Способ определения коэффициента редукции плазменной частоты в приборах свч

 

. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕДУКЦИИ ПЛАЗМЕННОЙ ЧАСТОТЫ .ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИБОРАХ СВЧ,включающий предварительную модуляцию электронов по плотности,измерение излучения электронного потока и измерение плотности электронного тока, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и разрешающей способности в приборах с дифракционной решеткой , вблизи дифракционной решетки пропускают электронный поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока, при которой диаграмма направленности дифракционного излучения электронного потока имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивности излучения этой, диаграммы, затем увеличивают плотность тока до значений , при которых возбуждается двухлепестковая диаграмма направленности дифракционного излучения электронного с. потока, измеряют углы отклонений максимальной интенсивности с излучения лепестков этой диаграммы относительно начального.угла ел определяют коэффициент редукции по формуле ..т -« (с..з()), R 3,f-to f iiT и ускоряющее напряжение, В; где плотность электронного If, тока при излучении двухсл лепестковой диаграммы, А/см ; - модуляции электронов , Гц; п -1, -2, -3... - номер простран-. ственной гармоники дифракционного излучения.

„„SU„„10775

СО!ОЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

I (5!)4 H 01 J 9 42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPQHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3477952/18-21 (22) 05.08.82 ,(46) 23.08.85. Бюл. К - 31 (72) Г.С.Воробьев, А.Я.Кириченко, А.H.Öâûê, Л.И.Цвык и В.П.Шестопалов (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиофизики и электроники АН УССР (53) 62!.985.6(088.8) (56) Шевчик В.Н; и др. Волновые и колебательные явления в электронных. потоках на сверхвысоких частотах.

Изд. Саратовского университета, 1962, с. 49.

2. Еремна В..Д. и др. Применение переходного излучения для исследований динамических характеристик электронного потока, РиЭ, 22, Р 1, 1977, с. 153-158 (прототип). (54) (5.7) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА РЕДУКЦИИ ПЛАЗМЕННОЙ ЧАСТОТЫ .ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИБОРАХ

СВЧ,включающий предварительную модуляцию электронов по плотности,измерение излучения электронного потока и измерение плотности электронного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности в приборах с дифракционной решеткой, вблизи дифракционной решетки пропускают электронный поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока, при которой диаграмма направленности дифракционного излучения электронного потока имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивнос}! ти излучения этой диаграммы, затем увеличивают плотность тока до значений, при которых возбуждается двухлепестковая диаграмма направленности дифракционного излучения электронного потока, измеряют углы е, о(, отклонений максимальной интенсивности

O излучения лепестков этой диаграммы @ о относительно начального. угла Г„и определяют коэффициент R редукции lid по .формуле

3/Ф

- И о

R =s,+ ta f (сов(г - } .,(г, -}}, где Ut, — ускоряющее напряжение, В; — плотность электронного ц тока при излучении двух- р лепестковой диаграммы, А/см

У авиа — частота модуляции электронов, Гц; л= -1, -2, -3... — номер простран-. ственной гармоники дифракциочного излучения, а

1077

Изобретение относится к области

t:Â× электроники, а конкретно к измерению динамических характеристик электронного потока и может быть использовано для определения коэффициента - 5 редукции плазменной частоты электрон.ного пучка приборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, в частности генераторов дифракционного излучения, что необходимо для оптимизацит* их выходных характеристик, .

Известны способы определения коэф"., фициента редукции плазменных волн, . основанные на измерении параметров модулированного электронного потока путем зондирования его объемными закрытыми резонаторами (11.В частности, один из способов основан на измерении эффективной длины волны плазмы в электронном потоке путем сравнения усиления клистрона, состоящего из трех резонаторов., находящихся на неодинаковом расстоянии друг.от друга.

Известные способы нашли широкое применение в длинноволновой области

СВЧ диапазона, однако они являются малоэффективными для приборов миллиметровых и субмиллиметровых диапазо- 30 . нов. Это связано как с более высоки . ми требованиями, предъявляемыми.к тех.нологии,изготовления объемных измерительных резонаторов в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах, так и с увеличением погрешности измерений, вызванной возмущениями, вносимыми в электронный поток резонатора- ми.

Известен способ определения коэф- 4р фициента реакции плазменной частоты в приборах СВЧ, модулированного электронного пот .ка путем измерения излучения электронного потока,. измере-ния среднего. значения плотности электронного. тока и ускоряющего напряжения в узлах и пучностях сигнала биений (2 j. Этот способ обладает тем преимуществом, что позволяет изме» . рять в электровакуумных приборах 5р миллиметрового диапазона динамические характеристики электронного пото ка.в дальней зоне, т.е. на больших расстояниях от электронного пучка.

Однако. существенными недостатка 55 ми известного способа является сравнительно низкая точность и малая разрешающая способность измерения

501 2 коэффициента редукции, обусловленные широкой диаграммой, низкой интенсивностью, слабой когерентностью переходного излучения и измерением усредненных значений электронного тока в узлах и пучностях видеосигнала биений.

Цель изобретения — повышение точности и разрешающей способности определения коэффициента редукции плазменной частоты электронного потока.

Поставленная цель достигается тем, .что .в способе определения коэффициента редукции плазменной частоты в приборах СВЧ, включающем .предварительную модуляцию электронов по плотности, измерение излучения электронного потока и измерение плотности электронного тока в приборах с дифракционной решеткой, вблизи дифракционной решетки пропускают электронный поток, устанавливают минимальное значение плотности электронного тока, .при которой диаграмма .направленнности дифракционного излучения электронного потока имеет один лепесток, измеряют начальный угол Г максимальной интенсивности этой диаграммы, увеличивают плот° ность тока до значений, при которых возбуждается двухлепестковая диаграм.ма.направленности дифракционного излучения, измеряют углы o(+, откло- нений максимальной интенсивности излучения лепестков этой диаграммы относительно начального. угла Г„ и onо ределяют коэффициент . R редукции по формуле где 0 . — ускоряющее .напряжение, В;

10 — плотность электронного тока при излучении двухлепестковой диаграммы, А/см ; т — частота модуляции электро.нов, Гц; .

n = -1; -2; -3; ... — номер пространственной гармоники дифракционного излучения.

На фиг. 1-6 изображены варианты возбуждения диаграмм направленности дифракционного излучения; на фиг. 7экспериментальная установка, общий вид; на фиг. 8-10 результаты экспериментальных измерений.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

1077501

3

Модулированный электронный поток

1 пропускают вблизи дифракционной решетки 2, возбуждают дифракционное излучение в направлениях, связаннйх с фазовыми скоростями распространения волн пррстранственного заряда элек" тронного потока и параметрами электро. динамической структуры. Эта связь определяется из условий возбуждения .дифракционного излучения, Для волн . 10

«низшего порядка медленной и быстрой, имеющих максимальную амплитуду кон 6 ! векционного тока, получаем: с 2/(с "р с

cos (= —.-(n + R, v. соС ыч где Г+„, Г„ — углы максимальной интенсивности диаграмм направленности дифракционйого излучения.; — коэффициент редукции; — период дифракционной решетки; со=2л 5 - частота модуляции элек- 25 тронного потока; (6(= 1,83, 10 4," О,"/ — плазменная частота;

1О-. плотность тока при излучении двухлепестковой

- диаграммы, А/см ;

0() — ускоряющее напряжение,В; скорость света;

2„ 0ц — скорость электронов на выходе модулятора; е, m — заряд и масса электрона; .35

n = -1; -2; -3; ... — номер пространственной дифракционной гармоники излучения.

Уменьшением плотности .тока 1опри-

40 ближают углы излучения Г+„, Г к углу излучения

/c 2(c 1 г =avccos — -jn! (v .Е / идеализированного монохроматического.45 потока. При плотностях электронного

-24 2 3/2.г

1„4 0,4Ь 1О У 0 Si) 6/" (2) влияние. волн пространственного заряда на направление дифракционного иэлуче-„50 ния незначительно, угол /"„ /», /„ =/„ М (d (0,5 — 2) 1О ((), а электронный поток возбуждает однолепестковую диаграмму направленности излучения.

Следовательно, устанавливая плот-,55 ность тока (2), всегда получают од- нолепестковую диаграмму 3 направления излучения (фиг. 1) с максимальной ин6/о тенсивностью излучения под углом

Г = г„ а dÃ. Угол Г „ измеряют относительно положительного направления движения электронов и в дальнейшем выбирают за начальный (базовый), относительно которого проводят последующие измерения.

Увеличивая плотность тока 1, получают двухлепестковую диаграмму

4,5 направленности излучения (фиг.2), возбуждаемого медленной и быстрой волнами прост.акственного заряда. Измеряют углы о +, о/ отклонений максимальной интенсивности полученных диаграмм относительно начального угла Г„ и находят углы Г„ = Г,,-е(, Г„ = Го+ 6)(. Зная углы Г+, Г„, из сооти ношения (1) определяют коэффициент редукции плазменной частоты

3/Ф

-e

R=3,o.00 Е (ooo Г „-. ooo Г ) (0) о

Из соотношений (1), (3) следует, что коэффициент редукции плазменной частоты также можно определить, если измерять один из углов Г „ или Г„ .

В этом случае формула (3) преобразовывается к виду:

1) при измерении угла Г+„= Го- 6) .

R=60 10 И о Е оооГ -оооГ .) )6)

-О З/4.-4CZ ) +

2) при измерении угла ) ) = Г„+ 6)(-15 3/4.-1/2 о = g 6(.1() (/ „. g (сов Г -совГ„), (4061. формулами (4), (4а) удобно пользоваться, если одна из диаграмм 4 или 5 близко нрилегает к поверхности дифракционной решетки (фиг. 3; 6)/- ) Г„-6, 0 где 28 — ширина диаграммы направленности дифракционного излучения), Следует отметить, что если один из углов()((фиг.3,4) или оба эти угла одновременно (фиг.s,á) пунктирными диаграммами 4,5 близко прилегают к поверхности дифракционной решетки, то.путем уменьшения (фиг.5) или увеличения (фигоб) ускоряющего напряжения относительно значения U пово" рачивают диаграммы 4,5 излучения по направлению к углу Г, измеряют углы поворота Р диаграмм и определяют коэффициент редукции по соответствующим формулам: а) при уменьшении ускоряющего напряжения от величины 0 до значения 00

-10 9/Ф. -о/2

R60.О0 О Е(ооо(Г -p )-оoo(Г„-о 1) (0 ) 1077501

Длина Период Ширина Поперечные Тип Сечение

Структура решетки, решетки, щели, размеры, .пучка пучка; мм . Мм . MM мм мм

2,6

Лент.. Зх0,4

Гребенка

Пластина с кольцами

1,5 Зхб

Цилиндр. 2, 6

3,0 б) при увеличении ускоряющего напряжения от значения Ов до величины U.„

R<1 o U :, Eicos(P tp )-са1(Г „+ц )} ф

Формулы .(5), (5а), следуют из общего соотношения (3) или из частных формулы (4),.(4а).

Точность измерения углов Г -, Г„, + ь 10 р- и разрешающая способность (минимальное расстояние между двумя первыми измеряемыми максимумами интенсивности диаграмм направленности излучения — предлагаемого способа зависит

45 от ширины 28 диаграмм излучения. На уровне половинной мощности величину

20 можно оценить по формуле ге = ьу-+», (Ы где < — количество периодов дифракционной решетки. Следовательно,всегда можно выбрать такую длину пе- . риодической структуры, при которой 25 диаграмма излучения будет иметь незначительную ширину, что указывает на практическую воэможность измерения углов Г;,, Г „, p — с + e +

Период дифракционных решеток вы-. бирался из соотношения

et = Á,ВФ чо .(О ь) /цгц1 для основной пространственной дифрак ционной гармоники . (h = -1), что со-, ответствует условию возбуждения монохроматическим электронным йотоком дифракционного излучення перпендикулярно поверхности решетки.. Резонаторы

8 отличались только формой и размерами отверстия, через которые проходит электронный поток. Механическая пере-55 стройка резонатора 8 позволяла изме- нять его собственную частоту в диапазоне . f = 8,7 — 10 ГГц. Дифракцион» высокой точностью и разрешающей способностью. В частности, в приборах типа ГДИ значения 2В составляет не более 5 — 6 с абсолютной погрешностью d" измерения углов излучения не более 1

Предлагаемый способ определения коэффициента редукции плазменной частоты электронного потока был реализован экспериментально на установке, показанной на фиг ° 7. Экспериментальные измерения проводились в сантиметровом диапазоне, что позволило сравнить результаты измерений прототипа с измерениями предлагаемого способа.

Модулированный электронный поток

1; создаваемый электронной пушкой 6 (катод) †.7 (анод) и модулирующим тороидальным резонатором 8, поступает в пространство взаимодействия дифракционной решетки 2 и рассеивается на коллекторе 9. При эксперименте использовались дифракционные решетки двух видов: гребенка и пластинка с кольцами (на фиг. 7 показана вторая периодическая структура). Основные параметры этих решеток и электронного.потока приведены в таблице, ная решетка 2, электронная пушка (6-7), резонатор 8, коллектор 9 размещались в вакуумной стеклянной оболочке 10.

Источником опорного сигнала резонатора 8 служил отражательный клистрон 11 трехсантиметрового диапазона, перестраиваемый в процессе измерений в соответствии с изменением собственной частоты модулирующего резонатора

8. Дифракционное излучение принимается рупорной антенной 12 (размером

80 х 100 мм), детектором, расположенным на расстоянии 900 мм от решетки.

Сигнал излучения после детектора через усилитель 13 поступал на осциллог1077501 раф или микроамперметр 14. Макет-анализатор располагался в зазоре полюсных наконечников электромагнита !5, необходимого для фокусировки электрон- ного потока в пространстве взаимодействия.

Полюсные наконечники электромагнита ограничивали возможность проведения измерений при углах излучения 1О

150Ъ Г, ЗО . Для уменьшения влияния на диаграммы- 3, 4. и 5 дифракционного излучения отраженных от различных неоднородностей СВЧ .сигналов полюсные наконечники и часть стеклянной . 15 колбы покрывались СВЧ поглотителем 16, Ускоряющее напряжение, создаваемое источником 17, менялось в интервале 0 — 3500 В, плотность тока 1, составляла (0,05 — 4) А/см .- 20

Осуществляя управление скоростью электронов при постоянной плотности тока и частоте модуляции или же при

25 постоянном напряжении и частоте модуляции плотностью тока, можно плавно вводить волны плотности пространственного заряда и синхронизм с гармониками периодической структуры и изменять направление диаграмм дифракционного

30 излучения.

Экспериментально установлено, что при плотностях тока j (0,05 — О, 1)

А/см формируется однолепестковая диаграмма 3 (фиг.1) с ширинойпо уров- 35 ню половинной мощности 30, что удовлетворительно согласуетсяс теоретическими соотношениями (!), !6!.Максимальная интенсивность излучения этой диаграммы.наблюдается под углом 40

Г = — < d (d""-2 5 — 3 ) при пара

I метрах: . К = 9,740 ГГц U,= =1820 В— : для гребенки; f = 8,90 ГГцр Ц= 2000 В для решетки плоскость с кольцами.

Увеличивая плотность тока электронного пучка (путем увеличения накала электронной пушки), наблюдаем смещение максимальной интенсивности диаграмм излучения.На фиг.8,%показаны резуль- 50 таты экспериментальныхизмерений углов излучения Г - и коэффициента редукции

-1 от плотности тока io для гребенки (графики, обозначенные крестиками) для плоскости с кольцами — точками.Виднс что коэффициент редукции в данном случае для с (0,5-1) А/см составляет 0,79-0,8. Для токов o> I А/см вследствие относительно широких диаграмм излучения одновременное измерение углов Г", затруднялось. Однако, путем уменьшения или увеличения ускоряющего напряжения при токах i (1,5 — 2)

A/cMZ получены диаграммй направленности, соответствующие возбуждению излучения только медленной (фиг.6) или быстрой (фиг.5) волнами пространственного заряда. Коэффициент редукции в этом случае вычислялся по формулам (5), (5,а), На фиг. 10 приведены результаты измерений коэффициента g для различных значений ускоряющего напряжения о !.! (или углов излучения Г ) при изменении величины плотности тока в интервале (0,05-2) А/см Здесь же

I показаны (треугольничками) данные измерений и теоретический график, взятые из прототипа. Если в прототипе в области напряжений LI, = 1750-2000 В наблюдался резкий скачок коэффициента редукции (R-" 0,65-0,8), вызванный неточностью измерений h низкой разрешающей способностью, то предлагаемым способом удается получить более достоверные данные: меньший разброс точек экспериментальных измерений и плавный характер изменения коэффициентай от О,. . Следовательно, предлагаемый способ, по сравнению с базовым прототипом, позволяет примерно в два раза повысить точность и разрешающую способность измерения коэффициента редукции плазменной частоты. При этом с увеличением частоты возбуждаемых колебаний точность и разрешающая способность измерений возрастает, что связано с уменьшением ширины диаграммы направленности излучения. Этот. факт указывает на перспективность использования предлагаемого способа для измерений .динамических характеристик электронного потока приборов

МСМ диапазона, в частности.генераторов дифракционного излучения,что не позволяют сделать другие известные способы. Кроме того, измерение коэффициента редукции с высокой точностью позволяет определить в реальных приборах достоверную плазменную частоту,. параметры пространственного заряда,.фазовую скорость распрост.

1077501

10 ранения волн, уровень шумов и другие параметры, которые необходимы спи решении задач оптимизации элекIð

5 тровакуумных приборов . 0 — типа миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

1077501

1077501

Редактор Л.Горячева Техред С.Мигунова Корректор Л.Бескид

Заказ 5766/3 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4

gs op o аа ие 1,4/»

gus. 8

06

1РОО ду gg Д 7 gg 09,А)сн

Фиг. У