5 Гироприборы (+5 стр

1.1.7. Гироприборы

Гироприборы – вакуумные приборы СВЧ с вращающимися электронными лучами. К ним относятся гиротроны и гироконы.

Гиротроны и гироконы можно считать релятивистскими приборами СВЧ. Хотя в гиротронах не используются напряжения выше 100 кВ, их принцип действия основан на релятивистских эффектах. Гироприборы в отличие от прочих вакуумных приборов СВЧ нельзя классифицировать как приборы О– или М–типа.

Первые работы по созданию гиротронов были выполнены в конце 60-х годов. Разработанный прибор был наз­ван мазером на циклотронном резонансе (МЦР), чем его создатели подчеркивали, что он родствен приборам, в которых использовано индуцированное излучение квантовых переходов, отмечая при этом, что МЦР занимают промежуточное положение между обычными вакуумными приборами СВЧ и квантовыми приборами, заимствуя у первых принцип работы на потоке свободных электронов, а у вто­рых — принцип индуцированного излучения возбужденными осцилля­торами. В силу такого промежуточного положения, МЦР являются приборами, работающими в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. В этом диапазоне, квантовые приборы и обычные вакуумные приборы не способны генерировать большие мощности с высоким КПД.

Возникла идея отказаться от сложных замедляющих и резонаторных систем и использовать обычные линии передачи типа волноводов с большими размерами поперечного сечения, то есть обеспе­чить взаимодействие электронов с не замедленными волнами. При этом конечно невозможно получить такой синхронизм, чтобы электроны длительное время взаимодействовали с одной и той же фазой бегу­щей волны (как в ЛБВ).

В гиротронах электроны совершают колебательное движение за счет вращения по спиральным траекториям (рис. 1.18). Чтобы получить спиральный поток электронов необходимо инжектировать их под уг­лом к направлению постоянного магнитного поля так, чтобы эле­ктроны имели поперечную v_τ и продольную v_z составляющие ско­рости (рис. 1.18). Электроны, обладающие поперечной скоростью, закручиваются вокруг силовых линий магнитного поля с угловой скоростью, соответствующей циклотронной частоте , где R – радиус электронной орбиты. Шаг спиральной траектории определяется продольной составляющей скорости и соответствует продольному смещению электронов за циклотронный пе­риод .

Рис. 1.18 Траектория полета электронов

Электронные процессы и механизм взаимодействия с высо­кочастотным полем в гиротроне гораздо ближе к ЛБВ и ЛОВ, чем к лазерам и мазерам. Преимуществом гиротронов перед ЛБВ и ЛОВ является возмож­ность использовать в них отрезки волноводов вместо периодических замедляющих систем, причем волноводы, используемые в гиротронах, не обязательно согласовывать на входе и выходе. С успехом могут быть использо­ваны такие резонансные отрезки волноводов, в которых обеспечива­ется взаимодействие электронов со стоячей волной.

Большим недостатком гиротронов является то, что они работают в сильных магнитных полях.

Гиротроны имеют несколько разновидностей, среди которых основными являются гиромонотрон, гироклистрон и гиро-ЛБВ.

Гиромонотрон — генератор с одним резонатором (рис. 1.19, а). Как правило, используют резонатор 4 на основе отрезка круглого вол­новода. Резонатор открытый, с некоторыми сужениями на концах для обеспечения отражений. Инжектором электронов служит магнетронная пушка 2 с кольцевым эмиттером в коническом катоде 1. Пушка формирует трубчатые электронные потоки со спиральными траекториями электронов 7, закрученными вокруг магнитных силовых линий 8. Вывод энергии 5 обычно объединяют с коллектором и вы­полняют тоже в виде круглого волновода 6.

Гироклистрон — усилитель СВЧ - колебаний (рис. 1.19, б) — имеет два резонатора 4 — входной и выходной, в которых могут быть использо­ваны различные виды колебаний.

Гироклистроны обес­печивают высокий коэффициент усиления (более 30 дБ) в узкой полосе частот (менее 1 %).

Разрабатывают приборы, рассчитанные на получение КПД более 30% на частоте около 100 ГГц при выходной мощности 100 кВт.

Гиро-ЛБВ — широкополосный усилитель, в котором спиральные электронные потоки взаимодействуют с бегущими волнами в согла­сованных линиях передачи (рис. 1.19, в).

Рис. 1.19. Схемы устройства

гиромонотрона (а),

гироклистрона (б)

и гиро - ЛБВ (в)

1 — катод; 2 — анод пушки;

3 — соленоид; 4 — резонатор;

5 — вывод энергии и коллектор;

6 — круглый волновод;

7 — электронные потоки;

8 — магнитные силовые линии)

Конструкции гиротронов совершенствуют с целью увеличения частоты и мощности. Так как повышение частоты связано с увеличением магнитной индукции или с использованием взаимодействия на второй гармонике циклотронной частоты, то для повышения мощности используют высшие типы волн в круглых волноводах с большими диаметрами. Однако при этом возникают проблемы сохранения больших значений КПД и подавления паразитных колебаний. Кроме того, эксплуатация гиротронов в криостатах при больших напряжениях ограничивает об­ласть их применения. Такие приборы в основном применяют для физических исследований плазмы и ее нагрева в Токамаке (тороидаль­ной камере с магнитным полем).

Гиротроны считаются наиболее перспективны как генераторы и усилители сверхбольших мощностей в миллиметровом и субмиллимет­ровом диапазонах длин волн.

Гирокон – это прибор, в котором электронный поток модулируется за счет его отклонения под воздействием вращающегося магнитного поля в резонаторе развертки. Гирокон был предложен в 1967 году. Устройство гирокона представлено на рисунке 1.20.

Рис. 1.20. Схемы устройств конического (а, б) и радиального (б, в) гироконов 1—высоковольтный ускоритель; 2 — электронный луч; 3 — резонатор развертки; 4 — вы­вод энергии; 5 — электростатическая отклоняющая система; 6 — резонатор бегущей вол­ны (выходной); 7 — вывод энергии; 8 — коллектор; 9 — компенсирующий электромагнит; 10 - магнятостатическая отклоняющая система

Высоковольтный ускоритель электронов 1 является релятивистской электронной пушкой, инжектирующей электронный луч 2 энергией 0,5—1,3 МэВ. Электронный луч фокусируется соленоидом (на рисунке не показан) и вводится в цилиндрический резонатор развертки 3 по его оси. Этот резонатор возбуждается входным высокочастотным сигналом, структура поля которого показана на рисунке 1.20, б. Для модуляции электронного потока необходима круговая поляризация высокочастотного магнитного поля, поэтому резонатор раз­вертки возбуждается через два взаимно перпендикулярных ввода энергии со сдвигом фаз 90° так, что структура поля вращается с угловой скоростью, равной скорости электромагнитных колебаний. Электроны отклоняются вращающимся магнитным полем СВЧ. Роль экрана, на котором электронный луч описывает окружность большого радиуса, выполняет выходной резонатор 6 с кольцевой щелью, через которую вращающийся электронный луч проходит на кольцевой коллектор 8. Электростатическая отклоняющая система 5 предназначена для того, чтобы электронный луч прошел через коль­цевую щель, не оседая на стенках выходного резонатора. Выходной резонатор представляет собой свернутый в кольцо прямоугольный вол­новод. Это фактически резонатор бегущей волны, которая возбуждается электронным лучом, вращаю­щимся со скоростью круговой поляризации магнитного поля в резо­наторе развертки. Линейная скорость перемещения луча по кольцу определяется его угловой скоростью, а также углом отклонения луча (рис. 1.20, а) и может превышать скорость света, так как она не определяет скорость электронов. Электроны движутся не вдоль вол­новода, а пересекают его так, что траектории электронов почти совпадают по направлению с силовыми линиями электрического поля. Таким образом, электронный луч наводит волну и вращает ее по кольцевому волноводу. Поскольку луч является единственным и точка входа его в кольцевой резонатор непрерывно изменяется синхронно с фазовой скоростью бегущей в нем волны, электроны в гироконе могут не группироваться в сгустки. Луч является тонким электронным сгустком, подобно электронной спице в магнетроне.

Гирокон - особый прибор, не имеющий аналога среди вакуумных приборов СВЧ. В нем нет модуляции электронов по абсолютному значению скорости, однако имеется модуляция скорости по ее направлению, то есть модуляция за счет отклонения от оси, вдоль ко­торой электроны влетают в резонатор развертки. При этом элек­троны, пролетающие резонатор в различные моменты времени, не следуют точно один за другим: они имеют разные траектории на конической поверхности. Как отмечалось, электроны не группиру­ются в сгустки и расталкивающее действие пространственного заряда в гироконах не играет большой роли. Хорошо сфокусированный луч на­столько тонкий, что его толщина значительно меньше длины волны. Это обеспечивает эффективный отбор энергии от электронного по­тока в максимуме тормозящей фазы высокочастотного поля. В гиро­коне может быть получен электронный КПД, близкий к 100%.

Причины снижения КПД гирокона:

1. начальный разброс энергии электронов;

2. нестабильность тока луча;

3. разброс энергии электронов в пучке, вызванный неиде­альной круговой разверткой;

4. ненулевая скорость электронов, не­обходимая для их выхода на коллектор.

В целях снижения ско­рости релятивистских электронов в гироконе обычно используют компенсирующий электромагнит 9, изменяющий угол влета электронов в выходной резонатор.

Более совершенным конструктивным вариантом является гирокон с радиальным отклонением электронного луча (рис. 1.20, в). В качестве отклоняющей системы в нем использована магнитостатическая сис­тема в виде конической катушки 10. Она обеспечивает отклонение луча до направления, перпендикулярного оси гирокона. В этом слу­чае выходной волновод, сворачивают в кольцо в плоскости вектора Е. Радиальное отклонение, обеспечивает минимальную длину электрон­ного луча и способствует лучшему отбору энергии от электронов, то есть повышению КПД и выходной мощности гирокона.

Гироконы могут быть использованы в качестве высокоэффектив­ных многомегаваттных узкополосных усилителей в диапазонах частот ниже 3 ГГц, что делает их конкурентоспособными по отношению к каскадным клистронам и усилителям М-типа. Гироконы могут быть достаточно компактными. Так, существует радиальный гирокон с внешним радиусом выходного резонатора 23 см.

Принцип отклонения электронного луча сверхвысокочастотным по­лем для увеличения КПД может быть использован и в обычных приборах СВЧ. Например, существует конструкция многорезонаторного клистрона, в предпоследнем резонаторе которого электронный луч отклоняется, а выходной резонатор выполнен так же, как в гиро­коне. Трехкаскадный усилитель такой конструкции обеспечивает усиле­ние 50 дБ.

Кроме рассмотренных приборов существует огромное множество электровакуумных СВЧ приборов и их разновидностей, которые были разработаны учеными за полвека до широкого внедрения полупроводниковых микроволновых приборов. Характерной особенностью всех электровакуумных СВЧ приборов является группирование электронов по плотности потока, даже при отсутствии входного внешнего сигнала. Собственно этим и отличаются электровакуумные микроволновые приборы от обычных электровакуумных приборов.

5