Гирокон

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(45) Дата опубликования описания 22.12.76 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(51) М, Кл.е Н 01 У 25/02 Государствеииый комитет Совета Мииистров СССР по делам изобретений и стиру;тий(72) Авторы изобретения Институт ядерной физики Сибирского отделения АН СССР(54) ГИРОКОН Изобретение касается мощных электровакуумных приборов СВЧ, в частности конструкций гирокона - усилителя СВЧ с несгрупированным релятивистским пучком заряженных частиц, 5В известном гироконе релятивистскийэлектронный пучок, непрерывно смещаясь поазимуту, под действием усиливаемого сигнала, питающего устройство круговой развертки луча, возбуждает выходной кольцевой ре Озонатор бегущей волны. Отношение мощности в нагрузке выходного резонатора к мощности, потребляемой устройство круговойразвертки, определяет коэффициент усилениягирокона. Однако в известных конструкцияхгироконов относительно мала величина коэффициента усиления гирокона по сравнению,например, с клистроном.Этэ отнэсится к прибэрам бэльшэй мэщнэсти, когда длина луча сильно ограничена 20из-за его расходимостиподдействиемобъемнэгэ заряда и возникает необходимость вэтклэнении луча на углы 25-30 о,С целью увеличения электронного к. и, д.в гироконе может применяться компенсация высокочастотного магнитного поля бегущейволны в выходном резонаторе постоянныммагнитным полем, которое создается специальным магнитом. Размеры этого магнитаблизки к размерам выходного резонатора.Таким образом, этот путь повышения электронного к. п, д, гирокона ведет к усложнению конструкции прибора и повышению еговеса особенно в длинноволновой части СВЧдиапазона. При повышении мощности прибора на заданной рабочей частоте значительнорастет тепловая нагрузка на коллектор идругие элементы гирокона. Нагрузку трудноуменьшить, так как возможность увеличенияплошади коллектора ограничена, посколькусредний диаметр коллектора определяетсярабочей частотой (длиной средней окружности щели резонатора, через которую выходитпучок 1. а размер коллектора в направлениидвижения электрона ограничен из-за гого,что пучок после торможения в выходном резонаторе имеет малую скорость, значительный объемный заряд, быстро расходится иоседает на стенки, не проникая на всю глубину коллектора, Это одна из причин, приводящих к ограничению предельной мощностиприбора. Другая причина, ограничивающаямощность гирокона в непрерывном или вкваэинепрерывном режимах, - это токооседание на стенки щелей выходного резонатора,В гироконах известных конструкций не суЪществует никаких элементов, фокусируюшихразвернутый эпектронный пуч и снижающихтокооседание на стенки щелей.Бель изобретения - уменьшение тепловой нагрузки на коллектор, упрощение конструкции, увеличение коэффициента усипенияприбора и повышение его к. п. д,Это достигается созданием электронного СВЧ прибора - гирокона, содержащегоустройство для формирования аксиального1несгруппированного релятивистского пучказаряженных частиц, устройство круговойразвертки пучка под действием усипиваемо,го сигнала, осесимметричную магнитную,откпоняющую систему, выходной кольцевойрезонатор бегущей вопны и коллектор,6 поскость симметрии коллектора и выходно 1 го резонатора перпенцикупярны оси гирокона, а осесимметричная магнитостатическаяоткпоняющая система направляет пучок заЯряженных частиц псплоскрсти симметриивыходного резонатора и коллектора, под углом к радиусу резонатора, и выпопнена,например, в виде конической катушки с равномерной намоткой: по поверхности.36Дпя повышении выходной мощности гиро 1 кона между выходным резонатором и отклоняющей системой может быть установпенамагнитная фокусирующая система, например,в виде совокупности пар осесимметричныхкатушек с противоположно направпеннымимагйитными попями, расположенных симметрично относительно ппоскости разверну-того пучка.На фиг. 1 приведено схематическое иэоб, фражение конструкции гирокона; на фиг, 2 рассчитанные на ЭВМ траектории эпектронов в магнитных попях статической откпоняющей и фокусирующей системы. Гироконсостоит из источника 1 релятивистских элек 4 бтронов,.устройства 2 круговой развертки,возбуждаемого усипиваемым, сигнапом, поступающим ог источника 3, магнитостатической откпоняющей системы 4, установлен 1.ной соосно с устройством 2 круговой развертки и направпяющей развернутый электронный пуч 5 перпендикулярно продольнойосигирокона,выходногокопьцевогорезонатора6 бегущей волны с выводами СВЧ мошнссти (начертеже не показаны), установпенного со- Юосно с поверхностью, образуемой развернутым электронным лучом 5, отклоненным магнитостатической системой 4, коплектора 7электронов, фокусирующей системы 8, установпенной между отклоняющей системой 4 ЙО й выходным резонатором 6 соосно с нимитак, что горизонтальные плоскости симмегрии фокусирующей системы и выходного резонатора совпадают.Прибор работает следующим образом,Сформированный источником 1 релятивистских электронов, электронный пуч 5, проходя1 через устройство 2 круговой развертки имагнитостатическуюоткпоняющую сис тему.4, откпоняется по отношению к первоначапьной траетории на угол 90 ,оРазвернутый действием усипиваемого сигнала, непрерывно смещаясь по азимуту,спектронный пуч 5 описывает коническуюповерхность, которая постепенно переходитв плоскость, перпендикулярную продольнойоси гирокона. Поступая в выходной резонатор 6, пуч возбуждает в нем бегущую волну, тормозится в ее электрическом поле иотдает ей свою энергию. Полученная СВЧэнергия через элемент связи выводится иэвыходного резонатора 6 в нагрузку. Остаточная энергия эпектронного пучка рассеивается на коллекторе 7, Преобразованиеразвернутого пуча 5 иэ конического в дисковый позволяет повысить коэффициент усипения прибора, поскольку в этом случаезначительно уменьшается угоп откпоненияпуча в устройстве 2 круговой развертки, аосновное откпонение пуча осуществляетсямагнитостатической системой 4, не потреб.ляющей высокочастотной мощности, В приборе могут быть использованы различныеконструкции магнитостатических откпоняющих и фокусирующих систем. В приведенноцварианте конкретной конструкции гироконапредложена,откпоняющая система 4, выполненная в виде конической катушки с равно-,мерной намоткой, Фокусирующая система 8состоит из четырех цилиндрических катушек.установленных попарно соосно с устройством 2 круговой развертки и симметричноотносительно средней ппоскости выходногорезонатора 6. Бипиндрические катушкифокусирующей системы 8 создают энакопеременное магнитное поле в горизонтапьнойплоскости симметрии,Эпектроны, влетая в выходной резонатор 6, кроме радиальных и осевых компрнент скорости имеют также и азимутапьнуюскорость, которая для электрона, находящегося на оси пучка, определяется углом(см, фиг. 2). Двигаясь по траекториям,близким к радиальным при прохождении выходного резонатора 6, электроны возбуждают в нем бегущую волну, анапогичнуюо структуре поля волне типа Н е прямогольном волноводе, замкнутом в кольцо, нотдают ей свою энергию. При взаимодейстВии с высокочастотным магнитным подемэгей бегущей волны эпектроны отклоняютсяр азимутальном направлении навстречу дви- ,кению волны, вследствие чего к.п.д. взаимо ,действия электронного пучка с СВЧ-полем бегушей, волны снижается, Как показывают расчетные оценки, электронный к, п, д, мож ,3 о повысить путем сообщения электронам на,входе ,; в 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 фокусируюшей 8 систем, построенных в цилиндрической ( И, Ч, 7, ) системе координат, ось Х 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 комм поненту скорости. На фиг. 2 приведеныпять траекторий, из которых первая Т соответствует траектории электрона, вошедшего :в устройство 2 развертки по оси системы, :,а остальные ( И - Ч ) соответствуют траекториям электронов, вошедших в устройство 2 развертки в точках, отстоящих на 2 смо от оси и сдвинутых по азимуту на 90 дру относительно друга. Расчет проведен для энергии электронов 500 кэв.Величина дополнительной азимутвльной скорости при,рассмотренных значениях энер-. гии электронов и параметров выходного ре 4 ь натора 6 лежит в пределах 15-30% от величины радиальной компоненты скорости. Этв азимутальная скорость в описанном гироконе сообшается электронному пучку статической отклоняющей системой 4. Направление взимутальной скорости зависит от направления тока в обмотке конусной катушки отклоняющей системы 4, Соответ- ствующим выбором направления тока и ди аметра развертки можно, меняя угол аС получить электронный к. п. д. близкий к ,100% (на фиг. 2 этому соответствует ,угол ф. =14 ). При 100% к. и. д.аэимутальная скорость, полученная электроном в результате взаимодействия с СВЧ магнитным полем бегущей волны, равна по величине и противоположна по направлению азимуталь+ ной скорости, приобретенной электроном в отклоняюшей системе 4.Таким образом, в описанном гироконе можно получить электронный к, и, д. блиэ.,кнй к 100% без применения компенсирунцего магнита, кроме гого, сушественноснижены ограничения на размеры коллектора.так квк диаметр средней окружности входной шели коллектора при заданной частоте;может быть значительно увеличен, в сравнении с гироконами других конструкций,вследствие чего предельная мощность прибора повышается. Фокусируюшая система, Е установленная между отклоняюшей системой,ц выходным резонатором, позволяет улуч-,шить токопрохождение в выходном резона-,торе прибора, что также повышает предель.1 ную мощность.формула изобретения1, Йрокон, содержаший устройство дляформирования вксиального несгруппирован фО ного релятивистского пучка заряженных.частиц, устройство круговой развертки лучка под действием усиливвемого сигнала, осесимметричную магнитную отклоняющую систему, выходной кольцевой резонатор бе+ И гущей волны и коллектор, расположенныесоосно с поверхностью движения развернутого пучкао т л и ч а ю ш и й с я тем что, с целью уменьшения тепловой нагрузки на коллектор, упрощения конструкции, уве- ЗО личения коэффициента усиления прибора иповышения его к. п. д., выходной резонато и коллектор, служащий для приема пучка заряженных частиц, движушихса в их плос кости симметрии, установлены таким обра- ЗЬ зом, что их плоскость симметрии перпендькулярна оси гирокона.2 Гирокон ио и, 1, о т л и ч в ю ш и ас я тем, что отклоняющая система выпол"4 иена в виде конической катушки с равномерной намоткой по поверхности.3, Жрокон по пп. 1, 2, о т л и ч во щ и й с я тем, что, с целью повышения выходной мощности прибора, между выходным резонатором и отклоняюшей системой установлена магнитная фокусируюшая система, например, в виде совокупности пар осесимметричных катушек с противоположно направленными магнитными полями, расположенных симметрично относительно плоскости развернутого пучка.496870 Составитель Л, фроловаедактор Г. Сухова Техред Г. Родак Коррект иценк 13035,осква,лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 5447/212 Тираж 963 ЦНИИПИ Государственного ком по делам иПодписноетета Совета Министров Собретений и открытий5, Раушская наб д, 4/5