КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к квазиоптическому вибрационному гироскопу, у которого электронно-лучевая трубка посредством кольцеобразного катода создает электронный луч, который проходит вдоль оси электронного луча и при этом сжимается посредством статического магнитного поля и стремится к гирации, так что этот электронный луч возбуждает стоячее электромагнитное переменное поле определенной длины волны в квазиоптическом резонаторе, который имеет два зеркала, расположенных навстречу друг другу на оси резонатора, перпендикулярной электронному лучу.

Известен квазиоптический вибрационный гироскоп названного вида [1]
Такой вибрационный гироскоп работает с частотой в диапазоне 150 ГГц и выше и может создавать мощности излучения минимум 100 кВт в незатухающем режиме.

Вибрационный гироскоп названного вида имеет кольцевой электронный луч, что обусловлено электронно-оптическими причинами. Когда этот электронный луч попадает в резонатор, то определенная часть потока проходит через узловые поверхности стоячего электромагнитного переменного поля и тем самым лишь незначительно способствует возбуждению этого поля. С другой стороны, в выпуклостях стоячего переменного поля азимутальная кинематическая энергия электронного луча почти полностью преобразуется в микроволновую энергию. Таким образом нельзя избежать того, что определенная часть энергии электронного луча не может использоваться.

Эта проблема уже известна и уже были сделаны соответствующие предложения по ее решению. В публикации "The NRL Quasioptical Gyrotron Experiment", T.A. Hargreaves et. al. Twelfth International Conference on Infrared and Millimeter waves, December 14-18, 1987, Lake Buena Vista (Оrlando), Elorida Conference Digest by R.I. Теmkin, рр. 239-239 предлагается для повышения КПД вместо магнитной инжекционной пушки использовать электронную пушку, создающую слоистый луч.

Конкретное предложение пушки, дающей слоистый электронный луч, известно, например, из публикации "Design of a Quasioptical Gyrotronn with sheet Electron Веаm", М. Е. Read et.al. Thirteenth International Conference on Infrared and Millimeter waves, December 5-9, 1988, Honolulu, Hawai, Сonference Digest by R.J. Temkin, рр. 279-280.

При этом параллельно друг другу расположено несколько полосообразных катодных элементов, излучающих электроны, причем эти элементы дают требуемый слоистый луч.

Такой электронный луч может способствовать существенному повышению КПД вибрационного гироскопа, однако требует больших затрат на изготовление и требует совершенно нового вида электронно-лучевой оптики. В частности, изготовляемые до настоящего времени вибрационные гироскопы основаны на принципе луча, имеющего ось вращения, и поэтому не могут без дополнительных устройств эксплуатироваться с пушками нового вида, дающими слоистый луч.

При стремлении увеличения мощности квазиоптического вибрационного гироскопа необходимо также иметь возможность повышать плотность тока электронного луча. Существенный прогресс в этом направлении был достигнут с созданием матричных катодов, состоящих из смеси металлов, которые известны из Европейского патента ЕР 0157634 ВI. Высокие плотности токов (свыше 10 А/см²), которые могут создавать эти катоды, а также совместимость с обычной электронно-лучевой оптикой обеспечивают увеличение суммарной мощности известных структур вибрационных гироскопов.

В этой связи следует указать также на технологию импрегнированных катодов и на диспензерные катоды. Представление о такой технологии дает статья" Dispenser Cathodes; The Current state of Technology". L.R. Falce, Hughes Aircraft Company, Еlectron Dynamies Division, Torrance, Сalifornia, IEDM. 83, рр. 448-451, IEEE 1983. Из статьи "Performance Aualysis of three differeut M-Тype Dispenser Cathodes", B. Hatini, р. Cristini, I Fragela аnd G. Marletta, Int. Сonf. on. Microwave Tubes in Systems, problems and prospects, London, 22-24 Осtober 1984, Сonf. pube. N 241, рр. 35-41 известно, что плотность тока катода может быть значительно увеличена посредством покрытия соответствующим металлом, например OS/Ru, OS/W, Ir или аналогичными.

Целью изобретения является создание вибрационного гироскопа с высокой мощностью излучения и обеспечивающего высокий КПД.

Кольцеобразный катод выполнен из чередующихся сегментов, обладающих высокой и низкой эмиссионной способностью, в результате чего электронный луч имеет азимутально-изменяющуюся плотность тока, причем параметры низкой плотности тока совпадают в резонаторе по своему расположению с узловыми поверхностями стоячего электромагнитного переменного поля.

Сегменты образованы наложением периодического рисунка параллельных полос на кольцевую поверхность. Периодичность рисунка соответствует произведению коэффициента сжатия на половину длины волны или является кратной этому произведению. При такой форме исполнения преимущества слоистого луча оптимально комбинируются с преимуществами электронного луча, имеющего цилиндрическое симметричное расположение.

Величина высокой эмиссионной способности выбирается вдвое больше низкой эмиссионной способности. Тем самым можно обеспечить существенное повышение КПД.

Чтобы предотвратить чрезмерную концентрацию катодного тока, кольцеобразный катод выполняется таким образом, чтобы сегменты, имеющие высокую эмиссионную способность, составляли по площади максимально возможную часть катода.

Предлагаемый катод может иметь различное конструктивное исполнение. В одном исполнении матричный катод селективно покрывается металлом, который понижает работу по выходу электронов, например металлическим сплавом, содержащим Os. Места, покрытые названным металлом, образуют сегменты, имеющие высокую эмиссионную способность. Слой, содержащий осмий, очень легко получать (например, посредством напыления через маску, имеющую соответствующую форму), причем он повышает эмиссионную способность в 2-5 раз. Преимущество такой формы исполнения состоит в том, что суммарный поток очень велик, а энергия электронов гомогенно распределена в луче вследствие наличия мягких переходов между сегментами, имеющими высокую и низкую эмиссию.

В другом исполнении матричный катод селективно покрывают веществом, уменьшающим эмиссию, то есть таким материалом, который не излучает электроны или излучает их слабо. Таким материалом является, например, Mo/Ru. Покрытые зоны образуют сегменты, обладающие малой эмиссионной способностью. Преимущество такой формы исполнения состоит в наличии большой величины отношения высокой эмиссионной способности к низкой.

В следующем исполнении образуются катоды, состоящие из отдельных сегментов, имеющих различную эмиссионную способность. Сегменты малой эмиссионной способности состоят, например, из молибдена, а сегменты высокой эмиссионной способности выполнены из материалов матричных катодов. Таким образом, резко отделены друг от друга высокая и низкая эмиссионные способности.

На фиг. 1 показана схема квазиоптического вибрационного гироскопа, продольное сечение; на фиг.2 схема сегментированного кольцеобразного катода с двумя сегментами, имеющими высокую излучательную способность; на фиг.3 схема сегментированного кольцеобразного катода с шестью сегментами, имеющими высокую излучательную способность.

Квазиоптический вибрационный гироскоп, содержит электронно-лучевую пушку 1, которая состоит из катода 2, вспомогательного анода 3 и анода 4 и создает электронный луч 5. Этот луч проходит вдоль оси 6 луча, сжимается посредством двух магнитных полей, которые создаются, например, посредством двух катушек 10, 10', расположенных по схеме Гельмгольца, после чего электронный луч попадает в квазиоптический резонатор. Последний образован двумя противоположно расположенными зеркалами 9, 9', имеющими общую ось 8 резонатора. Ось 8 резонатора расположена перпендикулярно оси 6 электронного луча.

Электроны электронного луча 5, которые принуждаются к гирации вследствие наличия сильного магнитного поля, возбуждают в резонаторе стоящее электромагнитное переменное поле 7 определенной длины волны. Из резонатора выделяется требуемое миллиметровое или субмиллиметровое излучение.

Катод 2 выполнен кольцеобразным и имеет также свойства, что электронный луч 5 имеет азимутально изменяющуюся плотность тока. При этом в узловых поверхностях стоячего переменного поля 7 плотность тока сравнительно мала, а в диапазонах электрического поля высокой силы плотность тока велика. Катод 2 имеет несколько сегментов, характеризующихся попеременно высокой и низкой эмиссионной способностью.

На фиг. 2 показан кольцеобразный катод 2, имеющий два сегмента низкой эмиссионной способности, 11, 11' и два сегмента высокой эмиссионной способности 12, 12'. Сегменты низкой эмиссионной способности 11, 11' выполнены и расположены таким образом, что в резонаторе они соответствуют относительно малым плотностям тока, имеющимся в узлах стоячего переменного поля 7. На правой стороне фиг.2 представлены амплитуды стоячего переменного поля 7, как они видны со стороны катода.

Сегменты 11, 11' низкой эмиссионной способности имеют одинаковые размеры и расположены симметрично относительно оси 6 электронного луча, который в средней части фиг.2 перпендикулярен плотности чертежа. Расположенные между ними сегменты 12, 12' высокой эмиссионной способности выдерживаются по возможности максимальных размеров, чтобы избежать чрезмерной концентрации тока.

На кольцо (соответствующее катоду 2) накладывается периодический рисунок параллельных полос (в соответствии с рисунком амплитуд электромагнитного переменного поля). При этом рисунок имеет такой период изменения, который соответствует произведению половины длины волны и коэффициента сжатия. Коэффициент сжатия показывает соотношение величины напряженности магнитного поля в точке эмиттера электронов (на катоде) и напряженности магнитного поля в районе резонатора (зона переменного воздействия).

Полосы, которые представляют собой диапазон высоких плотностей тока или высоких амплитуд переменного поля (полосы, растрированные точками), имеют шиpину b, которая соответствует расстоянию d между этими участками. При этом сумма ширины b и расстояния d cоответствуют названному периоду рисунка. Переход от высокой концентрации тока к низкой локализован в таком случае при относительной амплитуде, равной 0,7.

Для уменьшения концентрации тока можно увеличить ширину b, однако без больших затрат можно также уменьшить соответственно расстояние между этими участками. Для повышения КПД ширину b можно выбирать очень малой, увеличивая до максимального значения амплитуду переменного поля.

На фиг. 3 катод имеет шесть сегментов, имеющих высокую или низкую эмиссионную способность. Сегменты, имеющие высокую эмиссионную способность, обозначены штриховкой. С правой стороны на фиг.3 переменное поле резонатора. На левой стороне фиг. 3 для каждого сегмента указан соответствующий угол открытия: α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆.

Для достижения максимального КПД целесообразны следующие значения углов: α₁= 64^о, α₂ 35^о, α₃ 10^о, α₄ 26^о, α₅ α₃, α₆ α₂. Сильно излучающие сегменты (α₁, α₃, α₅) выбираются таким образом, что в резонаторе корреспондируемые высокие плотности тока локально перекрывают те зоны переменного поля, которые имеют относительные амплитуды минимум 0,95. Благодаря этому КПД вибрационного гироскопа составляет 90-95% теоретически возможного.

Следует учитывать, что уже при нескольких сегментах имеет место значительное повышение КПД. Если, например, при катоде по фиг.2 отношение высокой эмиссии к низкой составляет приблизительно 3:1, то КПД повышается на 50% по сравнению с несегментированным катодом.

При работе узловые поверхности стоячего электромагнитного переменного поля регулируются и смещаются в диапазон низких плотностей тока, что достигается посредством регулировки зеркал 9 и 9'. Количество сегментов зависит от длины волны, коэффициента сжатия и диаметра кольцевого катода. По изобретению предусмотрено минимум два сегмента, имеющих большую эмиссию. Сверху количество сегментов ограничено размером минимальных структур, которые могут быть получены по условиям изготовления. В любом случае могут использоваться сегментированные катоды до длины волны, равной приблизительно 1/10 мм.

Пусть, например, коэффициент сжатия равен 20, а длина волны 1 мм. В этом случае при катоде, имеющем средний диаметр 20 мм, можно принять во внимание приблизительно две узловые поверхности. Напротив, при длине волны 0,2 мм можно рассчитывать приблизительно на 20 узловых поверхностей. Если рассчитывать, что на одну узловую поверхность приходится приблизительно два сегмента, имеющих низкую эмиссионную способность, то такой катод состоит приблизительно из 40 сегментов низкой эмиссионной способности и такого же количества сегментов высокой эмиссионной способности.

Ниже описаны некоторые предпочтительные формы выполнения предлагаемого катода.

Согласно первой форме исполнения в качестве катода используется матричный катод, который локально покрыт веществом, которое существенно увеличивает эмиссионную способность, в частности металлом, содержащим осмий. Для получения предмета согласно изобретению последним этапом изготовления является нанесение локально структурированного слоя осмия (напыление через соответствующую маску). При этом участки катода, покрытые осмием, образуют сегменты, имеющие высокую эмиссионную способность. Промежуточные непокрытые участки имеют эмиссионную способность, которая в 2-4 раза ниже высокой эмиссионной способности, причем эти участки соответствуют узловым поверхностям.

Так как поверхность такого катода является почти плоской, все испускаемые электроны имеют приближенно одинаковые стартовые условия и образуют таким образом, электронный луч, который характеризуется приближенно гомогенным распределением энергии.

Другое преимущество обусловлено тем, что последняя операция изготовления, в частности напыление осмия через сегментированную маску, интегрируется в обычный процесс изготовления матричных электродов. В частности, такая форма исполнения пригодна также для катодов с очень мелкой сегментацией.

Согласно второй форме исполнения, для локального снижения эмиссионной способности матричный электрод на последней операции изготовления селективно покрывается слоем, препятствующим эмиссии, в частности молибденом/рутением. Покрытые таким образом участки матричного электрода не излучают и учитывают оптимально узловые поверхности переменного тока в резонаторе.

Если слой молибдена/рутения дополнительно наносится при не очень маленьких сегментах, то в таком случае серийно изготовляемые чистые матричные катоды могут без дополнительных затрат переделываться для целей изобретения.

Согласно третьей форме исполнения, катод собирается из нескольких деталей. Например, спаиваемые или свариваемые детали состоят из материалов, попеременно, имеющих высокую или низкую эмиссионную способность. Материалами, пригодными для этого являются все известные материалы, используемые для изготовления матричных катодов. Пригодны также молибден и сплавы молибдена.

Изобретение повышает КПД квазиоптических вибрационных гироскопов.

Сущность изобретения: квазиоптический вибрационный гироскоп содержит электронно-лучевую пушку с кольцевым катодом. Электронный луч проходит вдоль оси электронного луча и при этом сжимается посредством статического магнитного поля, что выдуждает его к гираци. Этот луч возбуждают в квазиоптическом резонаторе стоячее электромагнитное переменное поле определенной длины волны. Резонатор имеет два зеркала, расположенные напротив друг друга на оси, перпендикулярно оси электронного луча. Для увеличения КПД вибрационного гироскопа кольцевой катод выполнен из чередующихся сегментов высокой и низкой эмиссионной способности, так что электронный луч имеет азимутально изменяющуюся плотность тока, причем участки с низкой эмиссионной способностью размещены напротив узловых поверхностей стоячего электромагнитного поля резонатора. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП, содержащий электронно-лучевую пушку с кольцевым катодом, фокусирующую магнитную систему, расположенную параллельно оси электронного луча, и резонатор, выполненный из двух зеркал, расположенных встречно на оси резонатора, которая перпендикулярна оси электронного луча, отличающийся тем, что с целью повышения КПД гироскопа, кольцевой катод выполнен из чередующихся сегментов высокой и низкой эмиссионной способности, при этом сегменты с низкой эмиссионной способностью размещены напротив узловых поверхностей стоячего электромагнитного поля резонатора. 2. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что сегменты образованы наложением поперечных сечений периодического рисунка полос, параллельных оси электронного луча, на поверхность кольцевого катода, перпендикулярную оси электронного луча. 3. Гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что периодичность рисунка полос соответствует произведению коэффициента сжатия на половину длины волны или величине, кратной этому произведению. 4. Гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что величина высокой эмиссионной способности не менее чем в два раза больше величины низкой эмиссионной способности. 5. Гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что кольцевой катод имеет не менее двух сегментов высокой эмиссионной способности и не менее двух сегментов низкой эмиссионной способности. 6. Гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что параллельные полосы имеют ширину, соответствующую расстоянию между этими полосами. 7. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой катод выполнен в виде матричного катода, при этом сегменты с высокой эмиссионной способностью образованы участками, покрытыми материалом, повышающим эмиссию, в частности материалом, содержащим осмий. 8. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой катод выполнен в виде матричного катода, при этом сегменты с низкой эмиссионной способностью образованы участками, покрытыми материалом, понижающим эмиссию, в частности молибденом/рутением. 9. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой катод выполнен в виде матричного катода, при этом сегменты с высокой и низкой эмиссионной способностью образованы посредством последовательного припаивания участков, имеющих попеременно различную эмиссионную способность.