Мазер на циклотронном резонансе

Мазер на циклотронном резонансе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

lo МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ, содержащий аксиальносимметричную электронную пушку,имеющую катод с эмиттирующим пояском, а также резонатор, выходной узел и устройство для создания магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повьгаения выходной мощности, катод пупки снабжен, по меньшей мере Изобретение относится к мощным СВЧ-приборам - мазерам на циклотронном резонансе (МЦР), используемым в качестве усилителей и генераторов в сантиметровом, миллиметровом и субмштлиметровом диапазонах длин волн, Известные конструкции мазеров содержат aкcиaльнo-cи Iмeтpичнyю пушку, катод которой снабжен эмиттирующим пояском, электродинамическую систему 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. одним, дополнительным эмиттирующим пояскомо 2. Мазер попо1,отличающ и и с я тем, что в катоде с одним дополнительным эмиттирующим пояском , средние радиусы эмиттирующих поясков связаны соотношением: /R,. - Rj/ -|-

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (д11 4 Н 01 J 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

+ 0,17)IVL гдеВ,иВ

P средние радиусы эмиттирующих поясков; целое число;

0,1; рабочая длина волны; отношение величины магнитного поля в резонаторе к величине маrнитного поля на ка" тоде.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 2801425/18-25 (22) 25.07.79 (46) 23.02.89.Бюп„ Р 7 (72) В.Е.Запевалов, В.И.Курбатов, О.В.Малыгин, В.Н.Мануилов, Г.С.Яусинович и Н.Е.Цимринг (53) 621.385.6 (088.8) (56.) Авторское свидетельство СССР

1 223931, кл. Н 01 J 25/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

9 362050. кл. Н 01 J 25/00, 1967. (54)(57) 1. МАЗЕР НА ЦИКЛОТРОННОМ

РЕЗОНАНСЕ, содержащий аксиальносимметричную электронную пушку, имеющую катод с эмнттирующим пояском, а также резонатор, выходной узел и устройство для создания магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности, катод пушки снабжен, по меньшей мере

Изобретение относится к мощным

СВЧ-приборам — мазерам на циклотронном резонансе (МЦР), используемым в качестве усилителей и генераторов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом 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.

ÄÄSUÄÄ 786677 д одним, дополнительным эмиттирующим пояском.

2. Мазер по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что в катоде с одним дополнительным эмиттирующим пояском, средние радиусы эмиттирующих поясков связаны соотношением:

/R ° — В / = — — (2Р + Е )(0,67

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 — pesoнатор, определяющих предельные выходные мощности для одномодового режима. Селекция типов колебаний осуществляется либо путем подавления паразитных мод резонатора (электродинамическая селекция) и/или за счет обеспечения избирательного взаимодействия электронного пучка с полями

3, 78667 рабочей и мешающих мод (электронная селекция). Известные методы электродинамической селекции предусматривают использование в МЦР резонаторов определенной конструкции, Общим не« достатком 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, 15

Электронная селекция легко поддается коррекции s готовых приборах и является важным дополнением к электродинамической селекции, В известных мазерах электронная селекция сводит- 20 ся к подбору тоха и радиуса электронного пучка, при которых создаются наиболее благоприятные условия для взаимодействия пучка с рабочей модой .при минимальной вероятности возбужде- 25 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 45 пространственно развитых электродинамических систем. Однако при этом сгущается спектр резонатора и возникает конкуренция со стороны паразитных мод 50

Известен мазер, 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. Од7. 4 ним из этих факторов является конкуренция со стороны паразитных мод которая препятствует расширению поперечного сечения резонаторов, что необходимо для увеличения тока электронного пучка и выходной мощности.

Другим фактором является возрастание скоростного разброса при увеличении тока пучка, что приводит к снижению КПД и выходной мощности Mlg .

Целью изобретения является повышение выходной мощности мазера, Поставленная цель достигается тем, что в мазере, содержащем аксиально симметричную электронную пушку, 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: ! !

В, — R,/ =. ->- (2Р+Е)(0,67

+ 0,17Я, где R<,и R — ср,едние радиусы эмиттирующих поясков;

Я вЂ” рабочая длина волны; — отношение величины магнитного поля в резонаторе к величине магнитного поля на катоде;

Р— целое число;

Б — О или I.

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 786677 6 ками 4 и 5, каждый из них имеет от- ветствующий нулю Х „. Расстояние дельный подогреватель (на чертеже не между соседними максимумами н нулем указаны). Средние радиусы R u R функции Бесселя в среднем равно d/2. поясков 4 и 5 соответственно связа- . Последующие нули состоят от первого 5

:ны соотношением: на расстояние, кратное d. Поэтому расстояние между произвольным макси!

В, — R = — — (2Р + )(0,67+

1 мумом и нулем эффективной силы в резонаторе 6 равно: ф 0,17) 1Й, 10

1 г — Pd + g = - - (2Р + l)(0â67й

+ 0,17)jl, что соответствует следующей связи

5 между радиусами эмиттирующнх поясков 4 и 5 на катоде 3:

% Rã/ 2 (2Р + 1) (0,67

+ 0,17)1 .

d. = (0,67 — 0,17.)2, а расстояние между двумя произвольными максимумами.

D = Pd = P(0,67 0,17)4, что соответствует следующей связи между радиусами эмиттирующих поясков 4 и 5 на катоде 3:

/R„- R / = P(0,67 0,17)1Я.

"г ) - (2Р + 1)(0,67й

0 17)Ч Ы,В случае, когда при максимальном взаимодействии одного из пучков с полем рабочей моды, должно быть исключено взаимодействие второго пучка, последний выводится на радиус, соот55 средние радиусы пучков в резонаторе отличаются на величины, приближенно кратные нечетному числу 1 /4. В регде- 3 — рабочая длина волны, Р

1,2,3,..., 6 = 0,1;

Й вЂ” отношение величины магнитного поля в резонаторе к величине магнитного поля на катоде 3.

Это соотношение следует из зависимости выходной мощности и стартового тока рабочей моды мазера от радиуса г центров вращения электронов в резонаторе 6, определяемой факто 2нг ром Х (= †--) где Х . — функIkl- I В-6 ция Бесселя порядка ш - n m — азимутальный индекс рабочей моды, n— 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

T<„ Последние при больших r расположены на расстояниях, приближенно кратных 1/2. При меньших r это расстояние увеличивается и его наибольшая величина достигает 0,84 . Таким образом расстояние между соседними максимумами Т„„ „, равно:

Пушка 1 и резонатор 6 кругового сечения расположены соосно. Выходной узел содержит волновод 7, в тор25 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 конфнгуgp рация коллектора определяется средними радиусами и токами пучков.

Мазер установлен в магнитном поле соленоида 9, причем пушка 1 помещена в нарастающем поле, а резона35 тор

Masep работает следующим образом, .В пушке 1 формируются два электронных пучка с осциллирующими траекториями электронов. Величины токов

4О пучков определяются размерами эмиттирующих поясков 4 и 5 н температурой соответствующих подогревателей.

В зависимости от рабочих параметров каждого из пучков в резонаторе обес45 печивается существенное превышение .стартового тока паразитных мод над стартовыми токами рабочей моды, что и приводит к эффективной селекции колебаний. При этом возможно два ва50 РНаНТа.

В том случае, когда радиусы поясков 4 и 5 связаны соотношением

786677

Составитель

Редактор Л. Письман. Техред М.Моргентал Корректор СЛ1екмар

Заказ 4718 Тираж 694 Подписное

ВНИКНИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям нрн ГКНТ СССР

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

Производственно-издате п ский комбинат нНатент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 зультате обеспечение эффективного взаимодействия одного пучка с полем рабочей моды автоматически исключает взаимодействие с полем рабочей моды другого пучка. Последний взаимодействует с полями паразитных мод и при соответствующих параметрах этого пучка взаимодействие имеет характер поглощения, Таким образом в 1р мазере обеспечивается электронная селекция мод резонатора не только за счет эффективного возбуждения рабочей моды, но и путем подавления

1 .дополнительным пучком паразитных мод. 15

Повышение мощности в мазере с дополнительным электронным пучком, который выполняет функцию поглотителя паразитных мод достигается в этом случае за счет увеличения тока основно- 2р го пучка в результате использования пространственно развитых электродинамических систем.

В том случае, когда радиусы пояс- 25 ков 4 и 5 связаны соотношением (R Rг,) = Р(О,67+ 0,17)ЧЯ, ! среднИе радиусы пучков в резонаторе отличаются на величины, приближенно 3p кратные 3 /2, В результате оба пучка 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 мод

Отсутствие 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,