А П. Сухоруков, А В. Шелудченко Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова

На відміну від приладів гіротронного типу, де угруповання електронів обумовлена ​​релятивістським ефектом, в пеніотроне [1,2] ефект стимульованого випромінювання електронів обумовлений тим, що ВЧ-поле великий азимутальной неоднорідності зміщує провідний центр електронної орбіти в гальмуючу фазу. Цей ефект був виявлений теоретично в 1962 р [1], і тоді ж був описаний СВЧ-генератор на 2-й гармоніці циклотронної частоти з конфігурацією, що забезпечує реалізацію пеніотронного механізму: азімутальнонеоднородное ВЧ-поле формувалося двома парами поздовжніх ламелей в прямокутному хвилеводі [2] (зауважимо, однак, що адекватне теоретичне пояснення роботи пеніотрона в публікації [2] відсутній).

Надалі на основі нелінійної теорії [3] була доведена висока ефективність пеніотронного механізму при використанні електродинамічних систем “магнетронного” перетину [1]. Експериментально в імпульсному режимі отримані на частоті 95 ГГц генерація на 10-й гармоніці з електронним ККД 40% і вихідною потужністю 10 кВт [4] і посилення 20 дБ на частоті 35 ГГц з ефективністю 25-30% на 2-й гармоніці гірочастоти [5].

Істотним недоліком, стримуючим широке застосування пеніотронов, є використання соленоїда для створення однорідного магнітного поля в області електронноволнового взаємодії. Застосування магнітної фокусує системи (МФС) на постійних магнітах дозволило б істотно поліпшити масогабаритні показники приладів цього класу. Однак це тягне за собою застосування принципово нової електроннооптичного (ЕОС) і електродинамічної системи, так як рух ЗЕП в області компресії і колектора носить неадіабатичних характер через реверсу магнітного поля на полюсних наконечниках.

Електронно-оптична і магнітна фокусуються системи пеніотрона

Як показали чисельні та експериментальні дослідження [6], параметри ЗЕП, зокрема розкид поперечних швидкостей електронів Av_l / v_l і розкид провідних центрів електронних орбіт Arcyci/rcycb для моновінтових потоків істотно залежать від двох факторів – способу первісної накачування осциляторних енергії електронів і крутизни перехідній області магнітного поля (ділянка реверсу і компресії). При виборі конструкції ЕОС та МФС враховувалися такі вимоги, як можливість регулювання струму катода від нуля до максимального, можливість зміни (± 3-5%) магнітного поля в робочому зазорі для підстроювання синхронізм взаємодії, регулювання (± 20-30%) величини магнітного поля на катоді для зміни діаметра моноВЕП та рівня осциляторних енергії електронів.

Схема пеніотрона представлена ​​на рис. 1. Електронний потік емітується зверненим магнетронним діодом, первісна закрутка здійснюється при переході електрона через реверс магнітного поля, накачування осциляторних швидкості відбувається в неадіабатичних наростаючому магнітному полі. В результаті чисельної оптимізації були отримані наступні параметри ЗЕП: ток пучка /0 = 0,65 А при ускоряющем напрузі С /0 = 20 кВ, потенціал проміжного анода Ua = 4 кВ, діаметр електронного потоку Db = 2,8 мм, діаметр прогонової каналу D = 3,2 мм, середня щільність струму з катода j = 10 А / см2, Пітч-фактор g = 1,8, магнітне поле в робочому зазорі В0= 0,325 Т, магнітне поле на катоді Вз = = – 0,0225 Т, розкид поперечних швидкостей електронів Av_l / v_l = 3,6%, розкид провідних центрів електронних орбіт Агсус\ / Гсус\ = 6,8%.

Рис. 1. Схема пеніотрона: 1 – катод, 2 – проміжний анод, 3 – анод, 4 – електронний потік, 5 – магнетроноподобний хвилевід, 6перетворювач типів хвиль, 7 – колектор, 8 – МФС, 9 – коригуючий електромагніт, 10 – катодний магніт.

Так як при пеніотронном механізмі взаємодії фазова угруповання електронів відбувається за рахунок поперечного зсуву провідного центру електронної орбіти, то такий вид взаємодії дуже критичний саме до розкиду провідних центрів електронних орбіт. Розрахунок ефективності взаємодії показує, що при розкиді Агсус\ / Гсус\ = \ 5% вихідна потужність пеніотрона знижується вдвічі. Тому при оптимізації ЕОС основна увага приділялася саме цьому параметру.

Наявність реверсу і спад магнітного поля в колекторної області призводять до швидкої расфокусировке електронного потоку та осідання останнього на колектор у вигляді тонкого кільця, здатного викликати локальний перегрів і вихід приладу з ладу, тому при використанні МФС на постійних магнітах необхідно приймати спеціальні заходи для збільшення площі осідання електронного потоку. На відміну від приладів гіротронного типу, що працюють в кріомагнітних або резистивних соленоїдах, зона осідання електронного потоку в колекторі знаходиться в безпосередній близькості від узгоджувального переходу між областю взаємодії і колектором. Через ці обмежень на геометричні розміри в даному приладі адіабатичний конусний перехід був замінений більш коротким ступінчастим согласующим переходом.

Електродинамічна система пеніотрона

В якості робочої моди пеніотронного генератора, що працює на 10-й гармоніці циклотронної частоти, обраний 2я-вид коливань 11-ламельного магнетронного хвилеводу. Такий вибір був продиктований двома причинами. По-перше, 2я-увазі коливань магнетронного хвилеводу відповідає хвиля ΤΕ0.ι круглого хвилеводу, що полегшує розрахунок і настройку перетворювача типів хвиль (узгоджувального переходу). По-друге, 11-ламельний хвилевід в порівнянні з 22-ламельним, що підтримує π-вид коливань, технологичнее у виготовленні і витримує великі теплові навантаження в разі поганого токопрохождія. При цьому деяке зниження опору зв’язку в генераторі можна компенсувати збільшенням дифракційної добротності резонатора [7]. Також для збільшення опору зв’язку і деякого зміщення максимуму розподілу ВЧ-поля від стінок магнетронного хвилеводу до центру прямокутні резонатори були замінені на трапецієподібні. При цьому частота відсічення магнетронного хвилеводу в галузі взаємодії склала 90,3 ГГц.

Для узгодження галузі взаємодії з колектором і перетворення 2я-виду коливань в хвилю TEo.i круглого хвилеводу використовувався класичний метод синтезу східчастих переходів. Для узгодження виявилося достатньо однієї четвертьволновой 1амельной секції. Кут розкриття узгоджувального переходу склав 6 = 10 ° при куті розбіжності електронного потоку після реверсу магнітного поля = 7 °. Це забезпечило безперешкодне проходження електронного потоку з області взаємодії в коллектор.Результати експериментального дослідження пеніотронного генератора

Пеніотронний генератор показаний на рис. 2. При розрахункових параметрах електронного потоку вдалося досягти вихідної потужності Р = 80 Вт і максимального ККД взаємодії 7,5% при токопрохождения 78,5%. При збільшенні струму катода вихідна потужність збільшилася до Р = 115 Вт при ККД 6,8%, токопрохождения при цьому погіршувалося до 71%. Також спостерігалося токооседаніе (3-4%) на першому аноді. Максимальний ККД = 8% вдалося досягти при більш високому ускоряющем напрузі U0 = 22,5 кВ і струмі катода / о = 0,5 А. Частота вихідного сигналу при перебудові магнітним полем змінювалася в межах від 91,0 до 91,3 ГГц. У процесі проведення експерименту задані значення магнітного поля на катоді і в області взаємодії підтримувалися за допомогою коригувальних соленоїдів.

Як і очікувалося, проблема формування високоефективного моновінтого електронного потоку насамперед пов’язана зі зменшенням розкиду провідних центрів електронних орбіт щодо геометричної осі приладу. Зазор між ЗЕП і електродинамічної системою складає всього 0,2 мм і, як показують чисельні розрахунки і експериментальні дослідження, не може бути збільшений без значного зниження ККД взаємодії. Випробуваний варіант електроннооптичного системи виявився дуже критичним до відхилення електричного і магнітного полів від оптимального в області катода і компресії. Тому підвищення стійкості електронно-оптичної системи до дестабілізуючих чинників насамперед пов’язано з підбором такого розподілу електричного і магнітного полів в області катода, при якому емісія електронів відбувалася б паралельно магнітному полю, а перетворення поздовжньої енергії в поперечну визначалося б тільки параметрами області реверсу і компресії магнітного поля.

Література

1.        Гапонов А. В., Юлпатов В. К. Взаємодія замкнутих електронних пучків з електромагнітним полем в порожнистих резонаторах // Радіотехніка та електроніка. 1962. Т. 7, № 4. С. 631-642.

2.        Опо S., Kazuhiko К, Yukio F. Cyclotron fast-wave tube using spatial harmonic interaction // The Travellings of the 4th Int. Congress on Microwave tubes. Schweiningen. 1962. P. 355-363.

3.        Кузнєцов С. П., Трубецькой Д. К, Четвериков А. П. Нелінійна аналітична теорія пеніотрона // Листи в ЖТФ. 1980. Т. 6, № 519. С.1164-1168.

4.        Dohler G., Gallagher D., Richards J., Scaffuri F. Harmonic high power 95 GHz peniotron // Tech. Dig. IEEE Int. Electron Devices Mtg. (IEDM). 1993. P. 363-366.

5.        Park GS, Hirshfield JL, Kyser RH, Armstrong С. M., Gangly AK 35 GHz giro-peniotron amplifier experiment // Dig. Int. Conf. Infrared and Millimetr Waves. 1992. P. 500-501.

6.        Євтушенко О. В., Голеніцкій І. І., Еремко В. Д., Огалева Р. М., Шелудченко А. В. Адіабатична гармата “0” -типу, що формує моновінтовой трубчастий електронний потік. Ч. 2 // Електронна техніка. Сер.1, СВЧ-техніка. 1992. Вип. 6 (450). С. 3-7.

Корольов А. Ф., Моносов Г. F, Сухоруков А. П., Чепурних І. П., Шелудченко А. В. Електродинамічна система пеніотрона 3-мм діапазону // Електромагнітні хвилі & електронні системи. № 5. С. 62-67.

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