ГИРОКОН Российский патент 2003 года по МПК H01J25/02 H03B9/02 

Изобретение относится к технике СВЧ-генераторов и может быть использовано при разработке источников питания резонансных ускорителей заряженных частиц.

Известны СВЧ-генераторы - гироконы, содержащие последовательно установленные устройство для формирования пучка электронов - электронную пушку, устройство его ускорения - ускорительную трубку с источником питания ускорительной трубки, устройство для создания круговой развертки электронного пучка с задающим СВЧ-генератором, питающим устройство для создания круговой развертки электронного пучка, трубу дрейфа, кольцевой резонатор с кольцевой щелью, примыкающей к трубе дрейфа, и коллектор электронов (Будкер Г.И., Карлинер М. М., Макаров И.Г. и др., "Гирокон - высокоэффективный преобразователь энергии мощного релятивистского пучка для СВЧ-питания ускорителей заряженных частиц", Атомная энергия, 1978, т. 44, 5, с. 397). Дополнительно гироконы могут содержать электростатические отклоняющие системы, установленные в трубе дрейфа, а также магниты, установленные вблизи кольцевого резонатора.

Наиболее близким к заявляемому является гирокон, описанный в (Будкер Г. И. "Электронный прибор СВЧ-гирокон", а. с. СССР, 340345, Н 01 J 25/00, 24.06.69, опубл. БИ 29, 1976) и также содержащий последовательно установленные электронную пушку, ускорительную трубку с источником питания ускорительной трубки, устройство для создания круговой развертки электронного пучка с задающим СВЧ-генератором, питающим устройство для создания круговой развертки электронного пучка, трубу дрейфа, кольцевой резонатор с кольцевой щелью, примыкающей к трубе дрейфа, и коллектор электронов. Этот гирокон выбран за прототип.

Принцип действия известных гироконов основан на прохождении ускоренного электронного пучка через устройство для создания круговой развертки, питаемое внешним СВЧ-генератором, так, чтобы отклоненные электроны двигались вдоль прямых, образующих коническую поверхность, располагаясь на ней в виде винтовой линии, которая намотана на конус и конец которой описывает окружность, совпадающую с кольцевой щелью резонатора. Таким образом, электронный пучок, непрерывно меняя точку своего входа в кольцевой резонатор, возбуждает в нем бегущую волну. При этом электрическое поле волны тормозит электроны пучка, преобразуя их кинетическую энергию в энергию волны. Остаточная энергия электронов рассеивается в коллекторе.

Недостатком известных гироконов является недостаточный их кпд.

Технической задачей ставится повышение кпд преобразования кинетической энергии электронов в энергию волны в гироконе.

Технический результат, заключающийся в повышении кпд гирокона, достигается за счет того, что в гироконе, содержащем последовательно установленные электронную пушку, ускорительную трубку с источником питания ускорительной трубки, устройство для создания круговой развертки электронного пучка с задающим СВЧ-генератором, питающим устройство для создания круговой развертки электронного пучка, трубу дрейфа, кольцевой резонатор с кольцевой щелью, примыкающей к трубе дрейфа, и коллектор электронов, использован дополнительный электрод, установленный внутри кольцевого резонатора и подключенный к дополнительному источнику напряжения, создающему на этом электроде электрический потенциал относительно стенок кольцевого резонатора ϕ, удовлетворяющий условию ϕ<-W/e, где W - энергия электронов на выходе из ускорительной трубки, -|e| - заряд электрона.

Принцип действия предлагаемого гирокона основан на том, что дополнительный электрод создает в кольцевом резонаторе электростатическое тормозящее поле такой величины, чтобы попадающие в резонатор электроны останавливались и отражались бы назад к месту своего входа. Точка остановки и разворота электронов, называемая виртуальным катодом (ВК), характеризуется в гидродинамическом приближении (j= enν=const) бесконечной электронной концентрацией (в реальности - выше концентрации электронов в ускоренном пучке на 2-3 порядка). Таким образом, в этом гироконе в кольцевом резонаторе бежит ВК по круговой траектории и возбуждает в нем СВЧ-волну. Повышение кпд по сравнению с прототипом связано с тем, что плотность электронов в пучке на несколько порядков выше плотности электронов в известном гироконе.

На чертеже показан пример конструкции гирокона, где 1 - электронная пушка, 2 - источник питания ускорительной трубки, 3 - задающий СВЧ-генератор, питающий устройство для создания круговой развертки электронного пучка, 4 - дополнительный источник напряжения, 5 - ускорительная трубка, 6 - отклоняющие пластины устройства для создания круговой развертки электронного пучка, 7 - подводящие фидеры, 8 - труба дрейфа, 9 - электростатическая отклоняющая система, 10 - выходной СВЧ-тракт, 11 - кольцевой резонатор, 12 - дополнительный электрод, 13 - магнитопровод магнита, 14 - соленоид магнита.

Все элементы гирокона, которые также имеются в известных гироконах, а именно, электронная пушка 1, источник питания ускорительной трубки 2, задающий СВЧ-генератор 3, питающий устройство для создания круговой развертки электронного пучка, ускорительная трубка 5, отклоняющие пластины устройства для создания круговой развертки электронного пучка 6, подводящие фидеры 7, труба дрейфа 8, электростатическая отклоняющая система 9, выходной СВЧ-тракт 9, магнитопровод магнита 13, соленоид магнита 14, могут быть выполнены полностью аналогичными, то есть иметь такие же размеры, конструкцию, материалы и физические параметры.

В кольцевом резонаторе 10 имеется изолированный герметичный ввод для подачи отрицательного потенциала на дополнительный электрод 11. Этот дополнительный электрод может быть выполнен, например, в виде тонкого кольцевого металлического диска. Дополнительный источник напряжения 4 может быть выполнен в виде генератора импульсного напряжения типа Аркадьева-Маркса. Величина потенциала, подаваемого источником напряжения 4 на дополнительный электрод 11, должна удовлетворять условию ϕ<-W/e, что легко достичь настройкой величины потенциала.

Так как электроны пучка, отраженные от ВК, двигаются несколько по другим траекториям, чем подлетающие к ВК, то роль электронного коллектора может играть та стенка кольцевого резонатора 10, в которой имеется кольцевая щель. Для этого эта стенка может быть выполнена массивной.

По принципу действия предлагаемый генератор почти не отличается от известных: динамика пучка в нем до входа в кольцевой резонатор 10 полностью аналогична. Однако после входа в резонатор 10 электроны, попав в тормозящее поле дополнительного электрода 11, останавливаются и летят назад, формируя при этом ВК. После этого электроны попадают на стенку резонатора 10, где поглощаются.

Таким образом, по кольцевому резонатору 10 бежит ВК, возбуждая в нем СВЧ-волну, которая выводится через выходной СВЧ-тракт 9. Высокая плотность электронов в ВК позволяет достичь указанный технический результат.

Применение: техника СВЧ-генераторов и может быть использовано при разработке генераторов для питания резонансных ускорителей заряженных частиц. Техническим результатом является повышение кпд. Сущность: в гироконе, содержащем последовательно установленные электронную пушку, ускорительную трубку с источником питания ускорительной трубки, устройство для создания круговой развертки электронного пучка с задающим СВЧ-генератором, питающим устройство для создания круговой развертки электронного пучка, трубу дрейфа, кольцевой резонатор с кольцевой щелью, примыкающей к трубе дрейфа, и коллектор электронов, использован дополнительный электрод, установленный внутри кольцевого резонатора и подключенный к дополнительному источнику напряжения, создающему на этом электроде электрический потенциал относительно стенок кольцевого резонатора ϕ, удовлетворяющий условию ϕ < - W/е, где W - энергия электронов на выходе из ускорительной трубки, -|e| - заряд электрона. Принцип действия предлагаемого гироскопа основан на том, что дополнительный электрод создает в кольцевом резонаторе электростатическое тормозящее поле такой величины, чтобы попадающие в резонатор электроны останавливались и отражались бы назад к месту своего входа. Точка остановки и разворота электронов, называемая виртуальным катодом (ВК), характеризуется в гидродинамическом приближении (j=enν=const) бесконечной электронной концентрацией (в реальности - выше концентрации электронов в ускоренном пучке на 2-3 порядка). Таким образом, в этом гироскопе в кольцевом резонаторе бежит ВК по круговой траектории и возбуждает в нем СВЧ-волну. 1 ил.

Гирокон, содержащий последовательно установленные электронную пушку, ускорительную трубку с источником питания ускорительной трубки, устройство для создания круговой развертки электронного пучка с задающим СВЧ-генератором, питающим устройство для создания круговой развертки электронного пучка, трубу дрейфа, кольцевой резонатор с кольцевой щелью, примыкающей к трубе дрейфа, и коллектор электронов, отличающийся тем, что в нем использован дополнительный электрод, установленный внутри кольцевого резонатора и подключенный к дополнительному источнику напряжения, создающему на этом электроде электрический потенциал относительно стенок кольцевого резонатора ϕ, удовлетворяющий условию ϕ < -W/е, где W - энергия электронов на выходе из ускорительной трубки, -|e| - заряд электрона.