КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОТРОН Российский патент 1994 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к импульсной технике.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона путем установки определенной частоты за счет замены зеркал.

На фиг. 1 схематически представлен квазиоптический вибрационный гиротрон, продольное сечение; на фиг. 2 - выполненный в виде револьверной головки держатель с шестью зеркалами; на фиг. 3 - резонатор с голографической развязкой.

Вибрационный гиротрон содержит электронную пушку 1 для выработки, например, имеющего кольцевую форму электронного луча 2, который проходит вдоль оси 3. В качестве электронной пушки 1 может использоваться как хорошо известная магнетронная инжекционная пушка, так и предпочтительно слойная электронная пушка. Две катушки 4, 5 по схеме Гельмогольца (т. е. они расположены на взаимном расстоянии друг от друга, которое в основном соответствует их радиусу) вырабатывают статическое магнитное поле, ориентированное параллельно оси 3 электронного луча, в результате чего электронный луч 2 сжимается и принудительно приводится во вращение.

Квазиоптический резонатор, образованный двумя противолежащими зеркалами 6, 7, которые расположены на одной оси 8 резонатора, расположен между катушками 4, 5 так, что ось 8 ориентирована перпендикулярно относительно оси 3 электронного луча. Взаимно соответствующие зеркала 6, 7 оптимизированы применительно к определенной частоте. Они имеют, например, сферическую кривизну и форму круглого диска. В результате вращения электронов в резонаторе возбуждается высокочастотное электромагнитное переменное поле 9, в результате чего желаемое электромагнитное излучение может быть развязано с резонатором с помощью пригодных средств и выдано через высокочастотное окно и единственный волновод потребителю. Высокочастотное окно прозрачно закрывает вакуумный сосуд 10, в котором расположены описанные части, относительно внешнего пространства (например, волновода).

Обе катушки 4, 5, которые оказывают друг на друга большие по величине усилия, опираются друг на друга с помощью опорной конструкции 11. Последняя содержит пригодные для резонатора отверстия или свободные пространства. Опорная конструкция 11 может представлять собой, например, оснащенный отверстиями стальной каркас или опорный каркас, выполненный из пригодным образом расположенных титановых прутьев. Вся конструкция в целом размещена в вакуумном сосуде 10.

Вибрационный гиротрон содержит по меньшей мере два взаимосоответствующих зеркала 12, 13, которые вместе с зеркалами 6, 7 расположены на подвижном держателе 14, 15. Зеркала 12, 13 настроены на частоту, отличную от частоты зеркал 6, 7. В остальном они выполнены идентично. Оба держателя 14, 15 могут предпочтительно поворачиваться вокруг оси параллельно оси 8 резонатора, а именно так, что оба зеркала 12, 13 могут быть переведены в положение зеркал 6, 7. При этом должны быть предусмотрены средства, гарантирующие возможность точного выравнивания (центровки) и фиксирования (арретировки) пары зеркал, которая расположена на оси 8 резонатора. С целью переключения вибрационного гиротрона с одной частоты на другую осуществляется поворот обоих держателей 14, 15, в результате чего зеркала 6, 7 могут быть заменены зеркалами 12, 13. Одновременно магнитное поле настраивается на новую частоту за счет увеличения или уменьшения тока, протекающего через катушки 4, 5. В соответствии с предпочтительной формой исполнения зеркала 6, 7, 12, 13 охлаждаются охлаждающим средством 16. Подвод охлаждающего средства осуществляется через ось вращения держателя 14 или 15.

Все вышесказанное справедливо также для трех и боле пар зеркал. Это соответствует, в частности, предпочтительной форме исполнения, если на каждом держателе 15 расположены до шести зеркал.

На фиг. 2 показан держатель 14, на котором по принципу револьверной головки расположены шесть зеркал. Они удерживаются отдельными кронштейнами, которые расположены на взаимном расстоянии 60^о.

Развязка электромагнитного излучения может осуществляться различными известными способами. Одна возможность заключается в том, что зеркала оснащаются пригодными развязывающими полями. Другая возможность заключается в развязке на краю одного зеркала. В этом случае одно из обоих взаимосоответствующих зеркал имеет несколько меньший диаметр, нежели другое. Особенно предпочтительной является развязка желаемого электромагнитного излучения с помощью голографических структур.

На фиг. 3 показан резонатор с голографической развязкой. В случае, изображенном на фиг. 3, электронный луч 2 проходит в направлении от наблюдателя. Позади опорной конструкции 11 изображена катушка 5. Поверхность зеркала 7 оснащена голограммой, которая обуславливает развязку малой части энергии переменного поля вдоль оси 17 развязки. Ось развязки образует с осью 8 резонатора заданный угол α, который больше нуля. В типичном случае уголα составляет порядка 30^о. Высокочастотное окно 18 обеспечивает вывод желаемого излучения и герметично закрывает вакуумный сосуд 10.

Преимущество голографической развязки заключается в первую очередь в том, что гауссово излучение может быть развязано точно в одном заранее заданном направлении. Только один гауссов луч может быть передан без потеpь через имеющий большую протяженность участок.

В данном случае голографическая развязка имеет дополнительные преимущества. Если при развязке через щели или на краю зеркала излучение выводится вдоль оси резонатора, причем держатель принудительно переводится в позицию на пути прохождения луча, то при использовании голограмм развязка локально отделена от резонатора. В этом случае нет необходимости в учете того требования, чтобы развязанное излучение по возможности в малой степени подвергалось мешающему воздействию держателя (как это имеет место в других формах исполнения). Держатель может, таким образом, встраиваться просто и без проблем.

Следующая предпочтительная форма исполнения возникает в том случае, если вместо обычной электронной пушки 1 с имеющим кольцевую форму электронным лучом 2 используется слойная электронная пушка. Последняя оснащена имеющим кольцевую форму катодом, который выполнен так, что электронный луч 2 имеет азимутально изменяющуюся плотность тока. Кроме того, плотность тока в узловых поверхностях присутствующего переменного поля 9 в резонаторе имеет относительно низкую величину и является большой в точках пучности волны, т. е. в областях, где сила электрического поля имеет большую величину. С этой целью катод оснащен несколькими сегментами с чередующейся высокой и низкой эмиссионной способностью.

Эта структура поясняется фиг. 3. Электронный луч 2 имеет в соответствии с катодом, например, по два сегмента 19, 20 с низкой плотностью тока и два сегмента 21, 22 с высокой плотностью тока. Как уже отмечалось, сегменты 19, 20 низкой плотности тока выполнены и ориентированы так, что обуславливают в резонаторе возникновение относительно малой плотности тока в узловых поверхностях присутствующего переменного поля 9.

Сегменты возникают в основном за счет того, что на кольцо (в соответствии с катодом) накладывается периодический образец из параллельных полос (в соответствии с образцом амплитуды электромагнитного переменного тока). Образец имеет при этом предпочтительно период, соответствующий произведению половины длины волны и корня коэффициента сжатия. Коэффициент сжатия указывает при этом соотношение между силой магнитного поля в месте расположения резонатора (зона взаимодействия) и той или иной силой магнитного поля в месте расположения электронного эмиттера (катода).

В описанном случае электронный луч состоит из двухслойных лучей. Сказанное справедливо также для N-краных слойных лучей.

Держатель, который несет зеркала по принципу револьверной головки, не должен обязательно содержать отдельные кронштейны. В частности, при развязке через щели зеркал или при голографической развязке он может быть реализован в форме массивного поворотного диска. За счет этого достигаются особые простота и эффективность охлаждения.

Держатель приводится в действие предпочтительно с помощью электродвигателя и автоматически арретируется. Для точной юстировки зеркал необходимо предусмотреть, например, микрометрические винты.

Зеркала могут представлять собой раздельные элементы, дополнительно укрепленные на держателе или интегрированные составные части держателя (например, в случае массивного диска).

Наряду с цилиндрической слойной электронной пушкой может использоваться также и линейная слойная электронная пушка, которая используется для повышения КПД. В случае использования линейных слойных электронных пушек отдельные слойные лучи проходят в основном в общей, пригодным образом ориентированной плоскости.

Изобретение обеспечивает несложную возможность увеличения частотного диапазона известных квазиоптических вибрационных гиротронов. (56) Матеус Х. Г. , Тран М. К. Вибрационный гироскоп, ключевые компоненты для микроволновых передатчиков большой мощности. Brown Boveri Review, 1987, N 6, с. 303-307.

Сущность изобретения: в квазиоптическом вибрационном гиротроне электронный луч 2 проходит вдоль оси 3 электронного луча, при этом сжимается статическим магнитным полем и принудительно приводится во вращение, в результате чего возбуждает в квазиоптическом резонаторе электромагнитное переменное поле с заданной частотой. Резонатор содержит два расположенных против друг друга зеркала 6,7, укрепленных на оси 8 резонатора, перпендикулярной оси 3 электронного луча. Для выработки излучения в широком частотном диапазоне каждое из зеркал 6, 7 резонатора расположено на подвижном держателе 14, 15 вместе с по меньшей мере одним из зеркал 12, 13. Для регулировки определенной частоты переменного поля два взаимосоответствующих и настроенных на желаемую частоту зеркала 12, 13 могут устанавливаться в положении на оси резонатора посредством привода подвижных держателей 14, 15. На одном держателе, который может поворачиваться по принципу револьверной головки, расположено предпочтительно до шести зеркал, которые могут поворачиваться вокруг оси вращения параллельно оси резонатора. 7 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОТРОН , содеpжащий электpонную пушку, магнитную фокусиpующую систему для сжатия и вpащения луча, ось котоpого пеpпендикуляpна к оси квазиоптического pезонатоpа, выполненного в виде двух пpотиволежащих дpуг дpугу основных зеpкал, и сpедство для pазвязки, отличающийся тем, что, с целью pасшиpения частотного диапазона путем установки опpеделенной частоты за счет замены зеpкал, квазиоптический pезонатоp содеpжит не менее двух дополнительных зеpкал, pазмещенных вне его оси и закpепленных на подвижных деpжателях вместе с основными зеpкалами. 2. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что зеpкала pазмещены на одном подвижном деpжателе, выполненном с возможностью вpащения вокpуг оси, паpаллельной оси pезонатоpа. 3. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что на одном подвижном деpжателе pазмещено до шести зеpкал. 4. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что подвижные деpжатели снабжены системами охлаждения. 5. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что по кpайней меpе одно зеpкало снабжено гологpаммой, пpичем ось сpедства для pазвязки обpазует с осью квазиоптического pезонатоpа угол. 6. Гиpотpон по п. 5, отличающийся тем, что оси сpедства для pазвязки и квазиоптического pезонатоpа pазмещены в одной плоскости. 7. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что электpонная пушка выполнена многослойной. 8. Гиpотpон по п. 1, отличающийся тем, что магнитная фокусиpующая система выполнена в виде двух катушек Гельмгольца, pазмещенных на оси электpонного луча, между котоpыми помещен квазиоптический pезонатоp, пpи этом оси квазиоптического pезонатоpа и сpедства для pазвязки pазмещены в одной плоскости.