Гиротрон Советский патент 1993 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к СВЧ-технике, конкретно - к генераторам когерентного электромагнитного излучения.

Цель изобретения - снижение мощности потерь в гиротроне, способном генерировать микроволны с частотой более 100 ГГц с мощностью непрерывного излучения в 1 МВт и более.

Цель изобретения достигается тем, что отражатели квазиоптического резонатора имеют сверхпроводящую отражающую поверхность, и что предусмотрены средства для подавления магнитного поля на поверхности отражателей.

На фиг.1 схематично изображен гиро- трон; на фиг.2 - зависимость магнитного поля от радиуса; на фиг.З - схематичное изображение ярма-кожуха в форме полого цилиндра; на фиг.4 - схематичное изображение гиротрона с несколькими частями ярма; на фиг.5 - схематичное изображение

частей ярма в форме полого цилиндра и их месторасположение по отношению к резонатору.

Используемые на чертеже условные обозначения и их смысл сведены в список обозначений. Принципиально одинаковые детали снабжены одинаковыми условными обозначениями.

.Фиг.1 показывает существенные для изобретения детали гиротрона. Не показанная на фигуре электронная пушка инжектирует электроны в форме, например, кольцеобразного электронного пучка 1. Электроны движутся вдоль оси 2 электронного пучка. Две катушки За и 36 расположе- ны на оси 2 электронного пучка на расстоянии, равном их радиусу (так называемое, расположение Гельмгольца). Они создают статическое, параллельное оси 2 электронного пучка центрированное магнитное поле (с магнитной индукцией 4 Тл и более).

(Л

С

00

со ел о о ю

ы

Между обеими катушками За, 36 расположен квазиоптический резонатор. Он состоит из двух сферических круглых отражателей 4а и 46. которые расположены на оси 5 резонатора противоположно друг другу. Ось резонатора при этом находится перпендикулярно оси 2 электронного пучка.

Электроны возбуждают в квазиоптическом резонаторе электромагнитное переменное поле, которое через окно 7 и волновод 8 выводится к потребителю. Обе катушки За, 36 резонатора и электронный пучок 1 находятся в вакуумной оболочке 9.

Описываемые до этого детали гиротро- на известны. Новыми являются средства для экранирования магнитного поля и тип резонатора.

Для того, чтобы экранировать магнитное поле от внешней среды, предусмотрено ярмо-кожух 10, которое охватывает обе катушки За, 36. Оно состоит из материала с высокой магнитной проницаемостью, преимущественно из железа.

В соответствии с примером выполнения ярмо 10 имеет форму полого цилиндра 11 длиной L, которое в осевом направлении закрыто крышкой 12 и днищем 13. Полый цилиндр 11 коаксиален оси 2 электронного луча. Длина 1 и внутренний радиус Ri полого цилиндра 11 таковы, что обе катушки За, 36 в расположении Гельмгольца и охватывающая их оболочка 9 находятся внутри.

Крышка 12 и днище 13 полого цилиндра 11 оснащены проходными отверстиями для электронного луча 1. Полый цилиндр 11 имеет два диаметрально противоположных отверстия, таких, что электромагнитное переменное поле, в резонаторе не искажается ими.

Оба отражателя 4а, 46 образуют стенки резонатора и имеют по одной сверхпроводящей отражающей поверхности ба и 66. Не показанное на фигуре охлаждающее устройство поддерживает их на достаточно низкой для сверхпроводимости температуре. Сверхпроводящие отражающие поверхности 6а, 66 образуются, например, посредством покрытия, состоящего из высокотемпературного или обычного сверхпроводника.

Оба сферических отражателя 4а, 46 расположены вне ярма 10 перед отверстиями полого цилиндра 11. В симметричном примере выполнения они расположены на расстоянии, большем внешнего радиуса Ra полого цилиндра 11.

Фиг.2 поясняет эффект экранирования. На абсциссе симметрично отложен радиус г, т.е. расстояние от оси 2 электронного пучка, а на ординате отложена величина магнитной индукции В. Проведенная кривая изображает магнитное поле в присутствии ярма 10. При приосевой области, которая превышает диаметр электронного пучка 1,

магнитное поле почти однородно. Затем оно падает с увеличением радиуса т настолько, что на поверхности отражателей 4а, 46 сверхпроводимость не разрушается. Пунктирная кривая показывает харак0 тер магнитного поля без ярма 10. В этом случае магнитное поле почти однородно в

сравнительно широкой области и медленно падает с увеличением радиуса.

Фиг.З показывает разрез ярма 10. По5 лый цилиндр 11 длиной L имеет два отверстия для пропускания поля резонатора, одно из которых- обозначенное 14 - можно видеть на фигуре. Это отверстие 14 помещено примерно в середине полого цилиндра

0 11, оно круглое и ось резонатора проходит через его центр.

Днище 13 и крышка 12 имеют по одному проходному отверстию 16 и, соответственно, 15. На фигуре указаны внутренний ради5 ус Rj и внешний радиус Ra полого цилиндра. Ярмо 10 фиг.1 получается, если соединятся две половины ярма, изображенные на фиг.З. Такое ярмо создает наилучшую возможность экранирования магнитного поля.

0 Фиг.4 показывает квазиоптический ги- ротрон с ярмом, состоящим из нескольких частей 17a-17f. На фигуре выделены следующие части: ось резонатора 5, оба отражателя 4а, 46. одна из катушек За и

5 кольцеобразный электронный пучок 1. На фиг,4 ось электронного пучка находится перпендикулярно плоскости чертежа.

В соответствии с предпочтительным примером выполнения ярмо содержит в се0 бе шесть одинаковых частей 17a-17f. Они расположены на равных расстояниях вокруг оси электронного пучка вокруг катушки. Два диаметрально противоположных друг друга промежутка служат в качестве отверстия

5 для пропускания поля резонатора.

Фиг.5 показывает две таких части ярма 17с, 17d с щелевым промежутком, служащим в качестве отверстия 18. Отражатель 46 отстоит от оси 2 электронного луча на рас0 стоянии, большем внешнего диаметра ярма.

Части ярма 17a-17f образуют сегменты полого цилиндра, который закрыт в осевом направлении днищем и крышкой. Они явля5 ются аэимутально ограниченными вырезами ярма в форме полого цилиндра, как это было показано на фигурах 1 и 3. Они имеют форму, похожую на кусочек торта.

Образованное из шести частей 17a-17f ярмо полностью охватывает катушки. Из-за

высокой магнитной проницаемости наибольшая часть магнитного потока концентрируется внутри частей ярма. Вне области, имеющей форму втулки, охваченной частями корпуса, магнитное поле достаточно мало.

Принципиально важно, что вращательная симметрия магнитного поля в приосе- вой области электронного пучка 2, несмотря на экранирование хорошо сохраняется. При использовании ярма, которое состоит из одной части, это также имеет место.

С увеличением числа частей ярма, вращательную симметрию можно аппроксимировать все лучше, но возрастает сложность монтажа.

Поэтому ярмо с восемью частями тоже обеспечивает достижение цели изобретения.

Принципиально для ярма подходит любой материал, который имеет магнитную проницаемость, много большую, чем проницаемость вакуума. Железо в этом смысле является лишь типичным кандидатом.

Другим примером выполнения служит компенсирующее магнитное поле. Оно создается двумя или более дополнительными катушками. Дополнительные катушки находятся вне цилиндрического объема, содержащего катушки Гельмгольца.

Например, дополнительные катушки тоже коаксиальны оси электронного луча. Тогда радиус, интервал и ток дополнительных катушек можно соизмерить таким образом, что суммарная напряженность магнитного поля на поверхности отражателя резонатора находится ниже предела, требуемого для сверхпроводимости. Конкретные величины зависят от различных значений параметров и могут быть просто рассчитаны аналитически.

Активный и пассивный пути решения при определенных обстоятельствах могут быть и скомбинированы, благодаря тому, что действие геометрически простого ярма улучшается с использованием удобно расположенных маленьких катушек.

Изобретение позволяет значительно повысить мощность гиротрона, в результате того, что преимущества сверхпроводящих стенок резонатора могут быть полностью использованы.

Список обозначений.

1 - электронный луч; 2 - ось электронного луча; За, 36 - катушки; 4а, 46 - отражатели; 5 - ось резонатора; 6а, 66 - отражающие поверхности; 7 - окно: 8 - волновод; 9 - вакуумная оболочка; 10 - ярмо- кожух; 11 - полый цилиндр; 12 - крышка; 13

-днище; 14,18-отверстие; 15,16-проход- ное отверстие; 17a-17f - части ярма. Формула изобретения

1.Гиротрон, содержащий две катушки в 5 расположении Гельмгольца для создания

статического осесимметричного относительно оси электронного луча магнитного поля, причем ось электронного луча параллельна магнитному полю, а квазиоптиче0 ской резонатор содержит два отражателя, расположенных противоположно друг другу, причем ось резонатора установлена по центру между двумя катушками перпендикулярно оси электронного луча, отличаю5 щ и и с я тем, что, с целью снижения мощности потерь и повышения выходной мощности, отражатели резонатора имеют сверхпроводящую отражающую поверхность и введены средства для подавления

0 магнитного поля на сверхпроводящей отражающей поверхности.

2.Гиротрон по п.1,отличающийся тем, что, средства для подавления магнитного поля включают в себя по крайней мере

5 две дополнительные катушки, которые расположены вне катушек, предусмотренных в расположении Гельмгольца.

3.Тиратрон по п.1, отличающийся тем, что средства для подавления магнитно0 го поля содержат ярмо-кожух, состоящее из материала и высокой магнитной проницаемостью и охватывающее две катушки в рас-, положении Гельмгольца, а отражатели резонатора расположены вне зоны, охваты5 ваемой ярмом.

4.Гиротрон по п.З, отличающийся тем. что ярмо выполнено в виде полого цилиндра, который в осевом направлении закрыт днищем и крышкой, причем полый

0 цилиндр снабжен по крайней мере двумя диаметрально противоположными друг другу отверстиями, находящимися на оси резонатора, а днище и крышка имеют по одному проходному отверстию для электронного

5 пучка.

5.Гиротрон по п.З, отличающийся тем, что ярмо выполнено из нескольких одинаковых сегментов полого цилиндра, расположенных с регулярными промежутками

0 вокруг оси электронного луча, а отверстия, находящиеся на оси резонатора, образованы двумя диаметрально противоположными друг другу промежутками.

6.Гиротрон по п.5, отличающийся 5 тем, что ярмо выполнено в виде сегментов

полого цилиндра, закрытого в осевом направлении крышкой и днищем.

7.Гиротрон по п.5, отличающийся тем, что ярмо образовано по меньшей мере шестью сегментами полого цилиндра.

8. Гиротрон по п.5. отличающийся тем, что ярмо выполнено из шести или восьми сегментов полого цилиндра.

9. Гиротрон по п.З, отличающийся тем. что в качестве материала с высокой магнитной проницаемостью использовано железо.

Изобретение относится к СВЧ-технике. конкретно к генераторам конкретного электромагнитного излучения. Цель изобретения - снижение мощности потерь и повышение выходной мощности - достигается тем, что отражатели резонатора гиро- трона имеютсверхпроводящую отражающую поверхность и введены средства для подавления магнитного поля на сверхпроводящей поверхности. В вариантах выполнения средства для подавления магнитного поля имеют вид железного кожуха, состоящего из одной или нескольких частей, или же системы компенсирующих токовых катушек. 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

9

В

Фиг. /

11

Фиг.З

16

13

17с

17d