Приборы и техника эксперимента, 2023, № 2, стр. 58-63

Оротрон с двухрядной периодической структурой (ДРПС) отличается от оротрона Ф.С. Русина [1] тем, что в нем вместо четвертьволновой периодической структуры, расположенной на плоском зеркале полусферического открытого резонатора, используется ДРПС. Электронный поток в оротроне Ф.С. Русина двигается над периодической структурой, вблизи нее, а в оротроне с ДРПС – между двумя рядами периодической структуры, заполняя пролетный канал. В связи с этим эффективность электронно-волнового взаимодействия в оротроне с ДРПС существенно выше. Поэтому к 2002 г. в них достигалась выходная мощность от десятков до единиц киловатт в диапазоне от 3 см до 3 мм соответственно, и работали они в импульсном режиме с большой скважностью. Однако это были генераторы, не имеющие перестройки, а работающие на одной частоте.

Участвуя с 2002 г. в исследованиях по продвижению высокочастотной границы перестройки в оротроне с ДРПС в субмиллиметровый диапазон [2–6], мы смогли обеспечить сначала широкодиапазонную перестройку частоты в 2-миллиметровом диапазоне волн [2] и впервые достичь в 2014 г. частоты 402 ГГц (около 0.75 мм) при диапазоне перестройки более октавы [5, 6]. Приборы работали в импульсном режиме с большой скважностью (T/τ = 0.02/(2 ⋅ 10^–6)), мощность оротрона коротковолновой части миллиметрового диапазона достигала 20 Вт [3], а мощность оротрона субмиллиметрового диапазона на частоте 402 ГГц не превышала 5 мВт.

Для измерения такого уровня мощности на различных частотах большого диапазона перестройки (более октавы [5, 6]) был использован детектор, работающий в квадратичном режиме, и разработана методика оценки выходной мощности оротронов с ДРПС.

Для реализации данной методики, прежде всего, необходимо знание чувствительности детектора во всем диапазоне измерений, т.е. необходимо провести градуировку детектора. По нашему заказу градуировка чувствительности детектора вместе с детекторной секцией (ДС) в диапазоне 100–165 ГГц была выполнена на оборудовании предприятия АО “НПП “Исток” им. Шокина” по методике одного из разработчиков субмиллиметровых ламп обратной волны (ЛОВ) А.А. Негирева [7], используемой и для других заказчиков.

Для нашей задачи продвижения измерений вверх по частоте, когда чувствительность детектора уменьшается, удобнее использовать величину β, обратную чувствительности. Такая градуировка ДС представлена на рис. 1 в диапазоне от 100 до 165 ГГц. Однако в диапазоне от 165 до 400 ГГц такой градуировки у нас не было. Тогда мы продолжили линейную часть градуировки обратной чувствительности ДС β диапазона 100–165 ГГц до 360 ГГц, исходя из того, что по мере увеличения частоты чувствительность детектора уменьшается, поэтому его амплитудная характеристика остается квадратичной при больших амплитудах воздействующего на него сигнала более высокой частоты. Именно такая градуировка ДС была использована нами при расчете мощности излучения на некоторых частотах диапазона перестройки. Обобщенная градуировка ДС в диапазоне до 360 ГГц представлена на рис. 1.

Для расчета мощности излучения на некоторых частотах диапазона перестройки сначала измеряли мощность потерь в СВЧ-тракте между выходным фланцем вывода энергии оротрона с ДРПС и ДС, а затем с использованием градуировки ДС по значению амплитуды сигнала ДС на данной частоте определяли мощность генерируемого излучения. В качестве источников излучения при измерениях потерь в СВЧ-тракте в диапазоне от 180 до 360 ГГц использовали две ЛОВ, непакетированные в твердотельную магнитную систему: ОВ-66 (180–260 ГГц) и ОВ-65 (260–360 ГГц). Для работы с этими ЛОВ необходимо размещать их в постоянном магнитном поле с максимальной величиной не менее 7000 Гс. Поэтому для проведения измерений с их использованием был создан стенд с электромагнитом, в зазоре которого поочередно в специальном устройстве размещали ЛОВ. С помощью этого устройства обеспечивалось максимальное прохождение электронного потока ЛОВ на коллектор. Кроме того, вся измерительная система была выстроена таким образом, чтобы замена деталей СВЧ-тракта при измерениях не нарушала юстировки ЛОВ. Для этого вся система размещалась на оптической скамье, и излучение, генерируемое ЛОВ, с помощью рупорной антенны передавалось к измерительной части системы через такую же приемную антенну.

Согласно паспорту изготовителя АО “НПП “Исток” им. Шокина”, изделия ЛОВ ОВ-66 и ОВ-65 предназначены для работы с электропитанием в непрерывном режиме. Поскольку лампы были у нас в единичном экземпляре, необходимо было уделить особое внимание их безопасной эксплуатации. При юстировке положения лампы в зазоре электромагнита для оптимального прохождения тока на ее коллектор она легко может быть выведена из строя за счет оседания тока на ее замедляющую структуру. Также необходимо было исключить возможность вывода из строя лампы при неожиданном ослаблении напора в системе водяного охлаждения или при полном его отключении.

Чтобы снизить тепловую нагрузку на замедляющую систему ЛОВ, нами впервые было показано [4, 5], что эти лампы (как и другие) могут работать в импульсном режиме с большой скважностью (T/τ $ \gg $ 1) при периоде следования импульсов T = = 0.02 с и длительности импульса τ = 100 мкс, т.е. при T/τ = 200. Для этого был создан специальный модулятор. Блок-схема измерений с использованием этого модулятора представлена на рис. 2.

Специально разработанный модулятор 1 формировал импульсы отрицательной полярности амплитудой до 4 кВ длительностью 100 мкс, которые подавались на катод ЛОВ (4). Питание модулятора осуществлялось от выпрямителя ВС-22 (2) напряжением 5 кВ, а переменное напряжение накала 6.3 В подавалось от специально разработанного блока. Замедляющая структура и корпус ЛОВ были заземлены. Фокусировка электронного потока осуществлялась магнитным полем напряженностью 7000 Гс от электромагнита с электропитанием от источника напряжения БПЭ (блок питания электромагнита). С целью синхронизации импульсов высокого напряжения с сетевыми пульсациями магнитного поля электромагнита запуск модулятора осуществлялся от импульсного генератора Г5-56, работающего в режиме внешнего запуска от сети с частотой повторения запускающих импульсов 50 Гц. Контроль амплитуды импульсов на выходе модулятора осуществлялся с помощью делителя напряжения 5 и осциллографа 6.

Высокочастотный сигнал с выхода ЛОВ через передающую 10 и приемную 11 рупорные антенны подавался в измерительный тракт со встроенным аттенюатором 9 и, далее, на измеряемый объект 8. Ослабление этого сигнала определялось по разности сигналов-откликов детекторной секции 7 на входе (А₀) и выходе (А₁) измеряемого объекта 8.

Частота излучения ЛОВ определялась по графику напряжение–частота. Измерение частоты генерируемого сигнала осуществлялось с помощью интерферометра, разработанного в ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН под руководством Ю.Н. Казанцева [8], и детекторной секции, с выхода которой сигнал фиксировался на осциллографе.

Стенд “холодныхˮ измерений в диапазоне 180–360 ГГц представлен на рис. 3.

На рис. 4 представлена схема СВЧ-тракта для измерения выходной мощности и частоты при работе оротрона с ДРПС. Для этого, как сказано выше, предварительно проводились измерения ослабления СВЧ-тракта по блок-схеме на рис. 2 от выхода оротрона с ДРПС до ДС последовательно для всех элементов, представленных на рис. 4.

Измерения ослабления СВЧ-тракта по схеме на рис. 4 проводились для трех элементов: 1 – отрезка волновода сечением 1.2 × 2.4 мм² от выходного фланца вывода энергии оротрона с ДРПС до перехода на сечение 0.8 × 1.6 мм² к аттенюатору; 2 – аттенюатора с сечением тракта 0.8 × 1.6 мм²; 3 – интерферометра с переходными фланцами 0.8 × 1.6 мм² на 14 × 14 мм² от аттенюатора и 14 × × 14 мм² на 0.8 × 1.6 мм² к ДС.

Для оценки величины генерируемой мощности амплитуда сигнала U, мВ, наблюдаемая на осциллографе, умножалась на величину обратной чувствительности ДС β с учетом ослабления аттенюатора α_ат и элементов волноводного тракта α_тр в исследуемом диапазоне частот.

Таким образом были проградуированы ослабления основных элементов измерительного СВЧ-тракта, которые использовались при проведении “горячих” испытаний экспериментальных макетов оротрона с ДРПС. Выходная мощность P_вых в каждом случае определялась по формуле:

где U_ДС – амплитуда сигнала детекторной секции; β, мкВт/мВ – величина, обратная чувствительности ДС; α_тр – суммарное ослабление элементов тракта на данной частоте; α_ат – ослабление аттенюатора.

Для СВЧ-тракта, используемого в эксперименте и представленного на рис. 4 указанными выше элементами 1–3:

Значения β, α_тр, α_ат в диапазоне 360–402 ГГц считались равными их значениям на частоте 360 ГГц. Поэтому расчетные значения мощности в этом участке диапазона занижены из-за снижения чувствительности ДС (из-за увеличения β) примерно на 15%.

Таким образом была проведена градуировка трех участков СВЧ-тракта от выходного фланца оротрона до ДС для разных частот диапазона 180–400 ГГц. Общий коэффициент ослабления генерируемого сигнала в схеме “горячихˮ измерений на рис. 4 на каждой частоте составил, таким образом:

Оценка ошибки измерений каждого элемента по формуле (1) дает примерно следующий результат: ΔК(β) ≈ 9%; ΔК(α_ат) ≈ 11%; ΔК(α_тр) ≈ 13%.

Тогда

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты измерений α₁ и α₃.

При измерениях в этом диапазоне аттенюатор использовался только в положении “ослабление 0”, он был нужен для того, чтобы ослабить сигнал и защитить ДС от выхода из строя при мощной низкочастотной генерации при повышении напряжения до желаемого. В этом диапазоне можно считать, что α₂ ≈ 1.

Описанная выше методика оценки величины генерируемой мощности экспериментальных макетов оротронов с ДРПС не учитывает в 1-миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах сверхразмерность измерительного волноводного тракта 2‑миллиметрового диапазона с поперечным сечением 0.8 × 1.6 мм². Поэтому измеренные значения ослабления СВЧ-тракта должны быть скорректированы с учетом этого факта. Нетрудно показать, как это сделано в Приложении, что эта коррекция должна привести к увеличению значений мощности на всех частотах, вычисленных по описанной методике, кроме тех, при которых максимум ВЧ-поля волны типа H₁₀ имеет место на середине широкой стенки волновода сечением 0.8 × 1.6 мм². На этих частотах вычисленные значения мощности не изменятся.

Таким образом, предлагаемая методика оценки мощности генерации оротронов, не учитывающая сверхразмерность волновода ДС, может быть с уверенностью использована для определения верхней границы перестройки частоты оротронов вплоть до 400 ГГц, где зафиксирована минимальная мощность генерации 5 мВт. Именно решение этой задачи при измерениях было главным для продвижения верхней границы перестройки в новых конструкциях оротронов вверх по частоте.

Несмотря на небольшую точность измерений, данная методика позволила оценить мощность, генерируемую различными конструкциями оротронов с ДРПС в импульсном режиме в диапазоне частот от 180 до 402 ГГц и с широким диапазоном выходных мощностей, от 20 до 5 ⋅ 10^–3 Вт (см. соответственно [3] и [5, 6]). В результате коррекции измерений путем учета сверхразмерности СВЧ-тракта величина реальной выходной мощности может быть только равной или больше измеренной.