Принципиальная схема

Изменение частот вращения. Разработка гиротронов базируется на теоретическом исследовании вопросов взаимодействия спиральных электронных потоков с незамедленными волнами, на рассмотрении вопросов оптимального построения электроннооптических и электродинамических систем приборов.
Условие что соответствует работе вблизи критической частоты шс высокочастотной системы, является одной из характеристик изобретения 14. Это условие обеспечивает достижение ряда целей, а именно:
Исчезает зависимость частоты выходного сигнала от величины дрейфовой скорости электронов vd, что значительно улучшает спектральные характеристики гиротронов.
При работе на высших типах колебаний ТЕтср 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 ВЧсистемы для мешающих типов колебаний уменьшается, что значительно ухудшает взаимодействие с электронным пучком. Благодаря условию шшс 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.
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 кольцевой эмитирующий поясок катода; 2, 3 первый и второй аноды; 4 резонатор (область взаимодействия); 5 соленоидальная магнитная система; 6 волновод вывода мощности; 7 вакуумплотное окно вывода мощности; 8 коллектор отработанных электронов; 9 каналы водяного охлаждения. Катод 1 в электростатическом поле первого анода и в нарастающем магнитном поле Bz(z) является источником трубчатого поливинтового электронного потока с траекториями электронов, вращающимися в плоскости перпендикулярной оси прибора. В области нарастания магнитного поля возникает компрессия электронного потока, при которой его диаметр сжимается, а орбитальная скорость вращения электронов Vof,6 возрастает. Увеличение орбитальной скорости происходит в соответствии с соотношением: Vof,6(Z) /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 взаимодействие трубчатого электронного потока с волнами рабочих типов. Профиль резонатора содержит отрезок области взаимодействия с длиной L>>X, 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 ш гиротрона. Дифракционное излучение в выходной волновод оказывается наименьшим для моды колебаний, частота которой наиболее близка к критической частоте регулярной части резонатора шс Vmpc/Rр (Rр радиус резонатора, vmq для волны типа ТЕт qый корень Jm(x)=0, Jm(x) функция Бесселя mго 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: бдиф=Х0тт, где Qmn=4n(LjA)2 минимальная добротность резонатора гиротрона. Величина х(), как функция параметров l/Lp (G/vXLpA)2, определяется графиками на рис. 3а, для геометрий коллекторной стороны резонатор.
Полная добротность резонатора с учетом омических потерь в его стенках, т. е. с учетом омической добротности Qoa, определится как Q=QомQдиф/(Qом+Qдиф). В большинстве случаев Q0Wl >Q 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.
В действующих гиротронах резонатор выполняется с изменяющимся диаметром в определенных пределах. Профиль резонатора выбирается из соображений достижения максимального КПД прибора. На начальном участке ВЧполе медленно нарастает. Это участок группировки электронов, приводящей к появлению в пучке переменных компонент плотности ВЧ тока. В центральной части резонатора поле достигает максимального значения это участок отбора энергии от электронного пучка. На коротком выходном участке поле резко ослабляется, что приводит к прекращению взаимодействия отработанных электронов с ВЧ полем. Далее СВЧ энергия поступает в выходной волновод, являющийся одновременно коллектором. В области уменьшающегося магнитного поля электронный пучок расширяется и оседает на боковых стенках выходного волноводаколлектора. Окно вывода мощности установлено в торце выходного волновода.
Работа гиротронов на высоких типах колебаний в цилиндрических волноводах и применение электроннооптических систем, формирующих поливинтовые трубчатые электронные потоки, явились важнейшими решениями, позволившими: значительно увеличить мощность электронного пучка до единиц и десятков МэВ в непрерывном режиме, создать мощные электронные приборы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах с параметром Рсрх/ МВтхГГц >10 , что соответствует уровням средней мощности единицы МВт на частоте 100 ГГц. В основе этих достижений явились следующие конструктивные решения: сверхразмерные высокочастотные системы на высших типах колебаний и трубчатые электронные потоки, позволившие значительно, на много порядков, увеличить поперечные размеры пространства взаимодействия (по сравнению с класси ческими ЭВП Отипа) и формировать поливинтовые электронные потоки в эквипотенциальном пространстве области резонансного взаимодействия на циклотронной частоте или ее гармониках.
1.1.2 Группировка электронов в гиротронах
Рассмотрим особенности группировки электронов в спиральных электронных пучках в процессе взаимодействия с волнами TEmq различных типов.
А) Волна типа ТЕ01, рабочая частота ю близка к критической юс, n=1. Винтовые траектории электронов в однородном продольном магнитном поле с индукцией В0 имеют угловую частоту вращения, равную циклотронной частоте Q=eB0/m, с поперечной скоростью v=aQ, где а радиус вращения (см. рис.4а). Приведенная траектория характеризует круговое движение электронов по спирали, ведущий центр которой расположен в области максимального электрического поля волны. Весь поливинтовой электронный пучок может быть представлен как трубчатый, вдоль которого расположены оси электронных траекторий. На рисунке 4а приведена также структура ВЧэлектрического поля волны ТЕ01 с учетом бесконечно большой фазовой скорости на критической частоте. На рисунке 4б представлены траектории движения электронов в поперечной плоскости и структура электрического поля, с которым происходит взаимодействие. Соответствующие траектории и линии электрического поля приведены для двух моментов времени, смещенных друг относительСВЧполе с электрической напряженноно друга на половину периода Т/2=п/0. Электроны 1, стью Е и в осевом магнитном поле В0. 2, 3, 4 влетают в ВЧсистему с равными фазами на орб)Траектории электронов в поперечной бите. При взаимодействии с полем при t=t0 электрон 1 плоскости резонатора в момент времетормозится, электрон 2 ускоряется, электроныЗ, 4 нейни to и to+T/2, Тпериод СВЧколебаний. тральны. В момент времени t=t0+T/2 попрежнему электрон 1 тормозится, электрон 2 ускоряется, электроны 3, 4 не взаимодействуют. Таким образом, рассматриваемые электроны 14 находятся в фиксированных фазах (по отношению к полю) в течение всего периода высокой частоты. Из приведенных выше соотношений следует, что у тормозящегося электрона 1 скорость v уменьшается, масса m уменьшается и циклотронная частота Q1 возрастает. Уменьшение скорости приводит к нарушению баланса сил (центробежной и Лоренца) на орбите с радиусом а, в результате чего равновесный радиус а1 электрона 1 уменьшается (см. линию 1 на рисунке 4б). Электрон 2 увеличивает скорость и в результате его частота вращения Q2 уменьшается а радиус а2 возрастает . Изменение частот вращения Q12 приводит к сближению взаимодействующих электронов 1, 2 с нейтральным электроном 4. В результате, после достаточно большого числа N витков вращения электронов при /с)2хЖ>1 возникает фазовая группировка электронов. Очевидно, что если частота СВЧ колебаний несколько превышает циклотронную частоту, группы попадают в тормозящее поле, и происходит отбор энергии у сгруппированного электронного пучка.

 
Статья прочитана 20 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