Клинотрон єрьомки

Реферат: UA 89293 U UA 89293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електроніки крайнє високих частот (КВЧ) та гіпервисоких частот (ГВЧ), а саме до улаштування ламп зворотної хвилі - клинотронів і може знайти широке застосування в терагерцевій радіофізиці та електроніці, як джерело електромагнітного випромінювання радіометричних систем терагерцового інтервалу частот, терагерцевої радіоспектроскопії, терагерцевої діагностики плазми, передавачів електронних систем радіонавігації, радіолокації, зв'язку. Відомі джерела електромагнітних коливань КВЧ- та ГВЧ-лампи зворотної хвилі О-типу (ЛЗХО) - карсинотрони з поздовжнім магнітним полем, що містять у собі вакуумнощільний корпус, електронно-оптичну систему (ЕОС), для формування стрічкового електронного потоку, періодичну уповільнювальну структуру (ПУС) у вигляді, наприклад, "зустрічних штирів" або "гребінки" у хвилеводі, які створюють із ним простір взаємодії електронів та електромагнітних хвиль, вихідний пристрій у вигляді хвилеводу для виведення високочастотної енергії із простору взаємодії у навантаження. В ЛЗХО-карсинотронах стрічковий електронний потік рухається паралельно робочій поверхні ПУС (Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн / Е.М. Гершензон, М.Б. Голант, А.А. Негирев, B.C. Савельев. Под ред. Н.Д. Девяткова. - М.: Радио и связь. 1985-136 с.). Позитивною рисою ЛЗХО-карсинотронів є їх спроможність генерувати електромагнітні коливання в терагерцевому інтервалі частот (0,1-1,4) ТГц із потужністю вихідного сигналу від десятків мВт до одиниць мВт, яка достатня для практичних застосувань. Конструкції ЛЗХОкарсинотронів ТГц діапазону забезпечують електричну перебудову частоти автоколивань в широкому інтервалі при невеликій потужності вихідного сигналу. Електрична перебудова частоти автоколивань в ЛЗХО-карсинотронах досягається, як правило, шляхом змінювання електричної напруги, яку прикладають між катодом та анодом - періодичною уповільнювальною структурою. Першим суттєвим недоліком ЛЗХО-карсинотронів є невисокий рівень потужності вихідного сигналу у терагерцевому діапазоні. Невисокий рівень потужності вихідного сигналу обумовлено невисоким коефіцієнтом використання стрічкового електронного потоку. В ЛЗХО-карсинотронах має місце розподілена взаємодія уповільненої хвилі першої негативної просторової гармоніки електромагнітного поля, що поширюється в ПУС, та стрічкового електронного потоку, який протікає поблизу над робочою поверхнею гребінки, паралельно їй. У процесі взаємодії електронів із електромагнітним полем здійснюється передача йому певної величини кінетичної енергії заряджених часток. Відомо, що інтенсивність електромагнітної хвилі першої негативної просторової гармоніки, яка поширюється уздовж ПУС, при віддаленні від її робочої поверхні експоненціально зменшується. В зв'язку із цим розподілена взаємодія електронів у ЛЗХОкарсинотронах здійснюється із неоднорідним по товщині стрічкового електронного потоку високочастотним полем. Наявність пульсацій і збіднілого за кількістю заряджених часток шару в сформованому стрічковому електронному потоці, а також слабкий імпеданс зв'язку поля хвиль просторового заряду і хвилі першої негативної просторової гармоніки електромагнітного поля ПУС типу "гребінка" або "зустрічні штирі", сприяє істотному зменшенню вихідної потужності ЛЗХО-карсинотронів у терагерцевому інтервалі частот при скороченні довжини робочої хвилі. Це обумовлено тим, що при протіканні стрічкового електронного потоку паралельно робочій поверхні ПУС із інтенсивним електромагнітним полем ефективно взаємодіє тільки шар заряджених часток стрічки, що суміжний із робочою поверхнею ПУС. Решта шарів заряджених часток взаємодіє із електромагнітним полем, інтенсивність якого експоненціально спадає при віддалені від робочої поверхні ПУС. Тобто, в ЛЗХО-карсинотронах стрічковий електронний потік взаємодіє із неоднорідним за інтенсивністю по товщині електронної стрічки високочастотним полем. У зв'язку із цим при скороченні довжини робочої хвилі вимоги стосовно суттєвого зменшення товщини стрічки електронного потоку та збільшення щільності його струму зростають. Ці вимоги ведуть ЛЗХО-карсинотрон терагерцевого інтервалу частот до технологічної межі його реалізації. Другий суттєвий недолік ЛЗХО-карсинотронів полягає в наявності перепаду потужності вихідного сигналу в полосі електричної перебудови частоти. Відомі лампи зворотної хвилі клинотрони. Клинотроном названі лампи зворотної хвилі Отипу (ЛЗХО) зі стрічковим електронним потоком, який похило під гострим кутом падає на поверхню періодичної уповільнювальної структури - гребінки. Авторське свідотство СРСР на його винахід отримав Г.Я. Левін у 1956 році (А.с. СССР № 341113 // Открытия, изобретения, 1972, № 25, - С. 201). Клинотрон Левіна, як правило, містить у собі вакуумнощільний корпус, електронно-оптичну систему, для формування стрічкового електронного потоку, плоску періодичну сповільнювальну структуру - гребінку у вигляді розташованої на першій широкій стінці прямокутного хвилеводу поперемінної послідовності прямокутних щілинних резонаторів 1 UA 89293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 та прямокутних ламелей, робоча поверхня якої встановлена під гострим кутом до осі параксіального стрічкового електронного протоку, вихідний хвилевідний пристрій для виведення високочастотної енергії із простору взаємодії у навантаження, розташований біля електроннооптичної системи (Клинотрон / Г.Я. Левин, А.И. Бородкин, А.Я. Кириченко и др… Под ред… А.Я. Усикова. АН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Киев: Наук, думка, 1992. - 200 с.). Позитивною рисою клинотронів Левіна є їх спроможність забезпечувати значну потужність вихідного сигналу в міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль, яка є на порядки більшою, ніж потужність вихідного сигналу ЛЗХО-карсинотронів. Це обумовлено високим коефіцієнтом використання стрічкового електронного потоку. Генерування підвищеної потужності коливань обумовлено тим, що стрічковий електронний потік у клинотроні падає на робочу поверхню періодичної уповільнювальної структури - гребінки під гострим кутом α, що забезпечую ефективну взаємодію із інтенсивним високочастотним полем біля робочої поверхні гребінки усіх шарів заряджених часток електронної стрічки (Клинотрон / Г.Я. Левин, А.И. Бородкин, А.Я. Кириченко и др. Под ред. А.Я. Усикова. АН Украины. Ин-т радиофизики и электроники. - Киев: Наук. думка, 1992. - 200 с.). Конструкція клинотрона забезпечує електричну перебудову частоти вихідного сигналу генератора шляхом зміни величини робочої напруги. Інтервал електричної перебудови частоти клинотрона становить 10…20 %. Суттєвий недолік клинотронів Левіна полягає в тому, що його конструкція забезпечує значну нерівномірність амплітудно-частотної характеристики. Для неї характерна суттєва зміна величини потужності вихідного сигналу в інтервалі електричної перебудови частоти. Якщо традиційні ЛЗХО-карсинотрони забезпечують генерування електромагнітних коливань в широкому інтервалі частот, то клинотрони із вихідним сигналом середньої або великої потужності генерують в окремих зонах, розділених зонами, де процес генерування відсутній. Результати експериментальних досліджень свідчать про те, що клинотрони із середньою потужністю вихідного сигналу функціонують при величинах робочої напруги 2,5-3 кВ, електрична перебудова частоти в кожній із зон генерації становить кілька процентів, а в потужних клинотронах із робочою напругою до 5 кВ, простір взаємодії електронів та електромагнітних хвиль яких є резонансним контуром, електрична перебудова робочої частоти в межах зони генерації зменшується до десятих часток процента, а ширина зон без процесу генерації між суміжними зонами генерації зростає (Е.Е. Лысенко, О.Ф Пишко. В.Г. Чумак, С.А. Чурилова. Тенденции развития клинотронов миллиметвого диапазона длин волн // Радиофизика и электроника. Т. 13, спец. выпуск, 2008. - С. 315-320). Ця обставина значною мірою звужує можливості використання клинотрона як генератора електромагнітних коливань короткохвильових діапазонів та зменшую кількість областей застосування цього приладу. Для усунення вказаних недоліків генераторних клинотронів використовують механічну перебудову резонансної частоти коливального контуру генератора. Найбільш близьким аналогом до даної корисної моделі за технічною суттю та сукупністю ознак є лампа зворотної хвилі О-типу - клинотрон, який містить у собі вакуумнощільний корпус, електронно-оптичну систему, для формування стрічкового електронного потоку, плоску періодичну уповільнювальну структуру - гребінку у вигляді поперемінної послідовності прямокутних щілинних резонаторів та прямокутних ламелей, яка розташована на широкій стінці хвилевода - паралелограма із поперечним перерізом ab, де а - розмір широкої стінки, b розмір вузької стінки, глибина щілинних резонаторів гребінки виконана повільно змінною від h1 до h2, де h1=c/4f1, h2=c/4f2, f1>f2, f1 та f2 - кінцеві точки інтервалу зміни робочої частоти, с швидкість світла у вакуумі, площина широкої стінки хвилевода, яка протилежна робочій поверхні гребінки, виконана паралельною площинам дна щілинних резонаторів періодичної структури, при цьому робоча поверхня гребінки встановлена під гострим кутом α до осі параксіального стрічкового електронного потоку, відстань від відповідної бокової сторони гребінки до суміжної із нею вузької стінки хвилевода дорівнює Δ, вихідний хвилевідний пристрій для виведення високочастотної енергії із простору взаємодії у навантаження, розташований біля електронно-оптичної системи (Позитивне рішення від 12.06.2013 р. про видачу патенту на корисну модель Клинотрон МКИ H01J 25/00 (2013.01) за заявкою № u201300328 винахідника В.Д. Єрьомки). Недолік конструкції найближчого аналога полягає у тому, що вона не забезпечує можливість електричної перебудови частоти вихідного сигналу без суттєвого зменшення перепаду потужності. В основу корисної моделі поставлено задачу - удосконалити клинотрон шляхом зміни геометрії простору взаємодії стрічкового електронного потоку і електромагнітного поля, що 2 UA 89293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечить суттєве зменшення перепаду потужності у смузі електричної перебудови частоти та збільшення потужності вихідного сигналу при скороченні довжини робочої хвилі. Поставлена задача вирішується тим, що у клинотроні, який містить у собі вакуумнощільний корпус, електронно-оптичну систему, для формування стрічкового електронного потоку, плоску періодичну сповільнювальну структуру - гребінку у вигляді поперемінної послідовності прямокутних щілинних резонаторів та прямокутних ламелей, яка розташована на широкій стінці хвилевода - паралелограма із поперечним перерізом ab, де а - розмір широкої стінки, b розмір вузької стінки, глибина щілинних резонаторів гребінки виконана повільно змінною від h 1 до h2, де h1=c/4f1, h2=c/4f2, f1>f2, f1 та f2 - кінцеві точки інтервалу зміни робочої частоти, с швидкість світла у вакуумі, площина широкої стінки хвилевода, яка протилежна робочій поверхні гребінки, виконана паралельною площинам дна щілинних резонаторів періодичної структури, при цьому робоча поверхня гребінки встановлена під гострим кутом α до осі параксіального стрічкового електронного потоку, відстань від відповідної бокової сторони гребінки до суміжної із нею вузької стінки хвилевода дорівнює Δ, вихідний хвилевідний пристрій для виведення високочастотної енергії із простору взаємодії у навантаження, розташований біля електронно-оптичної системи, згідно з корисною моделлю, широка стінка хвилевода, яка протилежна робочій поверхні гребінки, виконана паралельною їй, відстань від бокової сторони гребінки із глибиною щілинних резонаторів h1 до суміжної із нею вузької стінки хвилевода становить Δ1h1, а від бокової сторони гребінки із глибиною щілинних резонаторів h2 до суміжної із нею вузької стінки хвилевода становить h1