ГЕНЕРАТОРЫ ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НИЗКИМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

February 14, 2013 by admin Комментировать »

Мирошниченко В. С., Демченко М. Ю., Лопатин И. В., Сенкевич Е. Б., Тищенко А. С. Институт радиофизики и электроники им А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры 12, г. Харьков, 61085, Украина тел.: 38(057) 7203393, e-mail: mirosh@ire.kliarl<ov.ua

Аннотация – Рассмотрены перспективы снижения ускоряющего напряжения для вакуумных источников дифракционного излучения. Приведены особенности конструкции и результаты экспериментальных исследований выходных характеристик генератора дифракционного излучения (ГДИ) 5-мм диапазона длин волн, работающего при ускоряющем напряжении 600-1 ООО В и потребляемой мощности не более 70 Вт.

I.                                       Введение

Разработка вакуумных источников излучения, работающих при пониженных ускоряющих напряжениях электронного пучка, является актуальной задачей как в миллиметровом диапазоне, так и при освоении терагерцового диапазона длин волн. Альтернативу традиционным источникам излучения (ЛОВ, отражательные клистроны) по ряду параметров могут составить низковольтные генераторы дифракционного излучения (ГДИ). Так, крутизна электронной перестройки ГДИ обычно составляет 0,1-0,5 МГц/В, что на порядок ниже чем в отражательных кпистронах и на два порядка ниже чем в ЛОВ. Снижение потребляемой мощности позволит перейти к воздушному охлаждению низковольтных ГДИ при автономной работе в составе измерительной аппаратуры.

В работе рассмотрены особенности работы ГДИ при пониженных ускоряющих напряжениях электронного пучка, предложена новая открытая резонансная система (ОРС) для низковольтного ГДИ 5-мм диапазоне длин волн и исследованы его характеристики.

II.                               Основная часть

Для оптимизации электродинамической системы генератора проведем оценку величины пускового тока низковольтного ГДИ в рамках линейной теории [1]. При одинаковой длине пространства взаимодействия и поперечном сечении электронного пучка отношение пусковых токов низковольтного (/2) и базового ГДИ (/j) составит

где β- относительная скорость электронного пучка; Q- добротность рабочего типа колебаний в ОР; ψ – коэффициент использования резонансного поля в ГДИ; – параметр пространственного заряда; индексы 7 и 2 обозначают параметры базового и низковольтного ГДИ соответственно.

В качестве объектов сравнения выберем базовый ГДИ (t/j=2,5KB; Д=ОД; период дифракционной

решетки (ДР) – /;=0,6мм) и низковольтный ГДИ, рассчитанный на ускоряющее напряжение Ц=0,6кВ:

Д =0,05 ; период ДР –                =0,3  мм.  При  малом   про

странственном заряде согласно (1) пусковой ток в низковольтном ГДИ снижается: /^//i =0,738. И наоборот, при большом пространственном заряде пусковой ток низковольтного ГДИ существенно возрастает по сравнению с базовым ГДИ: I^|I^ =4,36. Параметр пространственного заряда при = 20 мА для базового ГДИ составляет =2,83 . Поэтому в низковольтном ГДИ следует ожидать существенного повышения пускового тока.

Для снижения пускового тока в низковольтном ГДИ мы использовали ОРС с повышенным значением Ψ за счет увеличения амплитуды резонансного поля вблизи ДР [2]. Такая ОРС образована сферическим зеркалом с выводом СВЧ-энергии и цилиндрическим зеркалом с резонансной прямоугольной канавкой. Одиночная ДР размещалась на дне канавки, а глубина погружения решетки в канавке выбиралась исходя из условия резонанса

где h – глубина щелей ДР, ^ – длина волны в канавке (Е-поляризация), да = 1, 2, 3 .

В такой ОРС при выполнении резонансного условия (2) для основного TEMooq типа колебаний размер пятна поля стягивается к ширине канавки и становится гораздо меньше гауссового, что приводит к повышению дифракционной добротности и увеличению амплитуды резонансного поля в канавке.

Были проведены исследования свойств ОРС с низковольтной ДР (/2/2 = 0,05) и стандартной ДР

{l^|λ = 0,1). Сравнение добротности для ТЕМооз-типа колебаний показало, что более высокие омические потери в низковольтной ДР приводят к снижению добротности колебаний на 30 %. Спектр возбуждаемых колебаний – разрежен и состоит из основного мода с различным продольным индексом: ТЕМооз; ТЕМ004; TEMqos; ТЕМообДля низковольтного ГДИ была разработана элек- тронно-оптическая система (ЭОС) с ограничением пучка продольным магнитным полем. В состав ЭОС входит двухэлектродная электронная пушка с плоской симметрией электродов. Для обеспечения работы электронной пушки при ускоряющих напряжений пучка и = 600-ь1000В зазор анод-катод составлял 0,45 мм, а ширина прямоугольного окна в аноде составляла 0,50 мм. При суммарной мощности накала 9н-12 Вт в интервале яркостных температур 1170°С – 1220°С катод обеспечивал плотности тока насыщения до j = 18 н-22 А/см^.

Возбуждение колебаний в низковольтном макете ГДИ 5-мм диапазона наблюдалось на ТЕМооз, ТЕМ004И TEMoos-типах колебаний. Диапазон комбинированной перестройки частоты составлял 48 – 60 ГГц при рабочем токе 60 – 70 мА (Рис.1). Максимум выходной мощности Р = 700 мВт наблюдался вблизи режима резонансного согласования канавки с полем ОРС на частоте / = 58,5 ГГц. В полосе перестройки общий КПД составлял ?; = 0,5н-1,0 %.

Рис. 1.

Fig. 1.

Минимальный пусковой ток низковольтного ГДИ составлял = 20 мА, а на краях диапазона перестройки пусковой ток повышался до = 40 мА. Т. е. выбранная ОРС обеспечивала работу низковольтного ГДИ при ///^, > 2 во всем диапазоне перестройки частоты.

Крутизна электронной перестройки ГДИ составляла dfjdU = 2,2 МГц/В для ТЕМооз-типа колебаний и снижалась до dfjdU =1,3 МГц/В для TEMoos-типа колебаний. Общая ширина зоны электронной перестройки частоты Δ/" = 100 МГц, что вполне достаточно для автоматизации большинства спектроскопических измерений в миллиметровом диапазоне.

III.                                   Заключение

Предложена и исследована новая модификация ОРС для ГДИ, работающего при пониженных ускоряющих напряжениях электронного пучка. Макет низковольтного ГДИ в полосе непрерывной перестройки по частоте 48 – 60 ГГц обеспечивает уровень выходной мощности 150 – 700 мВт при низкой крутизне электронной перестройки, КПД 77 = 0,5-ь 1,0% и потребляемой мощности не более 70 Вт.

IV.                                   Литература

[1]  Русин Ф. С. Линейная теория оротрона / Электроника больших мощностей. Вып.5. М. Наука. 1968, с.9-37.

[2]  Мирошниченко В. С. Демченко М. Ю., Сенкееич Е. Б., Скрынник Б. К. Генератор дифракционного излучения с резонансной ступенчатой неоднородностью на зеркале.// Доклады 15-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 12-16 сентября 2005г. Т.1, с.271-272.

DIFFRACTION RADIATION OSCILLATORS WITH LOW CONSUMPTION

Miroshnichenko V. S., Demchenko M. Yu., Lopatin I. V., Senkevich Ye. B., Tischenko A. S.

The A. Ya. Usikov’s Institute of Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine 12, Ak. Proskury Str, Kharkov, 61085, Ukraine e-mail: mlrosh@lre.kharkov. ua

Abstract- A new design and experimental research results of physical characteristics of the diffraction radiation oscillator in 5-mm wavelength range with lowered accelerating voltage of 600 – 10ОО V are presented.

I.                                         Introduction

Design of the vacuum radiation sources operating at lowered accelerating voltage of an electron beam is both actual in a millimetre wavelength range, and at development of terahertz range. There are already designed and serially produced BWO and reflex klystron with 1-50mW of output power. The low- voltage diffraction radiation oscillators (DRO) can be alternative to such radiation sources on a number of parameters. So, the DRO electronic tuning transconductance is 0.1-0.5 MHz/V, which is lower than for reflex klystron and BWO.

II.                                        Main Part

To choose of optimal open resonant system (ORS) the estimation of a starting current value for low-voltage DRO is carried out within the framework of the linear theory [1]. The formulas for the attitude of starting currents low-voltage and base DRO under the identical length of interaction space and electron beam size are obtained.

As objects of comparison the base DRO working at accelerating voltage (7j = 2,5kV (diffraction grating (DG) period /j = 0,6mm) and low-voltage DRO, designed for U^=0,6W\/ (4 =0,3 mm) have been chosen. At a small spatial charge the attitude of starting currents will make =0,738 , i. e. it is possible to expect insignificant decrease of a starting current in low-voltage DRO. And on the contrary, at the big spatial charge the starting current low-voltage DRO essentially increase in comparison with base                     =4,36 . Therefore, open reso

nant system (ORS) with raised operating resonant field ratio Ψ due to increase of field amplitude near DG has been chosen

[2]   . A spherical mirror with a coupling hole and a cylindrical mirror with a resonant rectangular groove form such ORS.

Researches of ORS properties with low-voltage DG and standard DG have been carried out. Comparison of Q-factor for ТЕМ003oscillation showed, that higher ohmic losses in low- voltage DG result in 30 % decrease of Q-factor.

The excitation of low-voltage DRO was observed опТЕМооз, TEMoo4and TEMoos resonant modes. The combined tuning frequency range is 48 – 60 GHz at a working current 60 – 70 mA (Fig. 1). The output power maximum P = 700 mWwas observed near groove size resonance. The efficiency is 77 = 0,5-1,0 %.

The minimum DRO starting current is = 20 mA. The electronic tuning transconductance is = 2,2 MHz/V. The frequency tuning range – Δ/ = 100 MHz, that is enough for automation of spectroscopic measurements in a millimetre wave range.

III.                                       Conclusion

The new updating DRO working at voltage 600 – 1000 V is offered and investigated. Developed low-voltage DRO provides tuning range 48-60 GHz, the output power 150 – 700 mW and have a low consumption (~ 70 W).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты