Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях
Экспериментально исследовано возбуждение резонансного клинотрона при синхронизме электронов с первой, второй, третьей и четвертой отрицательными пространственными гармониками поля замедляющей системы. Возбуждение происходило без предварительной модуляции электронного потока при пусковых токах всего...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10557 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 79-86. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860067098001145856 |
|---|---|
| author | Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. |
| author_facet | Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. |
| citation_txt | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 79-86. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Экспериментально исследовано возбуждение резонансного клинотрона при синхронизме электронов с первой, второй, третьей и четвертой отрицательными пространственными гармониками поля замедляющей системы. Возбуждение происходило без предварительной модуляции электронного потока при пусковых токах всего в единицы миллиампер. Теоретически проанализирована простая физическая модель взаимодействия электронов с полем щелевых резонаторов гребенки. Показано, что в случае клинотрона эффективное взаимодействие электронов с высокочастотным полем возможно даже при очень больших углах пролета электронов. Обсуждаются перспективы использования исследованных режимов в клинотронах субмиллиметрового диапазона волн для увеличения в несколько раз периода замедляющих систем.
Експериментально досліджено збудження резонансного клинотрону при сиинхронізмі електронів з першою, другою, третьою та четвертою зворотніми просторовими гармоніками поля у системі для уповільнення хвиль. Збудження відбувалося без попередньої модуляції електроного потоку при пусковому струмі всього в одиниці міліампер. Теоретично проаналізована проста фізична модель взаємодії електронів з полем щільових резонаторів гребінки. Показано, що у випадку клинотрону ефективна взаємодія електронів з високочастотним полем можлива навіть при дуже великих кутах прольоту електронів. Обговорюються перспективи використання досліджених режимів у клинотронах субмілімет-рового діапазону хвиль для збільшення у кілька разів періоду системи для уповільнення хвиль.
The excitement of the resonance clynotron under an electron synchronism with –1, -2, -3 and –4 spatial harmonics of the slowwave system field is investigated experimentally. The excitement occurred without the preliminary electron stream mod-ulation of the start current by some milliamperes. A simple physical model of the interaction between the electrons and the comb slot resonator field is analyzed theoretically. It is shown that in the clynotron case the effective interaction between the electrons and the high-frequency field is possible even if the transit angle has a very high value. The prospect of using the studied regime utilizationat the submillimeter-wave clynotron for the comb period increase by several times is discussed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:08:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, №1, 2008, с. 79-86 © ИРЭ НАН Украины, 2008
УДК 53:621.385.633
ВОЗБУЖДЕНИЕ РЕЗОНАНСНОГО КЛИНОТРОНА ПРИ ОЧЕНЬ НИЗКИХ
АНОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ
М. В. Мильчо, А. С. Тищенко, В. В. Завертанный, И. В. Лопатин
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины,
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: ire@ire.kharkov.ua
Экспериментально исследовано возбуждение резонансного клинотрона при синхронизме электронов с первой, второй,
третьей и четвертой отрицательными пространственными гармониками поля замедляющей системы. Возбуждение происходило без
предварительной модуляции электронного потока при пусковых токах всего в единицы миллиампер. Теоретически проанализиро-
вана простая физическая модель взаимодействия электронов с полем щелевых резонаторов гребенки. Показано, что в случае кли-
нотрона эффективное взаимодействие электронов с высокочастотным полем возможно даже при очень больших углах пролета
электронов. Обсуждаются перспективы использования исследованных режимов в клинотронах субмиллиметрового диапазона волн
для увеличения в несколько раз периода замедляющих систем. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр.: 9 назв.
Ключевые слова: электроника, ЛОВ, клинотрон, эксперимент, гармоники, субмиллиметры
Нами описывается экспериментально на-
блюдаемое возбуждение резонансного клинотро-
на при синхронизме электронов с пространствен-
ными гармониками поля замедляющей системы
(ЗС) больших номеров – до -4-ой гармоники. В
литературе описаны экспериментальные работы
по возбуждению ЗС в генераторах типа О предва-
рительно промодулированным электронным
пучком (например, [1, 2]). При этом возможно
возбуждение колебаний при большой кратности
частот сигнала в ЗС и сигнала для модуляции
электронного потока, хотя мощность выходного
сигнала ЗС в режимах умножения частоты с
большой кратностью будет малой. В нашей рабо-
те описывается совсем другой случай возбужде-
ния ЗС без всякой предварительной модуляции
электронного потока.
Известно, что если в приборах типа «О»
(ЛБВ, ЛОВ) скорость электронного потока будет
немного превышать фазовую скорость какой-
либо из пространственных гармоник высокочас-
тотного (ВЧ) поля ЗС, то создадутся условия для
эффективного энергообмена между электронным
потоком и ВЧ полем и при достаточном токе пуч-
ка возможно возбуждение ВЧ колебаний в такой
системе. Генераторы типа ЛОВ О обычно рабо-
тают при примерном синхронизме электронов с
минус первой пространственной гармоникой бе-
гущей волны ЗС. При увеличении номера про-
странственной гармоники доля поля этой гармо-
ники в общем ВЧ поле волны уменьшается, и
возбудить систему при росте номера гармоники
становиться все труднее. Кроме того, чем выше
номер гармоники, тем «теснее» прижато ее поле к
поверхности ЗС, и тем сложнее совместить плот-
ный электронный пучок с областью, где сосредо-
точено поле этой гармоники. Поэтому следовало
ожидать, что возбуждение ЛОВ О при синхро-
низме электронов с пространственными гармо-
никами больших номеров если и возможно, то
только при большом токе в электронном пучке.
Нами экспериментально наблюдалось возбужде-
ние генератора типа ЛОВ О с наклонным элек-
тронным пучком (клинотрона) при синхронизме
электронов с пространственными гармониками
больших номеров (до -4-ой) при очень малых то-
ках пучка всего в несколько миллиампер. Объяс-
нить этот экспериментальный результат в рамках
представлений классической теории ЛОВ затруд-
нительно. Ниже подробно описываются условия
этого эксперимента и обсуждается возможность
объяснения этих результатов.
1. Описание конструкции эксперимен-
тального клинотрона. Экспериментальный при-
бор представлял собой генератор типа клинотрон
8-мм диапазона волн с резонансным пространст-
вом взаимодействия и предварительно был пред-
назначен для исследования возможности механи-
ческой перестройки частоты в резонансных кли-
нотронах [3]. Клинотроном, как известно [4], на-
зван генератор типа ЛОВ О, у которого ленточ-
ный электронный пучок наклонно под неболь-
шим углом падает на поверхность ЗС типа гре-
бенка и рассеивается на ней (рис. 1).
Рис. 1. Электронный поток в генераторе типа клинотрон (схема)
Клинотроны имеют выходную мощность
на порядки большую, чем у обычных ЛОВ такого
же класса и электрическую перестройку частоты
в пределах 10-20 %. Для уменьшения габаритов
mailto:ire@ire.kharkov.ua
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
80
прибора и для увеличения выходной мощности
используются клинотроны резонансного типа, у
которых волна почти полностью отражается от
обоих концов ЗС. Вследствие этого резонансный
клинотрон при изменении анодного напряжения
может возбуждаться только на дискретных резо-
нансных частотах колебательной системы. Элек-
трическая перестройка частоты в пределах каж-
дой зоны генерации обычно составляет только
доли процента. Для того чтобы получить генера-
цию на любой частоте из диапазона перестройки
в резонансном клинотроне можно использовать
механическую перестройку резонансных частот
колебательной системы прибора. Для этого сле-
дует изменять геометрические размеры резонато-
ра. Именно для таких исследований и был изго-
товлен экспериментальный прибор.
Колебательная система клинотрона пред-
ставляла собой резонатор прямоугольной формы
с размерами 16,8 10 2,6 мм
3
, в который помеще-
на ЗС типа гребенка шириной 3,5 мм с периодом
0,86 мм и глубиной щелевых резонаторов
1,72 мм. Ширина щелевых резонаторов, обра-
зующих гребенку, составляла 0,43 мм. Одна из
стенок резонатора (16,8 10 мм
2
) была выполнена
в виде гибкой диафрагмы и, деформируя ее, мож-
но было изменять зазор между рабочей поверхно-
стью гребенки и стенкой прямоугольного резона-
тора, расположенной над ней. Поскольку тонко-
стенная диафрагма могла близко подходить к по-
верхности гребенки, было трудно исключить воз-
можность попадания электронного пучка на по-
верхность диафрагмы при начальной юстировке
прибора в фокусирующем магнитном поле. Что-
бы не допустить прожигания диафрагмы плотным
электронным потоком, было необходимо преду-
смотреть ее охлаждение проточной водой. Для
этого диафрагму выполнили сдвоенной, а про-
странство между двумя диафрагмами заполнили
водой. Обе диафрагмы жестко связаны между
собой в средней части и при перестройке частоты
их средние части перемещаются совместно. Кон-
струкция прибора (в разрезе) схематически изо-
бражена на рис. 2.
В цилиндрической части корпуса, пока-
занной на рис. 2 слева, размещалась диодная элек-
тронная пушка с плоскими электродами, которая
формировала ленточный электронный пучок сече-
нием 3,5 0,2 мм
2
. Зазор между катодом и щелевым
анодом составлял около 0,8 мм, а ширина отвер-
стия в анодном электроде - 0,6 мм. Вывод ВЧ
энергии осуществлялся с пушечного конца ЗС че-
рез узкую щель в резонаторе гребенки, переходя-
щую в волновод стандартного сечения 7,2 3,4 мм
2
.
2. Описание эксперимента. При изме-
нении анодного напряжения клинотрон возбуж-
дался на резонансных частотах в 8-мм диапазоне
длин волн, соответствующих фазовым сдвигам
основной гармоники на период ЗС в области
вблизи 0,6 .
Рис. 2. Схема конструкции экспериментального клинотрона с
механической перестройкой частоты
При синхронизме электронов с -1-й про-
странственной гармоникой анодное напряжение
было около 6 кВ. Выходная мощность ВЧ сигнала
при токе около 90 мА составляла 10 – 20 Вт. При
перемещении диафрагмы резонансные частоты
колебательной системы плавно изменялись. Так
при перемещении диафрагмы на 0,35 мм длина
волны генерируемого сигнала в одной из зон гене-
рации плавно изменялась от 8,2 до 8,4 мм. Под-
робности этого исследования описаны в работе [3].
Во время исследований было обнаруже-
но, что при некоторых положениях перестраи-
ваемой диафрагмы появляются зоны генерации
сигнала при очень низких значениях анодного
напряжения (всего в сотни вольт). Эти низко-
вольтные зоны генерации были исследованы бо-
лее подробно. Мощность ВЧ сигнала была малой,
однако, достаточной для его индикации и изме-
рения параметров. Поскольку первоначально не
было известно, в каком частотном диапазоне на-
ходится генерируемый при низких напряжениях
ВЧ сигнал, длина волны сигнала измерялась не
резонансным волномером, как обычно, а с помо-
щью измерительной линии в8-мм диапазона (аб-
солютным способом). После того, как было опре-
делено, что все низковольтные сигналы лежат в
8-мм диапазоне, длина волны измерялась более
точно резонансным волномером.
В таблице приведены результаты измере-
ния основных низковольтных зон генерации экс-
периментального прибора.
Кроме зон генерации, которые приведены
в таблице, экспериментально наблюдалось еще
несколько зон генерации с более слабой амплиту-
дой выходного сигнала: при синхронизме с –2-ой
гармоникой с фазовыми сдвигами волны на период
ЗС =
0,37 и =
0,434 ; и при синхро-низме
с –3-й гармоникой с =
0,183 и = 0,206 .
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
81
Рабочее
напряжение U , В
Длина волны
Сигнала , мм
Номер рабочей
гармоники, n
Фазовый сдвиг волны
на период ЗС,
Пусковой ток,
мА
663 9,418 - 2 0,418 4,9
357 8,297 - 3 0,526 2,2
177 8,415 - 4 0,242 1,4
___________________________________________
Хотим обратить особое внимание на то,
что низковольтные зоны генерации возбуждались
только при вполне определенном положении диа-
фрагмы, изменяющей зазор между поверхностью
гребенки и металлической плоскостью над ней,
причем это оптимальное положение диафрагмы
было разным для разных зон генерации. Настройка
на максимум сигнала при перемещении диафраг-
мы довольно «острая». Всей области генерации в
зоне соответствует область положений диафрагмы
около 0,1 мм. При настройке величина зазора меж-
ду рабочей поверхностью гребенки и диафрагмой
могла изменяться от 0,2 до 0,9 мм.
Наибольшая амплитуда сигнала была при
синхронизме электронов с –3-й пространственной
гармоникой. Измерить выходную мощность сиг-
нала непосредственно было сложно из-за малой
мощности сигнала, так как доступные нам измери-
тели мощности работали только с уровней мощно-
сти порядка единиц милливатт. Поэтому была
проведена оценка выходной мощности по ампли-
туде тока с кристаллического детектора. Такие же
показания тока с детекторной секции были полу-
чены в результате ослабления сигнала стандартно-
го клистронного генератора с выходной мощно-
стью около 10 мВт. В результате пересчета была
оценена мощность сигнала клинотрона. В наибо-
лее мощной зоне она составила около 0,5 мВт.
В таблице приведены номера рабочих
пространственных гармоник и фазовые сдвиги
основной гармоники на период ЗС для низко-
вольтных видов колебаний. Напомним, как про-
водятся такие оценки. Исходным является пред-
положение о синхронизме рабочей гармоники с
электронами потока. Фазовая постоянная n -й
пространственной гармоники, как известно, зада-
ется таким выражением:
d
n
VФ
n
2
,
где ФV - фазовая скорость гармоники; - круго-
вая частота колебаний; - фазовый сдвиг основ-
ной гармоники на период ЗС; d - период ЗС;
...,3,2,1,0n Скорость электронов eV
определяется анодным напряжением
505
a
e
U
cV ,
где c - скорость света; aU - анодное напряжение
в вольтах. Приравняв eV и ФV , получаем про-
стую формулу
M
U
d
n
a
1010
2 .
Зная период ЗС, длину волны генерируе-
мого сигнала и рабочее напряжение, вычисляем
коэффициент M . Очевидно, что значение этого
коэффициента однозначно определяет номер ра-
бочей пространственной гармоники: М = 0–1,
n = 0; M =1–2, n = -1; M = 2–3, n = 1; M = 3-4,
n = -2; M = 4–5, n = 2; M = 5–6, n = -3; M = 6–7,
n = 3; M = 7–8, n = -4; M = 8–9, n = 4; ... В резуль-
тате таких вычислений были определены и n
в таблице.
Анализируя результаты этого экспери-
мента, необходимо обратить внимание на такие
факты: возбуждение резонансного клинотрона
происходит при синхронизме электронов только с
отрицательными пространственными гармоника-
ми; пусковые токи низковольтных зон колебаний
очень малы - единицы миллиампер; возбуждение
колебаний происходит только при вполне опре-
деленных положениях диафрагмы, перестраи-
вающей резонансные частоты системы.
Сама возможность возбуждения клино-
трона при малых токах при синхронизме элек-
тронов с гармониками больших номеров, по-
видимому, может объясняться специфическим
«клинотронным» механизмом взаимодействия
электронов с полем ЗС.
Что касается возможности возбуждения
клинотрона только на отрицательных простран-
ственных гармониках, то это свойство представ-
ляется пока малопонятным. Ведь в резонансном
генераторе, в отличие от классической ЛОВ с
согласованными концами ЗС, не имеет принци-
пиального значения направление движения ос-
новной волны ЗС, поскольку поле представляет
собой стоячую волну, обеспечивая в генераторе
сильную обратную связь по ВЧ полю. Кроме то-
го, положительные гармоники малых номеров
(+1-я и +2-я) в общем ВЧ поле выражены гораздо
сильнее, чем -3-я и -4-я. Однако возбуждение на
положительных гармониках не наблюдается, что
трудно объяснить.
Еще одна особенность эксперимента, ко-
торая плохо поддается объяснению, - влияние по-
ложения диафрагмы на возможность возбуждения.
При работе на –1-ой пространственной гармонике
перемещение этой диафрагмы только плавно пере-
страивало частоту в отдельных резонансных зонах
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
82
генерации, но не приводило к срыву колебаний,
как это наблюдается при возбуждении на про-
странственных гармониках больших номеров.
Описанные выше особенности возбужде-
ния резонансного клинотрона еще предстоит по-
нять и объяснить, для чего необходимы как тео-
ретические, так и дополнительные эксперимен-
тальные исследования.
3. О перспективе использования ре-
жимов работы на высших пространственных
гармониках. Экспериментально обнаруженная
возможность возбуждения резонансного клино-
трона на высших пространственных гармониках
больших номеров при малых пусковых токах
представляется неожиданной и ее пока трудно
объяснить. Может оказаться, что у таких режимов
работы имеются большие перспективы по ис-
пользованию в генераторах субмиллиметрового
диапазона волн. В условиях эксперимента была
показана возможность снижения рабочего напря-
жения с нескольких киловольт до нескольких
сотен вольт. Практический интерес представляет
несколько другая задача по использованию ре-
жима на высших пространственных гармониках:
оставив рабочее напряжение прежним, значи-
тельно увеличить период ЗС. При этом для гене-
ратора с рабочим напряжением в несколько кило-
вольт ЗС будет такой же, как для генератора с
рабочим напряжением в несколько десятков ки-
ловольт. Это позволит рассеивать на ЗС клино-
трона гораздо большие мощности электронного
потока, чем в обычных режимах, увеличить вы-
ходную мощность и упростить технологию изго-
товления ЗС.
Особенно остро проблема разработки ЗС
стоит для клинотронов субмиллиметрового диа-
пазона волн. Так для реальных генераторов на
рабочую длину волны 0,95 мм период ЗС состав-
ляет всего 0,1 мм и дальнейшее укорочение дли-
ны волны связано с большими технологическими
проблемами. Использование режимов на высших
пространственных гармониках позволило бы в
значительной мере решить эту проблему.
Следует заметить, что создание высоко-
вольтных генераторов, рассчитанных на работу в
режиме синхронизма электронов с пространст-
венными гармониками больших номеров, пред-
ставляет собой довольно сложную задачу. Дело в
том, что в таких режимах предполагаемый рабо-
чий тип колебаний не является основным. В сис-
теме будут существовать более длинноволновые
типы колебаний, которые могут легче возбуж-
даться примерно при тех же рабочих напряжени-
ях. В таких генераторах появляется проблема
конкуренции видов колебаний так же, как в
мощных многорезонаторных магнетронах. Зада-
чей разработчика будет создать условия для воз-
буждения именно желаемого рабочего вида ко-
лебаний. При этом, по-видимому, могут приме-
няться примерно те же методы, которые исполь-
зуются для борьбы с конкуренцией видов колеба-
ний в импульсных магнетронах: разделение видов
по напряжению возбуждения; введение избира-
тельного поглощения ВЧ энергии в колебатель-
ную систему; нарушение симметрии ВЧ поля
мешающего типа колебаний и т. д.
4. Анализ режима синхронизма элек-
тронов с пространственными гармониками
ЗС. На примере анализа простой физической мо-
дели движения электронов в ВЧ поле щелевых
резонаторов гребенки будет показано, что в отли-
чие от классической ЛОВ при «клинотронном»
механизме взаимодействия электронов с ВЧ по-
лем нет значительных ограничений на использо-
вания режимов синхронизма электронов с выс-
шими пространственными гармониками больших
номеров.
Принципиальное отличие клинотрона
(рис. 1) от обычной ЛОВ О в том, что в клино-
троне все электроны обязательно попадают на
поверхность ЗС, а не проходят над ЗС на некото-
ром малом расстоянии и не попадают на коллек-
тор, как в ЛОВ. На рис. 3 схематически показаны
траектории электронов в этих двух приборах.
Рис. 3. Схема движения электронов в ЛОВ О (сверху) и в
клинотроне (внизу)
В ЛОВ О электроны движутся над щеле-
выми резонаторами гребенки, а в клинотроне
электроны могут попадать внутрь щелевых резо-
наторов и оканчивать свое движение на попереч-
ной стенке этого резонатора.
Представление о распределении в про-
странстве амплитуды продольной (по отношению к
направлению движения электронов) составляющей
электрического ВЧ поля в гребенке дает рис. 4.
Рис. 4. Распределение в пространстве
xE составляющей поля
в случае стоячей волны; параметр -
d
y ; 2
l
d
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
83
Эти результаты получены строгим мето-
дом в работе [5]. На рис. 4 показан случай стоя-
чей волны в гребенке при фазовом сдвиге ос-
новной пространственной гармоники на период
ЗС
2
. Примерно при таких работает
большинство клинотронов миллиметрового диа-
пазона волн.
Параметром для кривых является рас-
стояние от поверхности ЗС, отнесенное к перио-
ду ЗС. Видно, что распределение продольной
составляющей напряженности поля мало напо-
минает ступенчатую функцию, которую часто
используют для описания поля щелевого резона-
тора гребенки. Вблизи самой поверхности поле
сильно возрастает при приближении к ребрам
ламелей. При удалении от поверхности гребенки
поле быстро сглаживается и довольно плавно
изменяется по координате x . Распределение,
близкое к ступенчатой функции, будет только
внутри щелевого резонатора гребенки.
Для качественного описания процесса
энергообмена электронов с ВЧ полем не имеют
существенного значения детали функции про-
странственного распределения амплитуды поля.
Важно, что в случае движения электрона на не-
котором расстоянии от поверхности ЗС, как в
обычной ЛОВ О, амплитуда поля вначале мала,
потом плавно возрастает до некоторого макси-
мального значения, а затем опять уменьшается.
Для электрона, движущегося наклонно, как в
клинотроне, амплитуда поля вначале также ма-
ла, затем постепенно возрастает и остается
большой, так как электрон входит внутрь щеле-
вого резонатора и попадает на его поперечную
стенку, где распределение поля близко к ступен-
чатой функции. Для простоты анализа зададим
распределение амплитуды поля простой функ-
цией, которая верно описывает характер распре-
деления поля в пространстве и допускает анали-
тическое решение задачи:
x
L
E
xEx
2
cos1
2
)( 0 ; Lx0 .
На рис. 5 сверху показано это распреде-
ление амплитуды поля для электрона, движуще-
гося над поверхностью ЗС.
Так движутся электроны в ЛОВ О.
Предполагается, что в результате предваритель-
ного взаимодействия с ВЧ полем в электроном
потоке уже сформировались достаточно ком-
пактные сгустки. В клинотроне модуляция элек-
тронного потока по плотности может также быть
вызвана избирательным оседанием электронов
на ламелях гребенки в результате взаимодейст-
вия с поперечной составляющей электрического
ВЧ поля [6].
Рис. 5. Распределение в пространстве амплитуды
xE поля для элек-
тронов, движущихся в ЛОВ О (сверху) и в клинотроне (внизу)
Уравнение движения для электрона (или
компактного сгустка электронов) запишется в
таком виде:
)sin(
2
cos1
2
0
2
2
tx
L
E
m
e
t
x
,
где - фаза влета электрона в ВЧ поле щелевого
резонатора гребенки. Обычно такие дифференци-
альные уравнения решают методом последова-
тельных приближений. Вначале считают, что элек-
трон движется с постоянной скоростью (угол про-
лета не возмущенный) и подставляют это выраже-
ние в дифференциальное уравнение. После этого,
решая приближенное дифференциальное уравне-
ние, находят изменения в угле пролета и скорости.
Затем найденное уточненное значение угла проле-
та опять подставляют в дифференциальное урав-
нение и, решая его, находят более точные значения
для изменений скорости и угла пролета. Мы огра-
ничимся первым приближением – найдем измене-
ние в скорости электрона после прохождения над
щелевым резонатором, подставив в дифференци-
альное уравнение невозмущенный угол пролета
(при движении электрона со скоростью 0V ). При
этом уравнение движения упрощается
)sin(cos1
2
0
2
2
tt
E
m
e
t
x
,
где
L
V02
. После интегрирования получим
t
t
t
m
eE
VVx
)(cos
)1(2
1
)(cos
)1(2
1
)cos()cos(
1
2
2
2
0
0 ,
0
2
'L
х
0 х L
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
84
где . После прохождения электроном
области ВЧ поля над щелевым резонатором гре-
бенки ( Lx ; 0
0
Ф
V
L
Tt ) выраже-
ние для прибавки к скорости электрона сильно
упрощается, так как при этом 2t . После
некоторых тригонометрических преобразований
получим
2
Ф
sin
1
2
Ф
2
Ф
sin
0
2
0
0
0 AVVx ,
где
m
eE
A 0 - приведенная амплитуда ВЧ поля;
0Ф - угол пролета электроном области, где суще-
ствует поле щелевого резонатора. «Выходная»
скорость электрона или компактного электронно-
го сгустка зависит от фазы их влета в ВЧ поле.
Зависимость амплитуды прибавки к скорости от
угла пролета 0Ф определяется выражением
1
2
Ф
2
Ф
sin
2
0
0
01F ,
график которого показан на рис. 6.
0
2
1
0 2 4 6 8
0
1F
2F
Рис. 6. Зависимость амплитуды прибавки к скорости от угла
пролета
Энергия, которую электрон может отдать
ВЧ полю при благоприятной фазе влета в ВЧ по-
ле, и электронный КПД e пропорциональны
этой функции
).(
2
)()(
0
0
2
0
00
2
0
22
0
VV
V
V
VVVV
V
VV
e
При работе на высших пространственных
гармониках больших номеров электроны движут-
ся «медленно», и угол пролета сильно возрастает.
Из графика видно, что при увеличении угла про-
лета функция 01 ФF быстро убывает, и поэтому
эффективность обмена энергией электронов с ВЧ
полем в режиме синхронизма с высшими про-
странственными гармониками больших номеров
очень мала. Эта модель описывала движение
электронов в обычной ЛОВ О.
Покажем, что при «клинотронном» меха-
низме взаимодействия электронов с ВЧ полем
будет совсем другой результат. Распределение
амплитуды ВЧ поля для электрона, влетающего
внутрь щелевого резонатора, будет не таким, как
в рассмотренном выше случае. Теперь электрон
должен оканчивать движение в сильном поле
внутри щелевого резонатора. Приближенно опи-
шем зависимость амплитуды поля от координаты
x в клинотроне той же самой простой функцией,
что и в предыдущем случае ЛОВ. График ее по-
казан на рис. 5 снизу. Это та же функция, что и в
случае ЛОВ, но с измененным периодом и сме-
щена так, чтобы ее максимум пришелся на попе-
речную стенку щелевого резонатора. При этом
уравнение движения и все вычисления будут та-
кими же, как и в случае ЛОВ. Изменится только
конечный предел интегрирования. В конце дви-
жения электрона в клинотроне t , а не 2 ,
как в случае ЛОВ. Изменение пределов интегри-
рования изменит и конечный результат. Теперь
прибавка к скорости электрона в конце его дви-
жения имеет такой вид:
.Фcos
2
Ф
cos
1
Ф
2
Ф
cos
0
0
2
0
0
0
A
AVVx
Она состоит из двух членов и зависит от
фазы ВЧ поля , при которой электрон влетает в
ту область, где существует ВЧ поле. Амплитуда
прибавки к скорости, которую дает первый член
суммы, зависит от угла пролета 0Ц и определяет-
ся функцией
1
Ф
2
Ф
cos
Ф
2
0
0
02F .
График этой функции показан на рис. 6.
На графике видно, как быстро убывает эта функ-
ция при росте угла пролета. Второй член суммы –
периодическая функция. При росте угла пролета
первое слагаемое быстро уменьшается и остается
только второе
00 ФcosAVVx .
Особенно важно то, что в случае клино-
трона прибавка к скорости не уменьшается с рос-
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
85
том угла пролета 0Ф . Таким образом, ясно видна
возможность работы клинотрона при больших
углах пролета без существенного уменьшения
эффективности взаимодействия электронов с ВЧ
полем. Этот результат, полученный при анализе
простых физических моделей, может помочь объ-
яснить экспериментально наблюдаемую возмож-
ность работы клинотрона в режиме синхронизма
электронов с пространственными гармониками
больших номеров при малых пусковых токах.
При анализе работы прибора на высших
пространственных гармониках следует учиты-
вать, что физический смысл условия синхронизма
электронов с фазовой скоростью любой про-
странственной гармоники означает только то, что
при такой скорости электрон будет проходить все
периоды ЗС при одной и той же фазе ВЧ поля,
что является необходимым условием для прибо-
ров с длительным взаимодействием [7].
Выводы. В работе описано эксперимен-
тальное исследование возбуждения резонансного
клинотрона миллиметрового диапазона волн при
очень низких анодных напряжениях, соответст-
вующих синхронизму электронного потока с от-
рицательными пространственными гармониками
больших номеров: первой, второй, третьей и чет-
вертой. Следует подчеркнуть, что в условиях экс-
перимента не использовалась предварительная
модуляция электронного потока.
Установлено:
- несмотря на большие номера рабочих
пространственных гармоник, пусковые токи в
низковольтных режимах оказались малыми –
единицы миллиампер;
- возбуждение низковольтных зон генера-
ции происходило только на отрицательных про-
странственных гармониках;
- возбуждение генератора на высших про-
странственных гармониках происходит только
при вполне определенном положении диафрагмы,
определяющем зазор между рабочей поверхно-
стью гребенки и металлическим экраном над ней.
Для объяснения возможности работы
клинотрона при синхронизме электронов с про-
странственными гармониками больших номеров
при малых пусковых токах использована простая
физическая модель, описывающая взаимодейст-
вие электронов с полем щелевого резонатора гре-
бенки в случае обычной ЛОВ О и в случае клино-
трона. Показано, что в случае обычной ЛОВ О
происходит резкое падение эффективности взаи-
модействия электронов с ВЧ полем при росте
угла пролета электроном области щелевого резо-
натора. Показано также, что в случае клинотрона
эффективность взаимодействия не снижается да-
же при очень больших углах пролета, соответст-
вующих синхронизму электронов с пространст-
венными гармониками больших номеров. Причи-
на такого отличия в характере движения электро-
нов. В ЛОВ О электроны проходят область ин-
тенсивного поля и оканчивают движение в сла-
бом ВЧ поле. В клинотроне электроны оканчива-
ют движение в интенсивном ВЧ поле на попереч-
ной стенке щелевого резонатора гребенки.
Описанные в работе режимы синхрониз-
ма электронов с пространственными гармоника-
ми больших номеров могут оказаться перспек-
тивными при разработке клинотронов на корот-
кие длины волн, особенно в субмиллиметровом
диапазоне. При таких режимах работы можно в
несколько раз увеличить период ЗС, что может
позволить увеличить выходную мощность прибо-
ра и упростить технологию изготовления замед-
ляющих систем.
Недавно идея использования высших
пространственных гармоник больших номеров в
приборах типа О была проверена эксперимен-
тально в Институте радиофизики и электроники
НАН Украины [8]. Были изготовлены макеты ге-
нераторов дифракционного излучения (ГДИ) 5-мм
диапазона волн, рассчитанные на работу на вто-
рой и третьей пространственных гармониках поля
ЗС, помещенной в открытый резонатор. При этом
период ЗС был увеличен соответственно в два и
три раза по сравнению с обычными ГДИ, рабо-
тающими на первой пространственной гармони-
ке. Было установлено, что пусковой ток генерато-
ров в этих режимах вырос незначительно. Этот
результат позволяет с большей уверенностью
надеяться на возможность использования таких
режимов и в генераторах субмиллиметрового
диапазона волн, где увеличение периода ЗС в не-
сколько раз может решить сложные технические
проблемы.
Использование высших пространствен-
ных гармоник для увеличения периода ЗС описа-
но также в работе [9]. В этой работе приведены
результаты экспериментального исследования
оротрона 2-мм диапазона волн, работающего на
второй пространственной гармонике поля ЗС.
Следует отметить, что в генераторах,
описанных как в работе [8], так и в работе [9],
авторы, увеличивая период ЗС, вынуждены ос-
тавлять малой ширину щелевых резонаторов гре-
бенки. Объясняется это тем, что при уменьшении
отношения ширины щелей к периоду гребенки
возрастают амплитуды высших пространствен-
ных гармоник, с которыми предполагается осу-
ществить синхронное взаимодействие электрон-
ного потока. При изготовлении ЗС для приборов
субмиллиметрового диапазона волн технологиче-
ские трудности вызваны, главным образом, ма-
лыми размерами ширины щелей гребенчатой ЗС.
Поскольку в ЗС генераторов типа оротрон и ГДИ
щели оставалиь узкими, а увеличивался только
период ЗС, технологические трудности изготов-
М. В. Мильчо и др. / Возбуждение резонансного клинотрона…
_________________________________________________________________________________________________________________
86
ления гребенки не удалось устранить полностью,
хотя гребенка стала более прочной и «жесткой»
за счет увеличения ширины ламелей.
Необходимо подчеркнуть, что в клино-
троне, исследуемом нами, ширина щелей в гребен-
ке была примерно равна ширине ламелей. При
таком соотношении размеров и увеличении перио-
да ЗС действительно уменьшаются технологиче-
ские трудности при изготовлении ЗС в субмилли-
метровом диапазоне волн. Это отличие клинотрона
от приборов «классического» типа можно объяс-
нить тем, что в обычных приборах О типа взаимо-
действие электронов с ВЧ полем происходит на
некотором расстоянии от поверхности ЗС и в этом
случае существенной является амплитуда той про-
странственной гармоники, с которой синхронизи-
руется электронный поток. В случае клинотрона
электроны отдают свою энергию ВЧ полю при
попадании внутрь щелевых резонаторов, и поэто-
му не имеет большого значения структура ВЧ поля
над поверхностью ЗС. Мы считаем, что именно в
генераторах типа клинотрон существуют реальные
перспективы продвижения в субмиллиметровый
диапазон волн при использовании режимов с
большими углами пролета электронами области
щелевых резонаторов ЗС.
1. Поспелов Л. А., Усиков А. Я. Приборы СВЧ с гармонизиро-
ванным электронным потоком // Укр. физ. журн. - 1970. - 15,
№5. - С.764-768.
2. Еремка В. Д., Кириченко А. Я. Использование высших
типов колебаний «гребенки» при умножении частоты в
миллиметровом диапазоне // Электронная техника. Сер. 1.
Электроника СВЧ. - 1971. - №12. - С.31-38.
3. Мильчо М. В., Завертанный В. В., Кириченко Л. А., Куди-
нова Т. В. Механическая перестройка частоты в генерато-
рах типа клинотрон // Радиофизика и электроника. - Харь-
ков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. - 2006. -
11, №1. - С.130-137.
4. Левин Г. Я., Бородкин А. И., Кириченко А. Я. и др. Клинотрон /
Под ред. А. Я. Усикова. - Киев: Наук. думка, 1992. - 200 с.
5. Мильчо М. В. Метод конформных отображений для расче-
та высокочастотных электромагнитных полей в замед-
ляющих системах. Часть 1 // Радиофизика и электроника. -
Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. -
2003. - 8, №1. - С.136-147
6. Мильчо М. В. Взаимодействие электронов с поперечной и
продольной составляющими высокочастотного поля в ге-
нераторах типа клинотрон // Радиофизика и электроника. -
Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. -
2007. - 12, спец. вып. - С.59-70.
7. Мильчо М. В., Ефимов Б. П., Завертанный В. В., Гонча-
ров В. В. Особенности режимов работы генераторов типа
клинотрон // Радиофизика и электроника. - Харьков: Ин-т
радиофизики и электрон. НАН Украины. -2005. - 10, №3. -
С.435-440.
8. Мирошниченко В. С., Сенкевич Е. Б., Корнеенков В. К.
Влияние омических потерь на возбуждение колебаний в
ГДИ на высших пространственных гармониках // 17-я
Международ. Крымская конф. «СВЧ-техника и телеком-
муникационные технологии»: Материалы конф. - 2007 -
Т.1. - С.179-180.
9. Мясин Е. Н., Ильин А. Ю., Евдокимов В. В. Генерация
электромагнитных колебаний в оротроне на второй про-
странственной гармонике // Электромагнитные волны и
электронные системы. - 2007. - 12, №4. - С.41-44.
EXCITEMENT OF THE RESONANCE
CLYNOTRONAT VERY SMALL ANODE
VOLTAGE VALUE
M. V. Mil’cho, A. S. Tischenko,
V. V. Zavertanniy, I. V. Lopatin
The excitement of the resonance clynotron under an
electron synchronism with –1, -2, -3 and –4 spatial harmonics of
the slow-wave system field is investigated experimentally. The
excitement occurred without the preliminary electron stream mod-
ulation of the start current by some milliamperes. A simple physi-
cal model of the interaction between the electrons and the comb
slot resonator field is analyzed theoretically. It is shown that in the
clynotron case the effective interaction between the electrons and
the high-frequency field is possible even if the transit angle has a
very high value. The prospect of using the studied regime utiliza-
tionat the sub- millimeter-wave clynotron for the comb period
increase by several times is discussed.
Key words: electronics, BWT, clynotron, experiment,
harmonics, submillimeters.
ЗБУДЖЕННЯ РЕЗОНАНСНОГО КЛИНОТРОНУ
ПРИ ДУЖЕ НИЗЬКИХ ЗНАЧЕННЯХ АНОДНОЇ
НАПРУГИ
М. В. Мільчо, А. С. Тіщенко,
В. В. Завертанний, І. В. Лопатін
Експериментально досліджено збудження резонан-
сного клинотрону при сиинхронізмі електронів з першою,
другою, третьою та четвертою зворотніми просторовими
гармоніками поля у системі для уповільнення хвиль. Збу-
дження відбувалося без попередньої модуляції електроного
потоку при пусковому струмі всього в одиниці міліампер.
Теоретично проаналізована проста фізична модель взаємодії
електронів з полем щільових резонаторів гребінки. Показано,
що у випадку клинотрону ефективна взаємодія електронів з
високочастотним полем можлива навіть при дуже великих
кутах прольоту електронів. Обговорюються перспективи ви-
користання досліджених режимів у клинотронах субмілімет-
рового діапазону хвиль для збільшення у кілька разів періоду
системи для уповільнення хвиль.
Ключові слова: електроніка, ЛЗХ, клінотрон, екс-
перимент, гармоніки, субміліметри
Рукопись поступила 8 ноября 2007 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10557 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:08:53Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. 2010-08-03T16:13:00Z 2010-08-03T16:13:00Z 2008 Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях / М.В. Мильчо, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, И.В. Лопатин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 79-86. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10557 53:621.385.633 Экспериментально исследовано возбуждение резонансного клинотрона при синхронизме электронов с первой, второй, третьей и четвертой отрицательными пространственными гармониками поля замедляющей системы. Возбуждение происходило без предварительной модуляции электронного потока при пусковых токах всего в единицы миллиампер. Теоретически проанализирована простая физическая модель взаимодействия электронов с полем щелевых резонаторов гребенки. Показано, что в случае клинотрона эффективное взаимодействие электронов с высокочастотным полем возможно даже при очень больших углах пролета электронов. Обсуждаются перспективы использования исследованных режимов в клинотронах субмиллиметрового диапазона волн для увеличения в несколько раз периода замедляющих систем. Експериментально досліджено збудження резонансного клинотрону при сиинхронізмі електронів з першою, другою, третьою та четвертою зворотніми просторовими гармоніками поля у системі для уповільнення хвиль. Збудження відбувалося без попередньої модуляції електроного потоку при пусковому струмі всього в одиниці міліампер. Теоретично проаналізована проста фізична модель взаємодії електронів з полем щільових резонаторів гребінки. Показано, що у випадку клинотрону ефективна взаємодія електронів з високочастотним полем можлива навіть при дуже великих кутах прольоту електронів. Обговорюються перспективи використання досліджених режимів у клинотронах субмілімет-рового діапазону хвиль для збільшення у кілька разів періоду системи для уповільнення хвиль. The excitement of the resonance clynotron under an electron synchronism with –1, -2, -3 and –4 spatial harmonics of the slowwave system field is investigated experimentally. The excitement occurred without the preliminary electron stream mod-ulation of the start current by some milliamperes. A simple physical model of the interaction between the electrons and the comb slot resonator field is analyzed theoretically. It is shown that in the clynotron case the effective interaction between the electrons and the high-frequency field is possible even if the transit angle has a very high value. The prospect of using the studied regime utilizationat the submillimeter-wave clynotron for the comb period increase by several times is discussed. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Вакуумная и твердотельная электроника Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях Збудження резонансного клинотрону при дуже низьких значеннях анодної напруги Excitement of the resonance clynotronat very small anode voltage value Article published earlier |
| spellingShingle | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях Мильчо, М.В. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Лопатин, И.В. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| title_alt | Збудження резонансного клинотрону при дуже низьких значеннях анодної напруги Excitement of the resonance clynotronat very small anode voltage value |
| title_full | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| title_fullStr | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| title_full_unstemmed | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| title_short | Возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| title_sort | возбуждение резонансного клинотрона при очень низких анодных напряжениях |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10557 |
| work_keys_str_mv | AT milʹčomv vozbuždenierezonansnogoklinotronapriočenʹnizkihanodnyhnaprâženiâh AT tiŝenkoas vozbuždenierezonansnogoklinotronapriočenʹnizkihanodnyhnaprâženiâh AT zavertannyivv vozbuždenierezonansnogoklinotronapriočenʹnizkihanodnyhnaprâženiâh AT lopatiniv vozbuždenierezonansnogoklinotronapriočenʹnizkihanodnyhnaprâženiâh AT milʹčomv zbudžennârezonansnogoklinotronupriduženizʹkihznačennâhanodnoínaprugi AT tiŝenkoas zbudžennârezonansnogoklinotronupriduženizʹkihznačennâhanodnoínaprugi AT zavertannyivv zbudžennârezonansnogoklinotronupriduženizʹkihznačennâhanodnoínaprugi AT lopatiniv zbudžennârezonansnogoklinotronupriduženizʹkihznačennâhanodnoínaprugi AT milʹčomv excitementoftheresonanceclynotronatverysmallanodevoltagevalue AT tiŝenkoas excitementoftheresonanceclynotronatverysmallanodevoltagevalue AT zavertannyivv excitementoftheresonanceclynotronatverysmallanodevoltagevalue AT lopatiniv excitementoftheresonanceclynotronatverysmallanodevoltagevalue |