Мазер на циклотронном резонансе Советский патент 1989 года по МПК H01J25/00 

. ,78 рабочей и мешающих мод (электронная селекция) Известные методы электродинамической селекции предусматривают использование в МЩ резонаторов определенной конструкции„ Общим недостатком МНР, в которых используется только электродинамическая селекция, является то, что практически невозможно осуществить ее коррекцию в готовых приборах при изменении рабочих параметров или при их отклонении от расчетных. Это приводит в конечном счете к снижению максимально достижимой выходной мощностио Электронная селекция легко поддается коррекции в готовых приборах и является важным дополнением к электродинамической селекции. В известных мазерах электронная селекция сводится к подбору тока и радиуса электронного пучка, при которых создаются наиболее благоприятные условия для взаимодействия пучка с рабочей модой при минимальной вероятности возбужде ния паразитных модо Селекционные свойства электронного пучка, выражающиеся в преимущественном возбуждении рабочей моды, эффективны при токах, не превьшающих некоторой предельной величины, которая и определяет макси мально возможный уровень выходной мощности мазера, С другой стороны, возможность повьппения тока пучка для наращивания выходной мощности ограничена из-за возрастания скоростного разброса, обусловленного действием сил пространственного разряда пуч ка, что приводит к снижению КПД и возникновению неустойчивости в пучке В принципе повьш1ение тока может быть достигнуто за счет увеличения среднего радиуса пучка, что требует пере хода к анодам с более высокими поперечными индексами и использования пространственно развитых электродинамических системо Однако при этом сгущается спектр резонатора и возникает конкуренция со. стороны паразитных модр Известен мазер, содержащий установленные соосно аксиально симметричную электронную пушку, катод которой снабжен эмиттирующим поиском,открытый резонатор, и выходной узел и устройство для создания магнитного поля Недостатком мазера является ограничение выходной мощности, обусловленное действием двух факторов,, ОдНим из этих факторов является конкуренция со стороны паразитных мод которая препятствует расширению поперечного сечения резонаторов, что необходимо для увеличения тока электронного пучка и выходной мощности Другим фактором является возрастание скоростного разброса при увеличении тока пучка, что приводит к снижению КПД и выходной мощности МЦР. Целью изобретения является повьгшение выходной мощности мазера Поставленная цель достигается тем, что в мазере, содержащем аксиально симметричную электронную пушку, катод которой имеет эмиттирующий поясок, резонатор и выходной узел и устройство для создания магнитного поля, катод пушки снабжен по меньшей мере одним дополнительным эмиттирующим пояскомо В том случае, когда катод пушки снабжен одним дополнительным эмиттирующим пояском средние радиусы эмиттирующих поясков связаны соотношением:/R, - - (2Р+5)(0,67± ±П,17), где R, и Rj средние радиусы эмиттирующих поясков; рабочая длина волны; отношение величины магнитного поля в резонаторе к величине магнитного поля на катоде; Р - целое число; - О или 1, На чертеже изображен один из возможных вариантов мазера (пунктирными линиями обозначены траектории электронов), в нижней части чертежа показано распределение магни ного поля вдоль оси мазера Мазер содержит аксиально-симметричную пушку 1 с анодом 2 и катодом 3, который имеет два эмиттирующих пояска 4 и 5, Геометрия анода 2 и катода 3, а также конструкция пушки 1 в целом определяется типом рабочей моды, распределением магнитного поля и требуемыми параметрами пучков (их токами, продольными и поперечными. скоростями и т,п.)о Для обеспечения возможности раздельного управления toкaни пучков, формируемых пояс-ками 4 и 5, каждый из них имеет отдельньй подогреватель (на чертеже н указаны)« Средние радиусы R и Rg поясков 4 и 5 соответственно связа;ны соотношением: /R, - Rg/ -i- (2Р +5)(0,67± ±Г,7П, рабочая длина волны, Р где Я 1,2,3,.00, (5: 0,1; fit - отношение величины магнит ного поля в резонаторе к величине магнитного поля на катоде 3., Это соотношение следует из зави ;симости выхрдной мощности и стартового тока рабочей моды мазера от ра диуса г центров вращения электронов в резонаторе 6, определяемой фактор°« Vn(--|--b где з:.« - функция Бесселя порядка m - п, m - азимутальный индекс рабочей моды, п номер гармоники циклотронной частоты, на которой осуществляется взаим действие. Этот фактор характеризует эффективную силу, действующую в рез 6 на вращающиеся электроны. наторе Максимальное взаимодействие обоих пучков, эмиттируемых поясками 4 и 5 с полем рабочей моды обеспечивается при выводе их в резонаторе 6 на радиусы, соответствующие максимумам 1р,.„. Последние при больших г распо ложены на расстояниях, приближенно кратных 1/2. При меньших г это расстояние увеличивается и его наиболь шая величина достигает 0,84, Таким образом расстояние между соседними максимумами „,„ равно: Д (0,67 - 0,17.)Я, а расстояние между двумя произвольнь 1и максимумами: D Pd Р(0,67± 0,7)Я, что соответствует следующей связи между радиусами эмиттирующих поясков 4 и 5 на катоде 3: /R;, - Rj/ Р(0,67± 0,17).. -В случае, когда при максимальном взаимодействии одного из пучков с полем рабочей моды, должно быть иск лючено взаимодействие второго пзгчка последний вьгеодится на радиус, соот 76 ветствующий нулю 1.,0 Расстояние между соседними максимумами и нулем функции Бесселя в среднем равно d/2o Последукядие нули состоят от первого на расстояние, кратное d. Поэтому расстояние между произвольным максимумом и нулем эффективной силы в резонаторе 6 равно: Dj Pd + -|- (2Р + 1)(0,67± iO,17), что соответствует следующей связи межд радиусами эмиттирующих пОяс- ков 4 и 5 на катоде 3: /R - Ej -i- (2Р + l)(0,67f . ±0,7П Пушка 1 и резонатор 6 кругового сечения расположены соосно Выходной узел содержит волновод 7, в торЦб которого установлено окно 8 вьшода энергии В приведенном на чертеже варианте мазера функцию коллектора 5 обоих пучков выполняет часть волновода 7. В общем случае конфигз коллектора определяется средними радиусами и токами пучков , Мазер установлен в магнитном поле соленоида 9, причем пушка 1 помещена в нарастающем поле, а резонатор - в однородное. Мазер работает следующим образом, .В пушке 1 формируются два электронных пучка с осциллирующими траекториями электронов. Величины токов определяются размерами эмиттирующих поясков 4 и 5 и температурой соответствуюпщх подогревателей. В зависимости от рабочих параметров каждого из пучков в резонаторе обеспечивается существенное превышение .стартового тока паразитных .мод над стартовыми токами рабочей моды, что и приводит к эффективной селекции колебаний. При этом возможно два варианта. В том случае, когда радиусы поясков 4 и 5 связаны соотношением (R,, - R) -5(2Р + l)(0,67i ±0,7)7-V, средние радиусы пучков в резонаторе отличаются на величины, приближенно кратные нечетному числу , В ре

lo МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ, содержащий аксиальносимметричную электронную пушку,имеющую катод с эмиттирующим пояском, а также резонатор, выходной узел и устройство для создания магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повьгаения выходной мощности, катод пупки снабжен, по меньшей мере Изобретение относится к мощным СВЧ-приборам - мазерам на циклотронном резонансе (МЦР), используемым в качестве усилителей и генераторов в сантиметровом, миллиметровом и субмштлиметровом диапазонах длин волн, Известные конструкции мазеров содержат aкcиaльнo-cи Iмeтpичнyю пушку, катод которой снабжен эмиттирующим пояском, электродинамическую систему и узел вывода энергии Электродинамическая система мазеров содержит .один или несколько соединенных трубками дрейфа открытых резонаторов, в которых могут быть предусмотрены средства для селекции мод. одним, дополнительным эмиттирующим пояскомо 2. Мазер попо1,отличающ и и с я тем, что в катоде с одним дополнительным эмиттирующим пояском, средние радиусы эмиттирующих поясков связаны соотношением: /R,. - Rj/ -|-