ОРОТРОН: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОДВИЖЕНИЯ В СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ ДИАПАЗОН ДЛИН ВОЛН

January 21, 2015 by admin Комментировать »

Ф. С. Русин1, В. Л. Братман2, А. Э. Федотов2 1Институт метрологии времени и пространства ГП "ВНИИФТРИ", Менделеево Московской обл.; 2Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Использование открытого резонатора дает оротрону на субмиллиметровых волнах важные преимущества перед другими черепковскими приборами. Согласно расчетам и предварительным экспериментам, в длинноволновой части диапазона оротрон с рабочим напряжением в несколько киловольт позволит получить выходную мощность порядка сотен милливатт, что намного превосходит мощность существующих ламп обратной волны (ЛОВ).

Источники когерентного субмиллиметрового излучения существенно менее развиты, чем источники более длинноволнового (электровакуумные СВЧ-приборы) и более коротковолнового (лазеры) излучения. Одной из основных трудностей традиционных вакуумных приборов, основанных на стимулированном черенковском и переходном излучениях электронов, при переходе от более длинноволновых к субмиллиметровым волнам является драматическое уменьшение поперечных размеров пространства взаимодействия и увеличение плотности электронного тока. Увеличению поперечных размеров этих приборов препятствует возбуждение паразитных мод, неизбежно возникающее в закрытых электродинамических системах. Как и в лазерах и СВЧ-приборах, основанных на стимулированном тормозном излучении электронов-осцилляторов, одним из способов преодоления этой трудности для ченковских приборов является использование открытых электродинамических систем. Этот метод используется лишь в оротронах [1-4] (по другой терминологии, генераторах дифракционного излучения, ГДИ [5]), которые давно и успешно применяются для ряда приложений на миллиметровых волнах, но, несмотря на успешный демонстрационный эксперимент [6], не развиты в субмиллиметровом диапазоне. Вместе с тем, согласно оценкам, оротроны могут достаточно эффективно работать на субмиллиметровых волнах, обеспечивая более высокие мощность и стабильность излучения, чем широко используемые лампы обратной волны (ЛОВ) [7, 8], которые в настоящее время являются практически единственными источниками субмиллиметрового излучения средней мощности.

Принцип работы оротрона

Оротрон [1, 2, 5, 9, 10] (рис. 1) представляет собой электронный СВЧ-генератор череовского типа с открытым резонатором. Как правило, резонатор слаборелятивистского оротрона образован вогнутым и плоским зеркалами. На поверхность плоского зеркала нанесена периодическая структура, создающая пространственные гармоники поля, которые можно представить в виде пар медленных волн, бегущих навстречу друг другу вдоль зеркала. Электроны движутся в ведущем магнитном поле вблизи периодической структуры и взаимодействуют с медленной гармоникой поля в условиях черенковского синхронизма:

где ν – скорость электронов,– фазовая скорость вдоль структуры и продольное волновое число медленной гармоники поля, ω – частота собственного колебания резонатора, d – период структуры.

Условие (1) дает простую связь между длиной волны излучения λ и периодом структуры:

где β = v/c, с – скорость света.

Другое важное соотношение, следующее из (1) и выражения для поперечного волнового числа, дает универсальный для всех черенковских приборов масштаб поперечного спадания поля медленной гармоники при удалении от структуры:

где– релятивистский фактор электронов.

В простейших ситуациях эта формула определяет допустимые толщину электронного пучка и расстояние от пучка до структуры. Для слаборелятивистских скоростей частиц обе эти величины много меньше длины волны.

Рис. 1. Схема типичного слаборелятивистского оротрона

Основное отличие оротрона от традиционных генераторов черенковского типа (ЛОВ, генераторов поверхностной волны на π-виде, КРВ – клистронов с распределенным взаимодействием [11] и др.) заключается в использовании открытого резонатора, обеспечивающего эффективную селекцию поперечных мод. Благодаря этому поперечный размер электродинамической системы в оротроне может быть много больше длины рабочей волны и существенно больше, чем в черенковских приборах с закрытыми электродинамическими системами или с поверхностными волнами. Важно подчеркнуть, что последнее относится также и к ширине электронного пучка. По существу, благодаря наличию в поле резонатора несинхронной частицам нулевой гармоники волны, близкой по структуре полю резонатора в отсутствие периодической структуры на плоском зеркале, в оротроне происходит синхронизация разнесенных по ширине фракций электронного пучка. До определенных размеров все эти фракции "работают” на возбуждение одной моды оротрона. На коротких миллиметровых и субмиллиметровых волнах это обстоятельство может обеспечить достижение существенно большей выходной мощности по сравнению с другими черенкокими приборами.

Другое преимущество использования открытого резонатора связано с его высокой добротностью, обеспечивающей высокую стабильность частоты генерации. В то же время высокая добротность приводит к узкому диапазону плавной (электронной) перестройки частоты излучения (в отличие от ЛОВ). Широкополосная дискретная перестройка частоты в оротроне производится перестройкой с моды на моду открытого резонатора, а широкополосная плавная электромеханическая перестройка – путем изменения расстояния между зеркалами и согласованного изменения ускоряющего напряжения.

Эксперименты с коротковолновыми оротронами

С момента изобретения в 60-х годах оротрон успешно освоил диапазон длин волн от 3 см до 0,83 мм с выходной мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких милливатт при слаборелятивистских и сотен мегаватт при релятивистских энергиях частиц. Созданные в Институте метрологии времени и пространства (Менделеево Московской области) маломощные оротроны диапазона 70-220 ГГц [12] использовались в образцовой мере частоты [13], а также в спектрометрах [14, 15]. Частота генерации этих приборов перестраивалась в диапазоне, близком к октаве. Относительно мощные слаборелятивистские оротроны диапазона 30-250 ГГц выпускаются мелкими сериями в ИРЭ (Харьков, Украина) под названием ГДИ [5, 16]. Диапазон перестройки частоты в них составляет несколько процентов. На волне 3 мм мощность непрерывных и импульсных ГДИ составляет 15 и 250 Вт соответственно, что существенно превосходит мощность ЛОВ. Рабочее напряжение как в слаборелятивистских оротронах, так и в ГДИ составляет 1-15 кВ. Оротроны миллиметрового диапазона были также реализованы в ИРЭ РАН.

Несмотря на привлекательность оротрона на субмиллиметровых волнах, этот диапазон до сих пор остается неосвоенным. Субмиллиметровое излучение с длиной волны 0,83 мм было получено в единственном, сравнительно давнем эксперименте [6] при напряжении около 16 кВ и периоде гребенчатой структуры 0,2 мм. Было опубликовано много проектов орронов с длиной волны короче 1 мм, рассчитанных на умеренное напряжение (до 6-7 кВ), однако, по-видимому, ни один из этих проектов не реализован в эксперименте. Это объясняется увеличением технических сложностей при укорочении длины волны, связанных прежде всего с быстрым возрастанием необходимой плотности электронного тока. Согласно (2), при малом периоде гребенчатой структуры медленная гармоника поля сильно прижата к зеркалу. При этом обычно мала доля электронов, эффективно взаимодействующих с ВЧ-полем. Эффективность использования электронного пучка существенно увеличивается в более сложных, чем гребенка, периодических структурах, например, многорядных и многоштыревых, при использовании которых электроны двигаются внутри структуры. Однако изготовление подобных структур с необходимыми при небольших напряжениях малыми периодами (0,1 мм и менее) сопряжено с определенными технологическими проблемами. При фиксированной плотности электронного тока (ограниченной, как правило, эмиссионной способностью катода) для превышения стартового тока длина пространства взаимодействия должна возрастать с ростом частоты, что, в свою очередь, ведет к снижению КПД прибора. Кроме того, величина магнитного поля, необходимого для проведения пучка вблизи (или внутри) структуры, увеличивается с уменьшением длины волны (примерно обратно пропорционально периоду структуры). Важно, однако, что по существу все указанные сложности уже были успешно преодолены при создании субмиллиметровых ЛОВ [7, 8], что позволяет рассчитывать и на создание эффективных субмиллиметровых оротронов. Плотность тока в пучке может быть также существенно увеличена за счет компрессии электронного пучка в нарастающем магнитном поле, аналогично тому, как это делается в КРВ миллиметрового диапазона.

В качестве первого шага для решения этой задачи в ЗАО НПП "Гиком" при участии сотрудников Института метрологии времени и пространства, Института прикладной физики РАН, Института спектроскопии РАН и Института химической кинетики и горения СО РАН был разработан и экспериментально исследован промышленный прототип субмиллиметрового оротрона с длиной волны от 1 до 2 мм (В. И. Белоусов, В. Л. Братман,

Ю. А. Гришин, Г. Г. Денисов, Б. С. Думеш,

В. П. Карпов, Ю. В. Половнев, Ф. С. Русин,

В. Н. Рыжков, Е. М. Тай, А. Э. Федотов,

А. В. Чирков). В этом приборе (рис. 2) используется многоштыревая периодическая структура с периодом 0,12 мм и высотой штырей 0,7 мм. Рабочее напряжение меняется от 1 до 5 кВ при токе пучка до 200 мА. Для проведения пучка внутри структуры использу-ется постоянный магнит с полем 0,85 Т. Масса пакетированного прибора составляет 12 кг при размерах 240 х 180 х 180 мм. Мощность генерации оценивалась по показаниям полупроводникового детектора (рис. 3), чья чувствительность на длине волны 0,8 мм составляла 0,2 мВ/мВт. На волнах длиной 1,05-1,2 мм выходная мощность составляет более 100 мВт, что существенно больше мощности ЛОВ, но меньше мощности клистронов с распределенным взаимодействием в этом диапазоне. При этом оротрон имеет полосу перестройки частоты на несколько порядков большую, чем КРВ. На основе проведенных исследований разработан и успешно испытан макет оротрона на длину волны 0,8 мм.

Рис. 3. Напряжение на детекторе в зависимости от длины волны.

* * *

В коротковолновой части миллиметрового диапазона мощность оротронов существенно превышает мощность ЛОВ. Это позволило осуществить ряд уникальных экспериментов по спектроскопии и диагностике различных сред. Полученные новые экспериментальные результаты позволяют надеяться на освоение в ближайшее время с помощью слаборелятивистских оротронов также и субмиллиметрового диапазона на уровне мощности, открывающем возможности для новых привлекательных приложений.

Работа выполнена при поддержке ЗАО НПП "Гиком", Российского Фонда фундаментальных исследований, грант № 00-02-17606, и INTAS, грант № 97-32041.

Литература

1.        Русин Ф. С., Богомолов Г. Д. Прибор для генерации и усиления СВЧ-колебаний: А.с. 195557 (СССР) // БИ. 1967, № 10. С. 49.

2.        Русин Ф. С., Богомолов Г. Д. Генерация электромагнитных колебаний в открытом резонаторе // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т. 4, вып. 6. С. 236-239.

3.        Mizino К., Опо S., and Shibata Y. A new electron tube with a Fabri-Perot resonator for the generation of millimeter and Submillimeter Waves // Symp. on Submillimeter Waves. Polytechnic Inst, of Brookline. March-April 1970. P. 115-134.

4.        Mizino K., Ono S., and Shibata Y. Two different mode interaction in electron tube with a Fabri-Perot resonator – the laddertron // IEEE Trans. 1973. V. ED-20, № 8. P. 749-752.

5.        Шестопалов В. П. Дифракционная электроника. Харьков: Вища школа, 1976. 231 с.

6.        Богомолов Г. Д., Русин Ф. С. Оротрон субмиллиметрового диапазона с квазиоптическим выводом энергии // Радиотехника и электроника. 1970. Т. 15. С. 854-856.

7.        Голант М. Б., Виленская Р. А., Зюлина Е. А. и др. Серия широкодиапазонных генераторов малой мощности миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Приборы и техника эксперимента. 1965, № 4. С. 136.

8.        Голант М. Б., Алексеенко 3. Т., Короткова 3. С. Широкодиапазонные генераторы субмиллиметрового диапазона // Приборы и техника эксперимента. 1969, № 3. С. 231.

9.        Вайнштейн Л. А., Исаев В. А., Трубецков Д. И. Электронный генератор с открытым резонатором (обзор теоретических и экспериментальных исследований) // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, вып. 7. С. 1233— 1249.

10.     Цейтлин М. Б., Мясин Е. А. Оротрон. Анализ эффективных режимов (обзор) // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, вып. 6. С. 961-981.

11.           CPI Canada and the millimeter wave klystron (information site). Website: http://www.cpii.com/cmp.

12.     Русин Ф. С., Богомолов Г. Д Оротрон как генератор миллиметрового диапазона // Электроника больших мощностей. М.: Наука, 1968, № 5. С. 43-58.

13.     Русин Ф. С., Костромин В. П., Бочков В. А. и др. Мера частоты в коротковолновой части миллиметрового диапазона // Измерительная техника. 1982, № 1. С. 38-39.

14.     Surin L. A., Dumesh В. S., Rusin F. S. et al. Doppler-free two-foton millimeter-wave transitions in OCS and CHF3 // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86, № 10. P. 2002-2005.

15.     Surin L. A., Dumesh B. S., Lewen F. et al. Millimeter-wave intracavity-jet OROTRON-spectrometer for investigation of van der Waals complexes // Rev. Sci. Instr. 2001. V. 72, № 6. P. 2535-2542.

16.     Генераторы дифракционного излучения / Под ред. В. П. Шестопалова; АН УССР. Институт радиофизики и электроники. Киев: Наукова думка, 1991. 320 с.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

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