Коаксиальный гиротрон

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Кураев Александр Александрович Лукашонок Дмитрий Викторович Рудницкий Антон Сергеевич Синицын Анатолий Константинович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(56) БАТУРА М.П. и др. Основы теории,расчета и оптимизации современных электронных приборов СВЧ. - Минск БГУИР, 2007. - С. 69-70.11964 1, 2009.19532785 1, 1997.62066535 , 1987.(57) Коаксиальный гиротрон, содержащий электронно-оптическую систему с возможностью формирования трубчатого спирализованного электронного пучка, электродинамическую систему, коллектор электронов и вывод излучения, отличающийся тем, что электродинамическая система содержит коаксиально-конусный резонатор с углом наклона образующих его конических зеркал к оси электронного пучка не больше 90 и выполненный в виде, как это изображено на фигуре 2. Фиг. 1 Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких и крайне высоких частот (СВЧ и КВЧ) и может быть использовано в радиолокационной технике, системах радиосвязи и в устройствах СВЧ-нагрева. Известен 1, с. 184 аксиально-симметричный гиротрон, содержащий электроннооптическую систему для формирования спирализованных электронных пучков трубчатой формы, электродинамическую систему, коллектор электронов и вывод излучения, в котором электродинамическая система выполнена в виде круглого цилиндрического резонатора. Известен 2, с. 65 коаксиальный гиротрон, содержащий электронно-оптическую систему для формирования спирализованных электронных пучков трубчатой формы, электро 16437 1 2012.10.30 динамическую систему, коллектор электронов и вывод излучения, в котором электродинамическая система выполнена в виде круглого цилиндрического коаксиального резонатора. Введение в резонатор коаксиального стержня дает возможность осуществлять эффективную селекцию мод по радиальным индексам. В известных гиротронах не обеспечивается эффективное взаимодействие широкого электронного пучка трубчатой формы с электромагнитным полем из-за расслоения пучка по интенсивности взаимодействия различных слоев электронов со стоячим полем резонатора и вследствие этого не реализуется полностью возможность повышения мощности и КПД гиротрона за счет увеличения ширины электронного пучка. Задача изобретения - увеличение мощности и КПД коаксиального гиротрона при увеличении ширины электронного пучка трубчатой формы. Поставленная задача достигается тем, что в коаксиальном гиротроне, содержащем электронно-оптическую систему с возможностью формирования трубчатого спирализованного электронного пучка, электродинамическую систему, коллектор электронов и вывод излучения, электродинамическая система содержит коаксиально-конусный резонатор с углом наклона образующих его конических зеркал к оси электронного пучка не больше 90 и выполненный в виде, как это изображено на фигуре 2. В гиротроне такой конструкции поверхности узлов и максимумов электрического поля наклонены относительно оси проходящего через резонатор электронного пучка. Поэтому все слои широкого электронного пучка оказываются в одинаковых условиях взаимодействия с полем и таким образом достигается необходимое для повышения мощности и КПД гиротрона устранение расслоения широкого электронного пучка трубчатой формы сечения по интенсивности взаимодействия различных слоев электронов с неоднородным по сечению пучка полем резонатора. Кроме того, за счет селективного взаимодействия электронного потока с попутной парциальной волной стоячего поля резонатора при оптимальных углах наклона образующих резонатор конических зеркал к оси пучка также существует возможность повышения мощности и электронного КПД гиротрона. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематически изображено продольное сечение заявляемого устройства, на фиг. 2 - продольное сечение его электродинамической системы, содержащей коаксиально-конусный резонатор. На них показаны кольцевой катод 1 и анодный блок 4, формирующие в неоднородном внешнем магнитном поле широкий трубчатый спирализованный поток электронов 2, открытый коаксиальноконусный резонатор 3 образуется внутренним 9 и внешним 10 коническими зеркалами,причем образующие осесимметричных конических зеркал наклонены под угломк оси пучка, расстояние между зеркалами , длина каждого из зеркал , на фиг. 1 и 2 показаны также коллектор электронов 5, внутренний проводник коаксиала 6, изолятор коллектора 7,вакуумноплотная диэлектрическая диафрагма 8. Внутреннее зеркало содержит поясок 11 для вывода энергии из резонатора. Отраженная от него коническая волна образует в выходном коаксиальном волноводе волну Н 0, переносящую генерируемую энергию к выходному рупору. Гиротрон работает следующим образом. В основе механизма генерации лежит явление циклотронного резонанса. Действие поля волны кольцевого резонатора на электроны пучка 2 приводит к их релятивистской фазовой группировке, за счет чего обеспечивается отдача их энергии полю резонатора на одной из гармоник циклотронной частоты. Введение в конструкцию генератора коаксиально-конусного резонатора (вместо коаксиального цилиндрического) приводит к двум новым полезным эффектам. За счет коаксиально-конической конфигурации резонатора образуется наклон поверхностей уровня электромагнитного поля (клин) относительно направления продольного движения электронов. В результате все радиальные слои электронного потока, пересекая множество поверхностей уровня, оказываются в среднем в одинаковых условиях взаимо 2 16437 1 2012.10.30 действия с полем резонатора. Тем самым достигается необходимое для повышения мощности и КПД генератора устранение расслоения широкого электронного пучка трубчатой формы сечения по интенсивности взаимодействия различных слоев электронов со стоячим полем резонатора. Кроме того, структура стоячего поля резонатора вдоль оси электронного пучка становится периодической и представляет собой наложение попутной по отношению к продольному движению электронов и встречной волн одинаковой амплитуды. При селективном взаимодействии с попутной парциальной волной для электрона имеет место интеграл движения 0 / 12 / 2 . Здесь 0 - масса покоя электрона,- его наклонная скорость,- его продольная скорость,- скорость света в пустоте. Из интеграла движения следует, что отбор энергии у электрона (уменьшение ) сопровождается его торможением в направлении( должна уменьшаться). В итоге увеличивается мощность, передаваемая полю отдельными электронами, и КПД при оптимальных условиях взаимодействия может быть приближен к 100 . В известных гиротронах 1, 2 имеет место интеграл движения,согласно которому при торможении электрона во внешнем поле ( уменьшается)возрастает (релятивистское ускорение) и мощность и КПД ограничены. При значениях параметров предлагаемого гиротрона (взаимодействие на первой гармонике циклотронной частоты) 020, 0100 ГГц, 03 мм,47,8 мм,74,6 мм,2105 м 3. 030 мм,0,61 рад, 00/0,5,/1,4, 03,31 Тл,257 кВ/см,где 0 - длина волны 0 - частота- объем резонатора 0 - радиальная толщина электронного пучка- максимальная напряженность электрического поля в резонаторе 0 - индукция продольного постоянного магнитного поля в области взаимодействия (в резонаторе)- продольная скорость электронов по отношению к вектору индукции магнитного поля- поперечная скорость электронов на входе области взаимодействия,электронный КПД заявляемого гиротрона равен 70,4 , что в 1,5 раза выше, чем в известном генераторе на циклотронном резонансе. При значении параметров предлагаемого гиротрона (взаимодействие на третьей гармонике циклотронной частоты) 0100 ГГц,47,8 мм,74,6 мм,2105 м 3,030 мм,0,55 рад, 00,5,1,4, В 01,14 Тл,804 кВ/см КПД заявляемого гиротрона равен 40 , что в 2,6 раза выше, чем в известном гиротроне. Таким образом, в заявляемом устройстве устраняется расслоение широкого электронного пучка трубчатой формы по интенсивности взаимодействия различных слоев электронов со стоячим полем резонатора и при оптимальных углах наклона образующих резонатор конических зеркал к оси пучка обеспечивается эффективное взаимодействие электронного потока с попутной парциальной волной стоячего поля резонатора, в результате чего достигается повышение мощности и КПД гиротрона при увеличении ширины электронного пучка трубчатой формы. 3 1. Электронные приборы СВЧ Учеб. пособие для вузов по спец. Электронные приборы / В.М.Березин, В.С.Буряк, Э.М.Гутцайт, В.П. Марин. - М. Высш. шк., 1985. 2. Гольденберг А.А., Нусинович Г.С. Мощные коротковолновые гиротроны В сб. Итоги науки и техники. Сер. Электроника. - М., 1985. - Т. 17. - С. 3-81. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.