Многоствольный гиротрон
MULTI-BARREL GYROTRON

Изобретение относится к электронике СВЧ, представляет собой новую разновидность мазера на циклотронном резонансе.
Одними из известных устройств высокочастотной вакуумной электроники больших мощностей являются гиротроны [1, 2]. Гиротрон - мощный генератор в субмиллиметровом и миллиметровом диапазоне, основанный на магнитотормозном излучении. Устройство, расположенное в магнитной системе, содержит магнетронно-инжекторную пушку, резонатор, коллекторную систему, систему вывода, выходное окно. В гиротроне в системе катод-анод под действием скрещенных полей формируется полый винтовой электронный пучок. Далее под действием нарастающего магнитного поля пучок распространяется вдоль силовых линий магнитного поля, компрессируется, при этом адиабатически увеличивается доля осцилляторной энергии электронного пучка. В резонаторе гиротрона электронный пучок группируется и эффективно взаимодействует с одной из собственных мод резонатора, отдает часть осцилляторной энергии и оседает на коллектор. Энергия из резонатора выводится осесимметричным способом или при помощи системы квазиоптических зеркал, которые трансформируют волновой пучок в гауссов пучок и транспортируют его через выходное окно.
H
H
0
Преимуществом гиротронов над другими мазерами на циклотронном резонансе является работа на квазикритических модах резонатора, что снижает влияние разброса поперечных скоростей электронного пучка на эффективность работы гиротрона. Необходимым условием генерации излучения в гиротроне является синхронизм между собственной частотой резонатора ω и одной из гармоник циклотронной частоты: ω≈n⋅ω. При этом релятивистская циклотронная частота электронов определяется равенством ω=еВ/γm,
где В - величина однородного продольного магнитного поля в пространстве взаимодействия,
е - элементарный заряд,
0
m - масса покоя электрона,
γ - Лоренц-фактор,
n - номер циклотронной гармоники.
Переход к работе на высоких циклотронных гармониках, с одной стороны, позволяет снизить требования к величине магнитного поля в n раз при работе на одинаковой частоте электромагнитного поля. С другой стороны, переход на высокие гармоники позволяет повысить частоту генерации в n раз при работе с тем же уровнем внешнего магнитного поля, и, таким образом, продвинуться далее в терагерцовый диапазон.
Электромагнитное излучение терагерцового диапазона частот является привлекательным для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии, биологии и медицины. При этом в данном диапазоне частот мощность источников излучения существенно снижается по сравнению с СВЧ и оптическими диапазонами. Это снижение обусловлено падением мощности как традиционных приборов СВЧ-электроники, основанных на черенковском излучении прямолинейных электронных пучков (ЛБВ, клистроны), из-за наличия мелкомасштабных элементов и малого размера области взаимодействия, так и падением мощности лазеров при переходе от оптического диапазона к ТГц из-за малой энергии фотонов. Поэтому актуальной проблемой является отсутствие источников ТГц излучения с достаточным уровнем мощности и с возможностями широкой перестройки частоты.
Недостатком описанного выше канонического (классического) гиротрона является ограничение в непрерывной перестройке рабочей частоты, что уменьшает его частотные возможности и количество потенциальных приложений. Наиболее существенным недостатком канонического гиротрона при продвижении в терагерцовый диапазон и при переходе к работе на высоких циклотронных гармониках является обострение проблемы конкуренции со стороны мод, работающих на более низких гармониках. Кроме того, в нем весьма ограничены возможности перестройки частоты. Для некоторых приложений, когда частотных возможностей одного гиротрона недостаточно, используют группу разночастотных гиротронов со сходными свойствами, что существенно увеличивает стоимость и габариты установки (гиротронного комплекса) в целом. При этом возникает проблема взаимного влияния гиротронов на работу друг друга, обусловленного действием магнитного поля соленоида каждого гиротрона на расположенные рядом гиротроны.
В настоящее время существует множество неканонических схем гиротронов, одной из которых является гиротрон с большой орбитой (ГБО) или гиротрон с приосевым электронным пучком [3-7]. В ГБО электроны движутся по винтовым траекториям вокруг оси аксиально симметричного резонатора. ГБО обычно работает на высокой гармонике циклотронной частоты, и, следовательно, при работе на одной и той же частоте электромагнитного поля требует меньшее магнитное поле, и имеет больший радиус орбиты электронов по сравнению с обычным гиротроном «с малой орбитой». При такой геометрии электронного пучка в резонаторе реализуется эффективная электронная селекция, что обеспечивает подавление паразитных колебаний, и возбуждается только мода с азимутальным индексом, равным номеру циклотронной гармоники. Как правило, ГБО имеет сложную неадиабатическую электронно-оптическую систему с кикером или реверсом магнитного поля с высоким коэффициентом перемагничивания (отношение магнитного поля в пространстве взаимодействия к магнитному полю в прикатодной области). Сечение электронного пучка в ГБО существенно меньше, чем в каноническом гиротроне, что при близкой величине плотности тока пучка приводит к заметно меньшей величине полного тока и мощности пучка. Таким образом, в гиротронах с большой орбитой высокая степень селекции, но уровни достижимой мощности заметно ниже, чем для канонических гиротронов. Кроме того, для ГБО требуется система со специфическим распределением магнитного поля, которая не является коммерчески широкодоступной, и поэтому существенно дороже.
С другой стороны, широко известны многолучевые электронные приборы (клистроны, ЛБВ) [8-10]. В мощных многолучевых приборах используется несколько электронных пучков, каждый из которых распространяется в своем индивидуальном канале (стволе) в замедляющей системе или резонаторном блоке. Переход к многолучевым клистронам позволяет снизить ускоряющее напряжение по сравнению с однолучевыми аналогами, что приводит к уменьшению габаритов и массы клистронов, а также источников их электропитания. Низкопервеансные парциальные пучки лучше группируются и более эффективно отдают энергию в выходном резонаторе, что приводит к повышению КПД клистронов на 10-20% и дает возможность расширения полосы усиления [9, 10]. Но при этом зависящие от длины волны мелкомасштабные элементы этих приборов не позволяют продвинуться далеко в терагерцовый диапазон.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в авторском свидетельстве SU 786677 «Мазер на циклотронном резонансе» (H01J 25/00, опубл. 23.02.89 г.). Известное устройство содержит систему формирования винтовых электронных пучков в виде аксиально-симметричной электронной пушки с анодом и катодом, имеющим два эмитирующих пояска, а также резонатор и систему вывода, при этом это устройство расположено в магнитной системе. Пушка и резонатор кругового сечения расположены соосно. В пушке формируются два электронных пучка. Дополнительные электронные пучки могут быть использованы как для подавления паразитных колебаний, так и с целью улучшения условий самовозбуждения рабочей моды. В описанном устройстве реализуется возможность увеличения тока пучка и эффективности электронной селекции, что позволяет повысить выходную мощность.
Для большинства приложений субтерагерцового и терагерцового диапазонов требуются частотно-перестраиваемые источники излучения с мощностью порядка 10 Вт, в некоторых случаях даже порядка нескольких мкВт. При этом прототип является мощным (существенно более 10 Вт) и узкополосным прибором. Высокая мощность электронного пучка и самого прибора усложняют и увеличивают стоимость описанной гиротронной установки. Кроме того, работа с электронным пучком высокой мощности требует дополнительные системы охлаждения как резонатора, в котором происходит электронно-волновое взаимодействие, так и коллектора, на который оседает отработанный электронный пучок. Как и некоторые другие гиротроны, устройство-прототип имеет один резонатор, что ограничивает возможности по перестройке частоты или одновременной генерации на нескольких частотах. При продвижении в терагерцовый диапазон существенно повышается стоимость магнитной системы. При переходе к работе гиротрона на высокие циклотронные гармоники снижается требование к магнитной системе, но при этом усугубляется проблема селекции рабочей моды.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение частотных возможностей, снижение стоимости гиротронных устройств субтерагерцового диапазона.
Технический результат в разработанном гиротроне достигается за счет того, что он содержит систему формирования винтовых электронных пучков, резонаторную систему, и систему вывода, и расположен в магнитной системе.
Новым в разработанном гиротроне является то, что система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, две области эмиссии, резонаторная система состоит из резонаторов, количество которых равно количеству областей эмиссии, и каждый из которых расположен соосно электронному пучку, выходящему из соответствующей области эмиссии, при этом резонаторы выполнены в разных геометрических размерах. Каждый из резонаторов работает в режиме с приосевым электронным пучком (подобном ГБО). При этом все резонаторы расположены в магнитном поле единой (одной и той же) магнитной системы. Использование одной магнитной системы в сравнении с набором гиротронов, когда каждому из них соответствует своя магнитная система, с аналогичными выходными характеристиками не только уменьшает стоимость гиротронной установки, но и упрощает ее.
В отличие от подходов к формированию электронного пучка, применяемых обычно в ГБО, в разработанном устройстве предлагается использование адиабатической магнетронно-инжекторной пушки (МИП) с секционированной эмиссией. Магнитная система в этом случае не отличается от магнитных систем обычных гиротронов, что упрощает процесс разработки. При указанном подходе к формированию электронных пучков не требуется специального проектирования электронно-оптической системы (ЭОС): например, может использоваться готовый экземпляр известной пушки, при этом лишь обеспечивается секционирование эмиссии.
В случае работы гиротронов с электронными пучками высокой плотности переход к многоствольной системе позволяет снизить влияние пространственного заряда на формирование и распространение электронного пучка. Кроме того, переход от трубчатого винтового электронного пучка к нескольким тонким винтовым электронным пучкам позволяет снизить тепловую нагрузку на стенки каждого резонатора и коллектора, что, в свою очередь, существенно снижает стоимость гиротронной установки.
В первом частном случае реализации разработанного гиротрона система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на одном кольцевом пояске.
Во втором частном случае система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на разных кольцевых поясках.
Использование областей эмиссии, расположенных на нескольких кольцевых поясках, позволяет увеличить их количество и, следовательно, формировать большее число тонких винтовых электронных пучков с достаточным уровнем тока в магнитном поле одной магнитной системы. При этом количество резонаторов (стволов) в резонаторной системе также увеличивается и, следовательно, увеличивается мощность выходного изучения или диапазон широкополосной перестройки частоты. То есть магнитная система используется более эффективно.
В третьем частном случае система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены произвольным образом относительно центральной оси гиротрона.
Отметим, что те части магнетронно-инжекторной пушки, которые далеки от эмиттера и не оказывают влияния на формирование электронного пучка, могут быть удалены без ущерба для работы системы. В этом случае может быть заметно уменьшена мощность, необходимая для обеспечения термоэлектронной эмиссии. Кроме того несомненным достоинством такого варианта является существенное уменьшение электрической емкости в системе анод-катод, что делает управление параметрами электронного пучка более быстрым.
В четвертом частном случае система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, два катодных узла, каждый из которых содержит одну область эмиссии.
В такой реализации устройства несколько катодных узлов расположены в магнитном поле одной магнитной системы. Формирование электронных пучков может быть осуществлено за счет использования нескольких адиабатических МИП, но возможны и другие варианты реализации (неадиабатические МИП, системы со скачком магнитного поля и др.), потенциально имеющие свои преимущества в простоте и стоимости реализации.
В пятом частном случае одна из областей эмиссии расположена на центральной оси гиротрона, при этом дополнительно введена система закрутки электронного пучка.
Введение области эмиссии, расположенной на центральной оси гиротрона, позволяет дополнительно увеличить количество резонаторов в многоствольном гиротроне.
В шестом частном случае система закрутки электронного пучка выполнена с возможностью формирования участка неадиабатического движения электронов. В частном случае реализации подобная система закрутки представляет собой кикер.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 схематически изображен гиротрон, на катоде которого области эмиссии расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на одном кольцевом пояске.
На фиг. 2 схематически представлены: а) магнетронно-инжекторная электронная пушка, с областями эмиссии, расположенными равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на разных кольцевых поясках; б) резонаторная система многоствольного гиротрона.
На фиг. 3 представлена схема гиротрона с системой формирования винтовых электронных пучков, содержащей два катодных узла, каждый из которых содержит одну область эмиссии в виде кольцевого пояска.
На фиг. 4 схематически представлены резонаторы, выполненные в разных геометрических размерах (все резонаторы имеют разные диаметры).
На фиг. 5 представлен график зависимости частоты генерации от магнитного поля в многоствольной системе с пятью резонаторами.
Разработанный гиротрон по п. 1 или п. 2 формулы (фиг. 1) включает в себя систему формирования винтовых электронных пучков 1, содержащую две расположенных на одном кольцевом пояске области эмиссии 2, резонаторную систему, состоящую из двух расположенных соосно электронному пучку резонаторов 3. При этом разработанный гиротрон расположен в магнитной системе 4.
Кроме того, по п. 3 формулы система формирования винтовых электронных пучков 1 может включать в себя области эмиссии 2, расположенные на разных кольцевых поясках (фиг. 2а). При этом количество и положение резонаторов 3 (фиг. 2б) должно быть таким, чтобы каждый резонатор соответствовал «своему» электронному пучку и находился с ним на одной оси. В частном случае, представленном на фиг. 2 три области эмиссии расположены на одном пояске и шесть областей на другом, следовательно, выходящим электронным пучкам соответствуют три резонатора, расположенные ближе к оси системы, и шесть резонаторов на большем расстоянии от оси.
На фиг. 3 представлен вариант реализации устройства по п. 5 формулы, содержащего систему формирования винтовых электронных пучков 1, состоящую из двух катодных узлов, каждый из которых содержит одну область эмиссии 2 в виде пояска. При этом каждый электронный винтовой пучок входит в свой резонатор 3.
m,p
Заявленное устройство работает следующим образом. Система формирования винтовых электронных пучков 1 содержит, по крайней мере, две области эмиссии 2. В результате термоэлектронной эмиссии формируется облако электронов, которое затем под действием скрещенных магнитного и электрического полей преобразуется в винтовой электронный пучок. Таким образом, в системе формируются, по крайней мере, два тонких винтовых электронных пучка. Далее частицы попадают в нарастающее слабо неоднородное магнитное поле, где их вращательная скорость по адиабатическому инварианту  увеличивается до требуемой величины. Под действием излучения приосевого винтового электронного пучка в каждом резонаторе 3 многоствольного гиротрона возбуждается одна из собственных мод резонатора TE на частоте, близкой к критической частоте, при этом азимутальный индекс т равен номеру рабочей циклотронной гармоники аналогично ГБО. ВЧ-излучение из каждого резонатора 3 выводится осесимметрично или квазиоптически через выходное окно с возможной системой трансформации в гауссов волновой пучок. Отработанный электронный пучок оседает на коллектор. В разработанном устройстве используют резонаторы 3, количество которых равно количеству областей эмиссии 2, причем каждый из которых расположен соосно электронному пучку, выходящему из соответствующей области эмиссии 2, и применяют одну магнитную систему 4, как и в обычных гиротронах.
В разработанном гиротроне резонаторы 3 выполнены в разных геометрических размерах, то есть имеют либо разные диаметры, либо разные длины, либо одновременно разные диаметры и длины.
Использование резонаторов 3 с разными геометрическими размерами позволяет расширить характеристики заявленного устройства. Вариант многоствольного гиротрона выбирается согласно области планируемого применения и определяется требованиями к выходным характеристикам гиротронной установки.
На фиг. 4 схематически представлен вариант реализации разработанного многоствольного гиротрона, в котором резонаторы 3 имеют разные радиусы. В таком случае реализуется широкополосная непрерывная перестройка частоты выходного излучения. Использование секционированной магнетронно-инжекторной электронной пушки с отдельным подогревом каждой области эмиссии 2 и/или секционированным анодом (ограничения по эмиссии) позволяет управлять электронными пучками, реализовать или избежать одновременной многочастотной генерации на одинаковых или различающихся частотах. Возможна генерация на близких или кратных друг другу частотах.
На фиг. 5 представлен график зависимости частоты генерации от магнитного поля в многоствольной системе с пятью резонаторами 3, имеющими различные радиусы.
mpq
mp
В качестве примера рассмотрен вариант многоствольного гиротрона с широкополосной непрерывной перестройкой частоты. Как правило, в гиротронах непрерывная перестройка частоты реализуется за счет последовательного возбуждения продольных мод TE, имеющих одинаковую поперечную структуру TE и отличающихся продольным индексом q. Диапазон перестройки частоты Δω можно оценить аналитически:
где ω - частота генерации,
λ - длина волны,
L - длина пространства взаимодействия,
q - продольный индекс рабочей моды.
В случае многоствольного гиротрона доступный диапазон непрерывной перестройки многократно увеличивается за счет использования нескольких цилиндрических резонаторов 3 с измененными относительно друг друга радиусами, при этом для каждого резонатора 3 длина оптимизируется отдельно. В частности, в многоствольной системе с пятью резонаторами 3 (радиусы имеют следующие величины 3,06 мм, 3,005 мм, 2,95 мм, 2,895 мм и 2,84 мм) на частоте порядка 140 ГГц реализуема перестройка частоты в интервале 13,1 ГГц (фиг. 5). В подобной гиротронной системе с одним резонатором возможна непрерывная перестройка в диапазоне не больше 2,5 ГГц. Таким образом, переход к s-ствольной гиротронной системе позволяет увеличить диапазон непрерывной перестройки в s раз за счет использования нескольких цилиндрических резонаторов 3 с измененными относительно друг друга радиусами и/или длинами.
Далее рассмотрен пример многоствольного гиротрона, предназначенного для одновременной генерации излучения на нескольких частотах, использующего три резонатора. Схема многоствольного гиротрона с приосевым пучком позволяет использовать преимущества ГБО для возбуждения мод, работающих на высоких гармониках гирочастоты. Так, возможны варианты многоствольного гиротрона с одновременным или последовательным возбуждением мод на кратных друг к другу частотах. В частности, при реализации многоствольной системы с тремя резонаторами с одновременной параллельной генерацией на частотах 263 ГГц, 395 ГГц и 527 ГГц работа гиротрона происходит на второй, третьей и четвертой гармониках гирочастоты соответственно. При этом радиусы регулярной части резонатора и его длина оптимизируются для достижения требуемого уровня мощности выходного излучения. Указанные частоты являются востребованными, например, в ДПЯ/ЯМР спектроскопии высокого разрешения [11]. Такая многоствольная система с тремя резонаторами может быть использована вместо набора отдельных гиротронов с аналогичными выходными характеристиками.
Данный подход позволяет снизить размеры гиротронных установок, и привлекателен за счет экономии на магнитных системах. Кроме того, в такой схеме отсутствует проблема взаимного влияния гиротронов на работу друг друга, обусловленного действием магнитного поля соленоида соседнего гиротрона, что позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты установки.
Как следует из вышеизложенного, разработанное авторами устройство несложно в реализации и включает в себя преимущества как канонического гиротрона, если говорить о системе формирования винтовых электронных пучков, так и ГБО с эффективной селекцией рабочей моды. Такие приборы перспективны для задач по перестройке частоты генерируемого излучения и для продвижения в терагерцовый диапазон, путем возбуждения мод, работающих на высоких гармониках гирочастоты.
Таким образом, в разработанном гиротроне система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, две области эмиссии, а резонаторная система состоит из резонаторов, количество которых равно количеству областей эмиссии, и каждый из которых расположен соосно электронному пучку, выходящему из соответствующей области эмиссии, то есть каждый из резонаторов работает в режиме с приосевым электронным пучком (подобном ГБО). При этом резонаторы выполнены в разных геометрических размерах и расположены в единой магнитной системе. Применение резонаторов с разными геометрическими размерами позволяет, во-первых, реализовать широкополосную непрерывную перестройку частоты выходного излучения, а, во-вторых, осуществлять одновременную генерацию излучения на близких или кратных друг другу частотах. Использование одной магнитной системы не только уменьшает стоимость гиротронной установки, но и упрощает ее.
Источники информации
1. Гольденберг А.Л., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Флягин В.А. «Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы», Известия вузов. Радиофизика, 1996, т. 39, №6, с. 635-669.
2. Nusinovich G.S., Thumm М.K.А. and Petelin M.I. «The Gyrotron at 50: Historical Overview», J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, 2014, V. 35, No. 4. p. 325-381. doi: 10.1007/s10762-014-0050-7.
3. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н. «Субтерагерцовые и терагерцовые гиротроны с большой орбитой», Изв. вузов. Радиофизика, 2009, т. 52, №7, с. 525-535.
4. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н., Самсонов С.В. «Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой» // Журн. техн. физ., 2005, Т. 75, №12, с. 76-81.
5. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., et al. «A high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet» // IEEE Trans. Plasma Sci., 2004, V. 32, No. 3, p. 903-909, doi: 10.1109/TPS.2004.827614.
6. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., et al., «Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet» // Vacuum, 2005, V. 77, №4, p. 539-456, doi: 10.1016/j.vacuum.2004.09.022.
7. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н. «Электронно-оптическая система терагерцового гиротрона» // Радиотехника и электроника, 2011, Т. 56, №4, с. 537-544.
8. Palmer R.B., Fernow R.C., Fischer J., et al., «The cluster klystron demonstration experiment» // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1995, V. 366, No. 1. p. 1-16. doi: 10.1016/0168-9002(95)00609-5.
9. Борисов Л.М., Гельвич Э.А., Жарый E.B. и др. «Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ» // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника, 1993, №1(455), с. 12-20.
10. Freydovich I.A., Knapp Е.А., Nevsky P.V., et al. «A variable high-power multi-beam klystron design» // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2005, V. 539, No. 1-2, p. 63-73, doi: 10.1016/j.nima.2004.10.004.
11. Blank M. and Felch K.L. «Millimeter-wave Sources for DNP-NMR» // eMagRes, 2018, V. 7, No. 4, p. 155-165, doi: 10.1002/9780470034590.emrstm1582.