Гиротрон с внешним открытым резонатором

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к приборам СВЧ с вращающимися электронными лучами, к гиротронам и может быть использована в передающих устройствах радиолокационных станций, а также в сверхвысокочастотных промышленных установках для электронно-циклотронного нагрева термоядерной плазмы и высокотемпературной обработки некоторых материалов. Устройство «Гиротрон с внешним открытым резонатором», содержащее катод, анод, резонатор, отличающееся тем, что энергия гиротрона выводится во внешний открытый резонатор, содержащий первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему открытого резонатора. В качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r₀ - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе. В качестве первого и второго зеркал используются плоские или конфокальные зеркала. Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для повышения стабильности частоты, уменьшения разброса поперечных скоростей электронов и как следствие для повышения эффективности взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей и электромагнитных колебаний, КПД и выходной мощности гиротрона. 1 н.п. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к приборам СВЧ с вращающимися электронными лучами, к гиротронам и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций (РЛС), а также в сверхвысокочастотных промышленных установках для электронно-циклотронного нагрева термоядерной плазмы и высокотемпературной обработки некоторых материалов.

В науке и технике гиротроны в диапазонах 110, 140 и 170 ГГц имеют выходную мощность Р_вых до 1 МВт при коэффициенте полезного действия (КПД) до 50%. [Ушаков А.Б. Об основных достижениях и направлениях развития мощных электровакуумных СВЧ-приборов. Успехи современной радиоэлектроники. 5-6. 2004. С.44].

Ухудшение выходной мощности и КПД гироприборов связано с разбросом поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей. Разброс скоростей приводит к нарушению условия частотного (поперечного) синхронизма, снижает эффективность взаимодействия электронов луча с электромагнитным полем. Диапазон разброса поперечных скоростей лежит в пределах 25%v₁30% [Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона. ЖТФ. Т. 67, 9. 1997. С.98].

Причем, учет тепловых эффектов, неоднородности поверхности катода гиротрона, неустойчивости релятивистских электронных пучков, обусловленной эффектами пространственного заряда, в том числе кулоновским расталкиванием и неизохронностью циклотронного вращения электронов, не позволяет получить весь диапазон разброса поперечных скоростей в пределах 25%v₁30%.

Причины неустойчивости релятивистских электронных пучков могут носить и волновой, микроскопический характер. В этом случае неустойчивость электронных пучков связывается с энергетическим разбросом электронов пучка [Плахотник А.С. Микроскопический механизм неустойчивости скоростей электронов релятивистского пучка // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. 5. С.72].

В науке и технике известен аналог - мегаваттный гиротрон, работающий на частоте 94 ГТц, потенциал анода U_A=80 кВ, магнитная индукция соленоида В=3,36 Тл, r - радиус окружности, на которой лежат центры спиральных траекторий электронов, r=0,68 см, r₁ - радиус спиральной траектории, r₁=0,02 см [Савин В.Б., Кузьмина В.Г. Приборы гиротронного типа. Зарубежная радиоэлектроника. 7. 1986. С.59].

Недостаток данного аналога заключается в ухудшении выходных параметров в связи с разбросом поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей.

Расчет относительного разброса поперечной скорости электронов вращающихся электронных лучей для аналога с учетом энергетического разброса электронов луча при n=1 дает v₁32% в случае относительной нестабильности частоты =10^-2 и =0.3. При повышении стабильности частоты до величины =10^-3 в случае ₁=0,3 относительный разброс скоростей v₁3,2%. В случае =10^-2 увеличение вращательной скорости ₁=v₁/c до ₁0,4 приводит к разбросу скорости v₁24% [Плахотник А.С. Микроскопический механизм неустойчивости скоростей электронов релятивистского пучка // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. 5. С.73]. Полученный расчетным путем диапазон разброса поперечных скоростей 24%v₁32% совпадает с эмпирически установленным для гиротронов диапазоном разброса поперечных скоростей в пределах 25%v₁30% [Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона. ЖТФ. Т. 67, 9. 1997. С.98].

Численные эксперименты показывают, что величина относительного разброса скоростей пропорциональна относительной нестабильности частоты. Поэтому повышение стабильности частоты гиротрона способствует увеличению и КПД, и выходной мощности прибора.

Известен принятый за прототип гиротрон (патент на изобретение SU 1314867 A1, H01J 25/00, 10.05.2000), в котором повышение стабильности частоты достигается с помощью стабилизирующего генератора.

Недостаток прототипа заключается в наличии дополнительного стабилизирующего генератора, в необходимости соединения выходного волновода гиротрона со стабилизирующим генератором посредством отрезка волновода прямоугольного сечения.

К недостаткам прототипа можно отнести также снижение надежности устройства, повышение стоимости гиротрона.

Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового «Гиротрона с внешним открытым резонатором», конструктивные и функциональные особенности которого позволяют наряду с повышением стабильности частоты повысить КПД и выходную мощность, а также в меньшей степени повлиять на надежность и стоимость гиротрона сравнительно с прототипом.

Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

- применение внешнего открытого резонатора с высокой добротностью, значительно превышающей добротность резонатора гиротрона, способствует повышению добротности резонатора гиротрона;

- повышение добротности резонатора гиротрона за счет применения внешнего открытого резонатора с высокой добротностью приводит к увеличению стабильности частоты гиротрона;

- увеличение стабильности частоты гиротрона вызывает возрастание КПД и выходной мощности за счет уменьшения разброса поперечных скоростей и повышения эффективности взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей и электромагнитных колебаний;

- открытый резонатор характеризуется не только высокой добротностью, но и большой допустимой колебательной мощностью, незначительной плотностью спектра собственных колебаний;

- применение только внешнего открытого резонатора для увеличения стабильности частоты гиротрона в меньшей степени влияет на надежность и стоимость гиротрона по сравнению с использованием для тех же целей дополнительного стабилизирующего генератора и отрезка волновода прямоугольного сечения в прототипе.

Для достижения указанного технического результата предложено устройство «Гиротрон с внешним открытым резонатором», содержащее катод, анод, резонатор, отличающееся тем, что энергия гиротрона выводится во внешний открытый резонатор, содержащий первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему открытого резонатора. В качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r₀ - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что вывод энергии гиротрона связан с внешним открытым резонатором, содержащим первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему открытого резонатора, а в качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r₀ - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.

Дополнительным отличием является то, что в качестве первого и второго зеркал используются плоские зеркала.

Другим дополнительным отличием является то, что в качестве первого и второго зеркал используются конфокальные зеркала.

Вокруг внешнего открытого резонатора конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны вдоль диэлектрического волновода за счет следующего технического решения. Конструктивно гиротрон с внешним открытым резонатором как единое устройство выполняется таким образом, чтобы конструктивные элементы гиротрона находились вне зоны радиусом (23)r₀ вокруг внешнего открытого резонатора. Это достигается последовательным расположением гиротрона и внешнего открытого резонатора на одной продольной оси.

Свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны вдоль диэлектрического волновода обоснована тем, что, во-первых, установлено, что внутри граничного радиуса r₀ проходит значительная часть всего потока энергии (80...90%), во-вторых, поверхностная волна вдоль диэлектрического волновода распространяется широким волновым пучком, диаметр которого имеет порядок 2r₀ [Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: Связь. 1973. 480 с. С.298, 299].

Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для повышения стабильности частоты, КПД и выходной мощности гиротрона.

Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, стабильность рабочей частоты, но и в меньшей степени повлиять на надежность и стоимость гиротрона в сравнении с прототипом.

Сущность полезной модели поясняется чертежом:

- фиг.1 - Гиротрон с внешним открытым резонатором, общий вид.

На фиг.1 представлен Гиротрон с внешним открытым резонатором, общий вид:

1. Гиротрон;

1.1. Катод;

1.2. Анод;

1.3. Резонатор;

1.4. Вращающиеся электронные лучи;

2. Открытый резонатор;

2.1. Первое зеркало;

2.2. Второе зеркало;

2.3. Направляющая система открытого резонатора.

Гиротрон 1 фиг.1 с внешним открытым резонатором 2 фиг.1 содержит катод 1.1, анод 1.2, резонатор 1.3 и внешний открытый резонатор 2, содержащий первое зеркало 2.1, второе зеркало 2.2 и направляющую систему открытого резонатора 2.3 фиг.1. В качестве примера первое зеркало 2.1, второе зеркало 2.2 фиг.1 выполнены конфокальными.

Вывод электромагнитной энергии гиротрона 1 фиг.1 осуществляется во внешний открытый резонатор 2 фиг.1. Открытый резонатор 2 фиг.1 представляет собой систему из двух зеркал - первого зеркала 2.1, второго зеркала 2.2 - и направляющей системы открытого резонатора 2.3 фиг.1. Направляющая система открытого резонатора 2.3 фиг.1 представляет собой отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которой конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r₀ - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.

Устройство работает следующим образом

«Гиротрон с внешним открытым резонатором» предназначен для генерации электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с повышенными стабильностью частоты и выходными энергетическими характеристиками - КПД и выходной мощностью.

Генерируемая гиротроном 1 фиг.1 электромагнитная энергия поступает во внешний открытый резонатор 2 фиг.1. Открытый резонатор 2 фиг.1 характеризуется высокой добротностью и вносимое им в резонатор 1.3 фиг.1 гиротрона 1 фиг.1 реактивное сопротивление по модулю многократно превышает активное. За счет этого увеличивается добротность резонатора 1.3 фиг.1, а стабильность частоты гиротрона 1 фиг.1 возрастает. Повышение стабильности частоты гиротрона приводит к значительному уменьшению разброса поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей 1.4 фиг.1. Это улучшает эффективность взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей 1.4 фиг.1 и электромагнитных колебаний гиротрона 1 фиг.1. В результате повышаются и выходные энергетические характеристики гиротрона - КПД и выходная мощность.

Заявленная полезная модель «Гиротрон с внешним открытым резонатором» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с повышенными стабильностью частоты, КПД и выходной мощностью в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки.

Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:

- применение внешнего открытого резонатора с высокой добротностью, значительно превышающей добротность резонатора гиротрона, способствует повышению добротности резонатора и увеличению стабильности частоты гиротрона;

- увеличение стабильности частоты гиротрона вызывает возрастание КПД и выходной мощности за счет уменьшения разброса поперечных скоростей электронов и повышения эффективности взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей и электромагнитных колебаний;

- открытый резонатор характеризуется не только высокой добротностью, но и большой допустимой колебательной мощностью, незначительной плотностью спектра собственных колебаний;

Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства гиротронов, открытых резонаторов.

1. Гиротрон с внешним открытым резонатором, содержащий катод, анод, резонатор, отличающийся тем, что энергия гиротрона выводится во внешний открытый резонатор, содержащий первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему резонатора, а в качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (23)r₀ для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r₀ - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.

2. Гиротрон по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого и второго зеркал используются плоские зеркала.

3. Гиротрон по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого и второго зеркал используются конфокальные зеркала.