіткнення відбуваються з одним електродом. У розглянутим структурі до діода (що є частиною резонатора) прикладені вхідний ВЧ напруга і постійна напруга зсуву. Один з електродів діода виконаний у вигляді сітки з вторинно-емісійного матеріалу. Електронний згусток, що стартував з нього в певній фазі ВЧ-сигналу, подгруппіровивается ВЧ-полем і повертається в прискорюючою фазі потому період ВЧ-сигналу після старту. Тут він вибиває згусток вторинних електронів (“запам’ятався” зменшену довжину первинного згустку), і весь процес повторюється. Струм пучка зростає (а довжина згустку зменшується) до тих пір, поки не настає динамічна рівновага, при якому полі просторового заряду компенсує групує дію ВЧ-поля. Кожен раз при попаданні згустку на сітку частина електронів виходить за межі вхідного зазору і може бути утилізувати звичайним для СВЧ-електроніки чином: прискорення до високої енергії, віддача енергії ВЧ-полю в вихідному зазорі, осідання в колекторі. Необхідний зазор сітка-катод також пропорційний λ, як і у випадку з термокатодом, але його величина істотно вище. Клас приладів на основі цього механізму ми назвали аленотрон (рис. 1).

Рис. 1. Схеми можливих конструкцій аленотрона: а – тріодної схема (вакуумний транзистор), 6 – клістроая схема.

Тріодний варіант не вимагає компресії пучка (і магнітного поля) і може бути використаний при невисоких вимогах до щільності струму, наприклад при низьких частотах і потужностях. Клістродний варіант дає можливість використовувати компресію пучка і може бути використаний при підвищенні частоти.

Розглянемо рух згустку як цілого (в одночасткових наближенні) в зазорі товщини d, до якого прикладено ВЧ-напруга U \ частоти ω і статичну напругу зсуву – £ /0. Наш аналіз буде частково аналогічний викладеному в [7-9]. Координату емітера ми поклали рівною нулю. Рівняння руху згустку без урахування просторового заряду

де фо – фаза старту згустку з електрода. Для фази φι фінішу згустку отримуємо рівняння, яке за умови = ф0 + 2π визначає ф0:

Основні співвідношення для мультіпактора

»

Умови можливості старту згустку, Заперечності швидкості на фініші

і стійкості згусткудають обмеження на допустимі значення на напружень:

‘І

Співвідношення (4) визначає діапазон допустимих вхідних ВЧ-напружень V \ (при фіксованій напрузі зсуву V0) Рівний 13% (т. Е. Динамічний діапазон по вхідної потужності дорівнює 26%). Енергія первинних електронів, що визначає коефіцієнт вторинної емісії:

де Q – заряд згустку, /0 – Середня щільність струму вторинної емісії. Звідси добротність вхідного резонатора, обумовлену електронної навантаженням, Qe можна оцінити як

При типових величинах /0 = 3 А / см2, Λ = 2 см, d = 0,1 мм отримуємо електронну добротність близько 70. З урахуванням зовнішньої добротності це визначає смугу вхідного резонатора аленотрона на рівні 3%, що порівнянно з кращими показниками для клистронов. Порівнюючи амплітуди напруг і наведених струмів у вхідному і вихідному зазорах, отримаємо для коефіцієнта посилення аленотрона наступну оцінку:

де Uа – Анодна напруга, р – прозорість сітки для електронного пучка. При Е = 40 еВ, р = 0,5 і Uа = 10 кВ посилення становить 18 дБ.

Можна оцінити мінімальну напругу в анодном просторі за сіткою вхідного резонатора, достатню для витягування (і прискорення) всього згустку:

При щільності струму /0 = 2 А / см2, Довжині хвилі λ = 2 см, анодном зазорі da = 2 мм цей вираз дає дуже слабке обмеження Ua > 300 В.

У клістродном варіанті аленотрона (рис. 1, б) для збереження згустку до зазору вихідного резонатора час дрейфу повинно бути менше чверті періоду плазмової частоти, що обмежує анодна напруга:

в розглянутому прикладі звідси випливає Ua > 2130 В.

На підставі характеристик одноелектродні мультіпактора (3) – (7), знаючи λ, мінімально допустиму у виготовленні величину вхідного зазору d ^, ступінь заповнення вхідного зазору потоком δ (максимальне відносне видалення згустку від катода) і необхідну для розмноження енергію первинних електронів Е, можна отримати вирази для геометрії та режиму роботи вхідного зазору, т. е. синтезувати його:

При 4шп – 0,1 мм, δ = 0,8, Е = 40 еВ отримуємо £ /0 = 21,8 В, U \ = 71,8 В та короткохвильовий кордон розглянутої області λ> 2,93 см. Оцінимо, як залежить в цьому випадку щільність вторинно-емісійного струму від робочої довжини хвилі. Співвідношення подібності будуть виконуватися при – λ1, t/i~ λ°, U0 ~ Λ °, E ~ λ °. У стаціонарному стані ставлення поля просторового заряду до поля електродівбуде пропор-

нально λ при /0 ~ Λ. Таким чином, щільність струму емісії зростає пропорційно квадрату частоти!

При подальшому зростанні частоти розрахований по (11) зазор стає менше величини <7min. У цьому випадку слід зафіксувати зазор і допускати зменшення запалення зазору потоком:

З ростом частоти при фіксованому d електронний потік виявляється все сильніше притиснутим до емітером (так що величина зазору може бути не надто малою). Необхідні

Рис. 2. Синтезовані напруги і зазори для 1-електродного та 2-електродного мультіпакторов (мінімально допустимий зазор 0,1 мм, енергія бомбардування 40 В).

значення зазору, а також ВЧ і постійних напруг (при енергії бомбардування 40 еВ і мінімально допустимому зазорі 0,1 мм) показані на рис. 2.

Цікаво порівняти розглянутий механізм угруповання з клістрон. У клістронах відбувається “нагромадження” угрупування пучка в просторі, при дрейфі пучка. На відміну від цього в аленотроне в одному і тому ж вхідному зазорі здійснюється “накопичення” угрупування потоку в часі. В результаті шлях транспортування потоку, а значить і габарити магнітної системи для аленотрона, істотно менше, ніж для клистрона (при невеликих первеансах пучка магнітну систему в аленотроне можна взагалі виключити). Крім того, труднощі налаштування і забезпечення гарного токопрохождения при проведенні пучка через єдиний вихідний резонатор аленотрона також істотно знижені.

Порівняння з двоелектродної мультіпактором

Для порівняння наведемо вирази для двохелектродного мультіпактора без напруги зсуву V0 – 0. ВЧ-напруга пов’язано з фазою старту:

I

Аналогічно висновку (4), (5), (12) знаходимо допустимі значення початкової фази ср0 і ВЧ напруги, енергію бомбардування і синтезовані параметри приладу:

Динамічний діапазон становить у цьому випадку 37% по вхідної потужності. Порівнюючи (11) і (16), неважко бачити, що на низьких частотах для одноелектродні і двохелектродного мультіпакторов потрібні близькі значення ВЧ-напруги і зазорів. При переході до високих частот одноелектродні мультіпактор має перевагу. Так, наприклад, при енергії бомбардування Е = 40 еВ частотний діапазон двохелектродного мультактора обмежений частотою 9 ГГц.

Чисельне моделювання мультіпактора

Рис. 3. Тимчасові залежності поля на катоді (7), середнього струму емісії (2) і положення частинок (3) в процесі розвитку мультіпактора: періоди з 3 по 12.

Щоб перевірити справедливість аналітичних виразів і обчислити стаціонарні значення щільності струму (з урахуванням впливу просторового заряду), ми провели чисельне моделювання мультіпактора на основі одновимірної моделі великих часток. Навантаження резонатора електронним пучком не враховувалася. Параметри емітера: атах = 3,5 і Етах = 220 еВ (перший критичний потенціал Е \ = 40 В). Розкид емітованих електронів по енергіях моделювався розбиттям їх на три групи з енергіями від 0 до 3 еВ. Характеристики вхідного зазору при λ = 1,5 см: d = 0,1 мм, U0 = 50 В, U \ = 182 В (Е = 55 еВ, σ = 1,35). Зародження мультіпактора моделювалося емісією з катода протягом першого періоду коливань набору затравочних частинок (загальним струмом близько 0,1 мкА). Подальша еволюція частинок показана на рис. 3 (де показані також електричне поле на катоді і середній струм емісії). Стаціонарне значення середньої щільності струму емісії досягає 3,7 А / см2. Залежність стаціонарного струму від амплітуди ВЧ-напруги показана на рис. 4. Відзначимо високу якість угруповання пучка: відносна амплітуда першої гармоніки електронного струму на виході із зазору становить 1,7.

Рис. 4. Залежність середньої щільності струму емісії від амплітуди ВЧ-напруги. Пунктиром показана теоретична область стійкості, яка визначається (4).

Поряд із простим резонансним варіантом аленотрона можна запропонувати і більш складні схеми: на основі системи зв’язаних резонаторів на вході і на виході або на основі передавальних ліній. У таких конструкціях можна помітно збільшити смугу і вихідну потужність приладу.

Приклади конструкцій аленотрона

Практична реалізація аленотрона в першу чергу залежить від наявності вторинного емітера з низьким першим критичним потенціалом φι (і це є певним викликом для катодного матеріалознавства). На щастя, такі матеріали (φι «25 В) були розроблені раніше і випробувані в магнетронних приладах. З використанням таких емісійних матеріалів можна запропонувати ряд схем приладів.

Однопроменевий прилад. Передбачувана схема конструкції однопроменевого однорезонаторного варіанту аленотрона наведена на рис. 5. При частоті 15 ГГц і напрузі живлення 7 кВ його вихідна потужність складає 500 Вт, ККД 49%, посилення 18 дБ, смуга частот (по рівню 3 дБ) – 220 МГц, напруженість поля в гарматі 3 кВ / мм.

Рис. 5. Схема конструкції малопотужного однопроменевого аленотрона

Надпотужний прилад для прискорювача електронів NLC. Для лінійного прискорювача NLC потрібно СВЧ-підсилювач з потужністю 75 МВт на частоті 10 ГГц. На цю роль можна запропонувати низьковольтний розподілений аленотрон (Рис. 6), що складається з двох каналів посилення, що працюють на окремі вихідні хвилеводи (з подальшим підсумовуванням) і містять по 100 простих ідентичних модулів, що живляться від загального вхідного хвилеводу. Кожен модуль є 3-променевим аленотроном, коефіцієнт зв’язку якого з вхідним і вихідним трактами залежить від його положення уздовж тракту. Прилад не має магнітної системи (первеанс променя становить 0,03 мкА / В3/2) І не вимагає високовольтного модулятора (управління здійснюється СВЧ-сигналом або зміщенням на сітці). Параметри приладу наступні:

Рис. 6. Схема конструкції потужного розподіленого аленотрона для харчування лінійного прискорювача: а – поперечний переріз приладу, б – поздовжнє сеченіе.Другіе можливі області застосування аленотрона

• Розглянутий холодний емітер не вимагає (на відміну від автоеміссіі) високих електричних полів і може бути використаний не тільки в СВЧ-підсилювачах, а й в інших вакуумних приладах завдяки можливості порівняно безболісного розвитку емітера в поперечному напрямку (через відсутність напруження і магнітної системи) і порівняльну дешевизну СВЧ-джерел для живлення емітера. Процес встановлення коливань займає кілька десятків періодів ВЧ-коливань, тому в макроскопічному масштабі часу включення приладу відбувається миттєво. Це дає можливість розробляти високовольтні швидкодіючі ключі для силової електроніки;

• промислові електронні гармати з великою площею пучка;

• низьковольтні рентгенівські трубки з ВЧ-харчуванням.

* * *

1.       Розглянутий механізм угруповання електронів на основі одноелектродні муліпактора дозволяє розвивати новий клас потужних НВЧ-підсилювачів – аленотронов, що мають цілий ряд переваг перед традиційними клістрон і ЛЕВ

• відсутність магнітної системи: малі розміри, маса, вартість;

• відсутність необхідності в високовольтному модуляторе;

• високий ККД (> 60%);

• технологічність у виробництві (зазор сітка-катод більше 0,1 мм), простота настройки і ослаблення проблем з токопрохождения;

• малі поперечні розміри – можливість застосування в АФАРСЬКА;

• потенціал просування в область високих частот (мм-діапазон);

• “миттєве” час включення, відсутність споживання потужності розжарення і розпилення активної речовини, формоустойчивость електродів, високий термін служби;

• можливе розширення смуги приладу до – 20% і більше.

2.       Тріодний варіант аленотрона (див. Рис. 1, а) завдяки його споживчим якостям (малим габаритам, низьку напругу живлення, миттєвому часу готовності, відсутності напруження і магнітної системи) можна назвати вакуумним транзистором. За вихідної потужності і надійності він може помітно перевершувати напівпровідникові прилади.

Література

1.        Нейман М. С. Курс радіопередавальних пристроїв. М .: Сов. радіо, 1958.

2.        Гвоздовер С. Д. Теорія електронних приладів надвисоких частот. М .: ГІТТЛ, 1956.

3.        Бистрицький Η. П. Магнетронниє підсилювачі (амплітрона). М .: Сов. радіо, 1966.

4.        Vaughan J. R. М. // IEEE Trans. Electron Devices. 1988. V. 35. P. 1172.

5.        Mako F., Peter W. І Proc. Particle Accelerator Conf. 1993. P. 2702.

6.        Ryopoulos S., Chernin D., Dialetis D. H IEEE Trans. Electron Devices. 1997. V. 44. P. 489.

7.        Vance E. F. H Appl. Phys. 1963. V. 34. P. 32-37.

8.        Вершки І. H. Процеси при високій напрузі у вакуумі. М .: Енергоіздат, 1986. 256 с.

9.        Горшкова М. А., Нечаєв В. Є. І Изв. вузів. Радіофізика. 1999. Т. 42. С. 1097.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.