Проаналізовано процес модуляції електронного потоку в резонаторах із просторовим розподілом високочастотного поля, який близький до реального. Визначено умови, які дозволяють формувати електронні згустки для множення частоти з великою кратністю.

Теоретично досліджено нову фізичну модель процесу взаємодії електронів із ВЧ полем поблизу самої поверхні системи, яка уповільнює електромагнітну хвилю, з урахуванням реального розподілу ВЧ полів. Показано, що взаємодія із поперечним електричним полем спричиняє відбіркове осідання електронів на ламелях гребінки, а у щільових резонаторах відбувається відбір потужності від уже промодульованого за щільністю електронного потоку. Розглянуто повний синхронізм електронів із просторовими гармоніками поля. Показано можливість роботи клінотрона у режимах із дуже великими кутами прольоту електронами щільових резонаторів.

Теоретически исследована новая физическая модель процесса взаимодействия электронов с ВЧ полем вблизи самой поверхности замедляющей системы с учетом реального распределения ВЧ полей. Показано, что взаимодействие с поперечным электрическим полем вызывает избирательное оседание электронов на ламелях гребенки, а в щелевых резонаторах происходит отбор мощности от уже промодулированного по плотности электронного потока. Объяснен экспериментально наблюдаемый в клинотронах почти полный синхронизм электронов с пространственной гармоникой поля. Показана возможность работы клинотрона в режимах с очень большими углами пролета электронами щелевых резонаторов.

A new physical model of the electrons interaction with the HF field close to the surface of the slow wave structure is investigated theoretically with regard to the real HF field distribution. It is demonstrated that the electron interaction with the transversal electrical field induces the selective settling of the electrons on the comb lamellas, and the power is then taken away from the modulated electron flow in the comb slot resonators. The near-perfect electron synchronism with a spatial harmonic wave, which is observed experimentally, is explained. The possibility of the klynotron operation with large transit phase angles is demonstrated.

Розглянуто різні засоби механічного перестроювання частоти у генераторах типу "клинотрон" міліметрового та субміліметрового диапазонів хвиль. Описано конструкції та наведено характеристики деяких клинотронів з механічним перестроюванням частоти.

Обсуждены различные способы механической перестройки частоты в генераторах типа "клинотрон" миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Описаны конструкции и приведены характеристики некоторых клинотронов с механической перестройкой частоты.

The frequency change methods for klynotron-type oscillators of millimeter and submillimetr wave bands arediscussed. The some oscillator designs and the frequency change mechanism are described. The some klynotron experimental characteristics are give.

Теоретично досліджено, як впливає скругління у кутах прямокутного резонатора на його електродинамічні характеристики. Під час дослідження використано метод порівняння електродинамічних розв'язків з електростатичними. Показано, що у довгохвильвому наближенні скругління кутів практично не впливає на характеристики прямокутного резонатора. Цей висновок підтверджено експериментальним дослідженням.

Теоретически исследовано влияние скруглений углов прямоугольного резонатора на его электродинамические характеристики. При исследовании используется метод сравнения электродинамического решения с электростатическим. Показано, что в длинноволновом приближении скругление углов практически не влияет на характеристики прямоугольного резонатора. Этот вывод подтвержден экспериментальным исследованием.

An effect of rounding-off the resonator cavity corners upon the resonator electrodynamic characteristics is theoretically studies. The method of comparing between the electrodynamic and electrostatic solutions is applied for analysis. It is shown thatin the long-wave approximation the corner rounding-off does not essentially haw an effect on rectangular resonator characteristics. This conclusion is confirmed experimentally

Розглянуто числово-аналітичний метод обчислення просторового розподілу високочастотних полів власних типів коливань в уповільнювальних системах, складених з елементів, що мають прямокутний перетин. Це гребінки, гратки та т. п. системи. Розподіл поля для конкретної системи уповільнення записано у вигляді лінійної комбінації розв'язків кількох задач дифракції хвиль на періодичній структурі, складеної з напівплощин кінцевої товщини. Розв'язок цих допоміжних дифракційних задач одержано із вимоги тотожності систем функціональних рівнянь, одержаних у ході "сшивки" полів в електродинамічному й електростатичному випадках. Точний розв'язок електростатичних задач одержано за допомогою методу конформних відображень. Для розрахунку електродинамічних полів наведено формули у замкненій формі (не у вигляді рядів), у яких враховано відразу всі просторові гармоніки поля та вірно відображені особливості поля поблизу гострих ребер металевих елементів. У першій частині роботи розглянуто випадок великих уповільнень, коли довжина хвиль усіх просторових гармонік поля є набагато меншою за довжину хвилі у вільному просторі. Наведено графіки зміни полів у часі та просторі в уповільнювальній системі типу "гребінка".

Одержано допоміжний точний електродинамічний розв'язок для розімкненої гребінки, який є результатом падіння на поверхню гребінки сукупності хвиль як із вільного простору, так і з середини щілинних хвилеводів. Електричне поле цього розв'язку з великою точністю виражено через квазістатичний розв'язок, який одержано у першій частині. Розглянуто так звані "вищі" допоміжні розв'язки, одержані за однакових потенціалів на пластинах розімкненої гребінки. Розв'язки для конкретних уповільнювальних систем можна одержати у вигляді лінійної комбінації усіх цих допоміжних розв'язків.

Наведено приклади аналізу конкретних уповільнювальних систем: гребінки з екраном і подвійної гребінки. Одержано дисперсійні рівняння та проведено обчислення просторових гармонік поля. Проаналізовано розподіл полів поблизу самої поверхні періодичних структур. Виявлено явище зустрічного руху хвилі на поверхні металевих електродів.

Экспериментально исследовано возбуждение резонансного клинотрона при синхронизме электронов с первой, второй, третьей и четвертой отрицательными пространственными гармониками поля замедляющей системы. Возбуждение происходило без предварительной модуляции электронного потока при пусковых токах всего в единицы миллиампер. Теоретически проанализирована простая физическая модель взаимодействия электронов с полем щелевых резонаторов гребенки. Показано, что в случае клинотрона эффективное взаимодействие электронов с высокочастотным полем возможно даже при очень больших углах пролета электронов. Обсуждены перспективы использования исследованных режимов в клинотронах субмиллиметрового диапазона волн для увеличения в несколько раз периода замедляющих систем.

Численно исследовано трехмерное движение электронов в генераторе типа "клинотрон" с учетом взаимодействия электронов как с продольной, так и с поперечной составляющей электрического высокочастотного поля. Для описания полей в замедляющей системе типа "гребенка" использовано строгое электродинамическое решение, учитывающее особенности полей на острых кромках металлических элементов. Проанализированы процессы энергообмена электронов с высокочастотным полем. Описана используемая физическая модель, методики расчета высокочастотных полей и численного интегрирования уравнений движения электронов.

С помощью программы "Клинотрон", описанной в первой части, исследуется движение электронов в нескольких реальных приборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Проанализированы результаты численного исследования. Обсуждены перспективы использования этой программы при разработке новых клинотронов.

Проведено численное исследование группировки электронов в клинотроне с помощью разработанной ранее специальной программы, учитывающей специфику клинотронного режима. Изучено трехмерное движение электронов в ограниченном (не бесконечном) фокусирующем магнитном поле. В результате численного исследования обнаружен эффект послойной группировки электронов в клинотронных генераторах: чем дальше расположен электронный слой от поверхности замедляющей системы, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. Показано, что подбирая режим работы клинотрона и угол наклона фокусирующего магнитного поля к поверхности гребенки, можно обеспечить формирование плотных электронных сгустков в части пучка уже за пределами замедляющей системы клинотрона, где должна быть расположена вторая замедляющая система, работающая в режиме отборника мощности. Доказана возможность использования клинотрона при создании умножителей частоты.

Проведено числове дослідження групування електронів у клинотроні за допомогою спеціальної програми, яку розробили раніше для врахування специфіки клинотроного режиму. Досліджено тривимірний рух електронів у обмеженому (не безкінечному) магнітному полі. У результаті числового дослідження виявлено ефект пошарового групування електронів у клинотронних генераторах: чим далі розташований шар електронів від поверхні системи для уповільнення хвиль, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Показано, що добираючи режим роботи клинотрона та нахил фокусуючого магнітного поля до поверхні гребінки, можна забезпечити формування щільних електронних згустків у частині пучка вже за межами уповільнюючої системи клинотрона, де має бути розташована друга уповільнювана система, яка працює в режимі відбирача потужності. Доведено можливість використовувати клинотрон у процесі створення помножувачів частоти.

There is a problem of designing convenient in use and not particularly expensive oscillators for mastering the sub-millimetre waveband. The backward wave oscillators (BWOs) provide good results in the long-wavelength part of the sub-millimetre waveband. However, their advancement in the short-wavelength part of the sub-millimetre waveband causes substantial problems. Existing technological opportunities do not allow to obtain extremely thin high-current-density electron beams necessary for this waveband. Application of the frequency multipliers could weaken requirements to the electron beams considerably. A clinotron-type oscillator can be used for bunching electron beam in the frequency multiplier. In the clinotron oscillator, a wide and comparatively thick sheet electron beam is directed at a small angle to the surface of the slow-wave structure and is partly dispersed on this surface. Clinotron provides output powers a few orders of magnitude greater than conventional BWOs of the same waveband. This is important for obtaining good (i.e., deep) bunching of an electron beam. In clinotron-type oscillators, it is necessary to investigate the process of dense electron bunching and to clarify the conditions of its use for bunching electron beam in a frequency multiplier. In this article, numerical simulation of electron bunching is conducted in the clinotron by means of our previously in-house designed special computer program, which takes into account the specifics of the clinontron operational regime. Three-dimensional motion of electron is investigated in the finite focusing (guide) magnetic field. As a result of numeral simulations, we find the effect of “layer-by-layer” bunching of the electron beam in a clinotron-type oscillators. The farther an electron layer is located from the surface of the slow-wave structure the later electron bunching in that layer occurs. We show that singling out the clinotron operating regime and the slope angle of the guide magnetic field to the surface of the comb allows one to ensure the formation of dense electron bunches in the part of the beam outside the clinotron slow-wave structure, where the second slow-wave structure (working in the power-catching regime) must be located. Thus, the principal possibility of the clinotron use for designing a frequency multiplier is proved.

Указано, что для субмиллиметрового диапазона волн возможно выполнить умножитель в виде двухкаскадного генератора типа «клинотрон», который одновременно является и модулирующим генератором и отборникоммощности. Численные теоретические исследования показали, что в клинотроне существует эффект послойной группировки электронов в ленточном пучке: чем дальше расположен слой электронов от поверхности гребенки, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. В удаленном слое электроны формируются в сгустки уже за пределами гребенки модулирующей части клинотрона, поэтому клинотрон может использоваться в качестве модулятора электронного потока. Проведена экспериментальная проверка этой возможности; описана простая конструкция клинотрона-умножителя и приведены результаты экспериментального исследования работы этого прибора. В модулирующей части клинотрона генерируются колебания с длиной волны λ около 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны λ около 0,93 мм. Продемонстрирована возможность уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5 - 0,3 Тл, тогда как для лампы обратной волны этого диапазона нужно магнитное поле порядка 1,0 Тл.

Зазначено, що для субміліметрового діапазону хвиль можна створити помножувач у вигляді двокаскадного генератора типу «клинотрон», який одночасно буде генератором для модуляції, модулятором і відбірником потужності. Теоретичні числові дослідження показали, що у клинотроні існує ефект пошарового групування електронів у стрічковому пучку: чим далі розташований шар електронів від поверхні гребінки, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Тому клинотрон може бути використаний як модулятор електронного потоку. Проведено експериментальну перевірку такої можливості; описано просту конструкцію клинотрона-помножувача й наведено результати експериментального дослідження роботи цього приладу. У моделюючій частині клинотрона генеруються коливання з довжиною хвилі   2,8 мм, а у відбірнику потужності - з довжиною хвилі   0,93 мм. Продемонстровано можливість зменшити у цьому приладі індукцію фокусуючого магнітного поля до 0,5 - 0,3 Тл, тоді як для лампи зворотньої хвилі цього діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл.

In comparison to backward wave oscillator (BWO) of O-type, requirements to the quality of electron beams are weakened in the frequency multipliers. Therefore, frequency multipliers may have a considerable perspective for mastering the sub-millimetre waveband, although, their output power is usually less than in the BWOs of the comparable waveband. Experimental works on the frequency multipliers are known in the millimetre waveband. In those devices, a resonator of klystron type, fed by an external power oscillator of the centimetre waveband, serves as the buncher section. The slow-wave structure of the comb type operates in the power-catching regime. We are certain that for the sub-millimetre waveband it may be possible to design a multiplier as a two-cascade clinotron-oscillator, which is simultaneously a modulating generator, a buncher, and a power-catcher. Numeral simulations showed that in the clinotron there exists the effect of “layer-by-layer” bunching of electrons in a sheet beam: the farther an electron layer is located from the surface of the comb, the later electron bunching in that layer occurs. In a remote layer, electrons form bunches outside the comb of the modulating part of the clinotron. Therefore, clinotron can be used as anelectron beam buncher. The aim of the present work was an experimental verification of this possibility. In the paper, a simple design of a clinotron-multiplier is introduced, and the results of investigation of its operation are presented. In the buncher section of the clinotron, oscillations are generated with the wavelength of 2.8 mm. In the power-catcher section, a signal is generated with the wavelength of 0.935 mm. We also demonstrate the possible decrease in the magnetic field induction of the focusing (guide) magnetic field to 0.5÷0.3 T in this device, while for a BWO of the same waveband the necessary guide magnetic field is about 1.0 T.