МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ Советский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумным приборам, а именно, к мазерам на циклотронном резонансе (МЦР), которые используются в технике нагрева плазмы СВЧ излучением.

Известен МЦР, выходной узел которого содержит цилиндрический волновод, коллектор, функции которого выполняет внутренняя стенка волновода, и окно вывода энергии, расположенное в торце волновода.

Однако в мощных приборах диаметр коллектора должен быть существенно больше диаметра пространства взаимодействия и размера окна вывода энергии, а так как переход одного диаметра на другой должен выполняться в многомодовом волноводе достаточно плавно во избежание больших потерь на переизлучение в паразитные моды, длина узла получается недопустимо большой. При этом возникает необходимость в коррекции магнитного поля во избежание попадания электронов на неколлекторную часть волновода.

Известно несколько конструкций, в выходном узле которых осуществляется разделение трактов электронного потока и СВЧ излучения при выводе высокочастотной энергии в виде волнового пучка. Эти конструкции содержат волновод кругового сечения с излучателем, образованным срезом волновода со стороны его торца и два рефлектора, второй из которых установлен на пути излучения формируемого первым рефлектором так, что излучение выводится из мазера под углом к его оси.

Независимо от того, какую поверхность имеют рефлекторы (цилиндрическую, коническую, параболическую и т. д. ), все рефлекторы выполнены без аксиальной симметрии, что усложняет конструкцию выходного узла в целом.

Более простой технологически является аксиально-симметричная конструкция, в которой вывод высокочастотной энергии осуществляется в виде волны высшего типа. И хотя вывод энергии в виде волнового пуска позволяет облегчить проблему окна выхода энергии, упростить тракт канализации энергии от мазера к потребителю, тем не менее в ряде практических изменений допустим вывод энергии в виде волны высшего типа, и поэтому задача создания мощного прибора с выводом энергии в виде волны высшего типа остается актуальной.

Наиболее близким техническим решением является лазер, содержащий два отрезка волноводов разных диаметров, один из которых установлен внутри аксиально-симметричного коллектора. Отрезки волноводов расположены так, что их обращенные друг к другу торцы находятся в одной плоскости, причем диаметр отрезка волновода, расположенного внутри коллектора, превышает диаметр другого. Электронный пучок выводится в зазор Δr между торцами, который для волн с относительно небольшим азимутальным индексом m << κ_mpr (один из наиболее распространенных случаев), r - радиус волновода, κ_mр - волновое число рабочей моды, имеет величину Δr = .

В этой конструкции при работе на волнах с малыми значениями радиального индекса p≥ 1 велики потери высокочастотной мощности, а при больших значениях p становится малым зазор для вывода электронного пучка, так как величина κ_mp возрастает с увеличением p.

Вывод электронного пучка через узкую щель требует точного значения распределения магнитного поля в приборе, строго фиксированного его положения относительно магнитной системы, тщательной юстировки, а в некоторых случаях коррекции магнитного поля в области щелей дополнительным соленоидом.

Кроме того, предъявляются повышенные требования к качеству электронного пучка, так как из-за разброса скоростей электронов в пучке также возможно попадание части электронов на стенки волноводов вблизи щели.

В результате возникают ограничения на допустимую мощность электронного пучка, а, следовательно, и на мощность прибора в целом.

Целью изобретения является повышение мощности мазера.

Поставленная цель достигается тем, что в мазере, содержащем первый и второй отрезки аксиально-симметричного волновода, второй из которых расположен внутри аксиально-симметричного коллектора, дополнительно введен аксиально-симметричный рефлектор с конической отражательной поверхностью, расположенный между отрезками волновода, соосно им, при этом выполнены следующие соотношения:
θ = , L = (ctgθ₁+ctgθ₂), где θ- угол наклона конической отражательной поверхности;
L - расстояние между первым и вторым отрезками волновода.

θ₁= arcsin , θ₂= arcsin , ,
(θ₁, θ₂) < , где λ- рабочая длина волны;
κ_mn и κ_ml - поперечные волновые числа в первом и втором отрезках волноводов;
d - диаметр рефлектора в плоскости пересечения линии, проходящей через центр торца первого отрезка волновода под углом θ₁ к его оси, и линии, проходящей через центр обращенного к первому отрезку волновода торца второго отрезка волновода под углом θ₂ к его оси.

В основе данной конструкции лежит концепция Бриллюэна, в соответствии с которой поля волн Н_тр (Е_тр) круглого волновода представляют собой суперпозицию бесконечного числа плоских волн, направления распространения которых образуют в пространстве коническую поверхность, ось вращения которой совпадает с осью волновода, а угол Θ раствора этого конуса определяется типом волны и диаметром волновода и для волн с m << κ_mpr равен θ₁= arcsin (k = ).

В заявляемой конструкции с помощью конического рефлектора указанной геометрии осуществляется отражение волны, излучаемой из первого волновода во второй, так как при отражении от конической поверхности изменяется угол между направлением распространения излучения и осью, во втором волноводе возбуждается волна с иным радиальным индексом.

При этом расстояние между рефлектором и вторым волноводом, находящимся внутри коллектора, подбором диаметра рефлектора и расстояния между волноводами может быть выполнено достаточно большим за счет увеличения диаметра рефлектора в плоскости пересечения линий, проходящих через центры торцов волноводов под углами θ₁ и θ₂ к оси, и соответствующего увеличения расстояния между волноводами.

На чертеже представлен продольный разрез выходного узла мазера, который содержит два отрезка 1, 2 аксиально-симметричного волновода, между которыми установлен рефлектор 3. Аксиально-симметричный коллектор 4 большого диаметра расположен снаружи отрезка 2 волновода, а окно 5 вывода энергии расположено в торце отрезка 2 волновода. Волновод выполнен аксиально-симметричным, в частности он может быть плавно расширяющимся в направлении окна 5.

Диаметры d₁ и d₂ отрезков 1, 2 волновода соответственно и геометрия рефлектора 3 зависят от дифракционного расплывания пучков внутри выходного узла мазера, которое характеризуется значением волнового параметра D.

В приближении, что размеры пучков по линиям, проходящим через центры отрезков 1, 2 волновода перпендикулярно направлению распространения пучков, равны d_1,2 cos θ₁, θ₂, распределение поля вдоль этих линий является П-образным, а фазовый фронт - плоским, дифракционное расплывание пучков от волновода до рефлектора 3 определяется значениями волнового параметра D_1,2= . Если D_1,2 << 1, расплывание пучков отсутствует и диаметры d₁ и d₂ волновода должны удовлетворять соотношению d₁ cos θ₁ = d₂ cos θ₂.

Геометрия рефлектора 3 выбирается такой, чтобы падающее на него излучение из отрезка 1 волновода было отражено в отрезке 2 волновода под требуемым углом без потерь.

Для этого угол между его образующей и осью составляет величину , где θ₁= arcsin , θ₂= arcsin , а диаметр d рефлектора 3 в точке пересечения линий, проходящих через центры торцов отрезков 1, 2 волновода под углами θ₁ и θ₂ к оси (на фиг. - тонкие линии со стрелками), и расстояние L между отрезками 1, 2 волновода связаны однозначно соотношением L = (ctgθ₁+ctgθ₂).

Если условие D << 1 не выполняется, имеет место дифракционное расплывание пучков при распространении от волновода до рефлектора, и последний должен быть выполнен с фазовой коррекцией (на фиг. - пунктирная линия). В этом случае определение радиуса кривизны рефлектора 3 и уточнение отношения диаметров отрезков 1, 2 волновода может быть произведено посредством аппроксимации распределений полей по линиям, проходящим через центры отрезков 1, 2 волновода перпендикулярно пучкам, гауссовыми функциями е , где ω_1,2= и использования известных формул, описывающих распространение гауссовых пучков.

Соответствующим подбором величин d и L для конкретных типов волн между отрезком 2 волновода и рефлектором 3 устанавливается желаемое расстояние для беспрепятственного вывода электронного пучка в спадающем магнитном поле, в котором находится выходной угол, на коллектор.

Мазер работает следующим образом.

В отрезок 1 волновода поступает электронный пучок и электроманитная волна Н_mn. Двигаясь по силовым линиям магнитного поля, электроны через зазор между отрезком 2 волновода и рефлектором 3 попадают на коллектор 4.

Электромагнитная волна излучается из отрезка 1 волновода под углом θ₁ к его оси, падает на рефлектор 3 и после отражения от него поступает в отрезок 2 волновода под углом θ₂ < θ₁, возбуждая в нем электромагнитную волну Н_ml, радиальный индекс l в которой меньше радиального индекса n волны, распространяющейся в отрезке 1 волновода. Из отрезка 2 волновода энергия выводится через окно 5.

Таким образом, в данной конструкции сняты ограничения на ширину зазора, через который выводится электронный поток на коллектор, и обеспечивается с малыми потерями вывод электромагнитной энергии, генерируемой лазером.

В экспериментальном макете мазера, работающем в импульсном режиме ( τ= 5 мс), была получена мощность генерации 250 кВт, причем мощность электронного пучка достигала 1 МВт. Рабочим типом колебаний резонатора была мода Н_о21. Посредством конического рефлектора осуществлялось преобразование волны Н_о2 в волну Н_о1. Коэффициент преобразования был порядка 0,9 при точности измерений 10% . Электронный пучок полностью осаждался на коллектор (нагрев волноводов электронным пучком отсутствовал). (56) Авторское свидетельство СССР N 223931, кл. H 01 J 25/50, 1967,
Авторское свидетельство СССР N 952033, кл. H 01 J 25/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР N 607499, кл. H 01 J 23/32, 1978.

МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ, содержащий первый и второй отрезки аксиально-симметричного волновода, второй из которых расположен внутри аксиально-симметричного коллектора, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности, в прибор дополнительно введен аксиально-симметричный рефлектор с конической отражательной поверхностью, расположенный между отрезками волновода соосно им, при этом выполнены следующие соотношения:
θ= ,
L= (ctgθ₁+ ctgθ₂),
где θ - угол наклона конической отражательной поверхности;
L - расстояние между первым и вторым отрезками волновода
θ₁= arcsin ,

где (θ₁, θ₂)<
λ - рабочая длина волны;
χ_mn и χ_ml - поперечные волновые числа в первом и втором отрезках волноводов;
d - диаметр рефлектора в плоскости пересечения линии, проходящей через центр торца первого отрезка волновода под углом θ₁ к его оси, и линии, проходящей через центр обращенного к первому отрезку волновода торца второго отрезка волновода под углом θ₂ к его оси.