Квазиоптический вибрационный гиротрон

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 25/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4830711/21 (22) 27.07.90 (46) 23.08.93. Бюл, N. 31 (31) 2822/89 (32} 28.07.89 .(33) CH (71) Асеа Браун Бовери АГ (СН) (72) Бернд Едике и Ханс-Гюнтер Матевс (ОЕ) (56) Патент Швейцарии N 664045, кл, Н 01 J 25/10, 1987. (54) КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОТРОН (57) Использование; для получения электронного луча. Сущность изобретения: в квазиоптическом вибрационном гиротроне, содержащем источник электронов 1, катушИзобретение относится к кваэиоптическому вибрационному гироскопу, который содержит первое средство для выработки электронного луча, движущегося, в направлении оси электронного луча, второе средство для выработки статического магнитного поля, ориентированного параллельно оси электронного луча, посредством которого электроны электронного луча приводятся во вращение, квазиоптический резонатор, который содержит два зеркала, которые расположены друг против друга на одной, ориентированной перпендикулярно оси электронного луча оси резонатора, причем в резонаторе за счет вращения электронов возбуждается электромагнитное переменное поле, и третье средство.для устранения связи между электромагнитным излучением и резонатором.

„„ Ж„„1836748 АЗ ки Гельмгольца За, Зв и размещенный между ними кваэиоптический резонатор, выполненный в виде двух зерен 4а, 4в, размещенных встречно на оси резонатора, перпендикулярной оси электронного луча, на отражающей поверхности одного из зеркал размещена голограмма, выполненная в виде модулированной по глубине и в боковом направлении электропроводной структуры величиной, равной длине волны электромагнитного излучения, а ось рассеяния голограммы совмещена с осью вывода энергии, выполненного. в виде высокочастотного окна, размещенного вблизи другого зеркала, что обеспечивает повышение выходной мощности и ее стабильности, 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Задачей изобретения является создание вибрационного гироскопа названного выше типа, в котором из квазиоптического резонатора обеспечивается высокоэффективная развязка желаемого электромагнитного излучения. Задачей изобретения является, в частности, такое исполнение вибрационного гироскопа названного выше типа, при котором развязка желаемого излучения обеспечивается в форме гауссовых мод.

В соответствии с изобретением эта задача решается за счет того, что третьи средства содержат по меньшей мере одну голограмму, которая представляет собой по меньшей мере голограмму на одной поверхности одного иэ обоих зеркал резонатора и имеет такую структуру, что подлежащее развязке излучение рассеивается в направ1836748 лении по меньшей мере точно одной оси развязки, причем по меньшей мере точна одна ось развязки образует с осью резонатора заданный угол а, отличный от нуля.

Существо изобретения заключается в том, что голограмма не содержит по сравнению с оЬычным штриховым растром несколько направлений дифракции, в которых осуществляется рассеивание поступившей волны, то есть гауссова мода резонатора, а имеет лишь заранее определенное количество точно определенных направлений рас. сеивания. B результате этого подлежащее развязке излучение постоянно. отклоняется только в желаемом направлении. Кроме того, с помощью голограммы могут вырабатываться желаемые гауссавы волны, которые затем беэ существенных потерь могут передаваться к потребителю.

В случае квазиаптического вибрационного гироскопа, при работе которого статическое магнитное поле вырабатывается с помощью двух катушек по схеме Гельмгольца. бсь резонатора и ась развязки расположены предпочтительно в одной общей плоскости перпендикулярна оси электронного луча. Угол между осью резонатора и осью развязки является в предпочтительном случае настолько большим, что претерпевшее развязку излучение может в основном без помех достигать пространство сбоку от противолежащего зеркала.

В определенных обстоятельствах оказывается предпочтительным предусматрение нескольких осей развязки. В случае этой формы выполнения нагрузка излучением распределяется па нескольким высокочастотным окнам. Общая мощность вибрационного гироскопа может быть тем самым увеличена в несколько раз при ограниченной предельно допускаемой нагрузке на высокочастотное окно.

Описанное многократное увеличение мощности может достигаться различными путями. Одна поверхность зеркала может быть оснащена голаграммай, которая обслуживает, например, точно две аси развязки, или же каждое иэ обоих зеркал содержит голограмму, которая обслуживает, например, точно одну ось развязки, Голограмма не может быть целом подробно описана конкретными физическими признаками, Она определена своим специфическим свойством, которое заключается в рассеивании заданной падающей волны под одним или несколькими определенными углами.

По существу голограмма представляет собой латерально и по глубине модулированную. электропроводную поверхность

В результате вращения электронов в резонаторе возбуждается высокочастотное электромагнитное переменное поле, в результате чего осуществляется развязка желаемого электромагнитным излучением иэ резонатора с использованием пригодных для этой цели средств и эта излучение мажет быть передано потребителю через высокочастотное окно и волнавод, Высокочастотное окно закрывает вакуумираванный сосуд 9, в котором расположены описанные части, относительно внешнего пространства (например, валновада). зеркала со структурными размерами. составляющими порядка длины волны электромагнитного излучения.

Большое количество следующих форм

5 исполнения вытекает из пунктов формулы изобретения.

Изобретение поясняется ниже более подробно на основании примеров выполнения в совокупности с чертежом, На фиг. 1 схематически показан кваэи электронный вибрационный гироскоп в продольном сечении; на фиг. 2 — та же, в поперечном сечении; на фиг. 3 — упрощенное поперечное сечение зеркальной повер"5 хнасти с голограммой; на фиг. 4 — вид спереди на зеркало с галаграммой, Использующиеся на чертеже ссылочные обозначения и их значения в полном объеме приведены в перечне ссылочных

20 обозначений. В основном идентичные части оснащены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Фиг, 1 показывает одну предпочтительную форму выполнения изобретения. Соответствующий квазиоптический вибрационный гироскоп охватывает первые средства 6 для выработки. например, имеющего кольцевую форму электронного луча 1, который проходит вдоль оси 2 электронного

30 луча. Названные первыесредства бсастаят, например, иэ хорошо известной магнетраннай инжекцианнай пушки. Включенные по схеме Гельмгольца две катушки За и 3b (то есть расстояние между ними соответствует в основном их радиусу) вырабатывают статическое магнитное поле, ориентированное параллельно аси 2 электронного луча, в результате чего электроны электронного луча

1 приводятся во вращательное движение.

40 Квазиоптический резонатор, образованный двумя противолежащими и расположенными на одной оси 5 резонатора зеркалами 4а, 4b, расположен между обеими катушками За, ЗЬ таким образам, чта его

45 ась 5 ориентирована перпендикулярно оси

2 электронного луча.

1836748

Обе катушки За, 3b, оказывающие друг на друга большие по величине силы, опираются друг о друга с помощью опорной конструкции 7, Эта конструкция содержит пригодные для резонатора отверстия или свободные пространства, Опорная конструкция 7 может представлять собой, например, оснащенную отверстиями траверсу или опорный каркас из соответствующим образом расположенных. титановых прутьев.

Описанные до настоящего момента части вибрационного гироскопа являются по себе известными (например, из процитированного выше уровня техники). По этой причине можно отказаться от их подробного пояснения.

В отличие от этого новыми являются вИд и принцип развязки, Они будут рассмотрены более подробно ниже, Фиг. 2 показывает соответствующий изобретению резонатор в поперечном сечении. При этом иэображении ось 2 электронного луча расположена перпендикулярно плоскости чертежа. Позади или в опорной конструкции 7 видна катушка ЗЬ. В остальном уже описанные на основании фиг. 1 части оснащены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Зеркала 4а, 4b имеют заполняющее резонатор поперечное сечение и имеют, например, форму окружности. Они имеют каждое металлическую или сверхпроводящую и предпочтительно сферическую искривленную зеркальную поверхность 8а, 8Ь.

В соответствии с особо предпочтительной формой выполнения одна из обеих зеркальных поверхностей 8Ь оснащена голограммой. которая обеспечивает развязку части колеблющегося в резонаторе переменного поля при заранее заданном угле а.

Голограмма на зеркале 4b осуществляет развязку желаемого излучения относительно резонатора исключительно под заранее определенным углом а вдоль оси

10 развязки. Под а понимают при этом угол, который образован осью резонатора и осью 5 или 10 развязки. Он является однозначно отличным от нуля и выбран таким образом, что претерпевшее развязку излучение может достигать области, расположенной сбоку от противолежащего зеркала

4а в его близости, Высокочастотное окно 11 расположено на оси 10 развязки и герметично закрывает сосуд 9 относительно волновода (на фиг, не изображен), который расположен коаксиально к оси 10 развязки, В предпочтительном случае угол аявляется по возможности минимальным. В этом случае развязанное излучение может при относительно незначительных помехах проходить с одной стороны от зеркала 4а, Угол а составляет в этом случае величину, 5 приблизительно равную углу раскрыва, под которым зеркало 4а визуально воспринимается, исходя из дифракционного зеркала 4Ь (например, в зависимости от соотнсаиения между диаметром зеркала и расстоянием

10 между аеркапами1. Типичная еепичине угпа составляет 20-30 .

Преимущества такого минимального угла заключается в том, что опорная конструкция 7 для развязки должна содержать лишь

15 относительно короткое, то есть проходящее приблизительно радиально отверстие и, следовательно, ее прочноста уменьшается лишь на обязательно необходимую величину.

Фиг.3 показывает в схематической фор20 ме фрагмент зеркальной поверхности 8Ь, оснащенной голограммой 12. Зеркальная поверхность 8Ь расположена по-существу перпендикулярно оси 5 резонатора. Гологрэмма 12 выражена структурой зеркальной

25 поверхности Sb. Характеристика структуры зависит в каждом конкретном случае от падающих и отраженных волн, в частности, от их длины, от формы их фронтов, от распределения интенсивности (соотношения меж30 ду развязанной относительно резонатора энергией и накопленной в нем энергией), а также от их направлений распространения (например, угол a ). Структура не может быть определена в общем случае с помощью

35 простых геометрических параметров, например, толщины d или периода L, В целом голограмма 12 может быть описана, например, следующим образом:

1. Поступающая волна представляет со40 бой гауссову моду резонатора и проходит в основном перпендикулярно зеркальной поверхности (плоскости голограммы).

2. Основная часть (например, 99 ) поступающей волны отражается в виде гауссовых мод в противоположном направлении

45 (например, в направлении оси 5 резонатора).

3. Малая часть (например, 1 ) поступающей волны рассеивается в виде гауссовых волн под углом а(то есть в направлении оси

50 10 развязки).

Если гауссовы волны являются однозначно определенными, то в этом случае однозначно определенной является также и голограмма 12;

55 Параметры голограммы оказывают к тому же влияние на свойства резонатора. Посредством доли развязанной мощности можно производить регулирование доброт1836748 ности резонатора. Таким образом вибрационный гироскоп оптимизируется для предусмотренного диапазона мощности.

Для случая гауссовых волн применительно к геометрическим размерам структуры можно отметить, что толщина d (глубина структуры) и период L составляют в типичном случае порядка длины волны желаемого излучения и что не возникает никаких острых кромок. 8 случае длин волн миллиметрового диапазона могут встречаться, таким образом, геометрические размерности порядка от несколько десятых до нескольких миллиметров.

Фиг. 4 показывает в схематической форме вид спереди на круглое зеркало. Голограмма для развязки желаемых гауссовых волн обозначена посредством нескольких проходящих рядом друг с другом, идентичных, искривленных линий,. которые поясняют возвышения структуры. Возвышения являются периодическими обычно на небольших участках, однако не на протяжении всей голограммы.

Для изготовления соответствующей изобретению голограммы используют предпочтительно компьютер. С его помощью может быть рассчитана конкретная структура зеркальной поверхности при заданных, поясненных выше параметрах голограммы, С помощью соответствующего станка рассчитанная структура может быть перенесена затем на зеркальную поверхность, Этот способ изготовления предполагает использование того факта,, что размер голографической структуры лежит в диапазоне порядка 1/10 мм.

Возможно, однако, также получение фотографического изображения голограммы с помощью фотографирования в диапазоне миллиметровых волн. При этом аналогично оптической голографии гауссовы моды резонатора интерферируют с подлежащей развязке гауссовой волной и полученная картина интерференции фиксируется фотографическим путем, В последующем рассматриваются некоторые следующие формы исполнения изобретения.

До настоящего момента речь шла постоянно о голограмме на сферически искривленном зеркале. Изобретение не ограничивается, однако. таким зеркалом.

Возможно также использование плоского зеркала с интеграцией эффекта сферической кривизны в голограмму.

Другим важным аспектом является количество направлений рассеивания. До настоящего времени постоянно подчеркивалось, что развязка осуществля10 целью получения более высокой общей

15 мощности вибрационного гироскопа. Как и

20 данных осей развязки

30

40

50 ется лишь точно в одном направлении, Это справедливо. однако, только в отношении одной предпочтительной формы выполнения, Изобретением предусмотрена также воэможность того, что голограмма обеспечивает рассеивание гауссовых волн точно в двух или в целом точно в и заданных направлениях развязки. Многократная развязка может оказаться предпочтительной, например, в том случае, если речь идет о необходимости умножения выходной мощности, которая ограничена предельно допускаемой нагрузкой на. высокочастотное окно, с прежде, для достижения высокого коэффициента полезного действия при этом важно то, чтобы лишь излучение рассеивалось в направлении, например, двух заранее эаВ случае использования голограммы с двумя направлениями развязки обе оси раэвязки проходят предпочтительно симметрично оси резонатора.

Общая мощность может быть также увеличена другим образом, а именно эа счет того, что оба зеркала 4а, 4Ь резонатора оснащаются каждое отдельной пригодной голограммой. Так, например, с использованием двух голограмм. каждая из которых имеет точно одно направление развязки, можно добиться экстрагирования двух гауссовых волн.

В основном изобретение не ограничивается гауссовой формой волн. Полностью аналогичным,образом для других целей использования может осуществляться развязка других и даже любых форм волн.

В качестве обобщения можно констатировать, что за счет соответствующей изо6ретению развязки могут вырабатываться миллиметровые и субмиллиметровые волны с высокой мощностью в режиме длительного излучения. Выработанные таким образом волны могут без существенных потерь пе-. редаваться с помощью обычных волноводов к удаленным потребителям.

Формула изобретения

1, Квазиоптический вибрационный гиротрон, содержащий источник электронов, коаксиально размещенные относительно оси электронного потока катушки Гельмгольца и размещенный между ними квазиоптический резонатор, выполненный в виде двух зеркал, размещенных встречно на оси резонатора, перпендикулярно к оси электронного луча, и вывод энергии, о т л и ч à loшийся тем, что, с целью повышения выходной мощности и ее стабильности, на отражающей поверхности одного из зеркал

1836748

Корректор С.Патрушева

Техред M.Moðlåí Tàë

Редактор О.Стенина

Заказ 3024 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород; ул.Гагарина, 101 размещена голограмма, выполненная в виде модулированной по глубине и в боковом направлении злектропроводной структуры величиной, равной длине волны электромагнитного излучения, а ось. рассеяния голо- 5 граммы совмещена с осью вывода энергии, выполненного в виде высокочастотного окна, размещенного вблизи другого зеркала.

Q 70

8ь 3 г

2. Гиротрон по и, 1, отличающийся тем. что,оси квазиоптического резонатора и рассеяния голограммы размещены в одной плоскости.

3. Гиротрон пои.2. отлича ющийся тем, что отражающая поверхность зеркал размещена перпендикулярно к оси резонатора и выполнена в виде сегмента сферы.