устройство для генерирования электрических импульсов напряжения

Формула изобретения

1. Устройство для генерирования электрических импульсов напряжения на основе СВЧ-прибора пролетного типа, содержащее последовательно расположенные вдоль общей оси электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков с вводом СВЧ-энергии, устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию, коллектор электронов, а также вывод СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи, отличающееся тем, что устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию выполнено в виде полуволнового коаксиального резонатора, содержащего внешний и внутренний полые проводники, расположенные соосно и отделенные друг от друга высокочастотным зазором, образованным между расположенными со стороны группирователя электронных сгустков первыми торцевыми стенками внешнего и внутреннего проводников резонатора, в которых выполнены сквозные отверстия для пролета электронов, расположенные соосно пролетным каналам многорезонаторного группирователя электронных сгустков, при этом коллектор электронов расположен в полости внутреннего проводника резонатора со стороны высокочастотного зазора, в полуволновом коаксиальном резонаторе на участке, расположенном со стороны группирователя электронных сгустков, соосно резонатору установлена диэлектрическая втулка, расположенная между внутренним и внешним проводниками резонатора и вакуумноплотно соединенная с ними, коаксиальная линия вывода СВЧ-энергии расположена соосно резонатору с внешней его стороны, причем внешний проводник коаксиальной линии соединен со второй торцевой стенкой внешнего проводника резонатора, а внутренний проводник коаксиальной линии соединен со второй торцевой стенкой внутреннего проводника резонатора через центральное сквозное отверстие, выполненное во второй торцевой стенке внешнего проводника резонатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во внешнем проводнике полуволнового коаксиального резонатора на участке, расположенном между местом соединения внешнего проводника резонатора с диэлектрической втулкой и местом соединения внешнего проводника резонатора с внешним проводником коаксиальной линией вывода СВЧ-энергии выполнено первое разъемное соединение, а во внутреннем проводнике коаксиальной линии на участке, расположенном вблизи второй торцевой стенкой внешнего проводника резонатора выполнено второе разъемное соединение.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний и/или внутренний проводники полуволнового коаксиального резонатора выполнены в виде полых цилиндров.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний и/или внутренний проводники полуволнового коаксиального резонатора содержат два последовательно соединенных участка, выполненных в виде полых цилиндров разных диаметров.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний проводник полуволнового коаксиального резонатора содержит три последовательно и соосно соединенных участка, первый и третий из которых выполнены в виде полых цилиндров и расположены соответственно со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны вывода СВЧ-энергии, а расположенный между ними второй участок выполнен в виде полого усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону группирователя электронных сгустков.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в полости внутреннего проводника резонатора с внешней стороны коллектора расположены каналы охлаждения.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на участке полуволнового коаксиального резонатора, расположенном со стороны вывода СВЧ-энергии, к его внешнему проводнику подсоединены установленные перпендикулярно ему патрубки для подвода охлаждающей среды в каналы охлаждения через диэлектрические трубки, установленные между внешним и внутренним проводниками полуволнового коаксиального резонатора соосно патрубкам.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во внешнем проводнике полуволнового коаксиального резонатора выполнены сквозные щели, расположенные параллельно продольной оси устройства и перекрытые слоем поглощающего СВЧ-энергию материала, размещенного на наружной поверхности внешнего проводника полуволнового коаксиального резонатора.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первые торцевые стенки внутреннего и внешнего проводников полуволнового коаксиального резонатора снабжены расположенными со стороны высокочастотного зазора соосно резонатору выступами с отверстиями для пролета электронов.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что каждый из выступов выполнен в виде диска.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что каждый из выступов выполнен в виде кольца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным приборам СВЧ, предназначенным для генерирования сверхкоротких электрических импульсов напряжения со сверхвысокой частотой повторения, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Известно устройство для генерирования импульсов напряжения типа пролетный клистрон, содержащее размещенные в вакуумном объеме электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков, устройство преобразования энергии электронных сгустков в СВЧ-нергию, выполненное в виде выходного тороидального резонатора, ввод и вывод СВЧ-энергии и коллектор, а также размещенную снаружи устройства магнитную систему для создания продольного магнитного поля [1].

Недостатком этого устройства является то, что оно генерирует импульсы напряжения только синусоидальной формы, что ограничивает область его применения из-за невозможности создания сверхкоротких электрических импульсов напряжения со сверхвысокой частотой повторения.

При создании генератора сверхкоротких импульсов предлагается использовать тот факт, что в электровакуумных приборах O-типа, в том числе в клистронах, при группировке электронного потока создаются сгустки электронного тока с частотой повторения, равной частоте входного СВЧ-сигнала, подаваемого на прибор, и длительностью около 0,1 периода повторения, причем сгустки электронного тока содержат широкий спектр гармоник тока. Однако в обычных клистронах такие сгустки, выйдя из группирователя, попадают в высокодобротный выходной резонатор, использующий в качестве рабочей частоты только первую гармонику, которая наводит в выходном резонаторе значительную амплитуду СВЧ-напряжения первой гармоники. Далее выходной сигнал на частоте той же первой гармоники передается через вывод СВЧ-энергии в нагрузку.

Если при построении генератора сверхкоротких импульсов на основе электровакуумного СВЧ-прибора пролетного типа создать выходную электродинамическую систему (то есть устройство для преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию) с очень широкой (порядка декады) полосой частот, то это позволит осуществить эффективный отбор энергии у электронного пучка не на одной, а на нескольких гармониках, что, в свою очередь, позволит сформировать выходной сигнал в виде сверхкоротких импульсов со сверхвысокой частотой повторения, а не монохроматический сигнал на первой гармонике.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом изобретения) является устройство для генерирования электрических импульсов напряжения, выполненное на основе СВЧ-прибора пролетного типа [2].

Устройство содержит последовательно размещенные в вакуумном объеме генератор электронных сгустков (включающий электронную пушку и многорезонаторный группирователь электронных сгустков с вводом СВЧ-энергии), устройство преобразования энергии электронных сгустков в СВЧ-энергию и коллектор, а также вывод СВЧ-энергии и размещенную в вакуумном объеме устройства магнитную систему для создания в устройстве продольного магнитного поля.

Устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию выполнено в виде двух параллельно расположенных плоских электродов, размещенных в вакуумном объеме устройства перпендикулярно его продольной оси и снабженных каналами для прохождения электронов. Эти два плоских электрода образуют начальный участок согласованной полосковой линии передачи, по которой СВЧ энергия передается из устройства преобразования энергии во внешнюю нагрузку. Для удобства вывода СВЧ-энергии согласованная полосковая линия на выходе из вакуумного объема устройства переходит в коаксиальную линию передачи, являющуюся выводом СВЧ-энергии.

Однако выполнение устройства преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию в виде двух параллельных плоских электродов имеет ряд существенных недостатков.

1. При расчете такого устройства преобразования необходимо учитывать не только его погонные характеристики, но и концевую емкость полосковой линии, образованной плоскими электродами (емкость в области прохождения электронного потока).

Эквивалентную схему устройства преобразования можно представить в виде параллельного соединения трех компонент: I _n, _n С, R,

где I _n - амплитуда n-ой гармоники тока (n=1, 2, 3,...),

_n - частота n-ой гармоники тока ( _n=n ),

С - концевая емкость параллельных плоских электродов полосковой линии передачи,

R - волновое сопротивление полосковой линии передачи.

Импеданс нагрузки Z_n устройства преобразования определяется как Z _n=R/(1+jn RC), а амплитуда U_n напряжения n-ой гармоники определяется как U_n=I _n|Z_n|.

Для реального многолучевого электровакуумного прибора, в том числе для прототипа, работающего на частоте сигнала 1 ГГц, при ускоряющем напряжении 15 кВ и импульсе сгруппированного тока 100 А концевая емкость С составляет около 1 пФ, а волновое сопротивление полосковой линии передачи R выбирается равным 50 Ом. Из анализа частотной зависимости импеданса |Z _n|, полученной при этих заданных параметрах полосковой линии передачи следует, что если частота первой гармоники составляет 1 ГГц, то |Z_n| на первой гармонике составляет 45 Ом, а на восьмой гармонике с частотой 8 ГГц |Z _n| составляет всего 7 Ом. Это приводит к существенному снижению амплитуды напряжения U_n всех высших гармоник, начиная со второй.

На более высоких частотах происходит дальнейшее уменьшение амплитуды высших гармоник - вплоть до полного их исчезновения, что приводит к обеднению спектра частот выходного СВЧ-сигнала и, как следствие этого, к размытости фронтов и увеличению протяженности импульсов напряжения выходного СВЧ-сигнала.

Таким образом, наличие значительной концевой емкости (порядка 1 пФ) устройства преобразования, выполненного в виде двух параллельных плоских электродов, существенно снижает амплитуды высших гармоник и, следовательно, амплитуду импульса напряжения на выходе генераторного устройства и КПД устройства. Для получения большой амплитуды импульсов напряжения выходного сигнала можно увеличивать напряжение питания, то есть использовать высоковольтные источники питания, но это значительно увеличит энергозатраты и габариты оборудования, используемого при эксплуатации устройства.

2. В устройстве-прототипе СВЧ электрическое поле существует не только в зазоре между параллельными плоскими электродами, но и в промежутке между выходным торцом генератора электронных сгустков и расположенным со стороны этого генератора плоским электродом устройства преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию, причем СВЧ электрические поля в указанном промежутке и в зазоре между плоскими электродами имеют противоположную направленность. Это приводит к размыванию электронного сгустка, увеличению его длительности и уменьшению амплитуд гармоник тока, что, в свою очередь, приводит к ухудшению выходных характеристик устройства: к понижению амплитуды и увеличению длительности импульсов гармоник выходного напряжения. В результате этого увеличивается длительность и уменьшается амплитуда импульса напряжения на выходе генераторного устройства, что также снижает КПД устройства.

3. Размещение фокусирующей магнитной системы в вакуумном объеме устройства нежелательно, так как при этом увеличиваются габариты вакуумной части устройства и затрудняется настройка магнитной системы, кроме того, при высокотемпературной обработке прибора во время его откачки свойства магнитов существенно ухудшаются.

Таким образом, использование в прототипе полосковой линии в качестве устройства для преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию, то есть использование линии нерезонансного типа, не позволяет получить на выходе СВЧ-прибора сверхкороткие импульсы напряжения с большой амплитудой.

Актуальной задачей в настоящее время является получение сверхкоротких электрических импульсов напряжения с большой амплитудой и сверхвысокой частотой повторения.

В предлагаемом изобретении эта задача решается путем создания устройства для генерирования электрических импульсов напряжения на основе СВЧ-прибора пролетного типа, обеспечивающего по сравнению с прототипом уменьшение длительности и увеличение амплитуды электрических импульсов напряжения выходного СВЧ-сигнала при сохранении сверхвысокой частоты повторения импульсов.

Кроме того, конструкция предлагаемого устройства для генерирования электрических импульсов напряжения позволяет значительную часть устройства преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию расположить вне вакуумной части устройства для генерирования электрических импульсов и, вследствие этого, позволяет выполнить отдельные элементы этой части устройства съемными и разместить элементы подстройки вне вакуумной части этого устройства, что приводит к упрощению и удобству его настройки после откачки и в процессе испытания устройства, а также к упрощению выполнения системы подвода охлаждающей среды к коллектору устройства.

Предлагается устройство для генерирования электрических импульсов напряжения на основе СВЧ-прибора пролетного типа, содержащее последовательно расположенные вдоль общей оси электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков с вводом СВЧ-энергии, устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию, коллектор электронов, а также вывод СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи, при этом устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию выполнено в виде полуволнового коаксиального резонатора, содержащего внешний и внутренний полые проводники, расположенные соосно и отделенные друг от друга высокочастотным зазором, образованным между расположенными со стороны группирователя электронных сгустков первыми торцевыми стенками внешнего и внутреннего проводников резонатора, в которых выполнены сквозные отверстия для пролета электронов, расположенные соосно пролетным каналам многорезонаторного группирователя электронных сгустков, при этом коллектор электронов расположен в полости внутреннего проводника резонатора со стороны высокочастотного зазора, в полуволновом коаксиальном резонаторе на участке, расположенном со стороны группирователя электронных сгустков, соосно резонатору установлена диэлектрическая втулка, расположенная между внутренним и внешним проводниками резонатора и вакуумноплотно соединенная с ними, коаксиальная линия вывода СВЧ-энергии расположена соосно резонатору с внешней его стороны, причем внешний проводник коаксиальной линии соединен со второй торцевой стенкой внешнего проводника резонатора, а внутренний проводник коаксиальной линии соединен со второй торцевой стенкой внутреннего проводника резонатора через центральное сквозное отверстие, выполненное во второй торцевой стенке внешнего проводника резонатора.

В предлагаемом устройстве во внешнем проводнике полуволнового коаксиального резонатора на участке, расположенном между местом соединения внешнего проводника резонатора с диэлектрической втулкой и местом соединения внешнего проводника резонатора с внешним проводником коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии выполнено первое разъемное соединение, а во внутреннем проводнике коаксиальной линии на участке, расположенном вблизи второй торцевой стенки внешнего проводника резонатора выполнено второе разъемное соединение.

В предлагаемом устройстве внешний и/или внутренний проводники полуволнового коаксиального резонатора выполнены в виде полых цилиндров.

В предлагаемом устройстве внешний и/или внутренний проводники полуволнового коаксиального резонатора содержат два последовательно соединенных участка, выполненных в виде полых цилиндров разных диаметров.

В предлагаемом устройстве внутренний проводник полуволнового коаксиального резонатора содержит три последовательно и соосно соединенных участка, первый и третий из которых выполнены в виде полых цилиндров и расположены соответственно со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны вывода СВЧ-энергии, а расположенный между ними второй участок выполнен в виде полого усеченного конуса, меньшее основание которого обращено в сторону группирователя электронных сгустков.

В предлагаемом устройстве в полости внутреннего проводника резонатора с внешней стороны коллектора расположены каналы охлаждения. При этом на участке полуволнового коаксиального резонатора, расположенном со стороны вывода СВЧ-энергии, к внешнему проводнику резонатора подсоединены установленные перпендикулярно ему патрубки для подвода охлаждающей среды в каналы охлаждения через диэлектрические трубки, установленные между внешним и внутренним проводниками полуволнового коаксиального резонатора соосно патрубкам.

В предлагаемом устройстве во внешнем проводнике полуволнового коаксиального резонатора выполнены сквозные щели, расположенные параллельно продольной оси устройства и перекрытые слоем поглощающего СВЧ-энергию материала, размещенного на наружной поверхности внешнего проводника полуволнового коаксиального резонатора.

В предлагаемом устройстве первые торцевые стенки внутреннего и внешнего проводников полуволнового коаксиального резонатора снабжены расположенными со стороны высокочастотного зазора соосно резонатору выступами с отверстиями для пролета электронов. При этом каждый из выступов выполнен в виде диска или в виде кольца.

Устройство преобразования энергии электронов в СВЧ-энергию выполнено в виде полуволнового коаксиального резонатора, то есть является устройством резонансного типа, что позволяет (в отличие от прототипа) возбуждать в нем колебания с высокими амплитудами одновременно на многих частотах и, тем самым, сформировать на выходе устройства сверхкороткие импульсы напряжения с высокой амплитудой при сохранении сверхвысокой частоты повторения импульсов.

При этом расположение высокочастотного зазора вблизи группирователя электронных сгустков между первыми торцевыми стенками внешнего и внутреннего проводников резонатора позволяет максимально приблизить коллектор к группирователю и тем самым значительно сократить продольные размеры устройства.

Размещение коллектора в полости внутреннего проводника резонатора позволяет обеспечить компактность конструкции и конструктивное удобство размещения системы охлаждения коллектора.

Выполнение вывода СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи обеспечивает (так же как и в прототипе) возможность передачи выходных импульсов напряжения в нагрузку в широкой полосе. При этом расположение коаксиальной линии соосно резонатору существенно сокращает поперечные размеры устройства и не вносит существенных искажений в структуру полей резонатора, что позволяет осуществлять более эффективный отбор энергии от электронного потока СВЧ-полем и передачу энергии в нагрузку.

Диэлектрическая втулка, размещенная между внешним и внутренним проводниками резонатора, выполняет ряд функций: она является элементом крепления внутреннего проводника (с коллектором) к внешнему проводнику резонатора и электрически изолирует эти проводники друг от друга; диэлектрическая втулка выполнена из вакуумноплотной керамики, вакуумноплотно соединена с внешним и внутренним проводниками резонатора, образует часть вакуумной оболочки устройства и разделяет резонатор на вакуумную часть (которая включает в себя высокочастотный зазор резонатора и коллектор) и невакуумную часть резонатора, соединенную с выводом СВЧ-энергии.

Вследствие размещения диэлектрической втулки вблизи группирователя электронных сгустков расположенный со стороны коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии значительный по протяженности участок внешнего проводника резонатора расположен вне вакуумной части прибора. Это позволяет размещать на этом участке внешнего проводника резонатора элементы подстройки и осуществлять подстройку частот резонатора после откачки устройства. Кроме того, этот участок (или часть этого участка) внешнего проводника резонатора может быть выполнен съемным, что позволяет размещать элементы подстройки на внешней поверхности внутреннего проводника резонатора и с помощью этих элементов осуществлять подстройку частоты резонатора. Необходимость такой подстройки возникает при отсутствии возможности осуществлять подстройку частот с помощью элементов подстройки на внешнем проводнике резонатора. Кроме того, выполнение части внешнего проводника резонатора съемной позволяет упростить выполнение системы подвода охлаждающей среды к коллектору.

Внешний и внутренний проводники коаксиального резонатора могут быть выполнены в виде полых цилиндров. Проводники резонатора (один или оба) могут иметь более сложную форму, например, могут состоять из нескольких участков, отличающихся по форме в зависимости от требуемых параметров устройства и условий обеспечения удобства компоновки.

Расположение высокочастотного зазора с одной стороны резонатора, сложность формы проводников, наличие в резонаторе диэлектрической втулки (расположенной не симметрично относительно торцов резонатора), элементов подвода охлаждающей среды и самой этой среды может привести к возникновению в резонаторе нежелательных (паразитных) видов колебаний, электрические поля которых имеют продольные составляющие. Для подавления этих паразитных колебаний во внешнем проводнике резонатора выполняют сквозные продольные щели, а на наружной поверхности внешнего проводника располагают слой поглощающего СВЧ-энергию материала, перекрывающего эти щели.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан один из возможных вариантов выполнения предлагаемого устройства для генерирования электрических импульсов напряжения.

На фиг.2 показан фрагмент предлагаемого устройства с поглотителем СВЧ-энергии.

Устройство, показанное на фиг.1, содержит последовательно расположенные вдоль общей оси многолучевую электронную пушку 1, многорезонаторный группирователь электронных сгустков 2, полуволновый коаксиальный резонатор 3 и вывод СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи 4.

Многорезонаторный группирователь электронных сгустков 2 включает несколько (четыре или пять) тороидальных резонаторов 5 с пролетными трубами 6, в которых выполнены сквозные отверстия 7, образующие пролетные каналы. Расположенный со стороны электронной пушки 1 входной тороидальный резонатор 2 снабжен коаксиальным вводом СВЧ-энергии 8.

Полуволновый коаксиальный резонатор 3 содержит внешний 9 и внутренний 10 проводники, отделенные друг от друга высокочастотным зазором 11. Внутренний проводник 10 коаксиального резонатора 3 выполнен полым и состоит из трех последовательно соединенных участков, первый и третий из которых выполнены в виде полых цилиндров 12, 13, а второй участок выполнен в виде полого усеченного конуса 14. В полости внутреннего проводника 10 размещен коллектор 15. Обращенные друг к другу первые торцевые стенки 16, 17 соответственно внешнего 9 и внутреннего 10 проводников резонатора 3 снабжены кольцевыми выступами 18 со сквозными отверстиями 19, образующими пролетные каналы. Внешний проводник 9 коаксиального резонатора 3 состоит из двух последовательно соединенных участков, выполненных в виде полых цилиндров 20, 21 с разными внутренними диаметрами. Между торцами первого участка (цилиндра 20) внешнего проводника 9 и третьего участка (цилиндра 13) внутреннего проводника 10 резонатора 3 расположена диэлектрическая втулка 22, выполненная из вакуумноплотной керамики и вакуумноплотно соединенная с проводниками 9, 10 резонатора 3. Диэлектрическая втулка 22 может быть выполнена в виде полого цилиндра или полого усеченного конуса (не показан на чертеже). Диэлектрическая втулка 22 разделяет коаксиальный резонатор 3 на вакуумную и невакуумную части. При этом первый участок внешнего проводника 9 (цилиндр 20), диэлектрическая втулка 22, а также первый и второй участки внутреннего проводника 10 (цилиндр 12 и усеченный конус 14) и внутренняя поверхность коллектора 15 составляют часть вакуумной оболочки устройства, а второй участок внешнего проводника 9 (цилиндр 21) и третий участок внутреннего проводника 10 (цилиндр 13) и соединенные с ними вторые торцевые стенки 23 и 24 этих проводников соответственно, а также разделенные изолирующим кольцом 25 внешний 26 проводник коаксиальной линии передачи 4 вывода СВЧ-энергии (соединенный со второй торцевой стенкой 23 внешнего проводника 9) и внутренний 27 проводник коаксиальной линии передачи 4 вывода СВЧ-энергии (соединенный со второй торцевой стенкой 18 внутреннего проводника 10 через сквозное отверстие 28 в торцевой стенке 23 внешнего проводника 9) расположены за пределами вакуумной части устройства. Это позволяет разместить вне вакуумной части устройства каналы охлаждения 29 коллектора 15 и соединенные с ними через диэлектрические трубки 30 патрубки 31 для подвода охлаждающей среды в каналы охлаждения 29. Вне вакуумной части устройства в области размещения второго участка внешнего проводника и третьего участка внутреннего проводника коаксиального резонатора и вблизи вторых торцевых стенок этих проводников можно устанавливать элементы подстройки коаксиального резонатора (не показаны на чертеже). Для удобства подстройки расположенные вне вакуумного объема устройства участки внешнего проводника 9 коаксиального резонатора 3, а также части коаксиальной линии 4 могут быть выполнены съемными. В конструкции, показанной на фиг.1, такими съемными элементами являются соединенные между собой второй участок (цилиндр 21) внешнего проводника 9 резонатора 3, вторая торцевая стенка 23 внешнего проводника 9 резонатора 3 и коаксиальная линия 4 вывода СВЧ-энергии. При этом второй участок (цилиндр 21) внешнего проводника 9 скреплен с первым участком (цилиндр 20) внешнего проводника 9 резонатора 3 с помощью винтов 32, а внутренний проводник 27 коаксиальной линии 4 вывода СВЧ-энергии скреплен со второй торцевой стенкой 24 внутреннего проводника 9 резонатора 3 с помощью резьбового соединения 33. Кроме того, внешний проводник 26 коаксиальной линии 4 может состоять из двух частей (как показано на чертеже), скрепленных между собой с помощью резьбового соединения 34. Для обеспечения фокусировки электронных пучков устройство снабжено фокусирующей магнитной системой 35. Магнитная система размещена вне вакуумной части устройства снаружи многорезонаторного группирователя электронных сгустков 2 и может быть выполнена на постоянных магнитах или в виде соленоида. Размещение фокусирующей магнитной системы вне вакуумного объема устройства обеспечивает простоту и удобство настройки магнитной системы. При этом не увеличиваются габариты вакуумной части устройства и при высокотемпературной обработке прибора во время его откачки используют прибор без магнитной системы.

На фиг.2 изображен фрагмент предлагаемого устройства, показанного на фиг.1, в которое введен поглотитель СВЧ-энергии. В таком устройстве во внешнем проводнике 9 коаксиального резонатора 3 выполнены сквозные щели 36, расположенные параллельно продольной оси устройства. На наружной поверхности внешнего проводника 9 размещен слой 37 материала, поглощающего СВЧ-энергию, который перекрывает щели 36. С внешней стороны слой 36 закрыт металлическим экраном 38.

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом. Многолучевой электронный пучок, сформированный электронной пушкой 1, поступает в первый из резонаторов 5 (входной резонатор) многорезонаторного группирователя 2 и модулируется по скорости входным СВЧ-сигналом, поступающим в этот резонатор через коаксиальный ввод СВЧ-энергии 8. После прохождения промодулированного электронного пучка через последующие резонаторы 5 на выходе группирователя 2 получаются плотно сгруппированные сгустки электронов. При этом электронные сгустки имеют гармоники тока, кратные частоте входного СВЧ-сигнала. Электронные сгустки поступают в высокочастотный зазор 11 полуволнового коаксиального резонатора 3, который имеет собственные колебания также на частотах , 2 , 3 ,..., n , то есть на частотах, кратных частоте входного СВЧ-сигнала . В полуволновом коаксиальном резонаторе СВЧ электрическое поле максимально в высокочастотном зазоре 11 (между первыми торцевыми стенками 16, 17 соответственно внешнего 9 и внутреннего 10 проводников резонатора 3) для каждого из этих видов колебаний. Это означает, что при вхождении электронного потока в высокочастотный зазор резонатора в нем одновременно возбуждаются все эти виды колебаний. При взаимодействии электронного потока с полем каждого из видов колебаний происходит автоматическая фазировка всех видов колебаний. В этом случае результирующую амплитуду колебаний можно представить как сумму амплитуд этих колебаний. В результате такого суммирования на выходе резонатора 3 образуется последовательность импульсов напряжения с частотой повторения , которая через коаксиальную линию передачи 4 вывода СВЧ-энергии передается во внешнюю нагрузку, например, в антенну.

Для получения максимальной величины результирующей амплитуды колебаний (для формирования импульсов напряжения с максимальной амплитудой) необходимо увеличивать добротность полуволнового резонатора по мере увеличения частоты вида колебания, что позволяет компенсировать падение импеданса резонатора, которое происходит с ростом частоты вида колебания. В реальной конструкции увеличение добротности резонатора на более высоких по частоте видах колебаний достигается путем подбора формы и размеров элементов полуволнового резонатора и величины связи с выводом СВЧ-энергии.

Более точную настройку полуволнового коаксиального резонатора можно осуществить за счет того, что в предлагаемой конструкции в значительной по протяженности части полуволнового резонатора, расположенной вне вакуумного объема устройства, можно разместить элементы настройки в местах, необходимых для эффективной настройки резонатора. При этом для удобства настройки отдельные части коаксиального резонатора могут быть выполнены съемными.

Возможность одновременного возбуждения в полуволновом коаксиальном резонаторе предлагаемого устройства большого числа фазированных видов колебаний с высокой амплитудой создает условия получения на выходе устройства сверхкоротких импульсов напряжения.

Таким образом, в предлагаемом устройстве формируется последовательность сверхкоротких импульсов напряжения с высокой амплитудой и со сверхвысокой частотой повторения.

Предлагаемая конструкция обеспечивает простоту и удобство настройки выходного (коаксиального) резонатора после откачки и в процессе испытания устройства, а также простоту подвода охлаждающей среды к коллектору устройства.

Источники информации

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 2. М.: Высшая школа, 1972, с.154.

2. Патент РФ №2178947, МКИ ⁷: H01J 25/02, опубл. 27.01.2002 г., Устройство для генерирования электрических импульсов напряжения.