Наноклістрон

Реферат: Наноклістрон належить до електротехніки, а саме до вакуумних генераторів електромагнітних коливань терагерцового інтервалу частот. У наноклістроні між основним тороїдальним резонатором та відбивачем електронів встановлено додатковий тороїдальний резонатор з робочою круговою частотою   2nf , де n=3, 5 - номер гармоніки коливань, f - частота коливань. Зазор взаємодії, створений двома пласкими сітками, паралельними площинам першої та другої сітки основного тороїдального резонатора, кожна із яких виконана у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям. Суміжні сітки зазорів взаємодії основного і додаткового тороїдальних резонаторів об'єднані. Хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії у навантаження встановлено в додатковому тороїдальному резонаторі. Технічним результатом є збільшення потужності вихідного сигналу генератора при підвищенні робочої частоти в терагерцовому інтервалі. UA 101503 C2 (12) UA 101503 C2 UA 101503 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вакуумної електроніки край високих частот (КВЧ) і може знайти широке використання в джерелах електромагнітних коливань О-типу, а саме, в наноклістронах міліметрового (ММ) та субміліметрового (субММ) діапазонів, зокрема, у відбивальних наноклістронах терагерцового інтервалу частот із малим часом готовності та великим терміном безвідмовної роботи. Відомий відбивальний клістрон (ВК) субММ діапазону хвиль, який містить у собі електроннооптичну систему, виконаний із вісесиметричним отвором анод у вигляді тороїдального резонатора, відбивач електронів, хвилевідний пристрій для передавання електромагнітної енергії із тороїдального резонатора в навантаження (Чернец А.Н., Бабенко М.И., Огаркова Л.В. Отражательные клистроны миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн // Труды ИРЭ АН УССР, 1970, т.18, с. 90-105). Недолік відомого відбивального клістрона субММ діапазону хвиль полягає в наступному. В електронно-оптичній системі (ЕОС) відбивального клістрона - аналога використано термоелектронний катод, емісія потоку електронів із емітера якого неможлива без затрат енергії на його розігрівання. Такий катод забезпечує термін безвідмовної роботи генератора декілька сотень годин. Емітер термоелектронного катода не спроможний забезпечити збільшення щільності струму емісії при підвищенні робочої частоти відбивального клістрона у терагерцовому інтервалі частот. Внаслідок цього ЕОС із термоелектронним катодом в таких генераторах не спроможна забезпечити формування електронного пучка із достатньою щільністю робочого струму та підвищення потужності вихідного сигналу навіть при застосуванні поперечної компресії потоку заряджених часток. Окрім цього, ВК с термоелектронним катодом не забезпечує миттєвого часу готовності. Відомий відбивальний наноклістрон (ВНК) - генератор електромагнітного випромінювання терагерцового інтервалу частот, який містить ЕОС, яка складається із холодного катода із автоемісійним емітером електронів у вигляді матриці вістер, керуючого електрода у вигляді сітки із системою круглих отворів коаксіальних вістрям, анода у вигляді тороїдального резонатора із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками у вигляді системи круглих отворів коаксіальних вістрям, відбивач електронів, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії із тороїдального резонатора у навантаження (R.L. Ives, Microfabrication of high-frequency vacuum electron devices // IEEE Transaction on Plasma Science, vol. 32, No 3, p. 1288, 1200-GHz Nanoklystron, June 2004). Технічне рішення - відбивальний наноклістрон має суттєві недоліки. Недоліки обумовлені тим, що ЕОС такого ВНК має три електроди, потенціал на яких зростає від катода до анода, а це обумовлює формування електронного струмка зі значним розкидом заряджених часток по енергіях. Наростання потенціалів на електродах ЕОС викликає збільшення поперечної складової швидкості електронів, не сприяє ефективному модулюванню такого потоку заряджених часток за швидкістю, а також їх групуванню у компактні згустки зазором взаємодії одного тороїдального резонатора. Вказані недоліки не сприяють збільшенню потужності вихідного сигналу при підвищенні робочої частоти в терагерцовому інтервалі частот. Найбільш близьким за технічною суттю та сукупністю ознак до даного технічного рішення аналогом (прототипом) є наноклістрон, який містить електронно-оптичну систему, що складається із холодного катода з автоемісійним емітером електронів у вигляді матриці вістер, плоского керуючого електрода у вигляді матриці із круглими отворами коаксіальними вістрям, плоского фокусуючого електрода у вигляді матриці із круглими отворами коаксіальними вістрям, електрично з'єднаного із катодом, анода - коливальної структури у вигляді основного тороїдального резонатора із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками, кожна із яких має вигляд матриці з круглими отворами коаксіальними вістрям, електрично з'єднаного із керуючим електродом, відбивач електронів, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії із тороїдального резонатора у навантаження (Патент України № 92399, 9 МПК Н01 J 25/00. Наноклістрон. В. Д.Єрьомка. 2010 г). У такому наноклістроні модуляція електронного потоку за швидкістю і відбір у нього високочастотної енергії після модуляції по щільності на шляху від відбивача електронів до зустрічі із гальмівною електричною складовою електромагнітного поля тороїдального резонатора відбувається в одному і тому ж зазорі взаємодії коливальної структури. При цьому, як процес модуляції електронів за швидкістю, так і процес їх групування за щільністю не є оптимальними Вказані недоліки не сприяють збільшенню потужності вихідного сигналу при підвищенні робочої частоти наноклістрона. В основу винаходу поставлено задачу - удосконалити наноклістрон шляхом підвищення ефективності модулювання часток електронного потоку за швидкістю та групування їх в більш 1 UA 101503 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 щільні згустки, що забезпечить зростання потужності вихідного сигналу при підвищенні робочої частоти генератора в терагерцовому інтервалі. Поставлена задача вирішується тим, що у наноклістроні, який містить електронно-оптичну систему, що складається із холодного катода на основі автоемісійного емітера електронів у вигляді матриці вістер, плоского керуючого електрода у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, плоского фокусуючого електрода у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, електрично з’єднаного із катодом, анода - коливальної структури у вигляді основного тороїдального резонатора із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками, кожна із яких виконана у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, електрично з’єднаного із керуючим електродом, відбивач електронів, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії із резонатора у навантаження, згідно із винаходом, між основним тороїдальним резонатором та відбивачем електронів встановлено додатковий тороїдальний резонатор із робочою круговою частотою =2nf, де n = 3, 5 - номер гармоніки коливань, f - частота коливань, та зазором взаємодії, створеним двома плоскими сітками, паралельними площинам першої та другої сітки основного тороїдального резонатора, кожна із яких виконана у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, при цьому суміжні сітки зазорів взаємодії основного та додаткового тороїдальних резонаторів об’єднані, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії у навантаження встановлено в додатковому тороїдальному резонаторі. Причинно-наслідковий зв’язок між сукупністю ознак винаходу, що заявляються, та технічним результатом, що досягається полягає в наступному. Удосконалення коливальної структури наноклістрона шляхом встановлення між основним тороїдальним резонатором та відбивачем електронів додаткового тороїдального резонатора з робочою круговою частотою =2nf, де n = 3, 5, та зазором взаємодії, створеним двома плоскими сітками, паралельними площинам першої та другої сітки основного тороїдального резонатора, кожна із яких виконана у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, при цьому суміжні сітки зазорів взаємодії основного і додаткового тороїдальних резонаторів об’єднані, сприяє підвищенню ефективності модулювання часток електронного потоку за швидкістю та їх групування в більш щільні згустки. Це обумовлено тим, що електрони, промодульовані за швидкістю в зазорі взаємодії основного тороїдального резонатора, зазнають оптимальної модуляції за швидкістю в зазорі взаємодії додаткового тороїдального резонатора, а в процесі руху у нелінійному електричному полі відбивача групуються у згустки із найбільшою із можливих в заданих умовах щільністю заряджених часток, збільшуючи таким чином амплітуду гармонік струму. Потік щільних згустків згрупованих електронів більш ефективно віддає свою кінетичну енергію гальмівній електричній складовій високочастотного електромагнітного поля в зазорі взаємодії додаткового тороїдального резонатора на резонансних кругових частотах 3=6f або 5=10f які є, відповідно третьою, або п’ятою гармоніками резонансної частоти 1 основного резонатора. Конструкція заявленого технічного рішення забезпечує збільшення потужності вихідного сигналу, яка передається із додаткового резонатора у навантаження через вихідний хвилевідний пристрій, при підвищенні його частоти, ніж наноклістрон-прототип, у якого резонансна частота тороїдального резонатора є частотою 3, або 5. Встановлення в заявленому технічному рішенні вихідного хвилевідного пристрою в додатковому тороїдальному резонаторі, який має резонансну кругову частоту 3=6f, або 5=10f, сприяє передаванню у навантаження збільшеної величини високочастотної енергії на значно підвищеній частоті в терагерцовому інтервалі при резонансній круговій частоті основного резонатора 1=2f. Суть винаходу пояснюється кресленням. На кресленні схематично зображено переріз наноклістрона, який показує взаємне розташування холодного катода із матричним вістрійним автоелектронним емітером, керуючого та фокусуючого електродів ЕОС, анода - коливальної структури у вигляді основного та додаткового тороїдальних резонаторів із резонансними круговими частотами, відповідно, 1=2f, 3=6f, або 5=10f, вихідного хвилевідного пристрою для передавання електромагнітної високочастотної енергії у навантаження, встановленого в додатковому тороїдальному резонаторі, відбивача електронів. Наноклістрон (креслення) містить ЕОС 1, яка складається із холодного катода 2 із матричним вістрійним автоелектронним емітером 3, керуючого електрода 4, фокусуючого електрода 5, анода 6, відбивача 7 електронів. Анод 6 - коливальна структура у вигляді основного тороїдального резонатора 8 із зазором 9 взаємодії та додаткового тороїдального резонатора10 із зазором 11 взаємодії. Зазор 9 взаємодії основного тороїдального резонатора 8 2 UA 101503 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 створений першою 12 та другою 13 сітками. Зазор 11 взаємодії додаткового тороїдального резонатора 10, створений двома сітками 12а та 13а, площини яких паралельні площинам першої 12 та другої 13 сіток зазору взаємодії 9. При цьому суміжні сітки 13 і 13а, відповідно, зазору 9 взаємодії основного тороїдального резонатора 8 та зазору 11 взаємодії додаткового тороїдального резонатора 10 об’єднані в одне ціле. У додатковому тороїдальному резонаторі 10 встановлено вихідний хвилевідний пристрій 14 для передавання високочастотної електромагнітної енергії із додаткового резонатора 10 у навантаження. Наноклістрон працює таким чином. При його підключенні до джерела живлення на електродах 2, 4, 5, 6 встановлюються відповідні потенціали. При зростанні на вершинах вістер польового емітера 3 катода 2 напруженості електричного поля до величини біля 10 7 В см розпочинається процес тунелювання з них електронів (ефект автоелектронної емісії). З кожного вістря емітера 3 відбирають струм Ii , величина якого знаходиться в інтервалі 20мкА  Ii  30мкА . При відбиранні із кожного вістря струму Ii  30мкА можливе виникнення вибухової емісії та руйнування емітера. На сформований ЕОС 1 ламінарний електронний потік 15 із незначним розкидом заряджених часток по енергіях в зазорі 9 взаємодії основного тороїдального резонатора 8 діє електрична складова високочастотного електромагнітного поля, яка модулює швидкість електронів. У зазорі 11 взаємодії додаткового тороїдального резонатора 10 електрична складова високочастотного поля оптимізує модуляцію електронного потоку за швидкістю часток. Промодульований електронний потік 15 відбивається відбивачем 7 електронів у зворотному напрямі. У нелінійному електричному полі на шляху від відбивача 7 електронів до зазору 11 взаємодії додаткового тороїдального резонатора 10, модульований за швидкістю електронний потік 15 зазнає групування за щільністю у згустки. Щільні згустки електронів віддають у зазорі 11 додаткового резонатора 10 свою кінетичну енергію електромагнітному полю при взаємодії з його гальмівною електричною складовою. Частка кінетичної енергії відібраної у електронів і накопиченої у додатковому тороїдальному резонаторі 10 виводиться із нього в навантаження за допомогою вихідного хвилевідного пристрою 14. У запропонованому наноклістроні (фіг.1), коли робочою частотою додаткового тороїдального резонатора 10 є частота 3=6f третьої гармоніки, або частота 5=10f п’ятої гармоніки резонансної частоти 1=2f основного тороїдального резонатора 8, частота коливань вихідного сигналу наноклістрона значно підвищується (зростає в три, або п’ять разів) при збільшенні його потужності. Наприклад, якщо резонансна частота основного тороїдального резонатора 8 становить 1,0 ТГц, то запропонований наноклістрон (креслення) спроможний забезпечити на частоті 3,0 ТГц із перестроюванням частоти потужність вихідного сигналу більшу, ніж наноклістрон - прототип на частоті 3,0 ТГц. Відомо, що наноклістрон - аналог (IEEE Transaction on Plasma Science, vol.32, No3, p.1288, 1200-GHz Nanoklystron, June 2004) забезпечує на частоті 1,264 ТГц потужність вихідного сигналу 3 мВт в безперервному режимі при робочій напрузі на тороїдальному резонаторі 600В. Створений у відповідності до формули винаходу генераторний пролітно-відбивальний наноклістрон (креслення), основний резонатор якого має робочу частоту 1=2f, а додатковий резонатор робочу частоту 3=2nf (де n=3,5), при суттєвому підвищенні робочої частоти в терагерцовому інтервалі частот, забезпечує потужність вихідного сигналу більшу, ніж наноклістрон - прототип на тій же робочій частоті коливань вихідного сигналу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Наноклістрон, який містить електронно-оптичну систему, що складається із холодного катода на основі автоемісійного емітера електронів у вигляді матриці вістер, плоского керуючого електрода у вигляді матриці з круглими отворами коаксіальними вістрям, плоского фокусуючого електрода у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, електрично з'єднаного із катодом, анода - коливальної структури у вигляді основного тороїдального резонатора із зазором взаємодії, створеним першою та другою сітками, кожна із яких виконана у вигляді матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, електрично з'єднаного із керуючим електродом, відбивач електронів, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії із резонатора у навантаження, який відрізняється тим, що між основним тороїдальним резонатором та відбивачем електронів встановлено додатковий тороїдальний резонатор із робочою круговою частотою   2nf , де n = 3, 5 - номер гармоніки коливань, f - частота коливань, та зазором взаємодії, створеним двома плоскими сітками, паралельними площинам першої та другої сітки основного тороїдального резонатора, кожна із яких виконана у вигляді 3 UA 101503 C2 матриці з круглими отворами, коаксіальними вістрям, при цьому суміжні сітки зазорів взаємодії основного і додаткового тороїдальних резонаторів об'єднані, хвилевідний пристрій для передавання високочастотної енергії у навантаження встановлено в додатковому тороїдальному резонаторі. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4