Резонатор для мазера на циклотронном резонансе

15при ш 4 шнаправления вращения мбд4ТЕ ир и ТЕ, г г . совпадают; при ш шнаправления вращения различны и си, 4 равО. т ка опреденого поляи 711) )й близдля индексов ш , а радиальныи индексР зависит от периоДа гофра Й и угла 40 винтовой линии канавок Р,Поскольку соотношение между 1 иопределяет омичвские потери в рейзонаторе, то для достижения положительного эффекта необходимо выполне Ние условия 1)2 1/ (показывает расчет), Отсюда следует, что в зависимости от того, насколько 1) превышает21), период гофра лежит в пределах, от 3 до 1, 23 (Я(й(1, 21).0При заданной длине резонаторасвязь между иодами ТЕтгн и ТЕтг г(добротность Я резонатора) зависитот глубины гофра и формы его профиля;Добротность Я является нелинейной функцией параметра р (см, фиг. 1), которыйопределяется выражением (в этом выражении для мод с одинаковым направлени-.ем вращения ш ш0 (ири ш ( ш и Работа такого р переизлучении о од ТЕю,р в однуУсловие резэтими модами за зонатора основана ной иэ его высшихиз низших мод нансной связи меж 5 исывается для векна цилиндрической, сом, равным сред" тора Кц, в виде оров, определяемь оверхности с ради нему радиусу резон К + К - п,гдл волновых векторов ое я мод ТЕ, и Изобретение относится,к электронике СВЧ, а именно к мощным СВЧ приборам - мазерам на циклотронном резонансе (ИЦР), которые используются в установках управляемого термоядерногосинтеза,Цель изобретения - уменьшениеплотности мощности омических потерьв резонаторе за счет того, что в резонаторе, содержащем отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, последняя выполнена в видемногоэаходного гофра.В основе изобретения лежит реализация в резонаторе таких условий,при которых его добротность на рабочей моде низка, а селективность обеспечивается путем увеличения длины резонатора и соответствующего суженияполосы циклотронного резонанса. Возможность снижения добротности резонатора Ч при заданной длине и среднем радиусе К иллюстрируется графиком, представленном на фиг,1, построенным на основе численного расчета(/3 - параметр, зависящий от глубиныгофра о и типа мод в резонаторе). Нафиг. 2 и 3 представлены продольныесечения двух вариантов резонатора.Резонатор выполнен в виде отрезкаволнбвода с винтовым многозаходнымгофром 1 с закритическими сужениями2 и ЗФорма закритических сужений 2и 3 и длина 1 цилиндрического участка4 в общем случае может быть различной.35В резонаторе, изображенном на фиг. 3,вдоль оси резонатора расположен цилиндрический стержень 5. Геометриягофраможет быть синусоидальной,трапецеидальной, в виде меандра ит,п, Глубина, период Й и число й 1заходов гофра 1 выбираются в соответствии с рабочей модой резонатора и,принципом его работы. волновой вектор гофра 1,1 к 1-2 ГВдов ФР - угол винтовой линии гофра, при этом К, направлен перпендикулярно оси резонатора, а К - перпендикулярно канавкам гофра 1.Это векторное резонансное условие в проекции на азимутальное и осевое направления имеет вид следующих двух условий: Я - период гофра вдоль о ны Р-ому корню уравненияфункция Бесселя р-го поряд , р - 1, 2п.Рабочая длина Л волны ИЦРется напряженностью магнитнапряжением электронного пучка в резонаторе, а рабочая мода ТЕ критическая длина волны которо ка к 1, - средним радиусом В., резонатора и радиусом электронного пучка, причем шО. Азимутальный ин-" декс шг моды ТЕ , определяется в соответствии с вышеуказанным условием"г рх (1- - )10 Риин (при /ЪО, 06)(с 0,5 Я или0 244 У 1 (1 т /У )(1 шаК )35 Поскольку параметр / зависит оттипов волн ТЕ, и ТЕ , то дляполучения заданной добротности 0величинаможет быть различной, Например, при возбуждении в гофрированном резонаторе с синусоидальным гофром моды ТЕ и выводе мощности в ви"де ТНи расчетная величина". 3,094 Я /(3-х заходный гофр), при этом Я йЙ 0,5В том случае, когда в резонаторе,показанном на фиг, 2, векторное условие резонансного переиэлучениямоды ТЕ выполняется одновременнодля двух мод ТЕи ТЕ(с одинаковыми азимутальными и разными радиальными индексами), для селективного переизлучения в одну из этих модиспользуется стержень 4, устанавливаемый вдоль оси резонатора (фиг. 3),при наличии которого моды ТЕ, , иИФ , уТЕимеют различные волновые числа К.Профиль сужения 2 подбирают такимобразом, чтобы в резонаторе оказывалось "запертой" мода ТЕс однойпродольной вариацией поля - ТЕ.1, а моды с числом продольных вариаций больше 1 излучались через закритическое сужение 2. Например, для резонатора на моде ТЕЗ радиус сужения2 К при 1 = 0 должен быть близок к2Р - 10 Л,Таким образом, как следует из за,висимости, приведенной на фиг. 1,добротность резонатора Ц в заявляемомрезонаторе ниже величины 0 гладкоминстенного резонатора, благодаря чемупри заданной плотности ВЧ омическихпотерь. обеспечивается возможность повышения выходной мощности МЦР. Высокиеселективные свойства резонатора и вы"сокий КПД достигается увеличением длины резонатора Ь (что позволяет .сузитьполосу циклотронного резонанса и исключить из нее паразитные моды). где 1 Т=2 Ь/Л; 2 пА= - Е(Ч/)е Ац(- числе. нный коэффициент, зависящий отформы гофра; - функция, характеризующаяпрофиль гофра,который в общем случаеимеет вид= агсс- угол наклона винтоЫ вых линий;30л, 2;Ь = -ЙДля синусоидального профиля А = -2дпя меандра А = 2. Таким образом длянаиболее технологических видов гофра 35значение коэффициента А в выражениипараметра /5 ограничивается интервалом- сА. с 2,- с 40 При /3О, 3 добротность резонаторасвязана с параметром /и приведенной длиной И простым соотношением г 1Снизу глубина гофра ) Ограничена ВеличинОЙ при которой добротность 50 гофрированного резонатора близка к О ; о соответствует /Ъ = 0,06.мин ф минМаксимальная величина р определяется эффективностью охлаждения неоднородной по толщине (из-за наличия гофра) стенки резонатора. Оценки показывают, что при продольных размерах неоднородностей, соизмеримых с Я, эффективность охлаждения значительно снижает 5 1362347 бдля мод, вращающихся в противоположных ся при увеличении поперечных размеровнаправлениях, ш ш (О для ш ) ш 1 неоднородностей до0,5 Л, Следова-тельно,; 3,15Во 40 Резонато ди усом,(в реМинимальная длина резонатора, прикоторой достигается положительныйэффект, определяется требованием чистоты выходного излучения, Точный5учет взаимодействующих мод в подобной системе затруднителен, Однако,расчет взаимодействия рабочей моды резонатора ТЕ(,7( и бегущей волны ТЕ,при условии Ь1 го (где- хаРактеризует продольный масштаб гофра;,Ь - постоянная распространения изугочаемой моды ТЕ, г, определенная начастоте и рабочей моды ТЕ, ц, в гладком резонаторе длины 1, РадиУса Клпоказывает, что уже при 11( - Ьгп Ь27 мощность излучения из резонатораснижается на порядок по сравнению слмощностью, излучаемой при Ь = Ьг,лТаким образом при 1( = 1 го и 11 го 20Ьл, 1 12 (здесь 1(,г - постояннаяраспространения волны ТЕ, .,определенная на частоте и(; азимутальныйиндекс ш, волны ТЕ, равен азимутальному индексу шг волны ТЕ Р, 25радиальный индекс отличается на единицу) практически можно ограничитьсярасчетом взаимодействия мод ТЕ,( иТЕ,. Таким образом минимальнаядлина резонатора 30 при выводе энергии из осредством волны ТЕ миина резонатора 1 ЙУ(При работе на моде ТЕи - ,)5,3.р работает следующим образом.(В соответствии со среднимрезонатора К, и радиусом пучк зонаторе возбуждается мода ТЕ , начастоте, близкой к критической (онаобразуется лучами, направленными почтиперпендикулярно оси резонатора). Гофрированная по винтовым линиям поверхность резонатора переизлучает эту моду в моду ТЕ , в направлении выходного конца резонатора. Благодаря за критическим сужениям 1 и 2 мода ТЕоказывается запертой в резонаторе,тогда как мода ТЕ, , частота котороймного больше критической, свободноизлучается через открытый торец резбнатора. Формула из обре тения Резонатор для мазера на циклотронном резонансе, содержащий отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью уменьшения плотности мощности омических потерь в резонаторе, поверхность волновода выполнена в виде многозаходного винтового гофра, при этом период гофра лежит в пределах от Я до ,2 Я, а глубинагофра определяется выражением- рабочая длина волны, М;1./Л, 1 - длина резонатора, М; ш, тг - азимутальные индексы рабочей ТЕ и излучаемойТЕ, рг мод соответственнол(шг = тп( - тп, где шчисло заходов в гофре) 1 1 г,11 а - Р-ые корни уравненияХщ = 0 (1(и( - Функция Бесселя) р=1 21362347 Яви У,О 0,5 0204 ОФиг.У Заказ 6864 Тираж 694 Подписное НТ СССР НИИПИ сударственного комитета по изобретениям и открытиям 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент"г. Ужг ул. Гагарина Составительактор В. Ахрем Техред Л.Олий Шитовацык . Корректор И. Иуск