способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе
Классы МПК: | H01J25/48 в которых два электронных потока, имеющие различную скорость, взаимодействуют между собой, например электроволновые лампы |
Автор(ы): | Дубинов А.Е. |
Патентообладатель(и): | Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-05-08 публикация патента:
20.09.2002 |
Изобретение относится к СВЧ-электронике, может быть использовано при разработке двухпучковых СВЧ-ламп. Сущность изобретения: при реализации способа осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость или энергию, отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении. Модуляцию пучков по плотности осуществляют, оставляя пучки моноскоростными, так, чтобы частоты модуляции первого
1 и второго
2 пучка удовлетворяли условию
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-1t.gif)
где v1 и v2 - скорости электронов в первом и втором пучках, соответственно, vph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте
При выполнении этого условия фазовая скорость волны биений пространственного заряда будет превышать vph, причем возможны два рeжимa ЛБВ и ЛОВ. Технический результат: повышение кпд двухпучковой СВЧ-лампы. 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-1t.gif)
где v1 и v2 - скорости электронов в первом и втором пучках, соответственно, vph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-2t.gif)
Формула изобретения
Способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость или энергию, отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении, отличающийся тем, что модуляцию пучков по плотности осуществляют, сохраняя пучки моноскоростными так, чтобы частоты модуляции первого![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-16t.gif)
где v1 и v2 - скорости электронов в первом и втором пучках соответственно;
vph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-17t.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано при разработке двухпучковых СВЧ-ламп. Известен способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, и пропускают оба пучка сквозь один канал параллельно друг другу в одном направлении (Федорченко B. Д. , Мазалов Ю.П., Бакай А.С., Руткевич Б.Н. Управление развитием неустойчивости в многопучковых системах, ЖЭТФ, 1973, т. 65, 6(12), с. 2225-2236) [1] . Тогда в результате развития двухпотоковой неустойчивости в пучках самовозбуждаются волны плотности пространственного заряда, которые генерируют СВЧ электромагнитные волны. Известен также способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, заключающийся в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют один или оба пучка по плотности и скорости, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал параллельно друг другу в одном направлении (Шевчик В. Н. Основы электроники сверхвысоких частот, М.: Сов. Радио, см. с. 286, 1959) [2] . Особенностью этого способа является то обстоятельство, что если модулируются оба пучка, то эти модуляции осуществляются на одной и той же частоте с помощью одного и того же устройства. Этот способ выбран за прототип. Достоинством известных способов [1, 2] является отсутствие необходимости использования замедляющих электродинамических структур, что упрощает изготовление двухпучковых СВЧ-ламп в отличие, скажем, от лампы бегущей волны (ЛБВ) или лампы обратной волны (ЛОВ). Однако эти способы имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что самовозбуждаемые в канале при пропускании через него электронных пучков волны плотности пространственного заряда имеют фазовую скорость vпз, много меньшую скорости света с, и тем более фазовой скорости электромагнитной волны в канале vрh:vпз<Этот результат достигается за счет того, что при реализации способа осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной СВЧ-лампе, который заключается в том, что одновременно формируют два электронных пучка так, что электроны в одном из них имеют скорость (или энергию), отличную от скорости электронов в другом пучке, модулируют оба пучка по плотности, а затем пропускают оба пучка сквозь один канал в одном направлении, в отличие от прототипа модуляцию пучков по плотности осуществляют, сохраняя пучки моноскоростными, так, чтобы частоты модуляции первого
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-6t.gif)
где v1 и v2 - скорости электронов в первом и втором пучках, соответственно, vph - фазовая скорость генерируемой СВЧ-волны в канале на частоте
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-7t.gif)
Поясним, почему указанное условие приводит к достижению необходимого технического результата. Рассмотрим два модулированных по плотности моноскоростных (скорости v1 и v2, соответственно) пучка, проходящих друг сквозь друга и параллельно друг другу в одном направлении с частичным перекрытием. Это можно проиллюстрировать фиг.1, на котором условно в виде линий показаны мгновенные положения максимумов плотности. Видно, что в этом случае возникает низкочастотная волна биений пространственного заряда. Так как волна биений здесь является одной из нескольких волн пространственного заряда, возбуждаемых в пучках, то во избежание путаницы будем считать, что именно ее (волны биений) фазовая скорость vb=vпз. Оценим частоту
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-8t.gif)
где z - координата вдоль направления движения пучков. Тогда суммарную плотность тока можно выразить следующим образом:
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-9t.gif)
Последний сомножитель соответствует волне биений, частоту
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-10t.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-11t.gif)
Анализируя это выражение, можно легко установить, что подбором скоростей v1, v2 и частот
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
I. Для v1= 2,5
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189050/960.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189050/960.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189050/960.gif)
II. Для v1= 2
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189050/960.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189050/960.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
Положительное значение скорости волны биений означает, что волна биений движется в ту же сторону, что и пучки. Следовательно, генерация электромагнитной СВЧ-волны происходит в режиме ЛБВ. Знак минус у скорости волны биений во втором примере означает, что волна биений движется в сторону, противоположную направлению распространения пучков. Следовательно, здесь реализуется режим генерации типа ЛОВ. Фиг. 2 - график в координатах (
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189008/956.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189008/956.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189021/969.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-12t.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-13t.gif)
Таким образом, излучение Вавилова-Черенкова в свободном пространстве, гладком волноводе и изотропной плазме возможно как в режиме ЛБВ, так и в режиме ЛОВ, вопреки противоположным утверждениям, высказанным, например, в [3] (Зрелов В. П., Излучение Вавилова-Черенкова, М.: - Атомиздат, 1968, ч. 1). Что касается самой заявляемой двухпучковой электронной СВЧ-лампы, работающей в одном из предлагаемых режимов (ЛБВ или ЛОВ), то генерируемая электромагнитная волна будет иметь в ней естественную для канала фазовую скорость, за счет чего обеспечивается ее излучение в свободное пространство без потерь и отражений. Этим обуславливается повышение кпд лампы. Выполнить необходимое условие (см. формулу изобретения) возможно, выбрав тип электромагнитной волны и ее частоту и рассчитав ее фазовую скорость. Например, для примера I, выбирая тип волны ТМ11 в канале, выполненного в виде волновода прямоугольного сечения а х b, фазовая скорость определится, как
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-14t.gif)
где критическая частота волновода равна:
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189661/2189661-15t.gif)
Фактически выполнение необходимого условия сводится к правильному выбору поперечных размеров волновода. Укажем, что пропускать модулированные пучки можно с частичным или полным их взаимопроникновением, а также когда пучки проходят друг от друга на небольшом расстоянии. Легко понять, что модулирующая секция типа клистронного резонатора или типа спирали [2] не годится для реализации предлагаемого способа, так как модуляция по плотности там сопровождается модуляцией по скорости электронов. Это приведет к сбою волны биений. Здесь нужны модуляторы пучка иного типа, осуществляющие "затворный" принцип работы. В предлагаемом способе можно использовать, например, модуляторы следующих типов, позволяющие осуществить модуляцию пучков только по плотности:
- управляемый импульсно-периодическим лазером фотокатод, причем частота модуляции пучка задается частотой следования лазерных импульсов, а скорость электронов - напряжением в катод-анодном промежутке - так называемый "лазертрон" (Лебедев АН. , Перельштейн Э.А. Ускорители будущего, Релятивистская высокочастотная электроника, Горький: ИПФ АН, 1990, 6, с. 217-255) [4]. -осциллирующий виртуальный катод, создаваемый в самом пучке собственным пространственным зарядом и периодически то пропускающий, то отражающий электроны, причем частота модуляции пучка задается его плотностью (или величиной тока), а скорость электронов - напряжением в катод-анодном промежутке -так называемый "виркатор" (Курилко В. И. , Файнберг Я.Б. Об одной возможности модуляции электронных пучков, Письма в ЖТФ, 1976, т. 2, 9, с. 397-400) [5]. Возможны модуляторы и других типов. На фиг.1 показана уже упоминавшаяся схема образования волны биений (для определенности - в режиме ЛОВ). На фиг. 2 показан уже упоминавшийся график в координатах (
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189008/956.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189014/958.gif)
![способ осуществления генерации электромагнитных волн в двухпучковой электронной сверхвысокочастотной лампе, патент № 2189661](/images/patents/281/2189014/955.gif)