Государственный НИИ «Орион»

Министерство промышленной политики Украины

Л. В. Касаткин, Г. Н. Рапопорт

ГИРОПРИБОРЫ СВЧ

Принципы действия и особенности конструкции

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЕБЕР» Севастополь 2008

УДК 621.385.6 ББК 32.851

К28

Касаткин Л. В.

К28 Гироприборы СВЧ : принципы действия и особенности конструкции / Л. В. Касаткин, Г. Н. Рапопорт ; НИИ «Орион» — Севастополь : «Вебер», 2008. — 134 с.

ISBN 978-966-335-187-2

Приборы с поперечным колебательным движением электронов и взаимодействием с незамедленными волнами являются в настоящее время наиболее мощными электровакуумными приборами в миллиметровом диапазоне волн. Первые действующие приборы этого класса, выполненные как генераторы обратной волны с конструкцией на основе двухпроводной линии с трохоидальным электронным пучком, были созданы в 1957 году с уровнем выходной мощности единицы ватт в сантиметровом диапазоне волн. За истекшие 50 лет в результате активных теоретических и экспериментальных исследований, конструкторских и технологических разработок найдены и реализованы принципиально новые решения по созданию высокочастотных и электронно-оптических систем, являющихся основой построения новых классов мощных ЭВП импульсного и непрерывного действия с криволинейными потоками электронов без применения замедляющих высокочастотных систем – гироприборов генераторов и усилителей в диапазонах частот – от десятков до сотен гигагерц. Достигнутые уровни непрерывной мощности превышают единицы мегаватт в указанной области частот. Рассмотрены принципы действия, методы улучшения энергетических и диапазонных характеристик, особенности построения основных узлов гироприборов.

Издание рассчитано на инженеров и научных сотрудников, работающих в области разработок и эксплуатации приборов СВЧ и может быть полезной аспирантам и студентам, специализирующимся в данной области науки и техники.

УДК 621.385.6 ББК 32.851

5

снижения разброса скоростей при использовании магнетронных электронных пушек, приведены методы построения сверхразмерных высокочастотных систем, изложены вопросы нарастания колебаний с учетом последовательного перехода с одного типа колебаний на другой и т.д. Многие из указанных вопросов, приведенных в предлагаемой книге, были изложены только в 2006–2007 годах в трудах международных конференций.

Мы уверены, что данное расширенное издание явится полезным для более глубокого понимания особенностей принципов действия и построения гироприборов – наиболее мощных электронных приборов в миллиметровом диапазоне волн.

Введение

Одна из наибольших трудностей в создании традиционных классов ЭВП миллиметрового диапазона волн вызвана необходимостью построения замедляющих высокочастотных систем и резонаторов с размерами элементов меньших длины волны. При этом в коротковолновой части миллиметрового диапазона возникают значительные технологические трудности при изготовлениивысокочастотныхсистем, связанныесобеспечением необходимой точности размеров и качества обработки поверхности. Кроме того, в таких системах возрастают высокочастотные потери, снижается их электрическая прочность, существенно уменьшается теплостойкость. Указанные факторы приводят, в конечном итоге, к значительному снижению уровня энергетических характеристик ЭВП О- и М-типов в диапазоне миллиметровыхволн.

Преодолениеуказанныхтрудностейоказалосьвозможным при использовании криволинейных электронных потоков с колеблющимися электронами, в частности, криволинейных периодических потоков с колебаниями электронов в плоскости, пер- пендикулярнойнаправлениюраспространенияСВЧ-энергии.

Приборы этого класса строились еще в двадцатых годах прошлого столетия и являлись первыми СВЧ электровакуумнымиприборами. Ктаким приборам следуетотнеститриодыс положительной сеткой, магнетроны с гладким анодом, строфотроны. На рисунках 1а, 1б, 1в приведены схемы построения указанных приборов. В триодах с положительной сеткой электроны совершают колебания относительно сетки 3 между отражающими электродами – катодом 1 и анодом 2; в цилиндрических диодных магнетронах с осевым магнитным полем электроны движутся по эпициклоидам в пространстве взаимодействия между катодом 1 и анодом 2; в строфотроне электроны совершают колебательные движения между отражающимиэлектродами3.

В зависимости от фазовых соотношений между колебаниями электронов и электрическим высокочастотным полем возможенкакотборэнергииотполяприускоренииэлектронов, так и передача энергии полю при торможении электронов. Для отдачи энергии в нагрузку необходима такая группировка электронов, при которой их большая часть тормозится. Требование группировки электронов обязательно для электронных прибороввсехклассов, втомчислеЭВПО- иМ-типов.

Механизм группировки электронов определяется принципом действия ЭВП, его конструкцией и характеристиками взаимодействия электронов и поля. Однако, во всех ЭВП группировка обязана возникновению в электронном потоке сил, приводящих к ускорению электронов, забирающих энергию у поля и к торможению электронов, отдающих энергию. В частности, в приборах с колебательным движением электронов группировка возникает в связи с зависимостью периодаколебанийэлектронаотегоэнергии.

Рис. 1

ЭВПсколебательнымдвижениемэлектроноввобластивзаимодействия. а) триод с положительной сеткой (1 – катод, 2 – анод, 3 – управляющая сетка);

б) диодный магнетрон с осевым магнитным полем B0 (1 – катод, 2 –анод);

в) строфотрон (1 – катод, 2 – анод, 3 – отражающиеэлектроды)

Важное значение для увеличения эффективности ЭВП, кроме группировки, имеет механизм вывода из пространства взаимодействия электронов, забирающих энергию поля – сортировка электронов. Принцип сортировки легко просле-

дить на примере диодного магнетрона (рис. 1б). При достаточно близком расположении невозмущенной орбиты электрона к аноду ускоренные электроны попадают на анод либо катод, т.е. "выводятся из игры". Приведенные на рисунке 1 приборы работали в диапазоне дециметровых волн с КПД единицы процентов, с мощностью, не превышающей единицы Ватт; эти приборы имеют в настоящее время в основном познавательное значение.

Приборы с колебательным движением электронов могут быть построены при различных типах движения электронов: прямолинейных с нерегулярностями движения, вызванными периодическим ускорением и замедлением в статических электрических полях [1], с волнообразными, спиральными, трохоидальнымиит.п. траекториями.

Изобретение и первые исследования принципов построения ЭВП с криволинейными электронными потоками, взаимодействующими с незамедленными волнами в гладких электродинамических системах, относятся к пятидесятым годам прошлого столетия. Идея возможности эффективного взаимодействия криволинейных электронных потоков с незамедленными электромагнитными волнами базируется на понятии фазовой скорости последовательности заряженных частиц, введенной еще в 1954 году [2] С.И.Тетельбаумом, членкорреспондентомАНУССР.

В этой работе показано, что если сгруппированные с круговой частотой ω электронные сгустки малого размера движутся по волнообразной или винтовой траектории в поле плоской волны c поперечной компонентой напряженности электрического поля, то протяженное взаимодействие сгустков с волной будет наиболее эффективным при надлежащей их фазировке и выполнении условия

Здесь Ω – круговая частота траектории сгустков, vz – продольная скорость электронов, vф – фазовая скорость волны,

vz ω−ωΩ – фазовая скорость последовательности частиц, в

данном случае скорость перемещения огибающей сгустков. При ω>Ω фазовая скорость последовательности частиц совпадает по направлению с vz. При ω<Ω эти скорости направлены в противоположные стороны, и заряженные частицы будут отдавать энергию обратной волне, распространяющейся навстречу поступательному движению электронов. Фазовую скорость последовательности частиц можно в этом случае считать отрицательной. Отрицательная фазовая скорость последовательности частиц при взаимодействии волнообразного электронного потока с плоской волной создает внутреннюю обратную связь в высокочастотной системе, что лежит в основе работы автогенераторов на обратной волне.

В [3] предложен способ генерации сверхвысокочастотных колебаний, основанный на взаимодействии криволинейных (троходидальных, винтовых и волнообразных) электронных потоков с незамедленными электромагнитными волнами, предложены конструктивные реализации этого способа генерации. В одной из предложенных в [3] конструкций с винтовым электронным потоком в полом волноводе применены несколько электронных пушек, установленных на корпусе прибора и вводящих пучки под углом к осевому магнитному полю (поливинтовой электронный поток). Приборы этого класса являются гироприборами с криволинейными пучками электронов. Название “гироприборы” связано с тем, что их рабочие частоты близки к гирочастоте (циклотронной частоте) или ее гармонике.

Первые конструкции генераторов на обратной волне с троходидальными пучками электронов, формируемыми в

скрещенных электрическом E0 и магнитном B0 полях в двухпроводной ленточной СВЧ системе, выполнены в Киевском политехническом институте в 1957 году и описаны в [4, 5]. Электроны в этих приборах совершают колебательное движение с гирочастотой ωH=eB0/m, а их скорость дрейфа вдоль направления распространения волны vd=E0/B0. Авторы [4, 5] назвали эти приборы фазохронами. В теоретическом анализе в работах[4, 5], однако, не рассматривался механизм группировки электронов, которая имеет принципиальное значение в энергообмене электронного пучка и высокочастотного поля. Эффективность взаимодействия в теории [4] определялась сортировкой зарядов, при которой ускоренные электроны выводятсяизпространствавзаимодействия.

Приведенное упущение в теории не позволило правильно рассчитать энергетические характеристики приборов, однако, не сказалось на конструкции, в которой группировка электронов имела место в связи с характером движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях и взаимодействием их с незамедленной волной. Из экспериментов [4, 5] однозначно следует, что полученный энергетический эффект и характеристики электронной перестройки частоты определились взаимодействием трохоидального сгруппированного электронного пучка с незамедленной обратной волной типа ТЕМ, электрическое поле которой перпендикулярно дрейфу электронов.

Таким образом, в работах [4, 5], относящихся к 1957– 59 годам, впервые в мире созданы конструкции действующего макета гирогенератора с трохоидальным электронным пучком и представлены экспериментальные результаты, подтвердившие работоспособность гирогенераторов незамедленной обратной волны. Рабочий диапазон длин волн действующего макета 7–15 см. Высокочастотная система выполнена двухпроводной – на двух медных пластинах, закрепленных в стеклянном баллоне; длина простран-

ства взаимодействия 170 мм. Поперечное магнитное поле в области взаимодействия создавалось электромагнитом и могло регулироваться в пределах 600–1600 Э; к пластинам подводилось напряжение 3 кВ. Применялся оксидноториевый катод, расположенный в окне одной из пластин высокочастотной системы. Применялась рекуперация отработанных электронов и с этой целью конструкция содержала изолированный, охлаждаемый водой коллектор, на который подводилось напряжение 0,7 кВ. Ток коллектора составлял 25 мА. Вывод энергии в виде согласованной линии располагался у катодного конца высокочастотной системы, поскольку макет действовал как генератор обратной волны. Уровень непрерывной выходной мощности составлял 3 Вт, диапазон плавной перестройки частоты при изменении величины магнитного поля в интервале 670–1600 Э превышал октаву (λ=6,8–16,7 см). Приведенные экспериментальные результаты [5] опубликованы на два года раньше результатов [10], на которые, как на первые, делаются многочисленные ссылки в литературе.

Впервые анализ взаимодействия криволинейных электронных потоков с незамедленными волнами и полями резонаторов значительной длины в области взаимодействия, учитывающий релятивистский механизм группирования электронов в сгустки, был выполнен практически одновременно и независимо в [6–9]. В ряде работ (смотри, например, [11]) анализ взаимодействия электронных потоков с незамедленными волнами проводился на основе представления электронного потока как ансамбля возбужденных классических осцилляторов, которым присуще излучение, стимулированное высокочастотным полем. С учетом этого подхода приборы с колебательным движением

скорость электрона на орбите. Знаки ± соответствуют попутной и встречной волнам соответственно. В общем случае Ω – это угловая частота колебаний электронов в плоскости перпендикулярнойнаправлениюскоростидрейфа vd.

Если частота ω0=nΩ близка к критической частоте ωс волноводной электродинамической системы, при которой фазовая скорость vф→∞, условие синхронного взаимодействия совпадает с условием резонанса на частоте поперечных колебаний электрона и записывается как ω =nΩ.

На начальной стадии развития гироприборов в течение 60-х годов прошлого столетия во многих ведущих научных лабораториях мира активно разрабатывалась теория нелинейного взаимодействия спиральных электронных пучков с ВЧ-полем. Однако, достигнутый в эти годы уровень генерируемой мощности гиротронными приборами на трохоидальных пучках электронов был заметно ниже, чем у традиционных ЭВП (клистронов, ЛБВ, магнетронов), – не превышал одного киловатта в сантиметровом диапазоне волн. Приборы с электронными потоками, формируемыми скрещенными электрическим и магнитным полями обладали принципиальными недостатками:

-величина максимального допустимого статического элек-

трического поля Е0 ограничивается требованиями электрической прочности системы;

-увеличение рабочей частоты прибора требует увеличения циклотронной частоты т.е. увеличения индукции статического магнитного поля В0;

-ограничение величины Е0 и увеличение В0 в приборах миллиметрового диапазона волн приводит к уменьшению

скорости дрейфа электронов vd=E0/B0. Это обстоятельство снижает реализуемую величину тока электронного пучка и, следовательно, уровень выходной мощности прибора.

Скачок в развитии мощных генераторов и усилителей незамедленных волн определился в 1966 году в результате создания конструкций гироприборов с винтовыми пучками электронов, формируемыми электронно-оптической системой с независимым ускоряющим напряжением U0, и обеспечением взаимодействия с незамедленной волной в эквипотенциальной области с осевым магнитным полем. Развитие этого класса приборов привело в конечном итоге к созданию одних из наиболее мощных электронных приборов в миллиметровом диапазоне волн – гироприборов, включающих в себя ряд эффективных разновидностей: гиромонотронов, гироклистронов, гиро-ЛОВ, гиро-ЛБВ, гиротвистронов. Возможность независимого выбора ускоряющего напряжения U0 и магнитного поля В0 позволяет создавать мощные электронные потоки в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, что обеспечивает высокий уровень энергетических параметров приборов. Высокочастотные системы не содержат мелкоструктурных конструктивных элементов для замедления фазовой скорости, характеризуются значительным увеличением размеров пространства взаимодействия и поэтому обладают существенными преимуществами в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

Гироприборы с винтовыми электронными пучками, формируемыми осесимметричными электронно-оптическими системами, работающие вблизи частоты отсечки высокочастотной системы fc, где фазовая скорость волны значительно превышает скорость света, названы авторами изобретения [14] гиротронами. Детальному рассмотрению принципов действия гиротронов, достижимых энергетических и диапазонных характеристик, особенностей их конструкций и режимов работы посвященыпоследующиеразделыэтойглавы.

Строго говоря, к классу ЭВП с поперечным колебательным движением электронов и взаимодействием с быст-

рой волной следует отнести и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), в которых электронный пучок с колебательной траекторией формируется благодаря периодической магнитной системе с магнитным полем перпендикулярным к направлению скорости волны и плоскости движения электронов [15]. Приборы этого класса в субмиллиметровом диапазоне являются самыми мощными и широкодиапазонными ЭВП в настоящее время. Произведение их средней выходной

мощности на квадрат частоты Pout[МВт]×f 2[ГГц]=107. С применением ЛСЭ получена средняя мощность 1 кВт на длине

волны λ=3 мкм; достигнут исключительно широкий диапазон рабочих частот – от сантиметровых волн до ультрафиолетового когерентного излучения. Особенностью ЛСЭ является их работа с энергией электронного пучка, составляющей десятки и сотни МэВ. Такие уровни энергии электронов обеспечиваются применением ускорителей, являющихся одними из основных узлов ЛСЭ. Приборы этого класса выходят за рамки традиционных классов ЭВП, рассматриваемых в этой книге.