Гирокон

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлеио09. 11.72 (21) 1844065/26-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) Опубликовано25. 10.76.Бюллетень ¹ 39 (45} Дата опубликования описания 22.12.76

Союз Советских

Социалистических

Республик (11} 496870 (51) М. К..

Н 01 1 25/02

Государствеииый комитет

Ссэетв Мииистров СССР по делам изобретений и стиру.тий (53) УДК621.385.6 (088.8) Г. И. Вудкер, С. Н. Морозов, О. А. Нежевенко, Г. Н. Острейко и И. А. Шехтман (72) Авторы изобретения

Институт ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (71) Заявитель (54) ГИРОКОН

Изобретение касается мошных электровакуумных приборов СВЧ, в частности конструкций гирокона - усилителя СВЧ с несгрупированным релятивистским пучком заряженных частиц. 5

B извес гном гироконе релятивистский электронный пучок, непрерывно смещаясь по азимуту, под действием усиливаемого сигнала, питающего устройство круговой развертки луча, возбуждает выходной кольцевой ре- ð зонатор бегушей волны. Отношение мошности в нагрузке выходного резонатора к мощности, потребляемой устройство круговой развертки, определяет коэффициент усиления гирокона. Однако в известных конструкциях гироконов относительно мала величина коэффициента усиления гирокона по сравнению, например, с клистроном.

Этэ отнэсится к приборам большой Ivëùнэсти, когда длина луча сильно ограничена из-за его расходимостиподдействиемобъемнэгэ заряда и возникает необходимость в этклэнении луча на углы 25-30о.

С целью увеличения электронного к. и. д. в гироконе может применяться компенсация высокочастотного магнитного поля бегушей волны в выходном резонаторе постоянным магнитным полем, которое создается специальным магнитом. Размеры этого магнита близки к размерам выходного резонатора.

Таким образом, этот путь повышения электронного к. п. д. гирокона ведет к усложнению конструкции прибора и повышению его веса особенно в длинноволновой части СВЧ диапазона. При повышении мощности прибора на заданной рабочей частоте значительно растет тепловая нагрузка на коллектор и другие элементы гирокона. Нагрузку трудно уменьшить, так как возможность увеличения плошади коллектора ограничена, поскольку средний диаметр коллектора определяется рабочей частотой (длиной средней окружности шели резонатора, через которую выходит пучок1. а размер коллектора в направлении движения электрона ограничен из-за гого, что пучок после торможения в выходном резонаторе имеет малую скорость, значительный объемный заряд, быстро расходится и

ocegaer на стенки, не проникая на всю глубину коллектора. Это одна из причин, приво496870 дящих к ограничению предельной мощности прибора. Другая причина, ограничивающая мощность гирокона в непрерывном или в кваэинепрерывном режимах, - это токооседа ние на стенки щелей выходного резонатора.

B гироконах известных конструкций не суЪ ществует никаких элементов, фокусируюших развернутый эпектронный пуч и снижающих токооседание на стенки щелей.

Бель изобретения — уменьшение тепловой нагрузки на коллектор, упрощение конструкции, увеличение коэффициента усипениЬ прибора и повышение его к. п. д.

Это достигается созданием электронного СВЧ прибора — гирокона, содержащего устройство дпя, формирования аксиального

1 несгруппированного релятивистского пучка заряженных частиц, устройство круговой развертки пучка под действием усипиваемо-, го сигнала, осесимметричную. магнитную

,откпоняющую систему, выходной кольцевой . ipeaoaarop бегущей вопны и коллектор.

Ипоскость симметрии коллектора и выходноIro резонатора перпенцикупярны оси гироко-.

:на, а осесимметричная магнитостатическая откпоняющая система направляет пучок за25 ряженных частиц поплоскрсти симметрии выходного резонатора и коллектора, под углом к радиусу резонатора, и выпопнена, например, в виде конической катушки с равномерной намоткой: по поверхности.

Дпя повышении выходной мощности гиро1кона между выходным резонатором и откло няющей системой может быть установпена магнитная фокусирующая система, например, в виде совокупности пар осесимметричных катушек с противоположно направпенными магйитными попями, расположенных симметрично относительно ппоскости разверну- того пучка.

На фиг. 1 приведено схематическое иэоб, © ражение конструкции гирокона; на фиг. 2рассчитанные на ЭВМ траектории эпектро нов в магнитных попях статической откпоняющей и фокусируюшей системы. Гирокон состоит из источника 1 релятивистских элек,, 4 тронов, устройства 2 круговой развертки, возбуждаемого усипиваемым, сигнапом, поступающим or источника 3, магнитостатической оныоняюшей системы 4, установлен1ной соосно с устройством 2 круговой раз- 5© вертки и направпяющей развернутый электрон ный пуч 5 перпендикулярно продольной оси гирокона, выходного кольцевого резонатора

6 бегущей волны с выводами СВЧ мошнссти (на чертеже не показаны), установленного со- В осно с поверхностью, образуемой развернутым электронным лучом 5, откпоненным мщ нитостатической системой 4, коллектора 7 электронов, фокусирующей системы 8, уста новлениой между отклоняющей системой 4 0 и выходным резонатором 6 соосно с ними так, что горизонтальные плоскости симмег рии фокусирующей системы и выходного резонатора совпадают.

Прибор работает следующим образом.

Сформированный источником 1 релятивистских электронов, электронный пуч 5, проходя

1через устройство 2 круговой развертки и магнитостатическую (откпоняюшую сис тему.

4, откпоняется по отношению к первоначапь ной траетории на угол 90 . о

Развернутый действием усипиваемого c > нала, непрерывно смешаясь по азимуту, спектронный пуч 5 описывает коническую поверхность, которая постепенно переходит в плоскость, перпендикулярную продольной оси гирокона. Поступая в выходной резона

rop 6, пуч возбуждает в нем бегущую волну, тормозится в ее электрическом поле и отдает ей свою энергию. Полученная СВЧ энергия через элемент связи выводится иэ выходного резонатора 6 в нагрузку. Остаточная энергия эпектронного пучка рассеивается на коллекторе 7. Преобразование развернутого пуча 5 из конического в дисковый позволяет повысить коэффициент усипения прибора, поскольку в этом случае значительно уменьшается угоп откпонения пуча в устройстве 2 круговой развертки, a основное отклонение пуча осуществляется магнитостатической системой 4, не потребляющей высокочастотной мощности. В приборе могут быть использованы разпичные конструкции магнитостатических откпоняющих и фокусирующих систем. В приведеннол варианте конкретной конструкции гирокона предложена,откпоняющая система 4, выпоп ненная в виде конической катушки с равно-, мерной намоткой. Фокусируюшая система 8 состоит из четырех цилиндрических катушек. установленных попарно соосно с устройством 2 круговой развертки и симметрично относительно средней плоскости выходного резонатора 6. Бипиндрические катушки фокусирующей системы 8 создают энакопеременное магнитное поле в горизонтапьной ппоскос ти симметрии.

Электроны, влетая в выходной резона» тор 6, кроме радиальных и осевых компр.нент скорости имеют также и азимутапьную скорость, которая для электрона, находящегося на оси пучка, определяется углом (см. фиг. 2). Двигаясь по траекториям, близким к радиальным при прохождении вы ходного резонатора 6, электроны возбуждают в нем бегущую волну, аналогичную о структуре поля волне типа Н в прямо о гольном волноводе, замкнутом 8 кольцо, и отдают ей свою энергию. При взаимодейст

Вии с высокочастотным магнитным полем

егоii бегушей волны электроны отклоняются

496870 р азимутальном направлении навстречу дви- . кению волны, вследствие чего к.п.д. взаимо ,Действия электронного пучка с СВЧ-полем

t бегущей, волны снижается, Как показывают расчетные оценки, электронный к. и. д, мож фо повысить путем сообщения электронам на,входе,; в резонатор 6 дополнительной азимутальной скорости, направленной в сторону движения бегущей волны (см. фиг. 2, где представлены траектории электронов в магнитных полях статической отклоняющей 4 и фокусируюшей 8 систем, построенI ных в цилиндрической (И, Ч, 7, ) системе координат, ось X 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 приведены пять траекторий, из которых первая Т соответствует траектории электрона, вошедшего

:в устройство 2 развертки по оси системы, :.а остальные (И вЂ” V ) соответствуют траекториям электронов, вошедших в устройство 2 развертки в точках, атсгояших на 2 см о от оси и сдвинутых по азимуту на 90 дру» относительно друга. Расчет: проведен для энергии электронов 500 кэв.

Величина дополнительной азимутальной скорости при .рассмотренных значениях энер-. .гии электронов и параметров выходного ре4ь натора 6 лежит в пределах 15-30% от величины радиальной компоненты скорости.

Эта азимутальная скорость в описанном гироконе сообшается электронному пучку статической отклоняющей системой 4. Направление азимутальной 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 а =14 ). При 100% к. и. д.аэимуталь ная 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 отклоняющей системе 4.

Таким образом, в описанном гироконе можно получить электронный к. п. д. блиэ.,кнй к 100% без применения компенсирун

Шего магнита, кроме гого, существенно снижены ограничения на размеры коллектора. так как диаметр средней окружности входной щели коллектора при заданной частоте

;может быть значительно увеличен, в срав,, нении с гироконами других конструкций, вследствие чего предельная мощность прибора повышается. Фокусируюшая система, Е установленная между отклоняющей системой ,р выходным резонатором, позволяет улуч-, шить токопрохождение в выходном резона-, irope прибора, что также повышает предель геную мощность.

Фо рмула изобретения

1. Й рокон, содержащий устройство для формирования аксиального несгруппирован» ного релятивистского пучка заряженных. частиц, устройство круговой развертки пуч ка под действием усиливаемого сигнала, осесимметричную магнитную отклоняющую систему, выходной кольцевой резонатор бе+

® гущей волны и коллектор, расположенные соосно с поверхностью движения развернутого пучка„о т л и ч а ю ш и и с я тем что, с целью уменьшения тепловой нагрузки на коллектор, упрощения конструкции, уве-

ЗО личения коэффициента усиления прибора и повышения его к. п. д., выходной резонато и коллектор, служащий для приема пучка заряженных частиц, движущихся в их плос кости симметрии, установлены таким обраЗЬ зом, что их плоскость симметрии перпенди кулярна оси гирокона.

2. Гирокон по и. 1, о т л и ч а ю щ и я с 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 а о шийся тем, что, с целью повышения выходной мощности прибора, между выходным резонатором и отклоняющей системой установлена магнитная фокусируюшая система, например, в виде совокупности пар осесимметричных катушек с противоположнс направленными магнитными полями, расположенных симметрично относительно плос,xocm развернутого пучка.

Составитель Л. Фролова

Редактор Г. Сухова Техред Г. Родак Корректор А. Гриценко

Заказ 5447/212 Тираж 963 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4