Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ условий возбуждения свч колебаний в отражательном генераторе дифракционного излучения 16
1.1. Постановка задачи и методы исследований 16
1.2. Решение эквивалентной задачи 29
1.3. Особенности энергетического взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем 35
1.4. Исследование условий возбуждения колебаний при двукратном пролете электронов 44
1.5. Влияние последующих пролетов электронов 54
Вывод 65
ГЛАВА II. Влияние многократного пролета электронов на энергетические и частотные характеристики отражательного генератора дифракционного излучения 68
2.1. Теоретический анализ особенностей электронной перестройки частоты 68
2.2. Экспериментальное исследование влияния многократного взаимодействия электронов на диапазон перестройки частоты 75
2.3. Влияние плотности тока и фокусирующего магнитного поля на мощность и частоту генерации 89
Вывода 103
ГЛАВА III. Особенности модуляционных и спектральных характеристик отражательного генератора дифракционного излучения 106
3.1. Паразитная модуляция в спектре непрерывного излучения 106
3.2. Импульсная модуляция по ускоряющему напряжению 113
3.3. Амплитудная и частотная модуляция по напряжению отражателя 119
3.4. Обсуждение результатов исследований 124
Выводы 129
Заключение 131
- Особенности энергетического взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем
- Экспериментальное исследование влияния многократного взаимодействия электронов на диапазон перестройки частоты
- Влияние плотности тока и фокусирующего магнитного поля на мощность и частоту генерации
- Амплитудная и частотная модуляция по напряжению отражателя
Введение к работе
Одной из проблем в области физики и техники миллиметровых и субмиллиметровых (МСМ) волн является создание высококогерентных источников электромагнитных колебаний, которые необходимы для решения задач радиолокации, спектроскопии, радиоастрономии, связи и т.д. Сложность создания таких устройств определяется спецификой МСМ диапазона: по мере повышения рабочей частоты начинает сказываться квантовая природа излучения, резко возрастают потери в электродинамических структурах и уменьшается объем области взаимодействия электромагнитных полей с активной средой. Поэтому при разработке генераторов и усилителей МСМ диапазона основополагающими являются исследования по моделированию длинноволновых приборов и поиску новых, более эффективных механизмов возбуждения электромагнитных колебаний. К настоящему времени в этом направлении достигнуты значительные успехи Гі—5J .
С помощью моделирования классических принципов преобразования энергии электронов в энергию электромагнитного излучения созданы ЛЕВО, клистроны и магнетроны миллиметрового диапазона, а также различные модификации ЛОВО, перекрывающие практически весь МСМ диапазон [l,2,5j . Однако при укорочении длины волны эффективность энергообмена в таких приборах значительно уменьшается за счет сокращения поперечного сечения и объема области взаимодействия, роста омических потерь в резонаторах и замедляющих системах. Эти факторы приводят к ухудшению выходных характеристик и ограничению области практического применения классических устройств электроники в МСМ диапазоне волн.
Значительное увеличение объема области взаимодействия электронов с высокочастотными полями достигается при использовании для целей генерирования и усиления МСМ волн новых механизмов возбуждения электромагнитных колебаний: идеи Франка о дифракционном излучении электрона jjS,7j , реализованной в эффекте Смита-Парселла [8J , и идеи циклотронного резонанса в криволинейных электронных потоках [9J . На основании этих физических явлений были предложены и реализованы два новых класса приборов: релятивистские устройства, мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) [iOjIIJ и генераторы дифракционного излучения (ГДЙ) [з,12,13] (первый прибор этого класса был назван оротроном [l4,15] ).
С точки зрения использования таких устройств в технике физического эксперимента и в аппаратуре МСМ диапазона более перспективными являются ГДЙ, которые по сравнению с релятивистскими приборами работают при значительно меньших ускоряющих напряжениях, токах пучка и фокусирующих магнитных полях. Принцип действия ГДИ основывается на использовании физических свойств эффекта дифракционного излучения, которое возникает при пропускании электронного потока вблизи периодической структуры. Рассеянное на периодической структуре собственное поле движущихся электронов состоит из двух частей: поверхностных (медленных) волн, локализованных вблизи решетки и спектра однородных (быстрых) волн, уходящих от нее (дифракционное излучение). В данных устройствах образование положительной обратной связи электронного потока с полем дифракционного излучения осуществляется с помощью высокодобротного открытого резонатора (ОР), на одном из зеркал которого расположена периодическая структура. Колебательная система ГДИ в значительной мере определяет его стабильность, спектральный состав излучения, диапазон перестройки частоты, выходную мощность, пусковой ток и другие параметры.
Обширные теоретические и экспериментальные исследования физических свойств эффекта дифракционного излучения и возможности его применения для целей генерирования позволили создать высокоэффективные источники колебаний от 8мм до 0,8мм [з] , кото - 6 рые успешно используются в передатчиках мощности, супергетеродинных приемниках и спектрометрах магнитного резонанса [28,29]. Следует отметить, что наиболее весомый вклад в изучение эффекта дифракционного излучения и создания на этом принципе нового класса приборов МСМ диапазона внесли советские ученые. Проводимые в настоящее время разработки таких устройств за рубежом _30,3lJ , в основном, базируются на результатах исследований, полученных в нашей стране. Рассмотрим наиболее важные задачи, возникающие при создании приборов типа ГДИ.
Существенное влияние на развитие приборов дифракционной электроники оказали теоретические исследования, основанные на решении задач дифракции в приближении заданного тока [3,I6-I9J. Такие исследования позволили доказать перспективность использования эффекта дифракционного излучения в генераторах МСМ диапазона и рассчитать необходимые для практических приложений параметры решеток. В частности, теоретически показано, что мощность дифракционного излучения остается постоянной с укорочением длины волны А , если плотности тока в электронном пучке увеличиваются пропорционально А .
Определяющими при создании ГДИ являются исследования по выбору и оптимизации квазиоптических открытых структур с дифракционными решетками, обеспечивающих колебания с необходимой частотой и таким распределением электромагнитных полей, которые наиболее эффективно возбуждаются дифракционным излучением. Значительные успехи в этом направлении были достигнуты при использовании в ГДИ полусферического ОР, на плоском зеркале которого нанесена отражательная дифракционная решетка [I2-I4J . Такие устройства успешно работают в режимах непрерывной генерации, импульсной модуляции и преобразования частоты [20-22] . Они имеют меньший уровень шумов и лучшее качество спектра излучения, чем классические приборы миллиметрового диапазона [25-27]. Кроме того, созданы и исследованы различные модификации ГДИ со сложной геометрией зеркал OP J32-35J : сфероцилиндрические, спаренные цилиндрические, сфероидальные, тороидальные. Путем применения таких ОР в ГДИ увеличена длина пространства взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем, что позволило повысить КПД до Ъ% в миллиметровом диапазоне и создать генератор длинноволновой части субмиллиметрового диапазона. Перспективными являются также исследования по использованию в приборах дифракционной электроники аксиально-симметричных открытых резонаторов [23,24] .
Одной из актуальных задач является построение нелинейной теории ГДИ, которая необходима как для более полного понимания физики процессов, протекающих в приборах дифракционной электроники, так и для оптимизации выходных параметров. К настоящему времени в этом направлении получен ряд важных результатов [З, 43-5l] . Проведен учет обратного влияния дифракционного излучения на пучок электронов и специфики структуры электромагнитного поля в открытом резонаторе. Это позволило проанализировать нелинейные процессы энергообмена в ГДИ, объяснить экспериментальные зависимости энергетических и частотных характеристик автоколебаний, наметить пути повышения КПД таких устройств.
Несмотря на достигнутые успехи, созданные ГДИ имеют высокие значения рабочих и пусковых токов (соответственно десятки и сотни миллиампер) и электронную перестройку частоты по ускоряющему напряжению, требующую значительных затрат мощности. При укорочении длины волны возрастают омические потери, которые ограничивают рациональную длину пространства взаимодействия и приводят к значительному уменьшению эффективности энергообмена в ГДИ, а соответственно - увеличению пусковой плотности тока Г 34] . Последнее является общим для всех типов используемых в ГДИ электродинамических систем и ограничивает области практического применения таких устройств в качестве гетеродинных источников колебаний МСМ диапазона. Эффективность энергообмена в ГДИ можно повысить, если использовать принцип многократного пролета электронов и связанное с ним многократное взаимодействие с высокочастотным полем ОР. В частности, применение такого принципа в резонансной ЛОВО позволило значительно снизить пусковые токи прибора в МСМ диапазоне при заданной длине пространства взаимодействия [l»5J . Торможение сгустков электронов электростатическим полем и их обратное движение в пространство взаимодействия используется также в отражательных клистронах и генераторах тормозящего поля. Низкая добротность резонансных систем таких приборов в МСМ диапазоне не позволяет получить тех качеств, которые присущи ГДИ (высокая стабильность частоты, хорошее качество спектра и т.д.), а использование в этом диапазоне специальных систем стабилизации сопряжено с рядом значительных трудностей [36J .
Впервые вопрос возможности использования принципа многократного пролета электронов в ГДИ рассматривался нами в [37J . В дальнейшем такая модификация прибора получила название отражательного генератора дифракционного излучения (ОГДИ) _38j . Уже первые экспериментальные исследования показали целесообразность применения принципа многократного пролета электронов для снижения рабочих и пусковых токов, возбуждаемых в ГДИ колебаний. Однако увеличение длительности взаимодействия электронов с электромагнитным полем ОР и наличие дополнительной фазировки их в тормозящих полях отражателя и электронной пушки значительно усложняют механизм работы ОГДИ по сравнению с пролетным ГДИ
Г39-42І . Поэтому актуальной является задача проведения систе - 9 матических исследований физических процессов возбуждения электромагнитных колебаний в ОГДИ с целью выработки рекомендаций по практической реализации таких устройств в МСМ диапазоне волн.
Цель работы: построение математической модели ОГДИ и решение теоретической задачи для случая произвольного количества пролетов электронов; теоретические (в рамках выбранной модели) и экспериментальные исследования линейных и нелинейных процессов возбуждения электромагнитных колебаний в ОГДИ, а также сравнение его характеристик с пролетным ГДИ; оптимизация параметров электродинамической системы ОГДИ в случаях, представляющих непосредственный интерес для практических приложений.
Исходным моментом для формулировки объекта исследований является то, что электронный поток возбуждает дифракционное излучение в объеме высокодобротного ОР и на выходе из него попадает в тормозящее электростатическое поле отражателя. В зависимости от траекторий движения обратных электронов, они после повторного взаимодействия либо равномерно оседают на дифракционную решетку (двукратный пролет), либо попадают в электростатическое поле пушки и совершают последующие пролеты. При этом временная последовательность поступления сгустков электронов в сформировавшееся высокочастотное поле ОР зависит от величины углов пролета в пространстве дрейфа, электростатических полях отражателя и электронной пушки. Объектом математического и физического анализа являются пусковые, энергетические, частотные, модуляционные и спектральные характеристики электромагнитных колебаний, возбуждаемых в системе: осциллирующий поток электронов - открытый резонатор.
Теоретический анализ процессов возбуждения электромагнитных колебаний в ОГДИ проведен кинематическим методом [б,52,53І в приближении заданного поля Г54І . Линеаризация такой задачи позволяет записать и проанализировать аналитические выражения для электронной мощности взаимодействия, пускового тока и частоты генерации при произвольном количестве пролетов электронов через пространство взаимодействия. Путем сравнения результатов теории с экспериментом определены основные закономерности условий возбуждения колебаний в ОГДИ. При анализе энергетических, модуляционных и спектральных характеристик ОГДИ основное внимание уделялось экспериментальным методам исследований. С этой целью на базе электродинамической системы пролетного ГДИ четырехмиллиметрового диапазона созданы макеты генераторов с двукратным и последующим пролетом электронов через открытый резонатор. Это позволило провести корректное сравнение характеристик электромагнитных колебаний ОГДИ и пролетного ГДИ в широком интервале изменения основных параметров исследуемых генераторов. На основании выявленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей, в случаях, представляющих практический интерес, проведена оптимизация электродинамической системы ОГДИ и предложены новые конструкции таких приборов.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из трех глав, введения, заключения и четырех приложений.
Первая глава посвящена определению общих физических закономерностей условий возбуждения электромагнитных колебаний в системе: осциллирующий поток электронов - открытый резонатор. Математическая модель ОГДИ представлена в виде последовательно соединенных пролетных ГДИ, разделенных фазами (временем) пролета электронов в тормозящих статических полях отражателя и катода пушки. Такая модель учитывает специфику рассматриваемых процессов: увеличение длительности взаимодействия электронов с по-лем резонатора; потери электронов на токооседание; влияние рас-синхронизма скоростей волны и пучка, а также фазировки электро - II нов в тормозящих полях отражателя и катода пушки на процессы энергообмена в ОГДИ. Построена линейная теория ОГДИ и проанализированы основные закономерности энергообмена электронов с полем ОР на начальном этапе возбуждения колебаний. В аналитической форме получены общие выражения для пускового тока и электронной расстройки частоты. В этой главе также описана методика эксперимента и приведены результаты исследований пусковых токов макетов ОГДИ четырехмиллиметрового диапазона с двукратным и последующими пролетами электронов через пространство взаимодействия. На основании результатов численного анализа и экспериментальных исследований определены общие закономерности и отличительные особенности условий возбуждения колебаний в ОГДИ. Получено удовлетворительное согласование теории с экспериментом.
Во второй главе исследованы энергетические и частотные характеристики возбуждаемых в ОГДИ электромагнитных колебаний. Такие исследования проведены в широком интервале изменения основных параметров генератора: количества пролетов и коэффициентов токопрохождения электронов, ускоряющего напряжения и напряжения на отражателе, плотности тока, магнитного поля. При однократном пролете электронов определены области спектра ОР, в которых существует наибольшая вероятность многочастотного режима возбуждения колебаний (приложение 3). В линейном приближении проанализированы особенности электронной перестройки частоты ОГДИ, получены аналитические соотношения для ширины и номера зоны генерации в зависимости от напряжения на отражателе. Большое внимание уделено экспериментальным исследованиям влияния плотности тока на формирование зон генерации, что позволило проанализировать основные закономерности и особенности нелинейных процессов возбуждения электромагнитных колебаний в ОГДИ. Изучены гистерезисные явления, эффекты насыщения мощности генера - 12 ции и аномального изменения частоты. Одной из целей данной главы являлось также определение оптимальных режимов возбуждения колебаний в ОГДИ. В результате показано, что увеличение эффективной длины пространства взаимодействия и возможность фа-зировки электронов в поле отражателя позволяют реализовать в таком приборе режимы мягкого возбуждения автоколебаний с близким к линейному закону изменением частоты генерации.
В третьей главе исследованы особенности влияния паразитной модуляции электронного потока на качество спектра колебаний ОГДИ в режимах непрерывной генерации и импульсной модуляции. Проведены теоретические оценки влияния изменения скорости электронов и формы модулирующих импульсов на ширину спектральной линии излучения. Экспериментально изучена возможность амплитудной и частотной модуляции электромагнитных колебаний ОГДИ путем модуляции фазы отражения обратного пучка электронов. Определены области минимальных искажений импульсов и спектра генерации. Показана практическая возможность возбуждения импульсов большой длительности с шириной спектральной линии, близкой к теоретическим значениям. В четырехмиллиметровом диапазоне проведен сопоставительный анализ характеристик ОГДИ, ГДЙ, резонансной ЛОВО и отражательного клистрона, а также рассмотрены вопросы практической реализации многократного взаимодействия электронов с электромагнитным полем в приборах дифракционной электроники (приложение 4).
В заключении сформулированы общие результаты работы и определены наиболее перспективные направления дальнейших исследований.
Кроме упомянутых выше приложений 3,4, в диссертации имеется приложение І, в котором показана методика определения углов пролета электронов в статических полях отражателя и электронной пушки и приложение 2, содержащее нелинейные соотношения для конвекционных токов в пространстве взаимодействия ОГДИ при двукратном пролете электронов.
Основные положения работы» выносимые на защиту состоят в следующем:
I. Впервые проведены систематические теоретические и экспериментальные исследования процессов возбуждения электромагнитных колебаний в отражательном генераторе дифракционного излучения (ОГДИ) - новой модификации источника колебаний МСМ диапазона, механизм работы которого основан на использовании физических свойств эффекта дифракционного излучения и принципа многократного взаимодействия электронов с высокочастотным полем открытого резонатора. При этом установлено, что использование многократного пролета электронов в генераторах дифракционного излучения позволяет значительно расширить области практического применения таких устройств в МСМ диапазоне.
1.1. Построена линейная теория ОГДИ для произвольного количества пролетов электронов. На основании численного анализа и эксперимента определены общие физические закономерности условий возбуждения колебаний в ОГДИ.
1.2. В миллиметровом диапазоне экспериментально исследованы нелинейные процессы возбуждения электромагнитных колебаний
в ОГДИ: амплитудные и частотные характеристики колебаний, гис-терезисные явления, эффекты насыщения мощности генерации, аномальные изменения частоты и т.д.
1.3. Теоретически и экспериментально изучено влияние изменения скорости электронов и формы модулирующих импульсов на ширину спектральной линии колебаний ОГДИ. Определены области минимальных искажений спектра и импульсов генерации.
1,.4. На основании выявленных в результате исследований фи - 14 зических закономерностей предложены новые технические решения: конструкции ОГДИ с двукратным пролетом электронов и на связанных резонаторах.
2. В результате проведенных исследований для такого класса приборов обнаружен ряд новых явлений интересных не только с физической, но и практической точек зрения.
2.1. Теоретически и экспериментально показана возможность значительного уменьшения пусковых токов колебаний с увеличением количества пролетов электронов при сохранении достаточно высокой степени когерентности излучения.
2.2. Обнаружена дискретная зависимость амплитуды и частоты колебаний от фазы отражения обратного пучка электронов и как следствие - возможность эффективного безмощностного управления выходными характеристиками ОГДИ.
2.3.Установлено, что максимальный диапазон электронной перестройки частоты ОГДИ достигается при двукратном пролете электронов, показана возможность реализации мягких режимов возбуждения автоколебаний.
2.4. При уменьшении эффективности энергообмена второго и последующих пролетов электронов с ростом плотности тока в зонах генерации ОГДИ появляются участки затягивания частоты ,где возможно возбуждение импульсов большой длительности с близкой к теоретическому значению шириной спектральной линии .
3. Показано, что использование принципа многократного пролета электронов в приборах дифракционной электроники позволяет создать устройства, которые выгодно сочетают в себе положительные свойства и функции пролетного ГДИ, многопролетной резонансной ЛОВО и отражательного клистрона. Высокая когерентность излучения, значительное уменьшение рабочих и пусковых токов колебаний, наличие эффективной модуляции и перестройки частоты по отражателю указывают на возможность использования ОГДМ в супергетеродинных приемниках и измерительной аппаратуре МСМ диапазона, а также в технике физического эксперимента.
Диссертация содержит 106 стр. основного текста и 15 стр. текста приложений, 34 стр. рисунков, список литературы из 97 наименований на II стр.
Работа соответствует комплексной научной программе Института "Фундаментальные исследования в области миллиметровых и субмиллиметровых волн и использование их результатов в народном хозяйстве". Ее результаты являются составной частью НИР, выполняющихся в ИРЭ АН УССР, и вошли в соответствующие научно-технические отчеты. Полученные в работе результаты нашли практическое применение в СКТБ ИРЭ АН УССР при разработке и создании экспериментальных образцов гетеродинных источников колебаний миллиметрового диапазона.
Приведенные в диссертационной работе результаты, неоднократно обсуждались на научных семинарах отдела радиофизики и отделения электроники ИРЭ АН УССР; доложены на IX конференции молодых исследователей ИРЭ АН УССР (Харьков, май, 1977г.) ; на научной конференции ИРЭ АН УССР, посвященной 60-летию Великого Октября (Харьков, октябрь, 1977) ; на II Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Харьков, сентябрь, 1978г.) ; на IX Всесоюзной конференции по электронике сверхвысоких частот (Киев, сентябрь, 1979г.) ; на III Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Горький, сентябрь, 1980г.).
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работах [27, 37-39, 60-62, 66, 72, 76, 77, 90, 92-94] . Дополнительные результаты исследований изложены в публикациях [26, 41, 68, 85, 89] .
Особенности энергетического взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем
Экспериментальные исследования ОГДИ проводились на макете прибора в диапазоне длин волн Л =(3,8 - 5,7) мм. Общая схема устройства и включения макета ОГДИ показана на рис. 1.2. Сфероидальный или же сфероцилиндрический ОР [з] , [32J такой системы образован сферическим зеркалом (5) с выводом энергии и плоским (цилиндрическим) зеркалом (2) с дифракционной решеткой, над которой происходит многократное движение электронов. Электронный поток сечением 5 х 0,2 мм формировался диодной пушкой Ш, фокусировался магнитным полем и на выходе резонатора попадал в область отражателя (3), где электроны под действием электростатического поля тормозились и возвращались обратно в пространство взаимодействия. В зависимости от траектории движения отраженных электронов, они либо равномерно оседали на решетку (двукратный пролет), либо попадали в электростатическое поле диодной пушки и вновь возвращались в пространство взаимодействия (многократный пролет). Дополнительный электрод (4) позволял путем сравнения токов пучка при однократном пролете ( Кг-0 ) ив режиме отражения ( Kz 0) оценить потери обратных электронов на входе в пространство взаимодействия.
Макет прибора находился под непрерывной откачкой ( Р = 5 »10 ) мм.рт.ст. и был установлен на специальном юстирующем устройстве, которое позволяло в широких пределах менять ориентацию осей прямого и обратного электронных потоков относительно силовых линий магнитного фокусирующего поля. Контроль характера токооседания электронов на периодическую структуру осуществлялся по току пучка при К О и визуально через смотровое окно, расположенное в корпусе вакуумной оболочки макета.
В описанной конструкции была предусмотрена возможность замены практически всех узлов макета: электронной пушки, отражателя электронов, зеркал 0Р и дифракционной решетки.
Блок-схема экспериментальной установки для исследования характеристик ОГДИ приведена на рис. 1.3. Макет прибора запиты-вался от клистронного блока питания с регулировкой по ускоряющему напряжению от 500В до 5000В и регулировкой напряжения на отражателе электронов от -20В до -560В.
Стабильность напряжений источников питания составляла - 2#10 3 с амплитудой пульсаций не более 15 мВ. В блоке питания была предусмотрена возможность импульсной и синусоидальной модуляции с плавной регулировкой импульсного напряжения от 0 до -400В. При необходимости расширения пределов регулировки по UR использовались два высоковольтных блока питания, которые включались, соответственно, в цепь катода пушки и отражателя электронов. Для более точного контроля ускоряющего напряжения и напряжения на отражателе применялись цифровые вольтметры с калиброванными делителями. Длина волны колебаний оценивалась по волномеру 44-26, который включался в плечо направленного ответвителя, а более точные измерения частоты излучения осуществлялись электронно-счетным частотомером 43-38 со сменным блоком-преобразователем частоты ЯЗЧ-42 и преобразователем частоты 45-13. Абсолютный уровень мощности излучения определялся термисторным измерителем (М4-3) с головкой М5-50 по калибровочным характеристикам направленного ответвителя и аттенюатора. Предварительная настройка макета генератора проводилась в режиме синусоидальной модуляции с контролем сигнала на экране осциллографа, а частотные и спектральные характеристики излучения исследовались на анализаторе спектра С4-27 с откалиброванной в необходимой полосе обзора сеткой экрана.
В целом, описанные выше макет генератора и экспериментальная установка позволяют исследовать стартовые, энергетические, частотные и модуляционные характеристики СВЧ колебаний как при однократном пролете, так и при нескольких пролетах электронов через пространство взаимодействия ОГДИ.
3. Одной из важных задач при создании экспериментального макета ОГДИ является оптимизация условий ввода электронов в пространство взаимодействия. Наличие поперечных компонент магнитного поля [65J , большая длина пространства взаимодействия (Z а 30 40мм) и неоднородность электростатических полей в областях отражателя и катода пушки существенно усложняют решение такой задачи в теоретическом плане. Поэтому эти вопросы решались экспериментальным путем Гбб] в зависимости от требований, предъявляемых к модели генератора.
На рис. 1.4 схематично показаны формы экспериментально подобранных электродов области формирования обратного пучка электронов и соответствующие им графики распределения электростатических потенциалов в относительных единицах ,. .. , в завиеимости от y/D0 » где DQ - минимальное расстояние между электродами с нулевым и единичным потенциалами, у - осевая координата электронного потока при отсчете от плоскости у - L+DQ .На рис.1.5 также приведены фотографии следа свечения прямого и обратного пучков электронов на ламелях дифракционной решетки для моделей ОГДИ с однократным (I), двукратным (2, 3) и многократным (4) пролетами электронов в пространстве взаимодействия.
Экспериментальное исследование влияния многократного взаимодействия электронов на диапазон перестройки частоты
Рассмотренный выше случай взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем в ОГДИ является несколько идеализированным, так как в реальных приборах отраженный поток имеет потери на токооседание ( / I). Из анализа соотношения (I.I6) следует, что вплоть до значений /С 0,4 общий характер поведения электронной мощности взаимодействия сохраняется, а величина /С2 , в основном, влияет на амплитуду 2ГЛ . При дальнейшем уменьшении величины токопрохождения К2 = 0,3 картина поведения Ха изменяется, и для некоторых дй (например, график - 2 при QR = 1,6 НС ) преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля происходит в более широком интервале углов пролета у » чем ПРИ больших Кг ив пролетном ГДИ. При этом максимальная отдача энергии _волне соответствует двум значениям углов пролета т .
Важным следствием из рис.1,6 является наличие энергетического эффекта взаимодействия в ОГДИ при равенстве средних скоростей электронов и волны, а также в области положительных значений углов пролета 4% . В пролетном ГДИ [ЗІ энергетический эффект при Ve - Vq, отсутствует, а максимальная отдача энергии электронов СВЧ полю происходит в области 4 L = 0 -2 Я при Ф -ЗС (графики - I). Эта разница связана с различием характера взаимодействия прямого и отраженного потоков электронов: при прямом пролете временная последовательность попадания электронов в данную фазу поверхностной волны электромагнитного поля (I.I ) определяется относительной скоростью потока и волны; в отраженном потоке эта последовательность зависит также от угла пролета электронов в поле отражателя.
Из соотношений (1.15),(1.16) следует, что-іпри заданном рассинхронизме прямого пучка и замедленной волны электронная мощность взаимодействия в ОГДИ является периодической функцией от угла пролета 6S (период 2 Ж ). В зависимости от параметров 4 и К2 при изменении 6 электронный поток отдает энергию СВЧ полю либо непрерывно, либо дискретно. Связь между углами пролета Щ. и 9R , при которых происходит дискретный энергообмен электронов с СВЧ полем, определяется из трансцендентного уравнения $2а = 0.
На рис.1.7 приведены пронормированные к Р а зависимости активных составляющих ( гкл ) и суммарной ( Ра ) мощностей взаимодействия (1.16) от угла пролета электронов в поле отражателя (заштрихованные области соответствуют отбору энергии от электронного потока, а значения @# близки к реальным). Из графиков видно, что при больших значениях коэффициентов токо-прохождения (например, К2 = I) электронный поток на одном интервале значений &R отдает энергию СВЧ полю, а на втором -отбирает, что соответствует чередований областей возбуждения и затухания колебаний. При этом амплитуда Рв и ширина интервалов углов пролета вц , в которых происходит передача энергии от электронов полю, определяются величиной относительной скорости потока и волны (углом пролета 9J ). Основной вклад в суммарную мощность взаимодействия вносит составляющая г (графики - 2), связанная с наличием модуляции электронного потока по скорости и по плотности заряда на входе в поле отражателя. Мощность взаимодействия r2fi (графики - 3) характеризует эффективность преобразования скоростной модуляции электронов в модуляцию по плотности заряда в поле отражателя. Для реальной конструкции ОГДИ ( Q«(Pj. ; L -Dg ) мощность Pgfi значительно меньше Ptfa . Однако ее величина возрастает с увеличением BR и для дя % может быть сравнимой с мощностью взаимодействия Рща . В этом случае, как и в пролетно-отражательном клистроне [63 J, суммарный эффект взаимодействия уменьшается (уменьшается
Ра вследствие противоположности знаков P1Ra и Ргна ) «Сгруппированный ток на выходе из поля отражателя имеет в своем составе также и постоянную составляющую. Эта постоянная составляющая при взаимодействии с обратной волной электромагнитного поля (I.I6) изменяется. В результате появляется дополнительный энергетический эффект, который определяется величиной мощности взаимодействия (графики - 4). Мощность взаимодействия P3ga при /eAJ совпадает с /J
При увеличении потерь отраженного пучка электронов на входе в резонатор амплитуды составляющих / и P3Ra уменьшаются, а мощность взаимодействия Р/а остается постоянной. В конечном итоге это может привести к компенсации прямым пучком электронов потерь в областях затухания колебаний и непрерывному возбуждению ОГДИ с изменением параметра QR . Такой характер взаимодействия электронов с СВЧ полем возможен при К2 0,4 в области больших значений параметра рассинхронизма (рис.1.7: К2 =0,3), где амплитуды гуа и Р а сравнимы. При этом энергообмен электронов с СВЧ полем 0Р происходит по осциллирующему закону. С уменьшением относительной скорости электронов и волны (уменьшением отрицательных значений 9% ) мощность взаимодействия л а возрастает, достигая максимума при «- 0,5#, a Pja уменьшается и имеет минимальное значение при Я -2&, что вновь приводит к чередованию областей возбуждения с областями затухания колебаний (графики при Ф1 = -0,6.2 ).
Влияние плотности тока и фокусирующего магнитного поля на мощность и частоту генерации
В случае уменьшения коэффициентов токопрохождения последовательных пролетов электронов (путем юстировки пучка в магнитном поле) ширина зон генерации при оптимальных значениях U0 и UR может возрастать, а количество их - уменьшаться (рис.1,14т). Однако в этом случае в пусковых зависимостях ОГДИ наблюдаются значительные осцилляции, что может приводить к преждевременному срыву колебаний с уменьшением величины тока катода. _ Следует отметить, что в идеальном случае ( Кт = I) при Чис / = 2 N& увеличение количества пролетов электронов приводит к уменьшению пусковых токов ОГДИ для области Wft ТГ примерно в /7 Зраз. Это указывает на возможность дальнейшего понижения пусковых токов генератора при уменьшении потерь электронов на то-кооседание и оптимизации углов пролета в прикатодной области и области отражателя. Оба вопроса являются довольно сложными как с научной, так и технической точек зрения. Они связаны с разработкой специальных магнитных и электростатических систем, которые одновременно обеспечивали бы необходимые условия для фокусировки и фазировки последовательных пролетов электронов, В частности, вопросы оптимизации углов пролета в прикатодной области могут быть решены путем изменения расстояния катод-анод, что оказывает существенное влияние на качество формирования прямого пучка электронов Гб5І . Результаты работы Гб9" показывают, что при уменьшении потерь последовательных пролетов электронов на токооседание (путем уменьшения длины и обеспечения симметричности пролетного канала) можно добиться более существенного понижения пускового тока, по сравнению с исследуемым в данной работе генератором (в 300 раз относительно /7 = I и в 40 раз относительно /7 = 2).
2. Режим " R ". Из анализа соотношения (I.I2) следует, что при Кт и I, за счет набега фазы последовательных пролетов электронов в области отражателя и электронной пушки, период изменения мощности взаимодействия от угла пролета &# уменьшается. Это приводит к увеличению количества зон генерации (относительно /7 = 2) в заданном интервале BR при постоянном значении рассинхронизма скорости электронов и замедленной волны.
G учетом реальных условий работы прибора (с учетом потерь электронов на токооседание) процессы энергообмена электронов с электромагнитным полем в ОГДИ усложняются за счет различной степени вклада первого и последующих пролетов в суммарную мощность взаимодействия (I.I2). В частности, на рис.I.15 показаны зависимости пусковых токов (функции 5/7 ) от угла пролета в поле отражателя для значений Кт , приведенных в таблице I.I. Как следует из графиков, характер поведения пусковых токов от 6R определяется величиной параметра рассинхронизма и количеством пролетов электронов в пространстве взаимодействия. Третий пролет электронов за счет дополнительного сдвига фазы конвекционного тока в прикатодной области и увеличения эффективной длины пространства взаимодействия приводит к смещению зон генерации по Оц и уменьшению минимальных значений пусковых токов. Дальнейший рост
П (графики для /7 я 4; 6) оказывает более существенное влияние на условия возбуждения колебаний в ОГДИ: увеличивается количество зон генерации { т% =-0,5«#; -0,8 ) или появляются осцилляции в пусковых токах ( т{ = -1,5#).
Различный характер поведения пусковых токов генератора при изменении параметра рассинхронизма связан с зависимостью начальной фазы влета электронов в поле отражателя от 4% (см.приложение I). Это приводит к сдвигу фазы конвекционных токов последующих пролетов электронов относительно СВЧ поля ОР, что выражается в смещении зон генерации по 6fi , изменении их ширины и минимальных значений пусковых токов. Максимальная ширина зон генерации достигается при больших значениях параметра рассинхронизма за счет роста эффективности модуляции первого пролета электронов с увеличением 4 . При этом ширина зон генерации, по сравнению с /7=2 f . может возрастать (например, при /7 =3, PL = -0,8# и П « 6 при % «-I.5JT).
Результаты теоретического анализа качественно согласуются с экспериментальными исследованиями макета ОГДИ с многократным пролетом электронов (рис.1.4в). На рис.1.16а показаны экспериментальные зависимости пусковых токов от напряжения на отражателе (угла пролета при нескольких значениях 4 ( т ) для колебания коротковолновой области спектра OP ( J0 =71,1 ГГц). Сопоставляя эти результаты с характеристиками ОГДИ при двукратном взаимодействии (рис.I.II), видим, что в низковольтной области исследуемого колебания, соответствующей малым значениям параметра рассинхронизма, увеличивается количество зон генерации и уменьшается их ширина. С увеличением U0 ширина зон генерации возрастает, однако в пусковых токах появляются значительные осцилляции.
Аналогичные зависимости были получены и для длинноволновой области спектра колебаний ОР. Так, в частности, на рис. I.I66 приведен пусковой ток от Ug для колебания с /. = 50 ГГц. На этом же рисунке показано изменение пускового тока при двукратном пролете электронов (пунктир).
Амплитудная и частотная модуляция по напряжению отражателя
С увеличением количества пролетов электронов, как и в режиме "А", аномалии в кривых электронной перестройки частоты ОГДИ по Эр усиливаются. Расчеты (рис.2.26) показывают, что отклонения частотных характеристик от соответствующих характеристик при /7 =2, максимальны в интервале ускоряющих напряжений, соответствующих изменению параметра рассинхронизма от - 0,8« до -2Х. Для этой области значений % увеличение /7 приводит не только к изменению знака крутизны, но и к отсутствию электронной перестройки потенциалом отражателя. Это связано с тем, что за счет различных значений углов пролета электронов в пространстве взаимодействия, области отражателя и катод-анод электронной пушки сложно получить условия, при которых сгустки последовательных пролетов будут поступать одновременно в максимум тормозящего СВЧ поля. Поэтому суммарный эффект электронной перестройки частоты ОГДИ для /7 2 снижается. Однако в области малых отрицательных значений параметра рассинхронизма можно получить зоны генерации с удовлетворительным качеством частотных характеристик (рис.2.2б, Щ, = - 0,1# и 95 = -0,5,#).
Таким образом, наиболее эффективная перестройка частоты ОГДИ достигается при двукратном взаимодействии электронов и малых потерях отраженного пучка на входе в резонатор ( Кг 0,4). С уменьшением Л2 , либо с увеличением количества пролетов электронов в частотных характеристиках ОГДИ могут наблюдаться не только количественные, но и качественные аномальные изменения, что для некоторых практических применений таких генераторов недопустимо.
В заключение отметим, что при фиксированных значениях ускоряющего напряжения и напряжениям на отражателе частоту ОГДИ (как и пролетного ГДИ) можно изменять перемещением сферического зеркала, то есть путем изменения резонансной частоты колебательного контура ОР. С изменением частоты изменяется и скорость поверхностных гармоник установившегося колебания, что при неизменной скорости электронного потока и напряжения на отражателе изменяет параметры Ч{ и 6J? . Работа ОГДИ на одном и том же типе колебания с изменением расстояния между зеркалами приводит к плавному изменению частоты. Диапазон механической перестройки частоты ОГДИ сравним с диапазоном перестройки частоты пролетного ГДИ. При комбинированной перестройке частоты ОГДИ необходимо изменять не только ускоряющее напряжение, но и напряжение на отражателе, что_ обеспечивает оптимальное соотношение между параметрами т , Че и fo .
Для ряда практических применений важное значение имеет максимально достижимое изменение частоты в пределах одной зоны генерации. Однако одновременно с изменением частоты при электронной перестройке изменяется и генерируемая мощность. Обычно удается использовать лишь ту часть кривой перестройки, в пределах которой эта мощность изменяется не более чем в два раза, то есть на 3 дБ от максимальной мощности г0 в центре зоны. Поэтому под диапазоном электронной перестройки Aj подразумевается изменение частоты колебаний между точками половинной мощности [70 J . Следует отметить, что при анализе экспериментальных результатов необходимо иметь в виду целый ряд факторов, которые не учитывались в теории: нелинейность процессов группировки электронов (см.прило-жение 2), влияние переменной и постоянной составляющих пространственного заряда, неоднородность электростатических полей в области отражателя и катода пушки, влияние фокусирующего магнитного поля.
Для значений П = 2, Кг 0,4 эффективная передача энергии электронов СВЧ полю 0Р может происходить в двух областях параметра рассинхронизма (см.рис.1.6), что соответствует возбуждению низковольтной и высоковольтной зон генерации с изменением ускоряющего напряжения.
На рис.2.3 приведены зоны генерации и электронная перестройка частоты ОГДИ от ускоряющего напряжения при малом токооседании отраженного пучка на входе в резонатор. На этом же рисунке показана соответствующая зона генерации пролетного ГДИ ( / = 0) для J0/Jin = 2. Все зависимости г от U0 пронормированы относительно максимального значения мощности генерации при Ug = -460В. Видно, что в соответствии с линейным анализом возбуждение данного типа колебания происходит в двух интервалах изменения скорости электронного потока. Характерной особенностью исследуемого ОГДИ является симметричность энергетических и частотных зависимостей относительно точек г0 зон генерации, мягкий режим возбуждения колебаний (плавное нарастание и спад мощности) для оптимальных значений Ug , значительное увеличение мощности генерации в высоковольтной зоне по сравнению с низковольтной.
Крутизна \pj/0Uo) и диапазон электронной перестройки частоты при JQ = 2"2П » А1 0,4 определяются областью возбуждения колебаний и значениями параметра 6 .
