Гиротрон

 

Использование: гиротрон предназначен для генерации высокомощных электромагнитных волн на высоких частотах. Сущность изобретения: устройство содержит кольцевой коллектор 12 для отклоненного электронного луча 1 и выходной волновод 4, выполненный из двух соосно и последовательно расположенных частей с зазором 7 между их противоположными концами для передачи электронного луча, и дополнительно снабжен конвертором моды 6, расположенным в первой части волновода 4 для уменьшения потерь мощности волны в коллекторе. 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гиротронным электронным трубкам, предназначенным для генерации высокомощных электромагнитных волн на очень высоких частотах. Гиротронная трубка с поперечным полем стала наиболее предпочтительной для этих целей.

Известны гиротроны, передающие лучи с истощенными электронами в полом волноводе, расположенном коаксиально в направлении потока от полости взаимодействия, также передающие выходную мощность через диэлектрическое окно волновода. В известном гиротроне, помимо полости взаимодействия, осевое магнитное поле, необходимое для взаимодействия с электрическим полем полости, понижено так, что электроны в луче следуют вдоль линий магнитного поля наружу и собираются на внутренней стенке волновода до того, как они достигнут выходного вакуумного окна.

Этой конструкции присущи два главных недостатка. Некоторые из электронов отклоняются от надлежащих траекторий и ударяются в окно, что приводит к заряду и опасному нагреванию. Необходимо, чтобы волна передавалась через волновод-коллектор без потерь или преобразования в нежелательные моды. Попытки увеличить волновод в области коллектора и заострить его в сторону выхода, имели только ограниченный успех вследствие генерации паразитных (высшего порядка) мод в этой увеличенной секции.

Попытка разделения функций волновода и коллектора сделана в патенте США N 4200820 от 29.4.1980, в котором описывается контур для отражения выходной мощности в радиальном направлении в сторону от луча с помощью скошенного под углом 45^о зеркала с достаточно большим отверстием для луча. Однако неполное зеркало генерирует паразитные моды, а через отверстие для луча уходит слишком большая мощность волны.

В наиболее близком к предложенному техническом решении (патент США N 460846, 17.07.84) в выходном волноводе выполнен зазор, через который луч проходит в больший, окружающий коллектор. Предполагалось, что волна должна пройти строго через этот зазор, но в результате дифракции полей волны в концах зазора терялась большая мощность снаружи от зазора, в коллекторе.

Целью изобретения является обеспечение отклонения электронного луча наружу с помощью зазора в волноводе в больший коллектор при одновременном пропускании энергии волны через этот зазор с уменьшенными потерями мощности волны в коллекторе.

Эта цель реализуется путем преобразования, по крайней мере, части энергии волновода в моду высшего порядка и передачи, по крайней мере, этой моды высшего порядка через зазор. Большая часть энергии этой моды рассредоточена в центре волновода.

На фиг. 1 показана выходная часть предложенного гиротрона, осевое сечение; на фиг. 2 диаграмма поперечных электрических полей в резонаторе гиротрона по фиг. 1; на фиг. 3 диаграмма поперечных полей в моде высшего порядка в выходном волноводе; на фиг. 4 диаграмма радиальных вариаций силы энергии поля этих двух мод.

Полый луч электронов 1 вытягивается из эмиттирующей зоны конического катода коническим анодом с наружным покрытием. В сильном осевом магнитном поле радиальное движение электронов преобразуется во вращательное движение вокруг этой оси. Осевая компонента электрического поля создает осевое движение, заставляющее луч 1 продвигаться вдоль полости взаимодействия 2, где орбитальные движения электронов генерируют электромагнитную волну с резонансной частотой полости, которая выбрана равной циклотронной частоте поперечного орбитального движения электронов в осевом магнитном поле полости 2. Конфигурация поля или мода этой волны определяется формой и размерами полости 2.

Направленные вдоль потока полости 2 электронный луч 1 и выходная волна приходят на выходную согласующую секцию 3, предназначенную для согласования стоячей волны в полости 2 с бегущей волной в выходном волноводе 4. В этой области волновода осевое магнитное поле снижается с помощью магнита соленоида. Электроны выталкиваются наружу за счет действия пространственного заряда и направленных наружу линий магнитного поля. Бегущая волна продолжает движение в осевом направлении через волновод 4 и выходит через диэлектрическое вакуумное окно 5.

Область 6 волновода 4 между выходной согласующей секцией 3 и зазором 7 является конвертером мод, предназначенным для отвода части энергии волны из моды в полости взаимодействия в моду высшего порядка, которая имеет более низкие токи в стенке волновода и меньшие потери на дифракцию на краях зазора 7. Энергия волны, переносимая смесью этих двух мод (комбинированной модой), распространяется более равномерно по секции волновода и излучается в зазоре 7 с меньшим рассеиванием.

За пределами зазора 7 эти две моды могут быть переданы, смешаны в волноводе большего размера. При необходимости же восстановления моды первоначальной полости можно использовать секцию 8 второго конвертера моды, которая повторно преобразует моду высшего порядка, генерированную первым конвертором 6, обратно в первоначальную моду волновода. Волновод 4 может быть затем сужен в поперечном сечении для подсоединения к волноводу 15 подходящего размера.

На фиг. 2, 3, 4 представлены конфигурации поперечного электрического поля гиротрона, использующего моду ТE, где n есть большое целое число.

На фиг. 2 представлена диаграмма силовых линий 9 поперечного электрического поля и в моде ТЕ_8,1 в цилиндрическом волноводе. Это поле сконцентрировано у внутренней поверхности волновода, быстро спадая до нуля на его оси. Стрелками 9, 10 показаны направления токов на поверхности полого волновода. Эти токи на концах зазора 7 генерируют волны, рассеиваемые в зазоре.

На фиг. 3 представлена аналогичная диаграмма следующей высшей моды, имеющей тот же азимутальный номер моды, ТЕ_8,2. Вторичные петли электрического поля 11 лежат внутри первичных петель 9 так, что больше энергии волны протекает ближе к центру волновода. Эта мода имеет при том же общем потоке энергии более слабые поля и токи в стенках волновода, чем мода ТЕ_8,1 на фиг. 2. Она пересечет зазор 7 с меньшими потерями излучения диффракции в коллекторе 12. Смешанная мода, сформированная путем объединения этих двух мод, будет иметь даже более низкие потери. Моды на фиг. 2, 3 показаны с меньшими номерами, чем те, которые следует использовать на практике. Также предпочтительно иметь номера мод, отличающиеся на 2 единицы, а не на 1, как например, ТЕ_n,m и ТЕ_m,(m+2).

На фиг. 4 представлена схематически диаграмма радиальной вариации энергии поля для моды ТE и ТE, где n₂ > n₁. Это не обязательно оптимальные моды из-за их близости, но достаточные для иллюстрации принципа. ТE имеет энергию, сконцентрированную вблизи наружной стенки, тогда как ТE имеет больше энергии поля, расположенной у центра. Когда эти две моды смешиваются, распределение энергий будет более близко к единообразному. Для получения оптимальных характеристик эти моды должны иметь надлежащие фазовые соотношения в зазоре. Поскольку их фазовые скорости слегка отличаются, фаза в зазоре может быть фиксирована за счет выбора соответствующей длины волновода 13 (фиг. 1) между конвертером мод 6 и зазором 7. Эту длину также можно сделать регулируемой.

Моды, описанные выше, являются модами относительно низкого порядка, предназначенными лишь для иллюстрации сущности изобретения. На практике могут использоваться моды гораздо более высокого порядка, позволяющие создавать большие структуры для обработки больших мощностей. Например, была успешно использована мода ТЕ_15,m. В этом случае вторая мода высшего порядка предпочтительно не должна быть первой, смежной с ТЕ_15,m+1, а удалена к ТЕ_15,m+2.

Теоретические расчеты эффективности изобретения предсказали потерю мощности меньше 3% для дуальной моды, составленной из ТЕ_15,2 и ТЕ_15,3. Для одномодовой передачи по известному принципу на фиг. 1 потеря мощности составляет примерно 10% Секция 6 конвертера мод (фиг. 1) наиболее просто изготавливается с помощью периодических серий нерегулярностей в стенке цилиндрического волновода 4, таких как пульсация диаметра волновода 14. Периодическое расстояние между элементами этой пульсации должно быть равно длине волны биений между этими двумя модами, что является расстоянием, на которое сдвигаются относительные фазы этих двух мод за полный цикл, с тем чтобы перекрестная связь была кумулятивной.

Формула изобретения

1. ГИРОТРОН, содержащий последовательно соединенные полость взаимодействия, соответствующую условию поддержания электромагнитной волны в первой моде колебания, согласующую секцию, выходной волновод, выполненный из двух соосно и последовательно расположенных частей с зазором между их противолежащими концами, кольцевой коллектор, коаксиально расположенный на обеих частях волновода с возможностью перекрытия зазора между торцами указанных концов, диэлектрическое окно, расположенное перпендикулярно к оси волновода на его выходе, отличающийся тем, что по крайней мере первая часть волновода выполнена с возможностью передавать электромагнитную волну во второй моде колебаний с радиальным номером моды большим, чем радиальный номер первой моды, причем первая часть выходного волновода снабжена первым конвертором моды для отвода части энергии от первой моды во вторую моду.

2. Гиротрон по п.1, отличающийся тем, что моды являются модами ТЕ_mn, где азимутальный номер моды m = K + 1 (где K = 0,1,...,l).

3. Гидротрон по п. 1, отличающийся тем, что моды являются модами ТЕ_оn (где n = 0,1,...,l).

4. Гиротрон по п.1, отличающийся тем, что первый конвертор моды выполнен в виде профилированных внутренних стенок волновода с периодически переменным профилем вдоль его оси.

5. Гиротрон по п.4, отличающийся тем, что шаг периодичности профиля первого конвертора равен приблизительно длине волны биений между первой и второй модами.

6. Гиротрон по п.5, отличающийся тем, что выходной волновод имеет круглое сечения, а периодически переменный его профиль вдоль оси представляет собой пульсацию радиуса волновода.

7. Гиротрон по п.2, отличающийся тем, что вторая часть выходного волновода снабжена вторым конвертором моды.

8. Гиротрон по п.7, отличающийся тем, что вторая часть волновода выполнена с уменьшающимся поперечным сечением в направлении выхода волновода.

9. Гиротрон по п.7, отличающийся тем, что второй конвертор моды находится снаружи диэлектрического окна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4