ГИРОТРОН С ВНЕШНИМ ОТКРЫТЫМ РЕЗОНАТОРОМ

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), конкретно к приборам СВЧ с вращающимися электронными лучами, к гиротронам и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций (РЛС), а также в сверхвысокочастотных промышленных установках для электронно-циклотронного нагрева термоядерной плазмы и высокотемпературной обработки некоторых материалов.
вых
В науке и технике гиротроны в диапазонах 110, 140 и 170 ГГц имеют выходную мощность Р до 1 МВт при коэффициенте полезного действия (КПД) до 50%. [Ушаков А.Б. Об основных достижениях и направлениях развития мощных электровакуумных СВЧ-приборов. Успехи современной радиоэлектроники. №5-6. 2004. С.44].
1
Ухудшение выходной мощности и КПД гироприборов связано с разбросом поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей. Разброс скоростей приводит к нарушению условия частотного (поперечного) синхронизма, снижает эффективность взаимодействия электронов луча с электромагнитным полем. Диапазон разброса поперечных скоростей лежит в пределах 25%≤δv≤30% [Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона. ЖТФ. Т. 67, №9. 1997. С.98].
1
Причем, учет тепловых эффектов, неоднородности поверхности катода гиротрона, неустойчивости релятивистских электронных пучков, обусловленной эффектами пространственного заряда, в том числе кулоновским расталкиванием и неизохронностью циклотронного вращения электронов, не позволяет получить весь диапазон разброса поперечных скоростей в пределах 25%≤δv≤30%.
Причины неустойчивости релятивистских электронных пучков могут носить и волновой, микроскопический характер. В этом случае неустойчивость электронных пучков связывается с энергетическим разбросом электронов пучка [Плахотник А.С. Микроскопический механизм неустойчивости скоростей электронов релятивистского пучка // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. №5. С.72].
A
1
1
В науке и технике известен аналог - мегаваттный гиротрон, работающий на частоте 94 ГТц, потенциал анода U=80 кВ, магнитная индукция соленоида В=3,36 Тл, r - радиус окружности, на которой лежат центры спиральных траекторий электронов, r=0,68 см, r - радиус спиральной траектории, r=0,02 см [Савин В.Б., Кузьмина В.Г. Приборы гиротронного типа. Зарубежная радиоэлектроника. №7. 1986. С.59].
Недостаток данного аналога заключается в ухудшении выходных параметров в связи с разбросом поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-2
-3
-2
Расчет относительного разброса поперечной скорости электронов вращающихся электронных лучей для аналога с учетом энергетического разброса электронов луча при n=1 дает ∂v≈32% в случае относительной нестабильности частоты α=10 и β=0.3. При повышении стабильности частоты до величины α=10 в случае β=0,3 относительный разброс скоростей ∂v≈3,2%. В случае α=10 увеличение вращательной скорости β=v/c до β≈0,4 приводит к разбросу скорости ∂v≈24% [Плахотник А.С. Микроскопический механизм неустойчивости скоростей электронов релятивистского пучка // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. №5. С.73]. Полученный расчетным путем диапазон разброса поперечных скоростей 24%≤δv≤32% совпадает с эмпирически установленным для гиротронов диапазоном разброса поперечных скоростей в пределах 25%≤δv≤30% [Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона. ЖТФ. Т. 67, №9. 1997. С.98].
Численные эксперименты показывают, что величина относительного разброса скоростей пропорциональна относительной нестабильности частоты. Поэтому повышение стабильности частоты гиротрона способствует увеличению и КПД, и выходной мощности прибора.
Известен принятый за прототип гиротрон (патент на изобретение SU 1314867 A1, H01J 25/00, 10.05.2000), в котором повышение стабильности частоты достигается с помощью стабилизирующего генератора.
Недостаток прототипа заключается в наличии дополнительного стабилизирующего генератора, в необходимости соединения выходного волновода гиротрона со стабилизирующим генератором посредством отрезка волновода прямоугольного сечения.
К недостаткам прототипа можно отнести также снижение надежности устройства, повышение стоимости гиротрона.
Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового «Гиротрона с внешним открытым резонатором», конструктивные и функциональные особенности которого позволяют наряду с повышением стабильности частоты повысить КПД и выходную мощность, а также в меньшей степени повлиять на надежность и стоимость гиротрона сравнительно с прототипом.
Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
- применение внешнего открытого резонатора с высокой добротностью, значительно превышающей добротность резонатора гиротрона, способствует повышению добротности резонатора гиротрона;
- повышение добротности резонатора гиротрона за счет применения внешнего открытого резонатора с высокой добротностью приводит к увеличению стабильности частоты гиротрона;
- увеличение стабильности частоты гиротрона вызывает возрастание КПД и выходной мощности за счет уменьшения разброса поперечных скоростей и повышения эффективности взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей и электромагнитных колебаний;
- открытый резонатор характеризуется не только высокой добротностью, но и большой допустимой колебательной мощностью, незначительной плотностью спектра собственных колебаний;
- применение только внешнего открытого резонатора для увеличения стабильности частоты гиротрона в меньшей степени влияет на надежность и стоимость гиротрона по сравнению с использованием для тех же целей дополнительного стабилизирующего генератора и отрезка волновода прямоугольного сечения в прототипе.
0
0
Для достижения указанного технического результата предложено устройство «Гиротрон с внешним открытым резонатором», содержащее катод, анод, резонатор, отличающееся тем, что энергия гиротрона выводится во внешний открытый резонатор, содержащий первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему открытого резонатора. В качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (2…3)r для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.
0
0
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что вывод энергии гиротрона связан с внешним открытым резонатором, содержащим первое зеркало, второе зеркало и направляющую систему открытого резонатора, а в качестве направляющей системы открытого резонатора используется отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которого конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (2…3)r для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.
Дополнительным отличием является то, что в качестве первого и второго зеркал используются плоские зеркала.
Другим дополнительным отличием является то, что в качестве первого и второго зеркал используются конфокальные зеркала.
0
0
Вокруг внешнего открытого резонатора конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (2…3)r для беспрепятственного распространения поверхностной волны вдоль диэлектрического волновода за счет следующего технического решения. Конструктивно гиротрон с внешним открытым резонатором как единое устройство выполняется таким образом, чтобы конструктивные элементы гиротрона находились вне зоны радиусом (2…3)r вокруг внешнего открытого резонатора. Это достигается последовательным расположением гиротрона и внешнего открытого резонатора на одной продольной оси.
0
0
0
Свободная зона радиусом (2…3)r для беспрепятственного распространения поверхностной волны вдоль диэлектрического волновода обоснована тем, что, во-первых, установлено, что внутри граничного радиуса r проходит значительная часть всего потока энергии (80...90%), во-вторых, поверхностная волна вдоль диэлектрического волновода распространяется широким волновым пучком, диаметр которого имеет порядок 2r [Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: Связь. 1973. 480 с. С.298, 299].
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для повышения стабильности частоты, КПД и выходной мощности гиротрона.
Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, стабильность рабочей частоты, но и в меньшей степени повлиять на надежность и стоимость гиротрона в сравнении с прототипом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом:
- фиг.1 - Гиротрон с внешним открытым резонатором, общий вид.
На фиг.1 представлен Гиротрон с внешним открытым резонатором, общий вид:
1. Гиротрон;
1.1. Катод;
1.2. Анод;
1.3. Резонатор;
1.4. Вращающиеся электронные лучи;
2. Открытый резонатор;
2.1. Первое зеркало;
2.2. Второе зеркало;
2.3. Направляющая система открытого резонатора.
Гиротрон 1 фиг.1 с внешним открытым резонатором 2 фиг.1 содержит катод 1.1, анод 1.2, резонатор 1.3 и внешний открытый резонатор 2, содержащий первое зеркало 2.1, второе зеркало 2.2 и направляющую систему открытого резонатора 2.3 фиг.1. В качестве примера первое зеркало 2.1, второе зеркало 2.2 фиг.1 выполнены конфокальными.
0
0
Вывод электромагнитной энергии гиротрона 1 фиг.1 осуществляется во внешний открытый резонатор 2 фиг.1. Открытый резонатор 2 фиг.1 представляет собой систему из двух зеркал - первого зеркала 2.1, второго зеркала 2.2 - и направляющей системы открытого резонатора 2.3 фиг.1. Направляющая система открытого резонатора 2.3 фиг.1 представляет собой отрезок диэлектрической линии передачи, вокруг которой конструктивно обеспечивается свободная зона радиусом (2…3)r для беспрепятственного распространения поверхностной волны, где r - граничный радиус поля в круглом диэлектрическом волноводе.
Устройство работает следующим образом
«Гиротрон с внешним открытым резонатором» предназначен для генерации электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с повышенными стабильностью частоты и выходными энергетическими характеристиками - КПД и выходной мощностью.
Генерируемая гиротроном 1 фиг.1 электромагнитная энергия поступает во внешний открытый резонатор 2 фиг.1. Открытый резонатор 2 фиг.1 характеризуется высокой добротностью и вносимое им в резонатор 1.3 фиг.1 гиротрона 1 фиг.1 реактивное сопротивление по модулю многократно превышает активное. За счет этого увеличивается добротность резонатора 1.3 фиг.1, а стабильность частоты гиротрона 1 фиг.1 возрастает. Повышение стабильности частоты гиротрона приводит к значительному уменьшению разброса поперечных скоростей электронов вращающихся электронных лучей 1.4 фиг.1. Это улучшает эффективность взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей 1.4 фиг.1 и электромагнитных колебаний гиротрона 1 фиг.1. В результате повышаются и выходные энергетические характеристики гиротрона - КПД и выходная мощность.
Заявленная полезная модель «Гиротрон с внешним открытым резонатором» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с повышенными стабильностью частоты, КПД и выходной мощностью в составе передающего устройства радиолокационной станции или конкретной промышленной установки.
Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- применение внешнего открытого резонатора с высокой добротностью, значительно превышающей добротность резонатора гиротрона, способствует повышению добротности резонатора и увеличению стабильности частоты гиротрона;
- увеличение стабильности частоты гиротрона вызывает возрастание КПД и выходной мощности за счет уменьшения разброса поперечных скоростей электронов и повышения эффективности взаимодействия электронов вращающихся электронных лучей и электромагнитных колебаний;
- открытый резонатор характеризуется не только высокой добротностью, но и большой допустимой колебательной мощностью, незначительной плотностью спектра собственных колебаний;
Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства гиротронов, открытых резонаторов.