РЕЗОНАТОР ДЛЯ ГИРОТРОНА Советский патент 1994 года по МПК H01J23/18 

Изобретение относится к СВЧ-электронике и предназначено для использования в слаборелятивистских генераторах-лазерах на циклотронном резонансе (МЦР), например, для диагностики плазмы, СВЧ-нагрева плазмы.

Целью изобретения является повышение селективности резонатора при использовании в качестве рабочих Н-мод.

На чертеже изображено продольное сечение резонатора. Тонкими линиями показано рассеяние радиально падающей на стенку резонатора волны и ее поляризация.

Резонатор содержит отрезок 1 расширяющегося аксиально-симметричного волновода, внутренняя поверхность которого образована вращением вокруг оси периодической структуры в виде последовательности N идентичных прямоугольных треугольников 2. Гипотенузы 3 треугольников 2 прилегают к прямой, образующей угол α с осью резонатора. Катеты 4, обращенные к узкой части резонатора, составляют с осью угол ϕ . Шаг d периодической структуры и расстояния b_n от вершин прямых углов треугольников до оси резонатора связаны соотношением
b_n/d = { p + n + m/2 + 1/4 - γ _o - m²/2π ² [p + (n + N)/2] } sin α , где p и m - соответственно радиальный и азимутальный индексы рабочей Н_pmмоды резонатора; N - количество треугольников, образующих периодическую структуру, n = 1,2, . . . , N - номер треугольника от узкого конца резонатора; γ_o - численный параметр.

Значения углов α, ϕ и численного параметра γ_o находятся в пределах
21^о ≅α≅ 25^о,
20^о ≅ϕ≅ 24^о,
0,18 ≅γ_o≅ 0,23.

В варианте, изображенном на чертеже, α = 23^о, ϕ = 22^о.

Предложенный резонатор выделяет рабочую Н_pm - моду следующим образом.

Радиально падающая на внутреннюю поверхность отрезка 1 волна с рабочей длиной волны λ рассеивается в двух направлениях. Наличие лишь двух направлений рассеяния обеспечивается диапазоном изменения угла α . Одно из направлений является автоколлимационным, что обеспечивается выбором указанного соотношения между расстоянием b_n от вершин прямых углов треугольников 3 до оси и шагом d периодической структуры. Указанное направление рассеяния используется для обеспечения образной связи между электронным пучком и полем резонатора. При этом выбор параметра γ_o в указанных пределах позволяет выполнить резонансные условия для отражений в автоколлимационном направлении волны. Выбор угла α между катетом 4 и осью резонатора в указанном диапазоне при указанном диапазоне изменения угла α обеспечивает максимально возможную величину коэффициента отражения радиально падающей волны с поляризацией вектора Е в азимутальном направлении. Коэффициент отражения при этом составляет 0,94 < R < 0,98. Этого достаточно, чтобы добротность рабочей
H_mp - моды Q при p≃10 достигала величины Q_p1000, необходимой для работы МЦР.

Второе направление рассеяния радиально падающей на внутреннюю поверхность резонатора волны, обусловленное зеркальным отражением, используется для дифракционного вывода мощности при работе МЦР. Из теоретических оценок следует, что высокая добротность мод резонатора возможна лишь в узком диапазоне длин волн λ+Δλ вблизи рабочей длины волны λ, когда = . Ближайшая к рабочей паразитная мода Н_m+1,p-1имеет длину волны, отличающуюся от рабочей на величину Δλ= . Таким образом, если азимутальный индекс рабочей моды m превышает m^*= p+ , то ближайшая к ней паразитная мода не попадает в полосу высокодобротных мод. Ее добротность становится сопоставимой с величиной Q_п= 2p + ), что ниже добротности рабочей моды более чем на порядок. Сказанное означает, что, если в качестве рабочей используется мода с радиальным индексом m > m*, спектр резонатора состоит из единственной рабочей моды. Если же m<m*, в спектре присутствуют несколько мод H_m+2l,p-l, где l - натуральное число. При значениях параметра γ_o , находящихся в указанных пределах, добротность рабочей моды превышает добротность любой паразитной, по крайней мере, в 2 раза. Таким образом, в предложенном резонаторе осуществляется высокая селективность рабочих H_pm = мод.

Достоинством предложенного резонатора является то обстоятельство, что его селективные свойства не ухудшаются с увеличением длины.

В качестве примера конкретной реализации приведены характеристики экспериментально исследованного момента предложенного резонатора, который был выполнен из меди. Число треугольников N = 15. Длина резонатора L = 31,4 мм. Шаг периодической структуры d = 2,27 мм, угол α = = 23^о, угол ϕ = 22^о, γ_o = 0,21. При указанных параметрах m* = 6. При выборе в качестве рабочей симметричной моды Н₀₉ расстояние от вершины первого треугольника до оси b₁ = 8,04 мм. Спектр резонатора состоит из двух мод: рабочей Н₀₉ с добротностью θ_p = 2500 и паразитной Н_2,8 с добротностью θ_n= 1300. Других мод с добротностью θ выше 500 ( θ > 500) не наблюдается.

При выборе в качестве рабочей моды с азимутальным индексом m = 6 Н₆₆ расстояние от вершины первого треугольника до оси b₁ = 7,92 мм. Спектр резонатора состоит из единственной рабочей моды Н₆₆ с добротностью θ_p = 2000. Других мод с добротностью θ > 500 не наблюдалось.

Реальные значения радиального индекса p рабочих Н_pm - мод, при которых может использоваться предложенный резонатор, находятся в пределах 3 ≅ p ≅ 50. (56) Авторское свидетельство СССР N 661664, кл. Н 01 P 7/00, 1977.

Ботвинник И. Е. и др. Релятивистские гиротроны с высокоселективными резонаторами на моды поперечно-магнитного типа. - Письма в ЖТФ, 1984, 10, вып. 12, с. 792.

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике. Цель - улучшение селективности резонатора (СР) при использовании в качестве рабочих Н-мод. Она достигается тем, что в резонаторе для гиротрона, содержащем отрезок 1 расширяющегося аксиально-симметричного волновода, внутренняя поверхность которого образована вращением оси периодической структуры в виде последовательности идентичных прямоугольных треугольников, гипотенузы треугольников прилегают к прямой, образующей угол α с осью резонатора. Катеты, обращенные к узкой части резонатора, составляют с осью угол f. В описании изобретения даны математические зависимости величин размеров треугольников и их взаимных расположений. Достоинством СР является то, что его селективные свойства не ухудшаются с увеличением его длины. Изобретение может быть использовано в слаборелятивистских генераторах-лазерах на циклотронном резонансе. 1 ил.

РЕЗОНАТОР ДЛЯ ГИРОТРОНА, содержащий отрезок расширяющегося аксиально-симметричного волновода, внутренняя поверхность которого образована вращением вокруг оси резонатора периодической структуры в виде последовательности соприкасающихся друг с другом идентичных прямоугольных треугольников, гипотенузы которых прилегают к образующей волновода, отличающийся тем, что, с целью улучшения селективности резонатора при использовании в качестве рабочих H_рм мод, значения α и ϕ углов наклона к оси резонатора соответственно образующей волновода и катетов треугольников, обращенных к узкому концу резонатора, выбраны в пределах
21^o≅ α ≅25^o ,
20^o≅ ϕ ≅24^o ,
а шаг d [м] периодической структуры и расстояние h_n [м] от оси резонатора до вершины прямого угла n-го от узкого конца резонатора треугольника удовлетворяют выражению
= p+n+m/2+1/4-γ₀- sin α
где p и m - соответственно радиальный и азимутальный индексы рабочей моды;
N - количество треугольников, образующих периодическую структуру, n = 1, 2, . . . . , N;
0,18≅γ₀≅0,23 .