Ф. С. Русин1, В. Л. Братман2, А. Е. Федотов2 1Інститут метрології часу і простору ДП “ВНИИФТРИ”, Менделєєве Московської обл .; 2Інститут прикладної фізики РАН, Нижній Новгород

Використання відкритого резонатора дає Оротрон на субміліметрових хвилях важливі переваги перед іншими черепковскімі приладами. Згідно з розрахунками і попередніми експериментам, в довгохвильовій частини діапазону Оротрон з робочою напругою в кілька кіловольт дозволить отримати вихідну потужність порядку сотень милливатт, що набагато перевершує потужність існуючих ламп зворотної хвилі (ЛОВ).

Джерела когерентного субміліметрового випромінювання істотно менш розвинені, ніж джерела більш довгохвильового (електровакуумні СВЧ-прилади) і більш короткохвильового (лазери) випромінювання. Однією з основних труднощів традиційних вакуумних приладів, заснованих на стимульованому черенковських і перехідному випромінюваннях електронів, при переході від більш довгохвильових до субміліметровим хвилях є драматичне зменшення поперечних розмірів простору взаємодії і збільшення щільності електронного струму. Збільшенню поперечних розмірів цих приладів перешкоджає збудження паразитних мод, неминуче виникає у закритих електродинамічних системах. Як і в лазерах і СВЧ-приладах, заснованих на стимульованому гальмівному випромінюванні електронів-осциляторів, одним із способів подолання цієї труднощі для ченковской приладів є використання відкритих електродинамічних систем. Цей метод використовується лише в Оротрон [1-4] (за іншою термінологією, генераторах дифракційного випромінювання, ГДВ [5]), які давно і успішно застосовуються для ряду додатків на міліметрових хвилях, але, незважаючи на успішний демонстраційний експеримент [6], не розвинені в субміліметровому діапазоні. Разом з тим, згідно з оцінками, Оротрон можуть досить ефективно працювати на субміліметрових хвилях, забезпечуючи більш високі потужність і стабільність випромінювання, ніж широко використовувані лампи зворотної хвилі (ЛОВ) [7, 8], які в даний час є практично єдиними джерелами субміліметрового випромінювання середньої потужності.

Принцип роботи оротрона

Оротрон [1, 2, 5, 9, 10] (рис. 1) являє собою електронний СВЧ-генератор череовского типу з відкритим резонатором. Як правило, резонатор слаборелятівістского оротрона утворений увігнутим і плоским дзеркалами. На поверхню плоского дзеркала нанесена періодична структура, що створює просторові гармоніки поля, які можна представити у вигляді пар повільних хвиль, що біжать назустріч один одному уздовж дзеркала. Електрони рухаються в провідному магнітному полі поблизу періодичної структури і взаємодіють з повільною гармонікою поля в умовах черенковского синхронизма:

де ν – швидкість електронів,– Фазова швидкість уздовж структури і поздовжнє хвильове число повільної гармоніки поля, ω – частота власного коливання резонатора, d – період структури.

Умова (1) дає просту зв’язок між довжиною хвилі випромінювання λ і періодом структури:

де β = v / c, с – швидкість світла.

Інша важлива співвідношення, що випливає з (1) і вирази для поперечного хвильового числа, дає універсальний для всіх черенковських приладів масштаб поперечного спадання поля повільної гармоніки при видаленні від структури:

де– Релятивістський фактор електронів.

У найпростіших ситуаціях ця формула визначає допустимі товщину електронного пучка і відстань від пучка до структури. Для слаборелятівістскіх швидкостей частинок обидві ці величини багато менше довжини хвилі.

Рис. 1. Схема типового слаборелятівістского оротрона

Основна відмінність оротрона від традиційних генераторів черенковского типу (ЛОВ, генераторів поверхневої хвилі на π-вигляді, КРВ – клистронов з розподіленим взаємодією [11] та ін.) Полягає у використанні відкритого резонатора, що забезпечує ефективну селекцію поперечних мод. Завдяки цьому поперечний розмір електродинамічної системи в Оротрон може бути багато більше довжини робочої хвилі й істотно більше, ніж у черенковських приладах із закритими електродинамічними системами або з поверхневими хвилями. Важливо підкреслити, що останнє відноситься також і до ширини електронного пучка. По суті, завдяки наявності в поле резонатора несинхронної часткам нульовий гармоніки хвилі, близької за структурою полю резонатора в відсутність періодичної структури на плоскому дзеркалі, в Оротрон відбувається синхронізація рознесених по ширині фракцій електронного пучка. До певних розмірів всі ці фракції “працюють” на збудження однієї моди оротрона. На коротких міліметрових і субміліметрових хвилях ця обставина може забезпечити досягнення істотно більшою вихідної потужності в порівнянні з іншими черенкокімі приладами.

Інша перевага використання відкритого резонатора пов’язано з його високою добротністю, що забезпечує високу стабільність частоти генерації. У той же час висока добротність призводить до вузького діапазону плавною (електронної) перебудови частоти випромінювання (на відміну від ЛОВ). Широкосмугова дискретна перебудова частоти в Оротрон проводиться перебудовою з моди на моду відкритого резонатора, а широкосмугова плавна електромеханічна перебудова – шляхом зміни відстані між дзеркалами та узгодженого зміни прискорює напруги.

Експерименти з короткохвильовими Оротрон

З моменту винаходу в 60-х роках Оротрон успішно освоїв діапазон довжин хвиль від 3 см до 0,83 мм з вихідною потужністю від декількох десятків кіловат до декількох милливатт при слаборелятівістскіх і сотень мегават при релятивістських енергіях частинок. Створені в Інституті метрології часу і простору (Менделєєве Московської області) малопотужні Оротрон діапазону 70-220 ГГц [12] використовувалися у зразковій міру частоти [13], а також в спектрометрах [14, 15]. Частота генерації цих приладів перебудовувалася в діапазоні, близькому до октаві. Щодо потужні слаборелятівістскіе Оротрон діапазону 30-250 ГГц випускаються дрібними серіями в ІРЕ (Харків, Україна) під назвою ГДВ [5, 16]. Діапазон перебудови частоти в них становить кілька відсотків. На хвилі 3 мм потужність безперервних і імпульсних ГДВ становить 15 і 250 Вт відповідно, що істотно перевершує потужність ЛОВ. Робоча напруга як в слаборелятівістскіх Оротрон, так і в ГДВ становить 1-15 кВ. Оротрон міліметрового діапазону були також реалізовані в ІРЕ РАН.

Незважаючи на привабливість оротрона на субміліметрових хвилях, цей діапазон досі залишається неосвоєних. Субміліметрове випромінювання з довжиною хвилі 0,83 мм було отримано в єдиному, порівняно давньому експерименті [6] при напрузі близько 16 кВ і періоді гребенчатой ​​структури 0,2 мм. Було опубліковано багато проектів орронов з довжиною хвилі коротше 1 мм, розрахованих на помірне напруження (до 6-7 кВ), проте, мабуть, жоден з цих проектів не реалізований в експерименті. Це пояснюється збільшенням технічних складнощів при вкороченні довжини хвилі, пов’язаних насамперед із швидким зростанням необхідної щільності електронного струму. Згідно (2), при малому періоді гребенчатой ​​структури повільна гармоніка поля сильно притиснута до дзеркала. При цьому зазвичай мала частка електронів, ефективно взаємодіючих з ВЧ-полем. Ефективність використання електронного пучка істотно збільшується в більш складних, ніж гребінка, періодичних структурах, наприклад, багаторядних і многоштиревих, при використанні яких електрони рухаються всередині структури. Проте виготовлення подібних структур з необхідними при невеликих напругах малими періодами (0,1 мм і менше) пов’язане з певними технологічними проблемами. При фіксованій щільності електронного струму (обмеженою, як правило, емісійною здатністю катода) для перевищення стартового струму довжина простору взаємодії повинна зростати зі зростанням частоти, що, в свою чергу, веде до зниження ККД приладу. Крім того, величина магнітного поля, необхідного для проведення пучка поблизу (або всередині) структури, збільшується зі зменшенням довжини хвилі (приблизно обернено пропорційно періоду структури). Важливо, однак, що по суті всі зазначені складності вже були успішно подолані при створенні субміліметрових ЛОВ [7, 8], що дозволяє розраховувати і на створення ефективних субміліметрових Оротрон. Щільність струму в пучку може бути також істотно збільшена за рахунок компресії електронного пучка в наростаючому магнітному полі, аналогічно тому, як це робиться в КРВ міліметрового діапазону.

В якості першого кроку для вирішення цього завдання в ЗАТ НВП “Гіком” за участю співробітників Інституту метрології часу і простору, Інституту прикладної фізики РАН, Інституту спектроскопії РАН та Інституту хімічної кінетики і горіння СО РАН був розроблений та експериментально досліджено промисловий прототип субміліметрового оротрона з довжиною хвилі від 1 до 2 мм (В. І. Білоусов, В. Л. Братман,

Ю. А. Гришин, Г. Г. Денисов, Б. С. думешь,

В. П. Карпов, Ю. В. Половнев, Ф. С. Русин,

В. М. Рижков, Є. М. Тай, А. Е. Федотов,

А. В. Чирков). У цьому приладі (рис. 2) використовується многоштиревая періодична структура з періодом 0,12 мм і висотою штирів 0,7 мм. Робоча напруга змінюється від 1 до 5 кВ при струмі пучка до 200 мА. Для проведення пучка всередині структури использу-ється постійний магніт з полем 0,85 Т. Маса пакетованого приладу складає 12 кг при розмірах 240 х 180 х 180 мм. Потужність генерації оцінювалася за показаннями напівпровідникового детектора (рис. 3), чия чутливість на довжині хвилі 0,8 мм становила 0,2 мВ / мВт. На хвилях довжиною 1,05-1,2 мм вихідна потужність складає більше 100 мВт, що істотно більше потужності ЛОВ, але менше потужності клистронов з розподіленим взаємодією в цьому діапазоні. При цьому Оротрон має смугу перебудови частоти на кілька порядків більшу, ніж КРВ. На основі проведених досліджень розроблено та успішно випробуваний макет оротрона на довжину хвилі 0,8 мм.

Рис. 3. Напруга на детекторі залежно від довжини хвилі.

* * *

У короткохвильової частини міліметрового діапазону потужність Оротрон істотно перевищує потужність ЛОВ. Це дозволило здійснити ряд унікальних експериментів по спектроскопії та діагностиці різних середовищ. Отримані нові експериментальні результати дозволяють сподіватися на освоєння найближчим часом за допомогою слаборелятівістскіх Оротрон також і субміліметрового діапазону на рівні потужності, що відкриває можливості для нових привабливих додатків.

Робота виконана за підтримки ЗАТ НВП “Гіком”, Російського Фонду фундаментальних досліджень, грант № 00-02-17606, і INTAS, грант № 97-32041.

Література

1.        Русин Ф. С., Богомолов Г. Д. Прилад для генерації та посилення НВЧ-коливань: А.с. 195557 (СРСР) // БІ. 1967 № 10. С. 49.

2.        Русин Ф. С., Богомолов Г. Д. Генерація електромагнітних коливань у відкритому резонаторі // Листи в ЖЕТФ. 1966. Т. 4, вип. 6. С. 236-239.

3.        Mizino К., Опо S., and Shibata Y. A new electron tube with a Fabri-Perot resonator for the generation of millimeter and Submillimeter Waves // Symp. on Submillimeter Waves. Polytechnic Inst, of Brookline. March-April 1970. P. 115-134.

4.        Mizino K., Ono S., and Shibata Y. Two different mode interaction in electron tube with a Fabri-Perot resonator – the laddertron // IEEE Trans. 1973. V. ED-20, № 8. P. 749-752.

5.        Шестопалов В. П. Дифракційна електроніка. Харків: Вища школа, 1976. 231 с.

6.        Богомолов Г. Д., Русин Ф. С. Оротрон субміліметрового діапазону з квазіоптичні висновком енергії // Радіотехніка та електроніка. 1970. Т. 15. С. 854-856.

7.        Голант М. Б., Віленська Р. А., Зюліна Є. О. та ін. Серія широкодіапазонний генераторів малої потужності міліметрового і субміліметрового діапазонів // Прилади і експерименту. 1965 № 4. С. 136.

8.        Голант М. Б., Алексєєнко 3. Т., Короткова 3. С. Широкодіапазонні генератори субміліметрового діапазону // Прилади і експерименту. 1969 № 3. С. 231.

9.        Вайнштейн Л. А., Ісаєв В. А., Трубецькой Д. І. Електронний генератор з відкритим резонатором (огляд теоретичних та експериментальних досліджень) // Радіотехніка та електроніка. 1983. Т. 28, вип. 7. С. 1233- 1249.

10.     Цейтлін М. Б., Мясин Е. А. Оротрон. Аналіз ефективних режимів (огляд) // Радіотехніка та електроніка. 1993. Т. 38, вип. 6. С. 961-981.

11.           CPI Canada and the millimeter wave klystron (information site). Website: http://www.cpii.com/cmp.

12.     Русин Ф. С., Богомолов Г. Д Оротрон як генератор міліметрового діапазону // Електроніка великих потужностей. М .: Наука, 1968, № 5. С. 43-58.

13.     Русин Ф. С., Костромін В. П., Бочков В. А. та ін. Міра частоти в короткохвильової частини міліметрового діапазону // Вимірювальна техніка. 1982, № 1. С. 38-39.

14.     Surin L. A., Dumesh В. S., Rusin F. S. et al. Doppler-free two-foton millimeter-wave transitions in OCS and CHF3 // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86, № 10. P. 2002-2005.

15.     Surin L. A., Dumesh B. S., Lewen F. et al. Millimeter-wave intracavity-jet OROTRON-spectrometer for investigation of van der Waals complexes // Rev. Sci. Instr. 2001. V. 72, № 6. P. 2535-2542.

16.     Генератори дифракційного випромінювання / Под ред. В. П. Шестопалова; АН УРСР. Інститут радіофізики та електроніки. Київ: Наукова думка, 1991. 320 с.

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