ПРИБОР ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ САНТИМЕТРОВОГО, МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН Советский патент 1976 года по МПК H01J25/00 

Изобретение касается электронных приборов, предназначенных для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

Для усиления и генерирования колебаний СВЧ диапазона служат в настоящее время приборы, основанные на использовании индуцированного черенковского излучения (ЛБВ, ЛОВ, магнетроны и др.).

Однако эти приборы отличаются принципиальной необходимостью использования электродинамических систем, отдельные элементы которых имеют размеры, соизмеримые с длиной волны, и расположены в непосредственной близости от электронного пучка. В результате с укорочением длины волны растут потери в электродинамической системе, затрудняется ее охлаждение, повышаются требования к фокусировке пучка, это приводит к резкому падению мощности существующих приборов по мере их продвижения в коротковолновую часть миллиметрового диапазона волн.

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности генерируемых колебаний, увеличение диапазона перестройки частоты и создание генератора, пригодного для получения больших мощностей в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

Предлагаемый генератор (гиротрон), представляет собой мазер на циклотронном резонансе (МЦР) с электронным пучком, электроны которого движутся по винтовым траекториям, в постоянном магнитном поле и с открытым резонатором, имеющим большое поперечное сечение.

Этот гиротрон отличается тем, что в нем осуществляется взаимодействие вращающихся электронов с высокочастотным полем открытого резонатора, роль которого играет длинный отрезок волноводного тракта, ограниченный участками с незначительным измененным поперечным сечением.

На чертеже изображен предлагаемый гиротрон. Его резонатор с элементами связи резонатора с выходным волноводом, выходной волновод и коллектор выполнены в виде сплошной металлической трубы (волновода) переменного внутреннего сечения.

Гиротрон содержит "адиабатическую" электронную пушку с коническим анодом 1 и катодом 2 с нешироким эмиттирующим пояском 3. Пушка находится в сравнительно слабом магнитном поле, в несколько раз меньшим, чем поле в области резонатора.

В пушке формируется трубчатый пучок со средним диаметром большим диаметра винтовых траекторий отдельных электронов (трубчатый винтовой пучок).

Последующее преобразование (накачка вращательной энергии) происходит в медленно нарастающем магнитном поле, создаваемом основным 4 и исполнительным 5 соленоидами. В случае необходимости (при больших перепадах магнитных полей) дополнительная энергия, необходимая для прохождения в область сильного магнитного поля может быть сообщена электронам путем подачи напряжения на анод (аноды) 6 и резонатор 7. С помощью этих напряжений можно изменять время пролета электронов через резонатор.

Взаимодействие электронов с высокочастотным полем происходит в открытом резонаторе 7, образованном за критическими сужениями 8 и 9 волновода.

Пройдя резонатор, электроны попадают в уменьшающееся магнитное поле, причем величина магнитного поля у выходного резонатора может составлять 60-85% от величины магнитного поля в районе самого резонатора. При этом увеличивается диаметр пучка и электроны попадают на стенки участка трубы 10, который служит одновременно коллектором и выходным волноводом. Напряжение на коллекторе может быть меньше напряжения на резонаторе (рекуперация). Место попадания электронов на коллектор можно изменить с помощью соленоида 11. Выходное окно 12 защищено от попадания приаксиальных электронов несимметричным магнитом или магнитным зеркалом 13.

Для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн желательно, чтобы продольные и поперечные размеры резонатора в несколько раз превышали длину волны. Собственные частоты такого резонатора оказываются такими близкими, что в полосу циклотронного резонанса, которая определяется временем пролета, могут попасть несколько типов колебаний резонатора Чтобы генератор работал на одном типе колебаний (одномодовая генерация) необходимы специальные меры по разряжению спектра собственных частот (селекция мод.) В предлагаемой конструкции селекция типов колебаний обеспечивается сужениями 8 и 9 участков волновода, запредельные сужения 8 и 9 могут быть заменены уступами - резкими, но небольшими изменениями диаметра волновода. Последующий переход на выходной волновод 10 делается достаточно плавным, чтобы не создавать дополнительных отражений.

При работе на основной циклотронной частоте не требуется высокой добротности, и взаимодействие пучка с электромагнитный полем, может осуществляться в резонаторе, поперечное сечение которого плавно увеличивается к выходному концу. Это позволяет получить гиротрон с перестройкой частоты. Изменяя величину магнитного поля и вместе с ней и циклотронную частоту, можно перестраивать частоту гиротрона.

Гиротрон может работать не только на циклотронной частоте, но и на ее гармониках.

Настоящее изобретение позволит создать генератор больших мощностей в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

1. Прибор для генерации электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, представляющий собой мазер на циклотронном резонансе, состоящий из электронной пушки, резонатора, коллектора, выходного волновода и соленоиду отличающийся тем, что, с целью повышения к.п.д. и мощности прибору, его резонатор с элементами связи резонатора с выходным волноводом, выходной волновод и коллектор выполнены в виде сплошной металлической трубы (волновода) переменного внутреннего сечения.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности генерируемых колебаний, резонатор и выходной волновод разделены участком трубы, размеры внутреннего сечения которой меньше размеров сечений прилегающих к ней участков резонатора и выходного волновода.

3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона перестройки частоты, его резонатор и выходной волновод разделены участком металлической трубы, размеры внутреннего сечения которой плавно увеличиваются от размеров поперечного сечения выходного конца резонатора до размеров поперечного сечения выходного волновода.

4. Прибор по пп. 1-3, отличающийся тем, что его резонатор имеет поперечное сечение, плавно увеличивающееся к коллектору.

5. Прибор по пп. 1-4, отличающийся тем, что величина постоянного магнитного поля у выходного конца резонатора составляет 60-85% от величины магнитного поля в районе самого резонатора.