Многолучевая лампа обратной волны

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Аксенчик Анатолий Владимирович Киринович Ирина Федоровна Кураев Александр Александрович Рудницкий Антон Сергеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Многолучевая лампа обратной волны, содержащая электронно-оптическую систему,содержащуюэлектронных пушек для формированияидентичных электронных лучей,электродинамическую систему с волнообразно изогнутым прямоугольным волноводом и трубками дрейфа, фокусирующую магнитную систему, коллектор электронов, вывод излучения электродинамическая система содержитканалов из соосных отверстий в широких стенках прямых отрезков волновода и трубок дрейфа между ними дляидентичных электронных лучей, а также -1 металлических пластин на сгибах волновода, причем 1, отверстия на широкой стенке расположены на расстояниях / один от другого и/2 от узких стенок волновода, металлические пластины параллельны узким стенкам 16356 1 2012.10.30 волновода и расположены на расстоянии / одна от другой и узких стенок волновода, где- расстояние между узкими стенками волновода, а длина отрезкаизогнутого волновода, расположенного между соседними соосными отверстиями, и периодэлектродинамической системы определены в соответствии с выражением для условия фазового синхронизма 2 2 01( 2 )0 - относительная скорость электронов 0 - начальная скорость электронов- скорость света в вакууме- длина волны генерируемого сигнала 0 - частота генерируемого сигнала 0 - длина волны генерируемого сигнала в волноводе. 2 Изобретение относится к радиотехнике и электронике крайне высоких частот (терагерцовый диапазон) и может быть использовано в радиолокации, радиоастрономии, спектроскопии, системах безопасности, медицинской аппаратуре. Известна лампа обратной волны (ЛОВ), содержащая электронно-оптическую систему,электродинамическую систему в виде цепочки связанных резонаторов, фокусирующую магнитную систему, коллектор электронов, вывод излучения 1. При такой конструкции ЛОВ при больших уровнях мощности генерируемого излучения появляется опасность высокочастотного пробоя в тонкостенных окнах связи. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является лампа обратной волны (ЛОВ), содержащая электронно-оптическую систему, электродинамическую систему с волнообразно изогнутым прямоугольным волноводом и трубками дрейфа, фокусирующую магнитную систему, коллектор электронов, вывод излучения 2. Электроннооптическая система содержит одну электронную пушку для формирования одного электронного луча, а электродинамическая система содержит один канал из соосных отверстий в широких стенках прямых отрезков волновода и трубок дрейфа между ними для одного электронного пучка, причем отверстия расположены на широкой стенке волновода на расстоянии /2 от узких стенок, где- размер широкой стенки волновода. В генераторе такой конструкции в терагерцовом диапазоне частот размер поперечного сечения волновода на частотах 550-560 ГГц составляет 29336 мкм, а диаметр электронного луча - 10 мкм. При таких малых размерах максимально достижимый ток электронного луча при ускоряющих напряжениях 8-10 кВ составляет 2-3 м. В результате выходная мощность генератора оказывается менее 17 мВт, а электронный КПД - менее 0,35 . Последнее объясняется тем, что возбуждаемое электронным лучом в волноводе поле из-за небольшой величины тока луча слишком мало, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие луча с электромагнитным полем. Задача изобретения - повышение выходной мощности и КПД лампы обратной волны посредством увеличения суммарного тока электронных лучей и уменьшения потерь на поглощение электромагнитного поля в стенках волновода. Поставленная задача достигается тем, что многолучевая лампа обратной волны, содержащая электронно-оптическую систему, содержащуюэлектронных пушек для фор 2 16356 1 2012.10.30 мированияидентичных электронных лучей, электродинамическую систему с волнообразно изогнутым прямоугольным волноводом и трубками дрейфа, фокусирующую магнитную систему, коллектор электронов, вывод излучения электродинамическая система содержитканалов из соосных отверстий в широких стенках прямых отрезков волновода и трубок дрейфа между ними дляидентичных электронных лучей, а также -1 металлических пластин на сгибах волновода, причем 1, отверстия на широкой стенке расположены на расстояниях / один от другого и /2 от узких стенок волновода,металлические пластины параллельны узким стенкам волновода и расположены на расстоянии / одна от другой и узких стенок волновода, где- расстояние между узкими стенками волновода, а длина отрезкаизогнутого волновода, расположенного между соседними соосными отверстиями, и периодэлектродинамической системы определены в соответствии с выражением для условия фазового синхронизма 2 2 01( 2 )0 - относительная скорость электронов 0 - начальная скорость электронов- скорость света в вакууме- длина волны генерируемого сигнала 0 - частота генерируемого сигнала 0 - длина волны генерируемого сигнала в волноводе. Сущность изобретения заключается в том, что в лампе такой конструкции каждый электронный луч пронизывает волновод в максимумах напряженности электрического поля электромагнитной волны 0 (в пучностях волны). Благодаря этому всеэлектронных лучей оказываются в одинаковых условиях взаимодействия с полем, а суммарный электронный ток ЛОВ увеличивается враз. Увеличение суммарного тока приводит к увеличению мощности возбуждаемых в волноводе электромагнитных волн и, кроме того,к уменьшению потерь на поглощение электромагнитного поля в стенках волновода за счет уменьшения его длины. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4 на фиг. 1 изображен схематически общий вид волнообразно изогнутого волновода с проходящими через отверстия в широкой стенке волновода четырьмя электронными лучами на фиг. 2 изображено продольное сечение(в вертикальной плоскости) многолучевой ЛОВ для случая четырех лучей (4) на фиг. 3 схематически изображено продольное сечение (в горизонтальной плоскости) заявляемой многолучевой ЛОВ на фиг. 4 приведен фрагмент показанного на фиг. 2 сечения и показано распределение параллельной направлению распространения пучков компоненты вектора напряженности электрического поляволны 40 вдоль широкой стенки волновода. Электронно-оптическая система содержит четыре электронные пушки 1 для формирования четырех электронных лучей 2. Каждый электронный луч 2 проходит через волновод 3 и расположенные между отверстиями волновода трубки дрейфа 4 и попадает на коллектор 6. Электронные лучи фокусируются постоянным магнитом с полюсами 8. Там же изображено устройство вывода сигнала 5 и обозначено положение металлических пластин 7 на сгибах волновода в сечении А-А для селекции волны 40. Введены обозначениядля длины отрезка изогнутого волновода, расположенного между соседними соосными отверстиями, идля периода замедляющей системы. 2 16356 1 2012.10.30 Лампа обратной волны (ЛОВ) работает следующим образом. Вследствие флуктуаций плотности электронов в волноводе возбуждаются начальные шумовые электромагнитные поля. Установленные на сгибах волновода -1 продольные металлические перегородки находятся в узлах напряженности электрического поля волны 0 и не препятствуют ее распространению в попутном и встречном направлениях, но подавляют другие (паразитные) типы волн. Влетающие в волновод электроны модулируются по скорости полем встречной волны 0. При дальнейшем их движении в трубке дрейфа скоростная модуляция переходит в модуляцию по плотности тока. Образуются электронные сгустки, которые излучают электромагнитное поле в волноводе. При выполнении условия синхронизма возбуждаются синфазные встречные волны на разных участках волновода. С увеличением числа электронных лучей увеличивается суммарный ток и, при выполнении условия синхронизма, суммарная мощность возбуждаемых синфазных волн, и за счет этого достигается увеличение мощности ЛОВ. Для эффективной генерации суммарный ток электронных лучей должен превосходить пусковой ток генератора. Пусковой же ток генератора зависит от длины волновода ЛОВ чем он длиннее, тем меньше пусковой ток. Однако в терагерцовом диапазоне весьма существенны потери на поглощение электромагнитного поля в стенках волновода. При его чрезмерном удлинении большая часть энергии излучения электронов идет на эти потери. Поэтому увеличение суммарного тока ЛОВ позволяет значительно сократить эти потери за счет укорочения длины волновода. Такой эффект вместе с улучшением эффективности взаимодействия в более интенсивном поле позволяет существенно повысить КПД прибора. Для однолучевой ЛОВ при токе луча 02,2 ма, напряжении луча 09,44 кВ, частоте 638 ГГц выходная мощность равна 16,3 мВт, а полный КПД (с учетом потерь в металле) равен 0,08 . Для многолучевой ЛОВ при 10 с теми же параметрами и размерами (только ширина волновода увеличена в 10 раз для возбуждения рабочего типа волны 100) на той же частоте - 638 ГГц, теми же значениями 0 и 0 на один луч выходная мощность равна 740 мВт, а полный КПД равен 1 . Таким образом, в заявляемом устройстве достигается повышение выходной мощности и КПД ЛОВ посредством увеличения суммарного тока электронных лучей и уменьшения потерь на поглощение электромагнитного поля в стенках волновода. Источники информации 1. Аксенчик А.В., Кураев А.А. Мощные приборы СВЧ с дискретным взаимодействием. - Минск Бестпринт, 2003. - С. 184. 2. Аксенчик А.В., Кураев А.А., Орлов В.А. Моделирование нерегулярных ЛОВ на волнообразно изогнутых прямоугольных волноводах. Материалы 16-й Международной конференции КрыМиКо, 2006. - С. 243-244. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.