Резонатор для мазера на циклотронном резонансе Советский патент 1989 года по МПК H01J23/18 H01P7/06 

Изобретение относится ,к электронике СВЧ, а именно к мощным СВЧ приборам - мазерам на циклотронном резонансе (МЦР), которые используются в ус- тановках управляемого термоядерного синтеза.

Цель изобретения - уменьшение плотности мощности омических потерь в резонаторе за счет того, что в ре- зонаторе, содержащем отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, последняя выполнена в виде многозаходного гофра.

В основе изобретения лежит реали- зация в резонаторе таких условий, при которых его добротность на рабочей моде низка, а селективность обеспечивается путем увеличения длины резонатора и соответствующего сужения полосы циклотронного резонанса. Возможность снижения добротности резонатора Q при заданной длине и среднем радиусе R иллюстрируется графиком, представленном на фиг,1, построенным на основе численного расчета , параметр, зависящий от глубины гофра 0 и типа мод в резонаторе), На фиг. 2 и 3 представлены продольные сечения двух вариантов резонатора.

Резонатор выполнен в виде отрезка волндвода с винтовым многозаходным гофром 1 с закритическими сужеьшями 2 и 3. Форма закритических суг кений 2 и 3 и дпина 1 цилиндрического участка 4 в общем случае может быть различной В резонаторе, изображенном на фиг. 3, вдоль оси резонатора расположен цилиндрический стержень 5. Геометрия гофра 1 может быть синусоидальной, трапецерздальной, в виде меандра и т.п. Глубина / , период d и число А заходов гофра 1 выбираются в соответ ствии с рабочей модой резонатора и/ принципом его работы.

Работа такого резонатора основана на переизлучении одной из его высших мод ТЕ„,р в одну из низших мод ТЕ ,.. Условие резонансной связи меж ду этими модами записьшается для век Торов, определяемых на цилиндрическо поверхности с радиусом, равным среднему радиусу резонатора Rp, в виде

К К + К ,

оекция волно для мод , и TEwipt,

К - проекция волновьсх векторов

.2.

К - волновой вектор гофра 1,

ill - 2 .

- d

Ч винтовой линии гофра, при этом К направлен перпендикулярно оси резонатора, а К - перпендикулярно канавкам гофра 1.

Это векторное резонансное условие в проекции на азимутальное и осевое направления имеет вид следующих двух условий:

т т - m

при m 4 т направления вращения мбд )р и . совпадают; при m m/ направления вращения различны и

f

fi

(d - период гофра вдоль оси, равны Р-ому корню уравнения 0. функция Бесселя р-го порядка, р-

1у 9 % f П

Рабочая длина /1 волны МЦР определяется напряженностью магнитного поля и. напряжением электронного пучка в резонаторе, а рабочая мода ТЕ „/р критическая длина волны которой близка к /1 , - средним радиусом Ro резонатора и радиусом электронного пучка, причем m ( э 0. Аз ймутальный ий- деке т моды Е р опреяепяется в соответствии с в ышеуказанным условием для индексов т, а радиальньй индекс Ра зависит от периода гофра d и угла винтовой линии канавок .

Поскольку соотношение между f и I/. определяет омические лотери в ре зонаторе, то для достижения положительного эффекта необходимо выполне- йие услойия 1. 2 /, (показьшает расчет). Отсюда следует, что в зависимости от того, насколько 1 превышает 2 У , период гофра лежит в пределах от К до I, 2К (Лid I, 2Я).

При заданной длине резонатора связь между модад и ТЕ и ТЕ,. (добротность Q резонатора) зависит от глубины гофра и формы его профш я; добротность Q является нелинейной функцией пapa feтpa р (см. фиг. 1), который определяется выражением (в этом выражении для мод с одинаковым направлени-. ем вращения m . - m. 7 О (при m m и

513623476

для мод, вращающихся в противоаоложных ся при увеличении поперечных размеров

направлениях, т m 4 О дпя и

m

f

неоднородностей до - 0,5Д . Следова- .тепьно.

)V/(l- HLai.) -fi/ (i IL)x 5 р( 0,06)i/ 0,5 или

г 1 .

Г -fl- /1

0,244l/(l-m,Vv/)(l-m/ )/ )

)3

де П 2Ь/Л;

,

А

ij f(r)e- d4/

- численный коэффициент, зависящий от формы гофра; f (f) - функция, характеризующаяпрофиль гофра, которьй в общем случае имеет вид

20

л

h

(V); |f(4), f()f(v)

ifivt nZ;

4 arct --- - угол наклона винTo- dm

вьк линии;

.

d. ЧДля синусоидального профиля А -,

дпя меандра А 2. Таким образом .дпя наиболее технологических видов гофра значение коэффициента А в вьфакении параметра /Ь ограничивается интервалом

; |5А.«2.

При /5 0, 3 добротность резонатора Q связана с параметром / и приведен- :Ной длиной N простым соотнощением

Q

ffN 8У

Снизу глубина гофра / огран тена величиной, при которой добротность 50 гофрированного резонатора близка к

О ; р соответствует / 0,06. ими /ми Максимальная величина f определяется

эффективностью охлаждения неоднородной по толщине (из-за наличия гофра) стенки резонатора. Оценки показывают, что при продольных размерах не.одно- родностей, соизмеримых с/1 , эффективность охлаждения значительно снижает-,

m

f

неоднородностей до - 0,5Д . Следова- .тепьно.

.

Г -fl- /1

0

0,244l/(l-m,Vv/)(l-m/ )/ )

)3

/м

-0,5

0

5

0

5

0

5

0

Поскольку параметр Я зависит от типов волн и , то для получения заданной добротности О величина р может быть различной. Например, при возбуждении в гофрированном резонаторе с синусоидальным гофром моды и вьшоде мо1цности в виде ТН расчетная величина р ri- 3,094 Я /

/чП (для 4-х заходного гофра), а

при выводе в виде ТЕ ,34 /VN (3-х заходный гофр), при этом Q i:

,5 Q .

мин

в том случае, когда в резонаторе,

показанном на фиг. 2, векторное условие резонансного переизлучения моды .,/ выполняется одновременно дпя двух мод ,j и ТЕ (с оди- , наковыми азимутальными и разными радиальными индексами), для селективного переизлучения в одну из этих мод используется стержень 4, устанавливаемый вдоль оси резонатора (фиг. 3), при наличрш которого мрды Y -я . ТЕи12.рз различные волновые числа К.

Профиль сужения 2 подбирают таким образом, чтобы в резонаторе оказывалось запертой мода с одной продольной вариацией поля - , 1, а моды с числом продольных вариаций больше I излучались через закрити- ческое сужение 2. Например, для резонатора на моде радиус сужения 2Кл при должен быть близок к

Rg - .

Таким образом, как следует из зависимости, приведенной на фиг. 1, добротность резонатора Q в заявляемом

резонаторе ниже величины О гладкомикстенного резонатора, благодаря чему

при заданной плотности ВЧ омических потерь обеспечивается возможность по- вьппения выходной мощности МЦР, Высокие селективные свойства резонатора н высокий КПД достигается увеличением-длины резонатора L (что позволяет .сузить полосу циклотронного резонанса и ис ключить из нее паразитные моды).

Минимальная длина резонатора, при которой достигается положительньй эффект, определяется требованием чистоты выходного излучения. Точн ый учет взаимодействующих мод в подобной системе затруднителен. Однако, расчет взаимодействия рабочей моды резонатора ТЕ)/ и бегущей волны .р при условии и hfff (где h - харак- теризует продольный масштаб гофра;, h.- - постоянная распространения изучаемой моды ,ре определенная на частоте рабочей моды , в гладком резонаторе длины L, радиуса Rp) показывает, что уже при I li - 2 fT мощность излучения из резонатора снижается на порядок по сравнению с мощностью, излучаемой при h h. Таким образом при h h н Ih. Ly 2lf (здесь h - постоянная распространения волны ТЕ,. ,определенная на частоте ; азимутальный индекс га волны равен азимутальному индексу га волны . i радиальньм индекс отличается на единицу) практически можно ограничиться расчетом взаимодействия мод и Таким образом минимальная длина резонатора

М

Я /v i-//

Sllfe /С-е/

Например, при вьгооде энергии из

резонатора посредством волны ТЕ./ ми - L 2

Н5мальная длина резонатора у S:

Т) 2

;j; 3,15 (-3-) « При работе на моде ТЕ 0 -v 1 ч „ (- 1- S

д, I , J и ..j /siHH -t Jj-J

Резонатор работает следующим образом,

1....

В соответствии со средним радиусом резонатора R и радиусом пучка в резонаторе возбуждается мода ТЕ„,я на частоте, близкой к критической (она образуется лучами, направленными почти перпендикулярно оси резонатора). Гоф- рирова;нная по винтовым линиям поверхность резонатора переизлучает эту моду в моду , в направлении выходного конца резонатора. Благодаря за-- критическим сужениям 1 и 2 мода ТЕ, оказывается запертой в резонаторе, тогда как мода ТЕ,2. частота которой много больше критической, свободно излучается через открытый торец резонатора.

Формула изобретения

Резонатор для мазера на циклотронном резонансе, содержащий отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, о т -л и ч а ю щ и и - с я тем, что, с целью уменьшения плотности мощности омических потерь в резонаторе, поверхность волновода выполнена в виде многозаходного винтового гофра, дри этом период гофра лежит в пределах от Л до 1,2Л. , а глубина , f гофра определяется выражением

0,244 1/,П((.),. , AN 2/ Vi (m,, ) f . j

35

6A

2,

рабочая длина волны, М; длина резонатора, М;

азимутальные индексы рабочей и излучаемой

, я,, мод соответственно / А л

(т т, - т, где m число заходов в гофре); Р-ые корни уравнения

тр ( функция Бесселя), р 1,2,

Qgtffjp

Qmifi 1.0

0.5

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной электроники для использования в установках управляемого термоядерного синтеза. Резона- гор для мазера на циклотронном резонансе содержит отрезок волновода, поверхность которого выполнена в виде многозаходного винтового гофра I с закритическими сужениями 2, 3. Период гофра лежит в пределах Я- 1, 2, а его глубина / определяется вьфажением: {0,244Vf / (l-mf/y,- )( /А. N V (I -m, ,- ) f 0,,5Д, , где Л - рабочая длина волны} , L - длина резонатора; т р т - азимутальные индексы рабочей высшей моды и излучаемой низшей моды TEmiPi соответственно (т. т - А, . где m - число заходов, и гофре); |., . - У . - Р-ые корни уравнения Утр- О (Утр функция Бесселя), Р I, 2, . Изобретение уменьшает плотность мощности омических потерь. 3 ил. (Л 2-V Фиг.З

Составитель E, Шитова Редактор В. Ахрем Техред Л Олийнык . Корректор И. Муска

Заказ 6864

Тираж 694

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Ь1осква,Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

fpife.2

Подписное