Квазиоптический вибрационный гиротрон Советский патент 1993 года по МПК H01J25/10 

лении по меньшей мере точно одной оси разоязки, причем по меньшей мере точно одна ось развязки образует с осью резонаора заданный угол а, отличный от нуля. Существочизобретения заключается в ом, что Голограмма не содержит по сравнению с обычным штриховым растром несколько направлений дифракции, в которых осуществляется рассеивание поступившей волны, то есть гауссова мода резонатора, а имеет лишь заранее определенное количество точно определенных направлений рас- сеивания. В результате этого подлежащее развязке излучение постоянно-отклоняется только в желаемом направлении. Кроме того, с помощью голограммы могут вырабатываться желаемые гауссовы волны, которые затем без существенных потерь могут передаваться к потребителю.

В случае квазиоптического вибрационного гироскопа, при работе которого статическое магнитное поле вырабатывается с помощью двух катушек по схеме Гельмголь- ца. бсь резонатора и ось развязки расположены предпочтительно в одной общей плоскости перпендикулярно оси электронного луча. Угол между осью резонатора и осью развязки является в предпочтительном случае настолько большим, что претерпевшее развязку излучение может в основном без помех достигать пространство сбоку от противолежащего зеркала.

В определенных обстоятельствах оказывается предпочтительным предусмотре- ние нескольких осей развязки. В случае этой формы выполнения нагрузка излучением распределяется по нескольким высокочастотным окнам. Общая мощность вибрационного гироскопа может быть тем самым увеличена в несколько раз при ограниченной предельно допускаемой нагрузке на высокочастотное окно.

Описанное многократное увеличение мощности может достигаться различными путями. Одна поверхность зеркала может быть оснащена голограммой, которая обслуживает, например, точно две оси развязки, или же каждое из обоих зеркал содержит голограмму, которая обслуживает, например, точно одну ось развязки,

Голограмма не может быть целом подробно описана конкретными физическими признаками. Она определена своим специфическим свойством, которое заключается в рассеивании заданной падающей волны под одним или несколькими определенными углами.

По существу голограмма представляет собой латерэльно и по глубине модулированную, электропроводную поверхность

зеркала со структурными размерами, составляющими порядка длины волны электромагнитного излучения.

Большое количество следующих форм исполнения вытекает из пунктов формулы изобретения.

Изобретение поясняется ниже более подробно на основании примеров выполнения в совокупности с чертежом. На фиг. 1 схематически показан квазиэлектронный вибрационный гироскоп в продольном сечении; на фиг. 2 - то же, в поперечном сечении; на фиг. 3 - упрощенное поперечное сечение зеркальной повер- 5 хности с голограммой; на фиг. 4 - вид спереди на зеркало с голограммой.

Использующиеся на чертеже ссылочные обозначения и их значения в полном объеме приведены в перечне ссылочных 0 обозначений. В основном идентичные части оснащены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Фиг. 1 показывает одну предпочтительную форму выполнения изобретения. Соот5

ветствующий

квазиоптический

вибрационный гироскоп охватывает первые средства 6 для выработки, например, имеющего кольцевую форму электронного луча 1, который проходит вдоль оси 2 электронного

0 луча. Названные первые средства 6 состоят, например, из хорошо известной магнетрон- ной инжекционной пушки. Включенные по схеме Гельмгольца две катушки За и ЗЬ (то есть расстояние между ними соответствует

5 в основном их радиусу) вырабатывают статическое магнитное поле, ориентированное параллельно оси 2 электронного луча, в результате чего электроны электронного луча

1приводятся во вращательное движение. 0 Квазиоптический резонатор, образованный двумя противолежащими и расположенными на одной оси 5 резонатора зеркалами 4а, 4Ь, расположен между обеими катушками За, ЗЬ таким образом, что его

5 ось 5 ориентирована перпендикулярно оси

2электронного луча.

В результате вращения электронов в резонаторе возбуждается высокочастотное

0 электромагнитное переменное поле, в результате чего осуществляется развязка желаемого электромагнитным излучением из резонатора с использованием пригодных для этой цели средств и это излучение мо5 жет быть передано потребителю через высокочастотное окно и волновод. Высокочастотное окно закрывает вакууми- рованный сосуд 9, в котором расположены описанные части, относительно внешнего пространства (например, волновода).

Обе катушки За. ЗЬ, оказывающие друг на друга большие по величине силы, опираются друг о друга с помощью опорной конструкции 7. Эта конструкция содержит пригодные для резонатора отверстия или свободные пространства. Опорная конструкция 7 может представлять собой, например, оснащенную отверстиями траверсу или опорный каркас из соответствующим образом расположенных титановых прутьев.

Описанные до настоящего момента части вибрационного гироскопа являются по себе известными (например, из процитированного выше уровня техники). По этой причине можно отказаться От их подробного пояснения.

В отличие от этого новыми являются вид и принцип развязки, Они будут рассмотрены более подробно ниже.

Фиг. 2 показывает соответствующий изобретению резонатор в поперечном сечении. При этом изображении ось 2 электронного луча расположена перпендикулярно плоскости чертежа. Позади или в опорной конструкции 7 видна катушка ЗЬ. В остальном уже описанные на основании фиг. 1 части оснащены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Зеркала 4а, 4Ь имеют заполняющее резонатор поперечное сечение и имеют, например, форму окружности. Они имеют каждое металлическую или сверхпроводящую и предпочтительно сферическую искривленную зеркальную поверхность 8а, 8Ь. В соответствии с особо предпочтительной формой выполнения одна из обеих зеркальных поверхностей 8Ь оснащена голограммой, которая обеспечивает развязку части колеблющегося в резонаторе переменного поля при заранее заданном угле а.

Голограмма на зеркале 4Ь осуществляет развязку желаемого излучения относительно резонатора исключительно под заранее определенным углом ее вдоль оси 10 развязки. Под а понимают при этом угол, который образован осью резонатора и осью 5 или 10 развязки. Он является однозначно отличным от нуля и выбран таким образом, что претерпевшее развязку излучение может достигать области, расположенной сбоку от противолежащего зеркала 4а в его близости. Высокочастотное окно 11 расположено на оси 10 развязки и герметично закрывает сосуд 9 относительно волновода (на фиг. не изображен), который расположен коаксиально к оси 10 развязки.

В предпочтительном случае угол а является по возможности минимальным. В

этом случае развязанное излучение может при относительно незначительных помехах проходить с одной стороны от зеркала 4а, Угол а составляет в этом случае величину, 5 приблизительно равную углу раскрыва, под которым зеркало 4а визуально воспринимается, исходя из дифракционного зеркала 4Ь (например, в зависимости от соотношения между диаметром зеркала и расстоянием

10 между зеркалами). Типичная величина угла составляет 20-30 .

Преимущества такого минимального угла заключается в том, что опорная конструкция развязки должна содержать лишь

15 относительно короткое, то есть проходящее приблизительно радиально отверстие и, следовательно, ее прочность уменьшается лишь на обязательно необходимую величину.

Фиг. 3 показывает в схематической фор0 ме фрагмент зеркальной поверхности 8Ь, оснащенной голограммой 12. Зеркальная поверхность 8Ь расположена по-существу перпендикулярно оси 5 резонатора. Голограмма 12 выражена структурой зеркальной

5 поверхности 8Ь. Характеристика структуры зависит в каждом конкретном случае от падающих и отраженных волн, в частности, от их длины, от формы их фронтов, от распределения интенсивности (соотношения меж0 ду развязанной относительно резонатора энергией и накопленной в нем энергией), а также от их направлений распространения (например, угол а). Структура не может быть определена в общем случае с помощью

5 простых геометрических параметров, например, толщины d или периода L, В целом голограмма 12 может быть описана, например, следующим образом:

1.Поступающая волна представляет со- 0 бой гауссову моду резонатора и проходит в

основном перпендикулярно зеркальной поверхности (плоскости голограммы).

2.Основная часть (например. 99%) поступающей волны отражается в виде гауссовых мод в противоположном направлении

5 (например, в направлении оси 5 резонатора).

3.Малая часть (например, 1 %) поступающей волны рассеивается в виде гауссовых волн под углом а(то есть в направлении оси

0 10 развязки).

Если гауссовы волны являются однозначно определенными, то в этом случае однозначно определенной является также и голограмма 12.

5 Параметры голограммы оказывают к тому же влияние на свойства резонатора. Посредством доли развязанной мощности можно производить регулирование добротности резонатора. Таким образом вибрационный гироскоп оптимизируется для предусмотренного диапазона мощности.

Для случая гауссовых волн применительно к геометрическим размерам структуры можно отметить, что толщина d (глубина структуры) и период L составляют в типичном случае порядка длины волны желаемого излучения и что не возникает никаких острых кромок. В случае длин волн миллиметрового диапазона могут встречаться, таким образом, геометрические размерности порядка от несколько десятых до нескольких миллиметров.

Фиг. 4 показывает в схематической форме вид спереди на круглое зеркало. Голограмма для развязки желаемых гауссовых волн обозначена посредством нескольких проходящих рядом друг с другом, идентичных, искривленных линий,которые поясняют возвышения структуры. Возвышения являются периодическими обычно на небольших участках, однако не на протяжении всей голограммы.

Для изготовления соответствующей изобретению голограммы используют предпочтительно компьютер. С его помощью может быть рассчитана конкретная структура зеркальной поверхности при заданных, поясненных выше параметрах голограммы. С помощью соответствующего станка рассчитанная структура может быть перенесена затем на зеркальную поверхность. Этот способ изготовления предполагает использование того факта, что размер голографической структуры лежит в диапазоне порядка 1/10 мм.

Возможно, однако, также получение фотографического изображения голограммы с помощью фотографирования в диапазоне миллиметровых волн. При этом аналогично оптической голографии гауссовы моды резонатора интерферируют с подлежащей развязке гауссовой волной и полученная картина интерференции фиксируется фотографическим путем.

В последующем рассматриваются некоторые следующие формы исполнения изобретения.

До настоящего момента речь шла постоянно о голограмме на сферически искрив- ленном зеркале. Изобретение не ограничивается, однако, таким зеркалом. Возможно также использование плоского зеркала с интеграцией эффекта сферической кривизны в голограмму.

Другим важным аспектом является количество направлений рассеивания. До настоящего времени постоянно подчёркивалось, что развязка осуществляется лишь точно в одном направлении. Это справедливо, однако, только в отношении одной предпочтительной формы выполнения. Изобретением предусмотрена также

возможность того, что голограмма обеспечивает рассеивание гауссовых волн точно в двух или в целом точно в п заданных направлениях развязки. Многократная развязка может оказаться предпочтительной, напри0 мер, в том случае, если речь идет о необходимости умножения выходной мощности, которая ограничена предельно допускаемой нагрузкой на высокочастотное окно, с целью получения более высокой общей

5 мощности вибрационного гироскопа. Как и прежде, для достижения высокого коэффициента полезного действия при этом важно то, чтобы лишь излучение рассеивалось в направлении, например, двух заранее за0 данных осей развязки.

В случае использования голограммы с двумя направлениями развязки обе оси развязки проходят предпочтительно симметрично оси резонатора.

5Общая мощность может быть также увеличена другим образом, а именно за счет того, что оба зеркала 4а, 4Ь резонатора оснащаются каждое отдельной пригодной голограммой. Так, например, с

0 использованием двух голограмм, каждая из которых имеет точно одно направление развязки, можно добиться экстрагирования двух гауссовых волн.

В основном изобретение не ограничи5 вается гауссовой формой волн. Полностью аналогичным.образом для других целей использования может осуществляться развязка других и даже любых форм волн.

В качестве обобщения можно констати0 ровать, что за счет соответствующей изобретению развязки могут вырабатываться миллиметровые и субмиллиметровые волны с высокой мощностью в режиме длительного излучения. Выработанные таким образом

5 волны могут без существенных потерь передаваться с помощью обычных волноводов к удаленным потребителям.

Формула изобретения

1. Квазиоптический вибрационный ги0 ротрон, содержащий источник электронов, коаксиально размещенные относительно оси электронного потока катушки Гельм- гольца и размещенный между ними квазиоптический резонатор, выполненный в виде

5 двух зеркал, размещенных встречно на оси резонатора; перпендикулярно к оси электронного луча, и вывод энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности и ее стабильности, на отражающей поверхности одного из зеркал

размещена голограмма, выполненная в виде модулированной по глубине и в боковом направлении электропроводной структуры величиной, равной длине волны электромагнитного излучения, а ось рассеяния голограммы совмещена с осью вывода энергии, выполненного в виде высокочастотного окна, размещенного вблизи другого зеркала.

2.Гиротрон по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что .оси квазиоптического резонатора и рассеяния голограммы размещены в одной плоскости.

3.Гиротрон по п. 2. отличающийся тем. что отражающая поверхность зеркал размещена перпендикулярно к оси резонатора и выполнена в виде сегмента сферы.

Фиг.1

Фиг.1

Фиг.