Электродинамическая система

Особенности построения гироприборов на гармониках циклотронной частоты
Гиротроны на основной частоте циклотронного резонанса обеспечивают высокие энергетические параметры в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. В миллиметровом диапазоне при /<50 ГГц конструкции гироприборов сравнительно просты, поскольку не требуют мелкоструктурных замедляющих систем и могут быть реализованы при построении обычных соленоидальных магнитных систем с жидкостным охлаждением. Однако, в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах возникают существенные трудности при создании осевого магнитного поля в пространстве взаимодействия с величинами индукции, превышающими 4 Тесла при <3 мм и линейно возрастающими при увеличении частоты. Такие магнитные поля требуют применения сверхпроводящих соленоидальных систем с использованием методов и материалов высокотемпературной сверхпроводимости либо систем охлаждения жидким гелием. В этих коротковолновых диапазонах значительный интерес приобретают гироприборы, работающие на гармониках циклотронной частоты.
При использовании гармоники с номером n требуемая магнитная индукция уменьшается в n раз что значительно упрощает построение магнитных систем.
В соответствии с приведенными выше теоретическими оценками поперечный КПД гиротронов на второй гармонике (n=2) близок к КПД на основном гирорезонансе, а при n=3 уже заметно уменьшается.
Уменьшение магнитной индукции приводит, однако, к увеличению диаметра спирального электронного потока и к соответствующему увеличению поперечного размера высокочастотной системы. В связи с этим в качестве электродинамических систем гиротронов на гармониках циклотронной частоты применяются сверхразмерные многомодовые резонаторы. При высокой дифракционной добротности цилиндрического резонатора и размерах резонатора L>>X, R>>X можно оценить величину относительной частотной расстройки соседних мод колебаний: A///=8n2(R/)2(L/)»1. В свою очередь можно полагать, что величины RJX, L/X возрастают пропорционально n и, таким образом, A///~1/n. Отсюда следует, что важнейшей проблемой при построении гиротронов на гармониках циклотронной частоты, является селекция типов колебаний в резонаторе и обеспечение одномодового, одночастотного режима автоколебаний.
В течение всего времени развития ЭВП гиротронного типа не ослабевает интерес к созданию эффективных генераторов и усилителей на гармониках циклотронной частоты. Выполнены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования по оптимизации энергетических и диапазонных характеристик этих приборов . Прогресс экспериментальных разработок в этом направлении, однако, существенно замедлен изза значительных трудностей в подавлении паразитных типов колебаний, особенно, возникающих на основной частоте циклотронного резонанса.
Режим одномодового самовозбуждения может быть реализован в том случае, если стартовый ток рабочей моды значительно меньше стартовых токов соседних типов колебаний. При этом условии все другие моды колебаний кроме рабочей вообще не возбуждаются или подавляются в нелинейном режиме рабочей модой, имеющей наибольшую амплитуду. Следует, однако, отметить, что при максимальной добротности выбранного рабочего типа колебаний увеличивается время установления стационарного режима. Поэтому в процессе установления может оказаться более предпочтительным стационарный режим на моде с меньшей добротностью и с большей скоростью нарастания амплитуды.
В гиротронах применяются два основных метода селекции типов колебаний в многомодовых резонаторах: электронный метод, в соответствии с которым параметры и размещение электронного пучка в резонаторе выбираются так, что его взаимодействие с паразитными типами колебаний уменьшается; электродинамический метод, в одной из реализаций которого рабочая частота при выбранном типе колебаний расположена наиболее близко к частоте отсечки / волновода резонатора. При этом добротность резонатора на рабочей частоте оказывается максимальной, а пусковые токи наименьшими.
Приведем примеры известных конструкций, решающих задачу селекции типов колебаний в ряде гиротронов, работающих на второй и третьей гармониках циклотронной частоты.
А) Пространство взаимодействия выполняется в виде двух связанных резонаторов 1, и 2, возбуждаемых на типах колебаний с различными радиальными индексами рис.13 45. В литературе такие электродинамические системы получили название СРТМ связанные резонаторы с трансформацией мод. Радиусы резонаторов R1, R2 выбраны так, что они имеют одинаковую резонансную частоту ш0 при возбуждении в них типов колебаний с одинаковыми азимутальными индексами m, и различными радиальными индексами q1, q2, а именно TEm, q1, 1 и TEm, q2, 1. Это условие выполняется, если R1/R2=vm,q1/vm,q2. Здесь vm,q1,vm,q2 q1 ый и q2ой нули производной функции Бесселя Jm. В рассматриваемой работе q2=q1+1. В нерегулярном волноводе связи указанных резонаторов имеет место взаимная трансформация мод ТЕт, q1, и ТЕЩ q2, 1. На частоте ш0 резонатор работает как единая колебательная система с общей длиной L1+L2 с наибольшей дифракционной добротностью Q max ~4tc(L1+L2)/ . На других парах мод связь резонаторов резко уменьшается, резонаторы оказываются практически не связанными, имеющими различные резонансные частоты. При этом добротности независимых резонаторов 1, 2 резко падают и протяженность их ВЧполя сокращается. Гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты в диапазоне длин волн 8, 9 мм обеспечивал в импульсном режиме при длительности импульса 30 мкс выходную мощность 80 кВт и КПД=45%. Уровень тока пучка и выходной мощности ограничивался возникновением паразитной генерации на первой гармонике циклотронной частоты.
Электродинамическая система типа СРТМ была успешно применена при построении гиротрона на 3ей гармонике циклотронной частоты 46. Так же, как в 45, поля паразитных мод в выходном резонаторе занимают лишь часть длины области взаимодействия, что увеличивает их стартовые токи. Отсутствие полей указанных мод в закритической для них входной области обеспечивает фазовую группировку пучка под действием поля рабочей моды. Пусковой ток паразитных мод, возбуждаемых в резонаторе, увеличивается с уменьшением его длины и добротности; КПД генератора определяется в основном параметрами выходного резонатора.
Питание гиротрона на третьей гармонике осуществлялось импульсным напряжением 55 кВ при длительности импульса 40 мкс., с частотой повторения 25 Гц. Магнитное поле, соответствующее =5,6 мм (n=3), создавалось соленоидом, охлаждаемым водой. Рабочая пара мод ТЕ71, ТЕ72. Выходная мощность генератора при токе пучка I=30 A достигала 150 кВт при КПД=10%.
Б) В качестве резонатора гиромонотрона используется квазиоптическая система конфокальный резонатор ФабриПеро, в котором два сферические зеркала разнесены относительно центра на расстояния близкие к их радиусам кривизны 47. В таком приборе устройство для вывода энергии и коллектор электронов пространственно разделены. Для достижения высокого уровня мощности возможно применение ленточного электронного пучка. Несомненными достоинствами гиротрона на квазиоптической резонансной системе является: а) высокая эффективность селекции мод колебаний; б) возможность перестраивать резонансную частоту выбранной моды колебаний в широких пределах путем изменения расстояния между зеркалами; в) уменьшение высокочастотных потерь и облегчение теплового режима благодаря значительным размерам зеркал по сравнению с длиной волны.
Исследования гироприборов на открытых резонаторах, работающих на гармониках циклотронной частоты, открывают возможности построения мощных ЭВП в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах волн при достижимых магнитостатических полях. Так, при А=1 мм генерация может быть реализована на второй гармонике при Д)=6,2 Т и КПД=10% 47.
а)
В) В гиротронах, работающих на гармониках n=13 применяется поливинтовой электронный пучок, формируемый магнетронноинжекционной пушкой, ось которой совпадает с осью резонатора. При работе на высоких гармониках циклотронной частоты (n>5) в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазонах волн оказывается эффективным использование моновинтового пучка, взаимодействующего с волной TEmq, имеющей большой азимутальный индекс m. Ось такого пучка совпадает с осью резонатора, а его статическая траектория расположена в области максимальной азимутальной компоненты Еф электрического поля. Условие синхронизма выполняется при m=n, когда Q=mQ. C увеличением индекса m требуемое магнитное поле уменьшается в m раз, электрическое поле Еф все в большей степени прижимается к стенке резонатора. При работе на частоте близкой к критической радиус цилиндрического резонатора для волны типа TEm>q определяется как a=vmqcl®. Следует отметить, что на начальном этапе развития в гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты применяли резонаторы на модах с нулевым азимутальным индексом m=o (TM0q1).

 
Статья прочитана 51 раз(a).
 

Еще из этой рубрики:

 

Здесь вы можете написать отзыв

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля

Внимание: все отзывы проходят модерацию.

Архивы

Наши партнеры

Читать нас

Связаться с нами

Наши контакты

E-mail.      AndreyKu1985@mail.ru

Яндекс.Метрика