50	Глава 1

колебаний высшего порядка снижаются потери и тепловые нагрузки в стенках резонатора до приемлемых величин. Спиральные поливинтовые электронные потоки с мощностями свыше 4–5 МВт формируются с применением триодных и тетродных магнетронно-инжекционных пушек.

Построение мощных гиротронных генераторов потребовало решения многих научных, конструкторских и технологических проблем, таких как создание теплостойкого вывода энергии с минимальными потерями, построение элек- тронно-оптических систем с напряжениями 80–100 кВ и токами свыше 40–50 А, создание коллекторной системы с рекуперацией для повышения технического КПД (подробнее об этих разработках говорится впоследующихразделах).

Одной из наиболее сложных является задача обеспечения селекции типов колебаний высшего типа для одночастотной генерации. Решение этой задачи потребовало тщательной разработки магнетронной пушки с минимальным разбросом скоростей электроновиприменения новыхтиповрезонаторов, обеспечивающих селекцию рабочего вида колебаний. Полученные результаты подтвердили выводы теории [30–35], моделирующеймногомодовуюработугиротронныхгенераторов, установившей подавление соседних паразитных типов колебанийвсильнонелинейномрежиме.

1.2.1.3Особенности 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 f≤50 ГГц конструкции гироприборов сравнительно просты, поскольку не требуют мелкоструктурных замедляющих систем и могут быть реализованы при построении обычных соленоидальных магнитных

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 51

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 λ≤3 мм

илинейно 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.

Всоответствии 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,

кувеличению диаметра спирального электронного потока

ик 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 резона-

тора L>>λ, R>>λ можно оценить величину относительной частотной расстройки соседних мод колебаний: f/f=[8π2(R/λ)2(L/λ)]–1. В свою очередь можно полагать, что величины R/λ, L/λ возрастают пропорционально n и, таким образом, f/f~1/n3. Отсюда следует, что важнейшей проблемой при построении гиротронов на гармониках цикло-

52	Глава 1

тронной 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 (смотри обзор литературы в [47, 48]). Прогресс экспериментальных разработок в этом направлении, однако, существенно замедлен из-за 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, что может быть достигнуто увеличением добротности резонатора на рабочей частоте. При этом условии раньше всех других мод возбуждается мода с минимальным пусковым током. Возникновение колебаний на других модах кроме рабочей возможно только с запаздыванием по мере нарастания тока электронного пучка. 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.

Рабочие частоты гиротронов выбираются вблизи критических частот мод колебаний, резонансных с гармониками циклотронной частоты Ω, в области больших фа-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 53

зовых скоростей волны vф и, соответственно, малых величин волнового числа k=ω/vф.

При работе на основной частоте циклотронного резонанса тип рабочей моды выбирают обычно так, чтобы ослабить конкуренцию мод, т.е. выполняется условие достаточного разряжения спектра собственных частот резонатора в области рабочей частоты. При этом наличие мод, резонансных с высшими гармониками циклотронной частоты nΩ, не сказывается на режиме установления стационарного режима, так как в слаборелятивистском гиротроне пусковые токи мод возрастают с увеличением номера гармоники n циклотронной частоты пропорционально (β )–2n=(v /c)–2n [49]. Отсюда следует, что при работе на гармониках циклотронной частоты при n≥2 пусковой ток на частоте основного гирорезонанса (n=1) Iст.1 оказывается меньшим, чем пусковой ток Iст.n на частоте гармоники. Таким образом, наличие в спектре собственных частот резонатора частоты резонансной с Ω нежелательно, так как такая паразитная мода может легко самовозбудиться. Однако, даже при отсутствии в спектре частот близких к Ω, в гиротронах, работающих на второй гармонике (n=2), опасность представляют паразитные моды, возбуждающиеся с относительно большим волновым числом k=ωп/vф при условии [ωп±kvII–Ω]<<Ω. Отношение пусковых токов для рабочей и паразитной мод можно приближенно определить из выражения [49]:

I рст	=	1		G		1	− R рR р	,	(11)
				п			1 2
I ст		4qβ2				1
				G	р		− RпRп
п							1 2

где Rs1,2 – коэффициенты отражения на торцах резонатора для рабочей (s=р) и паразитной (s=п) мод колебаний, Gs – структурные коэффициенты, q – число вариаций поля для паразитной моды. Из (11) видно, что с ростом напряжения

(пропорционально β2 ) пусковые токи рабочей и паразит-

54 Глава 1

ной мод сравниваются. Увеличение коэффициентов отражения на торцах резонатора R1р,2 для рабочей моды и

уменьшение R1п,2 для паразитной моды уменьшает отношение пусковых токов и облегчает возбуждение колебаний на

гармонике циклотронной частоты. Условие Iрст ≤1 удовле-

Iпст

творяется, если разнос ω между критической частотой паразитной моды ωп,с и циклотронной частотой Ω удовлетворяет условию:

ω	≥	1		λпGп (1 − R1рR2р )		2
ωп,с		2				.	(12)
				8β2 LGр (1 − R1пR2п )

Таким образом, при выполнении (12) пусковой ток паразитной моды превышает пусковой ток рабочей моды. При этом в пусковом режиме, при нарастании тока электронного пучка, первой возбудится рабочая мода. Это, однако, не означает, что в существенно нелинейном стационарном режиме гиротрона, выбранная рабочая мода будет устойчивой. Теоретическое и экспериментальное исследование конкуренции мод с ωр≈2Ω и ωп≈Ω±kvII [34, 35, 50] позволило определить области рабочих параметров, соответствующие возбуждению мод и их устойчивым стационарным режимам. Показано, что на плоскости ток пучка I – рас-

	2	ωp
стройка рабочей частоты р=					, при фиксиро-
	2
			2Ω	−1
	β

			2		2ωп − ωр
ванной величине взаимной расстройки =
			2
					2Ω
			β

можно определить три качественно различные области режимов генерации I – III. В I вне зависимости от очередности возбуждения мод устанавливаются колебания рабочей

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 55

моды; в II всегда возбуждается паразитная мода; в III устанавливается одномодовая генерация первоначально возбудившейся моды. На основе расчетов и экспериментальных исследований установлено, что область I может быть расширена при сокращении длины пространства взаимодействия и смещении максимума электрического поля в резонаторе в сторону катода.

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 fc 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 [51]. 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 ω0 при возбуждении в них типов колебаний с одинаковыми азимутальными индексами m, и различными радиальными индексами q1, q2, а именно TEm, q1 и TEm, q2. Это условие выполняется, если R1/R2=νm,q1/νm,q2. Здесь νm,q1,νm,q2 – q1-й и q2-й нули производ-

56

Глава 1

ной функции Бесселя J′m. В рассматриваемой работе q2=q1+1. В нерегулярном волноводе связи указанных резонаторов имеет место взаимная трансформация мод ТЕm, q1, и ТЕm, q2. На частоте ω0=nΩ резонатор работает как единая колебательная система с общей длиной L1+L2 с наибольшей дифракционной

добротностью Qдифmax~4π[(L1+L2)/λ]2. На других парах мод связь резонаторов резко уменьшается, резонаторы оказыва-

ются практически не связанными, имеющими различные резонансные частоты. При этом добротности независимых резонаторов 1, 2 резко падают и протяженность их ВЧ-поля 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 генерациинапервойгармоникециклотроннойчастоты.

Рис. 13

а) Электродинамическая система гиротрона СРТМ на основе связанных резонаторов 1, 2, возбуждаемых на типах колебаний TEm q с различными радиальными индексами q1, q2, трансформируемых нерегулярным отрезком 3.

б) Распределение электрического поля на частоте ω0=nΩ (кривая II) и на частотах вне гирорезонанса (кривая I)

Электродинамическая система типа СРТМ была успешно применена при построении гиротрона на 3-й гармонике циклотронной частоты [52]. Так же, как в [51], поля паразит-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 57

ных 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 восновномпараметрамивыходногорезонатора.

Питание гиротрона на третьей гармонике осуществлялось импульсным напряжением 55 кВ при длительности импульса 40 мкс, с частотой повторения 25 Гц. Магнитное поле, соответствующее λ=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 [53]. 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 размерамзеркалпосравнениюсдлинойволны.

Исследования гироприборов на открытых резонаторах, работающих на гармониках циклотронной частоты, открывают возможности построения мощных ЭВП в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметро-

58	Глава 1

вом диапазонах волн при достижимых магнитостатических полях. Так, при λ=1 мм генерация может быть реализована на второй гармонике при B0=6,2 Т и КПД=10% [53].

В) В гиротронах, работающих на гармониках n=1–3 применяется поливинтовой электронный пучок, формируемый магнетронно-инжекционной 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 ТЕmq, имеющей большой азимутальный индекс m. Ось такого пучка совпадает с осью резонатора, а его статическая траектория расположена в области максимальной азимутальной компоненты Еϕ электрического поля. Условие синхронизма выполняется при m=n, когда ω=mΩ. C увеличением индекса m требуемое магнитное поле уменьшается в m раз, электрическое поле Еϕ все в большей степени прижимается к стенке резонатора. В качестве иллюстраций на рисунках14а, б приведены изображения траекторий электронов в поливинтовом и моновинтовом пучках соответственно, ана рисунке 15a приведена радиальная зависимость амплитуды азимутальной компоненты напряженности электрического поля Еϕ(r/a)~Jm′(νmqr/a), где а – радиус цилиндрического резонатора, νmq – q-й корень первой производной функцииБесселяm-гопорядка. Приработеначастотеблизкой к критической ωc радиус цилиндрического резонатора для волны типа TEm,q определяется как a=νmqc/ωc. Величины a/λc=f(q) для фиксированных значений азимутального индекса m приведены на рисунке 15б. Можно видеть, что с увеличением m и фиксированных значениях λc, q следует увеличивать радиус резонатора, однако, тем в меньшей мере, чем больше радиальный индекс q. Следует отметить, что на начальном этапе развития в гиротронах, работающих на гармониках ги-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 59

рочастоты применяли резонаторы на модах с нулевым азимутальныминдексомm=o (TM0,q,1).

Рис. 14

а) Траектории электронов в поливинтовом пучке. б) Траектории электронов в моновинтовом пучке.

Конструкция ЭОС должна быть выполнена так, чтобы моновинтовой электронный пучок имел радиус r0, при котором он располагается в области максимальной азимутальной компоненты электрического поля волны типа ТЕmq. Угловая орбитальная скоростьэлектроноввмоновинтовомпучкеvϕ=r0Ω=r0ω/n. Сучетом зависимостей рис. 15а,б величина требуемой азимутальной скорости электронов возрастает с увеличением радиального номерагармоникиq, накоторойработаетприбор.

Рис. 15

а) ИзменениепорадиусуамплитудыазимутальнойсоставляющейэлектрическогополяЕϕ волнытипаТЕm,q дляразличныхзначенийазимутальногоиндекса m=5…30. б) Зависимостиa/λс отq дляфиксированныхзначенийm.