Мазер на циклотронном резонансе

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 786677 9) 51)4 НО 0 Р д1ЯЯ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯА ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ одним, пояско2. щий о а о п.1, о т л и м, что в катод ельным эмиттирую радиусы эмитти ны соотношение щим и дополнит ющи ком, средпоясков+ 0,17.)Я,еВ, иВ ние радиусы эмиттщих поясков;(54)(57) Р - цел Е = 0,1 числ им РЕЗОНАНСЕ, с метричную эл катод с эмит же резонатор ройство для отлич а с целью повь катод пушки 9очая на волны;еличины тактполя,отношени магнитно и у ого репол елич зонато гнитного поля на ка ст оде. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(21 ) 2801425/18-25(56) Авторское свидетельство СССР1 223931, кл, Н 01 7 25/00, 1987.Авторское свидетельство СССРВ 362050. кл. Н 01 Ю 25/00, 1967. МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОН одержащий аксиальн ектронную пушку,им тирующим пояском,выходной узел создания магнитн ю щ и й с я тем, )шения выходной мощ снабжен, по меньше Изобретение относится к мощным СВЧ-приборам - мазерам на циклотроином резонансе (МЦР), используемым в качестве усилителей и генераторов в сантиметровом, миллиметровом и суб миллиметровом диапазонах длин волн,Известные конструкции мазеров содержат аксиально-симметричную пушку, катод которой снабжен эмиттирующим пояском, электродинамическую систе.му 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. дополнительным эмиттирующим Настоящее изобретение направлено на повышение выходной мощности мазеров. Выходная мощность зависит от параметров электронного, пучка (сила тока, разброс скоростей электронов, отношения среднего радиуса пучка к радиусу резонатора и т.п,) и селективных свойств системы пучок - резонатор, определяющих предельные выходные мощности для одномодового резима. Селекция типов колебаний осуществляется либо путем подавления паразитных мод резонатора (электродинамическая селекция) и/или за счет обеспечения избирательного взаимодействия электронного пучка с полями, 78667 рабочей и мешающих мод (электронная селекция). Известные методы электро- динамической селекции предусматривают использование в МЦР резонаторов определенной конструкции, Общим недостатком МЦР, 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 мощности, 15Электронная селекция легко поддается коррекции в готовых приборах и является важным дополнением к электродинамической селекции, В известных мазерах электронная селекция сводит ся к подбору тоха и радиуса электронного пучка, при которых создаются наиболее благоприятные условия для взаимодействия пучка с рабочей модой при минимальной вероятности возбужде ния паразитных мод, Селекционные свойства электронного пучка, выражающиеся в преимущественном возбуждении рабочей моды, эффективны при токах, не превышающих некоторой предельной 30 величины, которая и определяет максимально возможный уровень выходной мощности мазера. С другой стороны, возможность повышения 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. 40 В принципе повышение тока может быть достигнуто за счет увеличения среднего радиуса пучка, что требует перехода к анодам с более высокими поперечными индексами и использования пространственно развитых электродинамических систем. Однако при этом сгущается спектр резонатора и возникает конкуренция со стороны паразитных мод 50Изв естен ма з ер, 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, Од 7. 4ним из этих факторов является конкуренция со стороны паразитных мод которая препятствует расширению поперечного сечения резонаторов, что необходимо для увеличения тока элект" ронного 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 повышение выходной мощности мазера,Поставленная цель достигается тем, что в мазере, содержащем аксиально симметричную электронную пуш" ку, катод которой имеет эмиттирующий поясок, резонатор и выходной узел и устройство для создания магнитного поля, катод пушки снабжен по меньшей мере одним дополнительным эмиттирующим пояском.В том случае, когда катод пушки снабжен одним дополнительным эмиттирующим пояском средние радиусы эмиттирующих поясков связаны соотношением:+ 0,17 Я,где Н и В - средние радиусы эмиттирующих поясков;Я - рабочая длина волны;Ы - отношение величинымагнитного поля в резонаторе к величинемагнитного поля накатоде;Р - целое число;Б - О или 1.На чертеже изображен один из возможных вариантов мазера (пунктирными линиями обозначены траектории электронов), в нижней части чертежа показано распределение магнитного 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.). Для обеспечения возможности раздельного управления Фоками пучков, формируемых пояс- .5 7866776 ками 4 и 5, каждый из них имеет от-ветствующий нулю Т . Расстояние дельный подогреватель (на чертеже не между соседними максимумами н нулем указаны). Средние радиусы В, и И Функции Бесселя в среднем равно а/2. поясков 4 и 5 соответственно связа- , Последующие нули состоят от первого5ны соотношением: на расстояние, кратное а. Поэтому гщ расстояние между произвольным максиВ, - В= - (2 Р + Е )(0,671мумом и нулем эффективной силы в резонаторе 6 равно:й 0,17)ЯЙ,1 О а 1Р = Рд. + р = (2 Р + 1)(0,67 й+ 0,17)Я,что соответствует следующей связи 15б между радиусами эмиттирующнх поясков 4 и 5 на катоде 3:+ 0,17)ЪГ,20 д. = (ОФ 67 Оф 17),"е а расстояние между двумяпроизвольными максимумами: Э = Рд. = Р(0,671 0,17)1,что соответствует следующей связи между радиусами эмиттирующих поясков 4 и 5 на катоде 3:+0,17)ЧЙВ случае, когда при максимальном взаимодействии одного из пучков с полем рабочей моды, должно быть исключено взаимодействие второго пучка, последний выводится на радиус, соот 55 средние радиусы пучков в резонатореотличаются на величины, приближеннократные нечетному числу 1 /4. В регде 3 - рабочая длина волны, Р1,2,3 о, 6 = 0,1;Ю - отношение величины магнитного поля в резонаторе квеличине магнитного поляна катоде 3Это соотношение следует из зависимости выходной мощности и стартового тока рабочей модымазера от радиуса г центров вращения электронов в резонаторе 6, определяемой Факто 2 нгром т. (= в ) где Х . - функф -й ция Бесселя порядка ш - и, ш - азимутальный индекс рабочей моды, и - номер гармоники циклотронной частоты, на которой осуществляется взаимодействие. Этот Фактор характеризует эффективную силу, действующую в резонаторе 6 на вращающиеся электроны. Максимальное взаимодействие обоих пучков, эмиттируемых поясками 4 и 5, с полем рабочей моды обеспечивается при выводе их в резонаторе 6 на радиусы, соответствующие максимумам 1 ю . Последние при больших г расположены на расстояниях, приближенно кратных 1/2. При меньших г это расстояние увеличивается и его наибольшая величина достигает 0,84. Таким образом расстояние между соседними максимумами Т. , равно: Пушка 1 и резонатор 6 круговогосечения расположены соосно. Выходной узел содержит волновод 7, в тор це которого установлено окно 8 вывода энергии, В приведенном на чертеже варианте мазера Функцию коллектора 5 обоих пучков выполняет часть волновода 7. В общем случае конфнгу- ЗО рация коллектора определяется средними радиусами и токами пучков.Мазер установлен в магнитном поле соленоида 9, причем пушка 1 помещена в нарастающем поле, а резонаЗ 5 тор - в однородное.Мазер работает следующим образом, .В пушке 1 Формируются два электронных пучка с осциллирующими траекториями электронов. Величины токов 4 О пучков определяются размерами эмиттирующих поясков 4 и 5 н температурой соответствующих подогревателей.В зависимости от рабочих параметров каждого из пучков в резонаторе обес печивается существенное превышение.стартового тока паразитных мод над стартовыми токами рабочей моды, что и приводит к эффективной селекции колебаний. При этом возможно два ваВ том случае, когда радиусы поясков 4 и 5 связаны соотношением786677 Корректор СЛ 1 екмар Подписное Тираж 694 ственного комитета по 113035, Москва, ЖЗак обретениям и открытиям при ГКНТ ССРаушская наб., д. 4/5 Госу ВНИИ изводе твенпо-издател ский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10 зультате обеспечение эффективноговзаимодействия одного пучка с полемрабочей моды автоматически исключает взаимодействие с полем рабочеймоды другого пучка. Последний взаимодействует с полями паразитных моди при соответствующих параметрахэтого пучка взаимодействие имеет характер поглощения, Таким образом в 10мазере обеспечивается электроннаяселекция мод резонатора не толькоза счет эффективного возбуждения рабочей моды, но и путем подавления,дополнительным пучком паразитных мод. 15Повышение мощности в мазере с дополнительным электронным пучком, которыйвыполняет Функцию поглотителя паразитных мод достигается в этом случае за счет увеличения тока основно Ого пучка в результате использованияпространственно развитых электродинамических систем. В том случае, когда радиусы пояс ков 4 и 5 связаны соотношением(Н - Н ) = Р(О,67 ф О,17)Я,среднИе радиусы пучков в резонатореотличаются на величины, приближенно 3 Ократные 1 /2, В результате оба пучСоставительедактор Л. Письман. Техред М.Морген ка эффективно взаимодействуют с полем рабочей моды, В этой конструкции мазера для обеспечения селекции рабочая мода выбирается из условия минимального взаимодействия по меньшей мере одного из пучков с полями паразитных модОтсутствие перемешивания между пучками в пушке 1, в области нарастающего магнитного поля и в резонаторе 6 способствует снижению по сравнению с известными мазерами скоростного разброса, связанного с действием сил пространственного заряда.Электронные пучки после прохождения резонатора 6 попадают в спадающее магнитное поле и, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, оседают на коллекторе. Наличие разнесенных областей токооседания в ряде случаев упрощает проблему теплоотвода, что также способствует повышению выходной мощности.Таким образом, в мазере, катод пушки которого снабжен одним или несколькими дополнительными эмиттирующими поясками, реализуется возможность увеличения тока пучка и эффективности электронной селекции,что позволяет повысить выходную мощность,