Глава 1 Гиротроны. Принципы действия

идостижимые характеристики

1.1Принципы действия

Разработка гиротронов базируется на теоретическом исследовании вопросов взаимодействия спиральных электронных потоков с незамедленными волнами, на рассмотрении вопросов оптимального построения электроннооптических и электродинамических систем приборов. Решающая роль в обширных теоретических и экспериментальных исследованиях и разработке гироприборов, особенно гиротронов и гироклистронов, принадлежит коллективу Института прикладной физики (Нижний Новгород), руководимому академиком РАН А.В.Гапоновым.

Условие vф→∞, что соответствует работе вблизи критической частоты ωс высокочастотной системы, является одной из характеристик изобретения [14]. Это условие обеспечивает достижение ряда целей, а именно:

-Исчезает зависимость частоты выходного сигнала от вели-

чины дрейфовой скорости электронов vd, что значительно улучшаетспектральныехарактеристикигиротронов.

-При работе на высших типах колебаний ТЕmqp появляется возможность в значительных пределах изменять добротность резонатора для рабочей и мешающих мод. Это связано с тем, что слабые неоднородности в высокочастотной системе не нарушают прохождение волн мешающих типов с более низкими критическими частотами, но запирают волну рабочего типа на частоте близкой к критической. При этом добротность ВЧ-системы для мешающих типовколебанийуменьшается, чтозначительноухудшает взаимодействиесэлектроннымпучком.

Благодаря условию ω→ωс ослабляется мешающая продольная группировка электронов в пучке и основной, определяющей энергетические параметры прибора, оказывается поперечная фазовая группировка, обязанная релятивистскому эффекту зависимости циклотронной частоты от энергии электронов [8, 11, 16, 17].

1.1.1Схема построения гиротронного генератора–монотрона

Принципиальная схема построения гиротронного генератора – резонансного гиромонотрона – приведена на рисунке 2. На этом рисунке приведено также продольное распределение индукции осевого магнитного поля Bz(z). На рис. 2 приняты обозначения: 1 – кольцевойэмитирующий поясоккатода; 2, 3 – первый и второй аноды; 4 – резонатор (область взаимодействия); 5 – соленоидальная магнитная система; 6 – волновод выводамощности; 7 – вакуум-плотноеокновыводамощности; 8 – коллектор отработанных электронов; 9 – каналы водяного охлаждения. Катод1 вэлектростатическомполепервогоанодаив нарастающем магнитном поле Bz(z) является источником трубчатого поливинтового электронного потока с траекториями электронов, вращающимися в плоскости перпендикулярной оси прибора. Вобласти нарастания магнитного поля возникает компрессия электронного потока, при которой его диаметр сжимается, а орбитальная скорость вращения электронов vорб возрастает. Увеличение орбитальной скорости происходит в соответствии с соотношением: [vорб(z)]2/Bz(z)≈const. В области взаимодействия частота вращения достигает стационарного значения, определяемого полем B0, а осевая скорость электронов, с учетом вращения по орбите, определяется ускоряющим потенциалом второго анода. В резонаторе 4 происходит взаимодействиетрубчатогоэлектронногопотокасволнамирабочих типов. Профиль резонатора содержит отрезок области взаимо-

действия с длиной L>>λ, ограниченный с катодного конца сужением, запредельным для волны рабочего типа, а с коллекторного конца – переходом к волноводу вывода мощности, имеющему расширенное сечение. Колебания рабочего типа образуются в результате отражений одной из волн типа TEmq, от участков сужения диаметра резонатора на его торцах. На этих участках локальные критические частоты для волны рабочего типа несколько превышают рабочую частоту ω гиротрона. Дифракционное излучение в выходной волновод оказывается наименьшим для моды колебаний, частота которой наиболее близка к критической частоте регулярной части резонатора ωс=νmqc/Rр (Rр – радиус резонатора, νmq – для волны типа ТЕmq q–ый корень Jm′(x)=0, Jm(x) – функция Бесселя m-го порядка). Дифракционная добротность резонатора на рабочих частотах принимает высокие значения, что обеспечивает эффективное взаимодействие колебаний с электронным пучком. Паразитные типы колебаний, имеющие более низкие критические частоты, не отражаются от нерегулярностей в резонаторе, в результате добротность этих типов падает, и взаимодействие с ними подавляется. Дифракционная добротность для рабочих типов колебаний определяется выражением: Qдиф=χQmin, где Qmin=4π(Lр/λ)2 – минимальная добротность резонатора гиротро-

на. Величинаχ(ξ), какфункцияпараметровl/Lр, ξ=(θ/νmq)(Lр/λ)2, определяется графиками на рис. 3а, для геометрий коллектор-

нойсторонырезонатора, представленныхнарис. 3б[18]. Полная добротность резонатора с учетом омических

потерь в его стенках, т.е. с учетом омической добротности

Qом, определится как Q=QомQдиф/(Qом+Qдиф). В большинстве случаев Qом >Qдиф в результате чего влияние омических

потерь в стенках резонатора незначительно.

Обычно сопряжение резонатора с выходным волноводом делается достаточно плавным, чтобы исключить трансформацию выходной мощности в колебания нерабочих типов.

Врезультате структура поля и в резонаторе, и в выходном волноводеопределяется, восновном, волнойтипаTEmq.

Рис. 2

Принципиальнаясхема построения гиротрона-генератора. Bz(z) – продольноераспределениеиндукцииосевого магнитногополя.

Рис. 3

а) Зависимостьпараметрадифракционной добротностирезонатора

χ = Qдиф /Qmin отпараметровl/Lр, ξ=(θ/νmq)(Lр/λ)2 (кривые1 – l/Lр= 0,23; 2 – l/Lр= 0,115; 3 – l/Lр= 0; 4 – длярис. 3б).

б) геометрииколлекторнойсторонырезонатора, определяющиеθ, Lр, l.

В действующих гиротронах резонатор выполняется с изменяющимся диаметром в определенных пределах. Профиль резонатора выбирается из соображений достижения максимального КПД прибора. На начальном участке ВЧ-поле медленно нарастает. Это участок группировки электронов,