Гирокон Советский патент 1976 года по МПК H01J25/02 

1

Изобретение касается мощных электровакуумных приборов СВЧ, в частности конструкций гирокона - усилителя СВЧ с несгрупированным релятивистским пучком заряженных частиц.

В известном гироконе релятивистский электронный пучок, непрерывно смещаясь по азимуту, под действием усиливаемого сигнала, питающего устройство круговой развертки луча, возбуждает выходной кольцевой резонатор бегущей волны. Отношение мощности в нагрузке выходного резонатора к мощности, потребляемой устройство круговой развертки, определяет коэффициент усиления гирокона. Однако в известных конструкциях гироконов относительно мала величина коэффициента усиления гирокона по сравнению, например, с клистроном.

Это относится к приборам большой мощности, когда длина луча сильно ограничена из-за его расходимости под действием объемного заряда и возникает необходимость в отклонении луча на углы 25-30.

С целью увеличения электронного к.п. д. в гироконе может применяться компенсация

высокочастотного магнитного поля бегущей волны в выходном резонаторе постоянным магнитным полем, которое создается с пециальным магнитом. Размеры этого магнита близки к размерам выходного резонатора. Таким образом, этот путь повышения электронного к. п. д. гирокона ведет к ус.чожнению конструкции прибора и повышению его веса особенно в длинноволновой части СВЧ диапазона. При повышении мощности прибора на заданной рабочей частоте значительно растет тепловая нагрузка на коллектор и другие элементы гирокона. Нагрузку трудно уменьшить, так как возможность увеличения площади коллектора ограничена, поскольку средний диаметр коллектора определяется рабочей частотой (длиной средней окружности щели резонатора, через которую выходит пучок V а размер коллектора в направлении движения электрона ограничен из-за того, что пучок после торможения в выходном резонаторе имеет малую скорость, значительный объемный заряд, быстро расходится и оседает на стенки, не прон1жая на всю глубину коллектора. Это одна из причин, приводящих к ограничению предельной мощности прибора. Другая причина, ограничивающая мощность гирокона, в непрерывном или в квазинепрерывном режимах, - это токооседа ние на стенки щелей выходного резонатора. В гироконах известных конструкций не cyV шествует никаких элементов, фокусирующих развернутый электронный луч и снижающих токооседание на стенки щелей. Цель изобретения - уменьшение тепловой нагрузки на коллектор, упрощение конструкции, увеличение коэффициента усилений прибора и повышение его к. п. д. Это достигается созданием электронного СВЧ прибора гирокона, содержащего устройство ДЛЯ формирования аксиального несгруппированного релятивистского пучка заряженных мастиц, устройство круговой развертки пучка под действием усиливаемо го сигнала, осесимметричную-магнитную .отклоняющую систему, выходной кольцевой I резона тор бегущей волны и коллектор. Плоскость симметрии коллектора и выходно1го резонатора перпендикулярны оси гироко-i на, а осесимметричная магнитостатическая отклоняющая система направляет пучок заряженных частиц ПСппоск|эсти симметрии выходного резонатора иколлектора, под утлом к радиусу резонатора, и выполнена, например, в виде конической катушки с рав номерной намоткой-: по поверхности. | Для повышения выходной мощности гироу кона между выходным резонатором к откло няющей системой может быть установлена магнитная фокусирующая система, например в виде совокупности пар осесимметричных катушек с противоположно направленными магиитными полями, расположенных симметрично относительно плоскости развернутого пучка. На фиг. 1 приведено схематическое изо& ражение конструкции гирокона; на фиг. 2 рассчитанные на ЭВМ траектории электронов в магнитных полях статической отклоняющей и фокусирующей системы. Гирокон состоит из источника 1 релятивистских эле тронов, устройства 2 круговой развертки, возбуждаемого усиливаемым; сигналом, поступающим от источника 3, магнитостатической отклоняющей системы 4, установлен ной соосно с устройством 2 круговой развертки и направляющей развернутый электр ный луч 5 перпендикулярно продольной оси гирохона, выходного кольцевого резонатор 6 бегущей волнь с выводами СВЧ мощности (н чертеже не показаны), установленного соосно с поверхностью, образуемой развернутым электронным лучом 5, отклоненным м ниТООтатической системой 4, коллектора 7 электронов, фокусирующей системы 8, уста новленной между отклоняющей системой 4 выходным резонатором 6 соосно с ними так, что горизонтальные плоскости симметрии фокусирующей системы и выходного реонатора совпадают. Прибор работает следующим образом. Сформированный источником 1 релятивистских электронов, электронный луч 5, проходу через устройство 2 круговой развертки и магнитостатическуюI (отклоняющую систему, 4, отклоняется по отношению к первоначальной траетории на угол 90°. Развернутый действием усиливаемого си, нала, непрерывно смещаясь по азимуту, опектронный луч 5 описывает коническую поверхность, которая постепенно переходит в плоскость, перпендикулярную продольной оси гирокона. Поступая в выходной резонатор 6, луч возбуждает в нем бегущую волну, тормозится в ее электрическом поле и отдает ей свою энергию. Полученная СВЧ энергия через элемент связи выводится из выходного резонатора 6 в нагрузку. Остаточная энергия электронного пучка рассеивается на коллекторе 7. Преобразование развернутого луча 5 из конического в дис-; ковый позволяет повысить коэффициент усиления прибора, поскольку в этом случае значительно уменьшается угол отклонения луча в устройстве 2 круговой развертки, а основное отклонение пуча осуществляется магнитостатической системой 4, не потребляющей высокочастотной мощности. В приборе могут быть использованы различные конструкции Магнитостатических отклоняющих и фокусирующих систем. В приведеннок варианте конкретной конструкции,гирокона предложена .отклоняющая система 4, выпол« ненная в виде конической катушки с равномерной намоткой. Фокусирующая система 8 состоит из четырех цилиндрических катушек, установленных попарносоосно с устройством 2 круговой развертки и симметрично относительно средней плоскости выходного резонатора 6. Цилиндрические катушки фокусирующей системы 8 создают знакопе:ременное магнитное поле в горизонтальной плоскости симметрии. Электроны, влетая в выходной резэнатор 6, кроме радиальных и осевых компрнент скорости имеют также и азимутальную Ькорость, которая для электрона, находящегося на оси пучка, определяется углом (см. фиг. 2). Двигаясь по траекториям, близким к радиальным при прохождении вы входного резонатора 6, электроны возбуждают в нем бегущую волну, аналогичную по структуре поля волне типа Не прямоугольном волноводе, замкнутом в кольцо, к отдают ей свою энергию. При взаимодейстЛ Вии с зысокочасготным магнитным полем етой бегущей волны электроны отклоняются. ip азимутальном направлении навстречу дви-i .|жению волны, вследствие чего к.п.д. взаимо ibeficTBHH электронного пучка с СВЧ-полем бегущей, волны снижается. Как показывают асчётные оценки, электронный к. п. д. повысить путем сообщения элек.троцв на; входе IB резонатор 6 дополнительной азимутальной скорости, направленной в сторо ну движения бегущей волны (см. фиг. 2, где представлены траектории электронов в магнитных полях статической отклоняющей 4 и фокусирующей 8 систем, построе ных в цилиндрической ( , Z .) системе координат, ось Z совпадает с продольной осью гирокона). При расчете траекторий предполагалось, что электронный пучок на :входе в устройстве 2 круговой развертки имеет радиус в 2 см и только осевую компоненту скорости. На фиг. 2 приведены j пять траекторий, из которых первая Т со.ответствует траектории электрона, вошедшег в устройство 2 развертки по оси системы, :а остальные (II - у ) соответствуют траек:ториям электронов, вошедших в устройство 2 развертки в точках, атстоящих на 2 см ;от оси и сдвинутых по азимуту на 90 дру -относительно друга. Расчет;проведен для энергии электронов 500 кэв. Величина дополнительной азимутальной скорости при .рассмотренных значениях энер гии электронов и параметров выходного реф натора 6 лежит в пределах 15-30% от в&личины радиальной компоненты скорости. .Эта азимутальная скорость в описанном гироконе сообщается электронному пучку статической отклоняющей системой 4. Направление азимутальной скорости .зависит от направления тока в обмотке конусной катушки отклоняющей системы 4. СоответЪтвующим выбором направления тока и диаметра развертки можно, меняя угол оС , . получить электронный к. п. д. близкий к lOO% (на фиг. 2 этому соответствует ;угол ОС 14°). При 1ОО% к. п. д.азимуталь ная скорость, полученная электроном в ре;|зультате взаимодействия с СЕЧ магнитньил полем бегущей волны, равна по величине я противоположна по направлению азимуталь :ной скорости, приобретенной электроном в отклоняющей системе 4. ; Таким образом, в описанном гироконе момшо получить электронный к. п. д. близ |Кий к 10О% без применения компенсирую|1цего магнита, того, существенно снижены ограничения на размеры коллектора, так как диаметр средней окружноети вход|;кой щели коллектора при заданной частоте 1может быть значительно увеличен, в срав)нении с гироконами других конструкций, вследствие чего предельная мощность прибора повышается. Фокусирующая система, установленная между отклоняющей системой |)н выходным резонатором, позволяет улуч- ; щить токопрохождение в выходном резона-. JTope прибора, что также повышает предель |ную мощность.,: Формула изобретения 1. Гйрокон, содержащий устройство для формирования аксиального несгруппирован-. ного релятивистского пучка заряженных, частиц, устройство круговой развертки пуч. ка под действием усиливаемого сигнала, осесимметричную магнитную отклоняющую систему, выходной, кольцевой резонатор бе. .гущей волны и коллектор, расположенные роосно с поверхностью движения разверну. того пучка, отличающийся тем что, с целью уменьшения тепловой нагрузки на коллектор, упрощения конструкции, ув&личения коэффициента усиленияприбора и повышения его к. п. д,, выходной резонагоЬ и коллектор, служащий для приема пучкв заряженных частиц, движущихся в их плос-. кости симметрии, установлены таким обра-; зом, что их плоскость симметрии перпенди. кулярна оси гишкона. 2.. Гйрокон по п. 1, о тли ча юшин. с я тем, что отклоняющая система выполнена в виде конической катушки с равномерйой намоткой по поверхности. 3. |Гйрокон по пп. 1, 2, о т л и ч а )to щ и и с я тем, что, с целью повышения выходной мощности прибора, между резонатором и отклоняющей системой установлена магнитная фокусирующая система, например, в виде совокупности пар осесимметричных катушек с противоположно направленными магнитными полями, расположенных симметрично относительно плоскости развернутого пучка.

Ф .1 35 .г 0 К, см