Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона

Описаны физические принципы построения вакуумных источников электромагнитных колебаний непрерывного действия, излучающие СВЧ энергию одновременно на нескольких несущих частотах в миллиметровом диапазоне. Рассмотрены вопросы согласования генератора с нагрузкой, управления уровнем выходной мо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автор:	Ефимов, Б.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2007
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10901
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:	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона / Б.П. Ефимов // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 71-80. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860236192136560640
author	Ефимов, Б.П.
author_facet	Ефимов, Б.П.
citation_txt	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона / Б.П. Ефимов // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 71-80. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Описаны физические принципы построения вакуумных источников электромагнитных колебаний непрерывного действия, излучающие СВЧ энергию одновременно на нескольких несущих частотах в миллиметровом диапазоне. Рассмотрены вопросы согласования генератора с нагрузкой, управления уровнем выходной мощности и частотой, расчёта дисперсионных зависимостей и использования резонансных эффектов в периодических структурах, а также фокусировки электронных пучков в неоднородном магнитном поле. Приведены частотные характеристики и выходные параметры приборов. Описані фізичні принципи побудови вакуумних джерел електромагнітних коливань безперервної дії, які випромінюють НВЧ енергію одночасно на декількох несучих частотах у міліметровому діапазоні. Розглянуто питання узгодження генератора з навантаженням, управління рівнем вихідної потужності та частоти, розрахунок дисперсійних залежностей та використання резонансних ефектів у періодичних структурах, а також фокусування електронних пучків в неоднорідному магнітному полі. Наведено частотні характеристики та вихідні параметри приладів. The description of physical principles for a design of vacuum continuous electromagnetic sources radiating UHF energy simultaneously on several frequencies in millimeter wave range is presented in this paper. The problems of oscillatorload matching, output power level and frequency control, dispersive dependence calculations, the application of resonance effect in periodic structures and also electron beam focusing in no homogeneous magnetic field are discussed. There are frequency characteristics and output parameters of devices.
first_indexed	2025-12-07T18:24:39Z
format	Article
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, спец. вып., 2007, с. 71-80 © ИРЭ НАН Украины, 2007 УДК 551.594 МНОГОВОЛНОВЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ КЛИНОТРОН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Б. П. Ефимов Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова, НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина Е-mail: jean@ire.kharkov.ua Описаны физические принципы построения вакуумных источников электромагнитных колебаний непрерывного дейст- вия, излучающие СВЧ энергию одновременно на нескольких несущих частотах в миллиметровом диапазоне. Рассмотрены вопросы согласования генератора с нагрузкой, управления уровнем выходной мощности и частотой, расчѐта дисперсионных зависимостей и использования резонансных эффектов в периодических структурах, а также фокусировки электронных пучков в неоднородном магнитном поле. Приведены частотные характеристики и выходные параметры приборов. Ил. 14. Табл. 1. Библиогр.: 11 назв. Ключевые слова: многоволновый клинотрон, миллиметровый диапазон, масштабное моделирование. Диагностические методы исследования свойств плазмы в термоядерных установках типа "Токомак", "Огра", "Ураган" потребовали созда- ния новых источников электромагнитных коле- баний в миллиметровом диапазоне радиоволн – генераторов, излучающих СВЧ энергию на не- скольких несущих частотах. В 60-х годах про- шлого века для получения более достоверной информации о свойствах плазмы был предложен новый метод определения распределения концен- трации электронов в плазме по изменению фазо- вых сдвигов волны на нескольких несущих часто- тах [1-2]. Данная методика была испытана на ус- тановках для диагностики плазмы "Альфа" и "Малахит", в которых в качестве генераторов ис- пользовались несколько магнетронных генерато- ров, работающих от отдельных блоков питания. Локализация СВЧ энергии в одном луче достига- лась использованием волноводного соединитель- ного устройства и общей рупорной антенны. Преимущества многолучевой диагности- ки были реализованы в полной мере с того мо- мента, когда была высказана идея о многоволно- вом клинотроне [3], разработанном в ИРЭ АН УССР [4]. Первые образцы таких генераторов с разделительным устройством на полиэтиленовых волноводах, излучающие СВЧ энергию на длинах волн 16-8-4-2, 16-8-4, 8-4-2, 8-4 мм использова- лись в Институте атомной энергии им. И. В. Кур- чатова (ИАЭ г. Москва) и показали положитель- ные результаты. 1. Методы построения многоволновых генераторов. Основными требованиями, предъ- являемыми к многоволновому зондированию плазмы, являются: примерно одинаковый уровень СВЧ мощности на каждой длине волны; разнос несущих частот в миллиметровом диапазоне по- рядка октавы; излучение СВЧ энергии в непре- рывном режиме; возможность безынерционной перестройки частоты колебаний и мощности в каждом из диапазонов. Кроме этого, СВЧ генера- торы и аппаратура, их обеспечивающая, должны иметь малое энергопотребление, простоту в управлении и небольшие показатели гаьаритов и массы. Для создания такого генератора было ре- шено возбудить одним электронным потоком одновременно поля в нескольких периодических структурах, предназначенных для работы в четы- рех точках миллиметрового диапазона, разли- чающихся по длине волны в октаву. Предполагалось, что при создании гене- ратора можно использовать метод масштабного моделирования, согласно которому, задавая уско- ряющее напряжение U постоянным для всех диапазонов, размеры резонаторов периодических структур и период структуры должны умень- шаться пропорционально длине генерируемой волны  . Однако основные принципы метода масштабного моделирования для решения по- ставленной задачи оказались неприемлемыми и от них пришлось отказаться. Так для обеспечения необходимой жесткости фокусировки пучка со- гласно принципу масштабного моделирования магнитное поле необходимо было повышать об- ратно пропорционально длине волны. Для при- менения единого (общего) магнитного поля для всех периодических структур решено было обес- печить необходимое качество электронного пото- ка для самых коротковолновых колебаний гене- ратора, подразумевая, что в более длинноволно- вых диапазонах жесткость фокусировки пучка будет обеспечена с запасом. Совсем неприменимыми в нашем случае оказались принципы масштабного моделирования относительно геометрических размеров элек- тронного пучка. Уменьшение поперечного сече- ния пучка согласно этому методу требовало по- вышения плотности тока в пучке пропорциональ- но даже не квадрату, а кубу генерируемой длины волны. Это было одним из основных препятствий на пути создания многоволнового генератора. Для преодоления этого препятствия было решено использовать сравнительно «толстый» пучок, так что относительная его толщина возрастала при Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 72 генерации более коротких волн. А для повыше- ния энергообмена электронного потока с полями периодических структур решено было в полной мере использовать достоинства клинотронного эффекта и его модификацию - работу клинотрона в неоднородном фокусирующем магнитном поле. Обращено также внимание на необходимость использования для этих целей отражений от кон- цов периодических структур, позволявших пе- рейти к резонансному возбуждению клинотронов. Кроме этого для обеспечения примерно одинако- вого уровня мощности на всех генерируемых длинах волн (в нарушение принципа масштабно- го моделирования) решено было увеличивать ши- рину периодических структур по мере перехода к более коротким волнам. Преследуя эти же цели, решено было правильно определить место распо- ложения той или другой периодической структу- ры относительно оси электронного пучка. Были попытки реализовать последова- тельно все три представленные на рис. 1 варианта многоволновых генераторов. Рис. 1. Конструктивные варианты многоволновых генера- торов миллиметрового диапазона Тщательный анализ характеристик экс- периментальных макетов показал, что по ряду параметров предпочтение должно быть отдано первому варианту. Основными недостатками вто- рого и третьего вариантов являются значительное несовпадение максимумов выходных мощностей от угла наклона электронного пучка к замедляю- щим системам, сильное слоение электронного потока из-за ионной бомбардировки катода пуш- ки и сложная технология изготовления приборов. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать ре- зультаты исследований генераторов на основе разработок первого варианта. Опыт разработки одночастотных генера- торов показал, что с точки зрения улучшения энергетических параметров приборов и его вы- ходных характеристик необходимо максимально использовать резонансные свойства периодиче- ских структур и фокусировку электронных пуч- ков в неоднородном магнитном поле. 2. Расчѐт дисперсии гребенчатых пе- риодических структур. Для расчѐта дисперсии на начальном этапе использовались приближѐн- ные формулы, полученные электродинамическим методом частичных областей в предположении, что электрическое поле на раскрыве щели посто- янно [5]. При больших замедлениях и достаточно толстых ламелях эти формулы удовлетворитель- но описывают дисперсию системы. В последую- щем в ИРЭ АН УССР был разработан более точ- ный метод расчѐта двумерной "гребѐнки", осно- ванный на использовании функции Грина для уравнения Лапласа, учитывающий особенности поля на краях ламелей "гребенки" [6,7]. Следует отметить, что формулы для расчѐта дисперсии, полученные по этому методу, оказались не более сложными, чем в приближении "постоянного по- ля" на щели резонатора. Рассчитываем параметры гребѐнчатых за- медляющих систем генератора с использованием точных "двумерных" дисперсионных уравнений работы [7]. Для этого выберем один из диапазонов многоволнового генератора, например 2-мм. Оп- ределим шаг d гребѐнки и глубину резонатора h для обеспечения генерации колебаний с длиной волны 0 при ускоряющем напряжении 0U на "-1" пространственной гармонике на оптималь- ном виде колебаний по выходной мощности ("вид" задаѐтся фазовым сдвигом волны на пери- од структуры  ). В приборах типа "О", если выполняется условие синхронизма, то шаг гребѐнки d для "-1" гармоники вычисляется по формуле 0 0 (2 ). 1010 U d      (1) При расчѐте шага нарезки по формуле (1) необходимо знать opt . Многочисленные экспе- риментальные исследования показывают, что при использовании "гребѐнок" с шириной щелей при- мерно равной половине шага нарезки режим мак- симальной мощности соответствует фазовым сдвигам(0,5 - 0,6) . Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 73 0 0 1 2 1 arctg ( ) ( ) , 2 ( ) 1 ( ) G G l h b f b b a b b a e p b a a b e                               (2) ___________________________________________ где 2 2 2 1 1 1 ; ; ; 2 2 tg ; 4 ; (1 ) (1 ) ; b D b a b d d h g G a d p                                   2 2 2 2 4 ( ) 3 0,158 ; 1 4 1 1 ( ) 2ln(4 ) ln(1 ) ln(1 ). b b b b f                        По заданным и найденным геометриче- ским параметрам "гребѐнки" , ,d h l и A с помо- щью уравнения (2) рассчитывалась вся дисперси- онная кривая ( )U . При этом дисперсионная кривая должна проходить через заданную точку ( 0 0,U  ), обеспечивая режим максимальной мощ- ности при opt . В качестве примера на рис. 2 приведены кривые перестройки генератора, рас- считанные на ЭВМ М – 222. Рис. 2. Расчѐтная дисперсионная кривая для идеализированной двумерной "гребѐнки" и экспериментальные точки для лампы 2-мм диапазона. Аналогичным образом рассчитывались параметры "гребѐнок" в других диапазонах мно- говолнового генератора. При этом учитывалось одно обстоятельство. Режим максимальной мощ- ности в миллиметровом диапазоне зависит от opt , который для диапазона 8 мм составляет примерно 0,5 , для   2 мм - opt =0,3 . Для расчѐта глубины резонатора h зада- ѐмся одновремѐнно расстоянием до экрана g над периодической структурой. Оно обычно пример- но равно толщине используемого электронного пучка или несколько его превышает. Ширину l щели резонатора выбираем примерно равной по- ловине шага нарезки d гребенчатой периодичеc- кой структуры. Для расчѐта глубины резонатора использовали асимптотически точное уравнение работы [6], полученное для расчѐта дисперсии двумерной "гребѐнки" с экраном. Необходимо отметить, что, решая задачу определения геометрических параметров "гре- бѐнки" для заданного диапазона частот, имелось ввиду существование точных методов расчѐта только для идеализированной двумерной "гре- бѐнки", когда электромагнитные поля не изменя- ются поперѐк системы. Реальные трѐхмерные системы строго не рассчитывались. Однако опыт показал существование области значений пара- метров реальной "гребѐнки", когда некоторые типы колебаний могут достаточно точно рассчи- тываться по формулам, полученным для двумер- ной системы. Это объясняется тем, что на таких типах колебаний электромагнитные поля в реаль- ной системе действительно слабо меняются попе- рѐк системы и таким образом оказываются вы- полненными условия, принятые для двумерной модели. 3. Обоснование длин периодических структур и веса магнитной системы. В прибо- рах типа "О", использующих нежѐсткосфокуси- рованные электронные потоки, формируемые ассиметричными диодными пушками. Большое влияние на эффективность взаимодействия и со- ответственно на выходные характеристики и мас- согабаритные показатели приборов оказывают длины периодических структур [8]. Опыт проек- тирования электронно-вакуумных приборов мил- лиметрового диапазона, работающих в постоян- ных магнитах подковообразной формы, указыва- ет на то, что варьируя длину пространства взаи- модействия и величину магнитного поля, одно- временно удаѐтся найти минимальное значение пускового тока в зависимости от зазора между полюсами магнита, если в качестве параметра взять магнитную массу. Для этого запишем сис- тему уравнений для простой магнитной цепи с учѐтом рассеивания магнитного потока [9] , . b b m m b b m m FB S B S fB l H l   (3) Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 74 Отсюда можно получить выражение для объѐма массы используемого материала магнита 2 b b m m m FfB V v B H  . (4) Здесь bB и mB – магнитная индукция в воздуш- ном зазоре и магните соответственно; bH и mH – напряжѐнность магнитного поля в воздушном зазоре и магните; bS и mS – площадь поперечно- го сечения воздушного зазора и магнита; bl и ml – длина магнитопровода в воздушном зазоре и магните; b b bV S l и m m MV S l – объѐм воздуш- ного зазора и магнитной массы; F и f - коэф- фициенты рассеяния и потерь. Пусковой ток генератора ( пускI ) для не- жѐсткосфокусированного потока толщиной 0a определяется длиной замедляющей системы и величиной напряжѐнности пускового магнитного поля ( пускH ) 3 пуск B H пуск A I e l  , (5) где 3 0 0,124U A R   ; 045450 a B c    . Здесь с – зазор анод-катод; R – сопро- тивление связи; - замедленная длина волны. Если допустить, что длина воздушного зазора магнита равна длине замедляющей систе- мы, то из уравнений (4) и (5) можно определить optl . Для практически важных случаев уравнение для магнитной системы (4) можно упростить, по- лагая коэффициент потерь f равным 1,35, а ко- эффициент рассеяния c bF R l прямо пропор- ционален длине воздушного зазора и его длина мала по отношению к длине магнита ml . Тогда, учитывая, что для воздушного зазора b bH B , выражение (4) примет вид 1,35 m m m b b b B H V R S H l   , (6) где R - форма магнита. Из уравнений (5) и (6) получим зависи- мость пускового тока генератора от величиниы воздушного зазора магнита и длины системы при условии, что ml l 3 3 0 0,124 ,Dl Dl пуск A U I e e l R l         (7) где . 1,35 m m m b B D B H V R S  На рис. 3 показаны расчѐтные кривые зависимости ( )пускI f l для нескольких значе- ний объѐма магнитной массы. Рис. 3. Зависимость пускового тока от длины прибора для различных магнитных масс Предполагалось, что для расчѐта выбран материал альнико-П-Н ( m mB H =2,1∙10 6 Гс∙э), форма магнита R =6 и поперечное сечение по- люсных наконечников hS =7 см 2 . При расчѐте учтены электрические режимы генератора 8-мм диапазона и параметры его пушки: U =2,5 кВ; 0a =0,4 мм; C =1 мм. Из рис. 3 видно, что чем меньше масса магнитной системы, тем более резко проявляется минимум пускового тока на кривых его зависи- мости от длины периодической структуры. Этому минимуму соответствует optl . Следует заметить, что для всех оптимальных длин генератора ми- нимум пускового тока определяется диапазоном работы генератора (т. е.  ) и параметрами диод- ной пушки 0a c       . В данном случае, как видно из графика, оптимальная длина гребѐнки для  =8 мм составляет ~15 мм [8]. С укорочением длины волны в соответст- вии с формулой (7) минимум пускового тока от длины структуры смещается вправо обратно про- порционально  . Например, для диапазона 2 мм оптимальная длина будет в четыре раза больше, чем на длине волны 8 мм, т. е. 60 мм. Для много- волновых генераторов невозможно выдержать оптимальные длины на всех диапазонах одновре- менно, поэтому выбираем среднее значение длин от крайних диапазонов, т. е. между 15 и 60 мм. Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 75 Для разрабатываемых генераторов эта длина была выбрана 35 мм. 4. Использование неоднородного фоку- сирующего магнитного поля в многоволновых генераторах. Повышение эффективности взаимо- действия электронного пучка с полем волны в не- однородном фокусирующем магнитном поле на- блюдается, как правило, в коротковолновой части миллиметрового димапазона и объясняется увели- чением длины пролѐта электрона при наличии в пучке "обеднѐнного" слоя [8]. Эта закономерность впервые привлекла внимание разработчиков ИРЭ АН УССР (г. Харьков) и в дальнейшем изучалась в работах НИИМФ СГУ (г. Саратов). Необходимость смещения генератора миллиметрового диапазона в область неоднород- ного магнитного поля диктуется соображениями снижения пускового тока и соответственно уве- личения выходной мощности прибора. Величина неоднородности магнитного поля весьма незна- чительна и составляет /B B =0,0002, измерить которую с достаточной точностью практически невозможно. Поэтому в экспериментах величину неоднородности косвенно оценивают по величи- не смещения прибора в миллиметрах от оси маг- нита. Измерение угла наклона производилось с точностью ~2-3 угловых минуты. На рис. 4 представлено схематическое изображение траекторий электронов в пучке, сформированном неоднородным магнитным по- лем в предположении, что средняя линия траек- тории каждого электрона повторяет силовую ли- нию напряжѐнности магнитного поля; криволи- нейные силовые линии магнитного поля эквиди- стантные в силу малости толщины электронного потока; электронный пучок представляет собой трубку тока с параллельными границами; угол падения электронного потока на периодическую структуру меняется вдоль еѐ длины от max для нижней границы пучка до min для верхней гра- ницы пучка; касательная к траектории каждого отдельного электрона меняется при его переме- щении в пространстве взаимодействия. Рис. 4. Схематическое изображение траекторий электронов в пучке, сфокусированных неоднородным магнитным полем Поскольку max и min малы, электрон- ный поток сложной формы, сформированный неоднородным магнитным полем, можно заме- нить эквивалентным ему потоком, сформирован- ным однородным полем с углом наклона cp  ( cp - средний угол наклона хорд, соединяющий начало и конец криволинейных траекторий элек- тронов в пространстве взаимодействия). Таким образом, неоднородное магнитное поле будет характеризоваться углом наклона к оси магнита (см. рис. 5). Рис. 5. Изменение положения периодической структуры в области неоднородного магнитного поля Увеличение кривизны линий магнитного поля приводит к росту угла  . Величина неодно- родности поля зависит от соотношения D L (где D - диаметр полюсных наконечников; L - вели- чина магнитного зазора) и смещения прибора от оси магнита ( M ) в миллиметрах. Исходя из характера изменения ( )M и  - угла наклона замедляющей системы к оси магнита, можно предположить, что оптимальный угол наклона хорды к замедляющей системе 0 остаѐтся неизменным при перемещении прибора в зазоре между полюсами, т. е. 0ср 0 0( )M      , (8) где 0 - оптимальный угол наклона электронного потока к поверхности замедляющей системы в однородном магнитном поле (клинотронный эф- фект). Так как 0 определяется толщиной потока  и длиной системы l (без учѐта нелинейного взаимодействия), т. е. 0 arctg( / )a l  , то следо- вательно 0 0, , , .ср D D M M l L l L                         (9) Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 76 Если  зависит от неоднородности маг- нитного поля, характеризуемой отношением D L       и величиной ( M ), то измеряемый в экспе- рименте угол  определяется как неоднородно- стью магнитного поля, так и геометрией про- странства взаимодействия. Повышение эффек- тивности взаимодействия в неоднородном маг- нитном поле особенно чѐтко проявляется при укорочении длины волны. В миллиметровом диа- пазоне генератор, помещѐнный по центру полюс- ных наконечников, как правило, не возбуждается. Генерация достигается смещением прибора в не- однородное магнитное поле. Для примера на рис. 6 показана область работы генератора на трѐх длинах волн: 16, 8 и 4 мм с изменением мощности P от  при его смещении в область неоднородного поля ( M var ). Рис. 6. Изменение областей работы генератора в неоднород- ном магнитном поле для трѐх рабочих частот Измерения проведены при напряжѐнности магнитного поля H =3000 Э, при постоянном токе в пучке 65 мА и ускоряющем напряжении 1,95 кВ. Величина неоднородности, требуемая для возбуж- дения генератора, находится в пределах 15 мм ≤ M ≤ 35 мм при D L =1,85. Диапазон углов  , при которых возможна генерация, имеет максималь- ную ширину при значениях M близких к опти- мальному значению M по мощности. Из рис. 6 видно, что с укорочением дли- ны волны диапазон работы генератора сужается как по  , так и по M . Причѐм с увеличением неоднородности магнитного поля наблюдается смещение области генерации к меньшим  . В диапазоне волн 16 и 8 мм удаѐтся возбудить гене- ратор даже при значениях   0. Максимумы мощностей на всех диапазонах наблюдаются при одинаковых  для фиксированных значений M , т. е. 0 ( )M  не зависит от частоты, а оп- ределяется характером неоднородного магнитно- го поля. На рис. 7 представлена зависимость 0 ( )M  для трѐх указанных диапазонов при /a l =0,0147. При M =40 мм 0 0  , т. е. замед- ляющая система становится параллельной оси магнита. При этом 0  , что следует из уравне- ния (9). Повышение эффективности взаимодейст- вия в неоднородном магнитном поле проявляется также в снижении пускового тока. Результаты измерений представлены на рис. 8. При снятии этих зависимостей выбиралось минимальное зна- чение пускового тока по угловой координате, т. е. значение пускI измерялось при 0 . Рис. 7. Зависимость угла наклона пучка от смещения в область неоднородного магнитного поля для трѐх диапазонов длин волн: о - 16; х - 8; Δ - 4 мм Рис. 8. Зависимость пускового тока для трех длин волн от смещения генератора в область неоднородного магнитного поля Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 77 Известно, что при оптM M пусковой ток достигает минимального значения. Отноше- ние пусковых токов для 0М  и оптM M примерно равно 2 на всех трѐх диапазонах. По- скольку на более коротких волнах абсолютное значение пускового тока больше чем на длинных, а отношение пуск пуск опт( 0) / ( )I М I М М  ос- таѐтся тем же самым, то минимум на коротких волнах проявляется более чѐтко. Но его положе- ние не зависит от длины волны и для постоянных величин /a l и опт D M L =30 мин. С целью получения зависимости оптМ от степени неоднородности магнитного поля изу- чался характер изменения выходной мощности от величины смещения М для нескольких значений L D при изменении зазора L между полюсами магнита. Опыты проводились на трѐх длинах волн. Величина магнитного поля поддерживалась постоянной и равной 2 кЭ. Результаты измерений, выполненные в 4- и 8-мм диапазонах, приведены на рис. 9. Кривые на волне 16 мм не имеют чѐтко выраженных особенностей и поэтому на рисунке не показаны. Увеличение магнитного зазора ( L ) приводит к более сильному проявлению влияния неоднородности магнитного поля, т. е. угол  от M меняется более быстро, а ширина области генерации по M сужается. Рис. 9. Зависимость выходной мощности от степени неодно- родности фокусирующего магнитного поля для двух рабочих частот генератора При изучении работы многоволнового генератора особое внимание уделяется влиянию тока на угловые зависимости, в частности, на по- ложение максимумов выходной мощности. В свя- зи с этим представляло интерес выяснить влияние тока в пучке на положение оптМ . Соответствую- щие зависимости, где по осям отложены СВЧ мощность в относительных единицах и смещение M в миллиметрах в неоднородном магнитном поле, представлены на рис. 10. Измерения прове- дены в 8-мм диапазоне волн при H =3500 Э и токе в пучке 50 мА. Превышение рабочего тока над пусковым в 2 - 3 раза, как видно из рисунка, не приводит к изменениям оптимального поло- жения генератора в неоднородном магнитном поле, а лишь расширят область возбуждения ге- нератора в основном в сторону изменения M , меньших оптМ . Максимальная эффективность взаимодействия на всех длинах волн достигается при одинаковых M . Рис. 10. Зависимость выходной мощности от степени неодно- родности магнитного поля для разных токов в пучке Для иллюстрации работы генератора в неоднородном магнитном поле на рис. 11 в трѐх- мерных координатах P M   приведены облас- ти генерирования одного из приборов, возбуж- даемых на волне 4 мм, из которых видно измене- ние выходной мощности в зависимости от угла наклона пучка и степени неоднородности маг- нитного поля. Рис. 11. Область работы генератора 4-мм диапазона при его смещении в область неоднородного магнитного поля Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 78 5. Влияние отражений на характери- стики многоволновых генераторов. При одно- временном возбуждении током пучка нескольких гребѐнок существует малая вероятность совпаде- ния максимумов СВЧ мощностей на всех несу- щих частотах в миллиметровом диапазоне из-за имеющихся отражений в тракте. Поэтому созда- ние генераторов, работающих на большом числе рабочих частот, уменьшает вероятность такого совпадения рабочих точек, что обуславливает малый выход многоволновых приборов, удовле- творяющих требованию непрерывности генери- рования. Однако известно, что значительные от- ражения приводят к ряду положительных явле- ний в генераторе, заключающихся в снижении пускового тока, повышении мощности и КПД, а также повышении стабильности частоты [8]. С этой точки зрения использование больших отра- жений на каждой волне в многоволновом генера- торе полезно. Превращение многоволновых гене- раторов в резонансные позволяет зафиксировать разрывы в частотных характеристиках в строго определѐнных местах, подчиняющихся фазовым условиям генерации на каждой волне. Это упро- щает задачу создания таких приборов, так как исключает возможность появления произвольных разрывов в частотных и пусковых характеристи- ках генераторов. Резонансность на всех излучаемых вол- нах достигалась рассогласованием периодических структур с выходным волноводом. На практике это обеспечивалось путѐм уменьшения радиуса скругления выходных концов всех гребѐнок. На коэффициент отражения со стороны пушечного конца лампы оказывает большое влияние размер анодного отверстия (размер – b ). Как правило, с широкими ленточными пучками анодное отвер- стие разделяют перегородками с целью сделать его закритическим для генерируемой волны. В резонансных лампах требования к подбору вели- чины анодного отверстия становятся ещѐ более жѐсткими. Это связано с тем, что с увеличением ширины анодного отверстия уменьшается коэф- фициент отражения от пушечного конца прибора. Проведенные измерения в 8-мм диапазоне пред- ставлены на рис. 12, где по осям отложены КСВ и длина волны. Кривая 1 снята для ширины анодного от- верстия 2 мм, кривая 2 - для 4 мм, кривая 3 - для 6 мм. Видно, что КСВ выхода быстро уменьшает- ся при определѐнной длине волны с увеличением анодного отверстия. Характер изменения КСВ от b виден на рис. 13. Кривые 1 и 2 для длин волн 8,4 и 8,15 мм соответственно. Там же приведена зависимость КСВ от b для 4-мм диапазона (кри- вые 3 и 4 для длин волн 4,24 и 4,23). Рис. 12. Зависимость КСВ от λ для разной ширины анодного отверстия b. Кривые 1, 2, 3 для b равны соответственно 2, 4, 6 мм Рис. 13. Характер изменения КСВ от b. Кривые 1, 2, 3, 4 для λ1=8,4, λ2=8,15, λ3=4,24, λ 4=4,23 мм Таким образом, увеличение ширины анодного отверстия уменьшает коэффициент от- ражения от анода пушки и следовательно умень- шает резонансность прибора на каждой волне (особенно на короткой). Поэтому анодное отвер- стие необходимо разделить перегородками не только для того, чтобы не терять часть мощности, выходящей через анодное отверстие, но и для увеличения коэффициента отражения. На много- волновых генераторах, излучающих волны 8 и 4 мм, анодное отверстие размером 4,75 мм было разделено перегородкой толщиной 0,25 мм на две части: 3 и 1,5 мм. На генераторах, излучающих длины волн 16-8-4 мм, анодное отверстие разме- ром 6 мм было разделено на две равные части. Указанные меры способствовали повышению выходных мощностей генераторов на всех излу- чаемых волнах, хотя и не в полной мере, так как в лучшем случае размеры анодного отверстия должны быть запредельными для всех волн. На практике это осуществить не удаѐтся, и поэтому Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 79 размер анодного отверстия снижают до мини- мальной величины. На рис. 14 приведены эксперименталь- ные характеристики трѐхчастотного резонансного генератора миллиметрового диапазона, в коллек- торной части которого также имеется подвижный отражающий поршень, перемещением которого можно изменять фазу коэффициента отражения во всех поддиапазонах работы многоволнового генератора. Так как фазовые условия генерации при переходе на более коротковолновые поддиа- пазоны меняются быстрее при перемещении поршня, то при определѐнном его положении возможен оптимальный случай выполнения фазо- вых условий на всех излучаемых частотах. Рис. 14. Дисперсионные характеристики трехчастотного гене- ратора На базе проведенных исследований были созданы резонансные многоволновые генераторы с электрическими и конструктивными парамет- рами, не уступающими лучшим образцам обыч- ных одноволновых генераторов. Впервые разра- ботанные в ИРЭ АН Украины многоволновые генераторы нашли широкое применение в ряде физических научно-исследовательских институ- тов и предприятий страны. Основные параметры приборов приведены в таблице. Резонансные эффекты, которые вопло- щены в многоволновом клинотроне миллиметро- вого диапазона [10], нашли своѐ отражение в соз- дании нового прибора – клинотрона с резонато- ром поверхностной волны. Результаты исследо- ваний его свойств показали высокую эффектив- ность работы на оптимальных видах колебаний. Эти преимущества очевидны из-за повышенной добротности колебательной системы, проявив- шихся в более высоких значениях КПД и выход- ной мощности, а также стабильности частоты и малых габаритах [11]. Выводы. Разработанные многоволновые резонансные генераторы миллиметрового диапа- зона (см. табл.) [8,10], работающие в режиме не- прерывного одновременного излучения на не- скольких частотах, были использованы в основ- ном для многодиапазонной локации движущейся плазмы и для еѐ многодиапазонного просвечива- ния. В первом случае на основе эффекта Доплера удалось оценить скорости и законы движения фронтов их плазменных образований различной концентрации. Во втором случае - структуру и градиенты плотности плазменных сгустков. Разработанные многоволновые резонансные генераторы миллиметрового диапазона Тип лампы БС-2 МКЛ-4 РК-3 МРК-2 Диапазон длин волн, мм 1=16 2=8,1 1=15,5 2=8,09 3=4,16 4=2,3 2=8,09 3=4,16 4=2,3 2=8,09 3=4,16 Выходная мощность в каждом под- диапазоне, Вт Р1=1 Р2=1 Р1=0,5 Р2=0,5 Р3=0,5 Р4=0,5 Р2=0,5 Р3=0,5 Р4=0,5 Р2=1 Р3=1 Напряжение, кВ 2,5 2,8 3,0 2,5 Ток анода, А 0,15 0,2 0,15 0,15 Магнитное поле, кЭ 2,5 3,5 3,0 2,5 Вывод энергии, мм 2 115,5 П-образ- ный 7,23,4 7,23,4 На многоволновых приборах была создана аппа- ратура по диагностике плазмы: многодиапазон- ный доплеровский локатор и установка для про- свечивания плазмы. По сравнению с диагности- ческими комплексами "Альфа" и "Малахит" мас- са и энергопотребление снижены более чем в че- тыре раза, а достоверность информации о свойст- вах плазмы существенно возросла. На базе этих генераторов, используя бесконтактные методы зондирования, были созданы быстродействующие фазометры, а также интерферометры типа Фабри- Перо, доплеровские и фазовые локаторы. Автор выражает искреннюю благодар- ность проф. А. А. Кириленко за большой научный вклад в идеологию построения многоволновых клинотронов миллиметрового диапазона и непо- средственное участие в экспериментах. 1. Голант В. Е. Сверхвысокочастотные методы исследова- ния плазмы // Журн. техн. физики, 1960. - 30. - 1266 с. 2. Чернетский А. В., Зиновьев О. А., Козлов О. В. Аппаратура и методы плазменных исследований. - М.: Атомиздат, 1965. - 364 с. 3. Левин Г. Я., Усиков А. Я., Ваксер И. Х. и др. О возможно- сти создания генератора " Белого радиосвета" в ММД // Тр. Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. - 1961. - С.263-268. 4. Ефимов Б. П., Левин Г. Я. Генераторы "Белого радиосве- та" на волны 16-8-4-2 миллиметра // Тр. Ин-та радиофизи- ки и электрон АН УССР. - 1963. - 2. - С.146-149. Б. П. Ефимов / Многоволновой резонансный клинотрон… _________________________________________________________________________________________________________________ 80 5. Силин Р. А., Сазонов В. П, Замедляющие системы. - М.: Изд. "Сов. Радио", 1966. - 212 с. 6. Вербицкий И. Л. Дифракция плоской волны на частой гребѐнке // Радиотехника и электроника, 1976. - №3. - С.485-496. 7. Вербицкий И. Л. Точные дисперсионные уравнения за- медляющих систем, содержащих частую гребѐнку // YIII Межвуз. конф. по электронике СВЧ. Тез. докл. Ростов-на- Дону. - 1976. - 69 с. 8. Клинотрон / Г. Я. Левин, А. И. Бородкин, А. Я. Кириченко и др. / Под ред. А. Я. Усикова. - Киев: Наук. Думка, 1992. - 200 с. 9. Постоянные магниты. Справочник / Пер. с англ. под ред. Л. Ш. Казарновского. - М.-Л.: Гос. энерг. издат., 1963. - 239 с. 10. B. P. Yefimov, G. Ya. Levin. Multiwave Resonance BWT of Clinotron type MM Radiowave Band // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 1997. - 18, № 11. - Р.31-39. 11. Ефимов Б. П, Касьяненко А. П., Мильчо М. В. Особеннос- ти возбуждения генераторов с РПВ // Докл. АН Украины. Сер. А – 1997. - № 7. - С.115-119. MULTIWAVE RESONANCE CLINOTRON OF MILLIMETER RANGE B. P. Yefimov The description of physical principles for a design of vacuum continuous electromagnetic sources radiating UHF energy simul- taneously on several frequencies in millimeter wave range is pre- sented in this paper. The problems of oscillator-load matching, output power level and frequency control, dispersive dependence calculations, the application of resonance effect in periodic struc- tures and also electron beam focusing in no homogeneous magnet- ic field are discussed. There are frequency characteristics and output parameters of devices. Keywords: multiwave clinotron, millimeter range, scale model- ling. БАГАТОХВИЛЬОВИЙ РЕЗОНАНСНИЙ КЛІНОТРОН ММ ДІАПАЗОНУ Б. П. Єфімов Описані фізичні принципи побудови вакуумних дже- рел електромагнітних коливань безперервної дії, які випромі- нюють НВЧ енергію одночасно на декількох несучих частотах у міліметровому діапазоні. Розглянуто питання узгодження генератора з навантаженням, управління рівнем вихідної по- тужності та частоти, розрахунок дисперсійних залежностей та використання резонансних ефектів у періодичних структурах, а також фокусування електронних пучків в неоднорідному магнітному полі. Наведено частотні характеристики та вихідні параметри приладів. Ключові слова: багатохвильовий клінотрон, мілі- метровий діапазон, масштабне моделювання, застосування у діагностичних приладах. Рукопись поступила 7 декабря 2006 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10901
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:24:39Z
publishDate	2007
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Ефимов, Б.П. 2010-08-09T14:45:13Z 2010-08-09T14:45:13Z 2007 Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона / Б.П. Ефимов // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 71-80. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10901 551.594 Описаны физические принципы построения вакуумных источников электромагнитных колебаний непрерывного действия, излучающие СВЧ энергию одновременно на нескольких несущих частотах в миллиметровом диапазоне. Рассмотрены вопросы согласования генератора с нагрузкой, управления уровнем выходной мощности и частотой, расчёта дисперсионных зависимостей и использования резонансных эффектов в периодических структурах, а также фокусировки электронных пучков в неоднородном магнитном поле. Приведены частотные характеристики и выходные параметры приборов. Описані фізичні принципи побудови вакуумних джерел електромагнітних коливань безперервної дії, які випромінюють НВЧ енергію одночасно на декількох несучих частотах у міліметровому діапазоні. Розглянуто питання узгодження генератора з навантаженням, управління рівнем вихідної потужності та частоти, розрахунок дисперсійних залежностей та використання резонансних ефектів у періодичних структурах, а також фокусування електронних пучків в неоднорідному магнітному полі. Наведено частотні характеристики та вихідні параметри приладів. The description of physical principles for a design of vacuum continuous electromagnetic sources radiating UHF energy simultaneously on several frequencies in millimeter wave range is presented in this paper. The problems of oscillatorload matching, output power level and frequency control, dispersive dependence calculations, the application of resonance effect in periodic structures and also electron beam focusing in no homogeneous magnetic field are discussed. There are frequency characteristics and output parameters of devices. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона Багатохвильовий резонансний клінотрон мм діапазону Multiwave resonance clinotron of millimeter range Article published earlier
spellingShingle	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона Ефимов, Б.П.
title	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
title_alt	Багатохвильовий резонансний клінотрон мм діапазону Multiwave resonance clinotron of millimeter range
title_full	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
title_fullStr	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
title_full_unstemmed	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
title_short	Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
title_sort	многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10901
work_keys_str_mv	AT efimovbp mnogovolnovyirezonansnyiklinotronmillimetrovogodiapazona AT efimovbp bagatohvilʹoviirezonansniiklínotronmmdíapazonu AT efimovbp multiwaveresonanceclinotronofmillimeterrange

Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона

Репозитарії

Схожі ресурси