Резонатор для мазера на циклотронном резонансе

 

Изобретение относится к области сверхвысокочастотной электроники для использования в установках управляемого термоядерного синтеза. Резонагор для мазера на циклотронном резонансе содержит отрезок волновода, поверхность которого выполнена в виде многозаходного винтового гофра I с закритическими сужениями 2, 3. Период гофра лежит в пределах Я- 1, 2, а его глубина / определяется вьфажением: {0,244Vf / (l-mf/y,- )( /А. N V (I -m, ,- ) f 0,,5Д, , где Л - рабочая длина волны} , L - длина резонатора; т р т - азимутальные индексы рабочей высшей моды и излучаемой низшей моды TEmiPi соответственно (т. т - А, . где m - число заходов, и гофре); |., . - У . - Р-ые корни уравнения Утр- О (Утр функция Бесселя), Р I, 2, . Изобретение уменьшает плотность мощности омических потерь. 3 ил. (Л 2-V Фиг.З

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PECllVEi JlHH (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТ0РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с

Ф

° °

° Ю

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4014739/24-21 (22) 16.01.86 (46) 15.10.89. Бээл. Р 38 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) А. Л.. Гольденберг и А. Б. Павельев (53) 621.385.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

fi 598483, кл. Н 01 P 7/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР

1Ф 720591, кл. Н О1 Р 7/06, 1980. (54) РЕЗОНАТОР ДЛЯ МА3ЕРА НА ЦИКЛОТРОННОМ РЕЗОНАНСЕ (57) Изобретение относится к области. сверхвысокочастотной электроники для использования в установках управляемого термоядерного синтеза. Резона гор для мазера на циклотронном резо(З1) 4 Н 01 J 23/18, Н Ol Р 7/06

2 нансе содержит отрезок волновода, поверхность которого выполнена в виде многозаходного винтового гофра l c закритическими сужениями 2, 3. Период гофра лежит в пределах 3, — 1, 2, à его глубина g определяется выражением. 0.,244 У, / (l-т,/ V, )(1-ш /)) )/ )1/

/А N > V< (1 "ш т /V, ) с p < О, 53, 4/ббАс2, где Я вЂ” рабочая длина волны N 2L/ß, L — длина резонатора; ш, mg - азимутальные индексы рабочей высшей моды ТЕ,,и излучаемой низшей моды

ТЕ„, соответственно (m = m - А, где m — число заходов,в гофре); >

У вЂ” Р-ые корни уравнения У р= 0 (y > — функция Бесселя), Р = 1 2 °

Изобретение уменьшает плотность мощности омических потерь. 3 ил. С:

1362347

Изобретение относится .к электронике СВЧ, а именно к мощным СВЧ приборам — мазерам на циклотронном резонансе (ИЦР), которые используются в установках управляемого термоядерного синтеза.

Цель изобретения — уменьшение плотности мощности омических потерь в резонаторе за счет того, что в ре- 10 зонаторе, содержащем отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, последняя выполнена в виде многоэаходного гофра.

В основе изобретения лежит реализация в резонаторе таких условий, при которых его добротность на рабочей моде низка, а селективность обеспечивается путем увеличения длины резонатора и соответствующего сужения полосы циклотронного резонанса. Возможность снижения добротности резонатора Q при заданной длине и среднем радиусе R иллюстрируется графиком, представленном на фиг,1, постро- 25 енным на основе численного расчета

$P — параметр, зависящий от глубины

roApa p и типа мод в резонаторе). На фиг. 2 и 3 представлены продольные сечения двух вариантов резонатора.

Резонатор выполнен в виде отрезка волнбвода с винтовым многозаходным гофром 1 с закритическими сужениями

2 и З..Форма закритических сужений 2 и 3 и длина 1 цилиндрического участка

4 в общем случае может быть различной.

В резонаторе, изображенном на фиг. 3, вдоль оси резонатора расположен цилиндрический стержень 5. Геометрия гофра 1 может быть синусоидальной, трапецеидальной, в виде меандра и т.п. Глубина р, период d и число й1 заходов гофра 1 выбираются в соответствии с рабочей модой резонатора и, принципом его работы. 45

Работа такого резонатора основана на переизлучении одной иэ его высших мод ТЕ,„,Р, в одну из низших мод

ТЕ; @. Условие резонансной связи меж- 5О

ФЮ @ ду этими модами записывается для векторов, определяемых на цилиндрической, поверхности с радиусом, равным сред" нему радиусу резонатора Rz, в виде

-в Ь мв

К = К + К где К вЂ” проекция волновых векторов

,г для мод TF. „„H ТЕ,„

"волновой" вектор ГОАра

IKl

2 li

Вдов P угол винтовой линии гофра, при этом К, направлен перпендикулярно оси резонатора, а К вЂ” перпендикулярно канавкам гофра 1.

Это векторное резонансное условие в проекции на азимутальное и осевое направления имеет вид следующих двух условий: л ш = m m

2 л при ш m < направления вращения мбд

Я

ТЕ „и р и ТЕ, p . совпадают; при п| >шg направления вращения различны и (d — период гофра вдоль оси, 4 равны P-ому корню уравнения I = О. I ö,функция Бесселя р-го порядка, р.=

1, 2,...,п.

Рабочая длина rl волны ИЦР определяется напряженностью магнитного поля и,напряжением электронного пучка в резонаторе, а рабочая мода ТЕ,„ критическая длина волны которой близка Krl — средним радиусом Ro резонатора и радиусом электронного пучка, причем m ф О. Азнмутальный индекс ш моды ТЕ„, определяется в соответствии с вышеуказанным условием для индексов ш, а радиальный индекс

Р> зависит от периода гофра d и угла винтовой линии канавок Р.

Поскольку соотношение между lI< и определяет омичвские потери в рей зонаторе, то для достижения положительного эффекта необходимо выполнение условия 9 у 2 9 (показывает расчет), Отсюда следует, что в зависимости от того, насколько 11 превышает

211, период гофра лежит в пределах от 3 до 1, 2Я (Я(d(1, 2Il).

При заданной длине резонатора связь между иода,ми ТЕ„„ „и ТЕ„, (добротность Я резонатора) зависит от глубины гофра и формы его профиля; добротность g является нелинейной функцией параметра р (см. фиг. 1), который определяется выражением (в этом выражении для мод с одинаковым направлени-. ем вращения ш . m z О (при т (m u

5 1362347 б для мод, вращающихся в противоположных ся при увеличении поперечных размеров направлениях, m < m (О для ш > m неоднородностей до 0,5Л . Следовательно, „,„„(при р 0,06)c P с 0,5/1 или

0,244 У, f (1-т /У )(1-т /1/ )3

0,5

AN3 1(1 m 1 ) где N=2L/Ë;

g /l

А=)-, !((Y)e" du I — численный коэффициент, з ависящий от формы гофра; — функция, характеризующая профиль гофра, который в общем случае имеет вид

r=R + — и (y ); Е ()1< 1, f (ч +2 и) =f (ч)

25

Ч = ш Ч+ й2;

v ((! P= arct — угол наклона винтоЫ вых линий; — сА. < 2. — с

При /3 < 0,3 добротность резонатора с1 связана с параметром / и приведенной длиной N простым соотношением г ()

ВР (=A N (P/ß) Н, ((- - -,- ) (/, (I- -+)х

1 г-е (1- )

30 л, 2, h =—

О

Для синусоидального профиля А =—

II

2 дпя меандра А = 2. Таким образом .для наиболее технологических видов гофра 3S значение коэффициента А в выражении параметра /Ъ ограничивается интервалом

Снизу глубина гофра р Ограничена

Величиной при КОТОрОи дОбрОтнОсть 50 гофрированного резонатора близка к

0 ; о соответствует,/Ъ = 0,06. мии ми/(Максимальная величина р определяется эффективностью охлаждения неоднородной по толщине (из-за наличия гофра) стенки резонатора. Оценки показывают, что при продольных размерах неоднородностей, соизмеримых с Я, эффективность охлаждения значительно снижаетПоскольку параметр (зависит от

THTIoB BoJIH TE (( получения заданной добротности 0 величина р может быть различной. Например, при возбуждении в гофрированном резонаторе с синусоидальным гофром моды ТЕ и выводе мощности в виде ТНи расчетная величина р 3,094 Я /

/611 (для 4-х заходного гофра), а при выводе в виде ТЕ„-)=3 343 /JN (3-х заходный гофр), при этом Q и 0,5 амин

В том случае, когда в резонаторе, показанном на фиг. 2, векторное условие резонансного переизлучения моды ТЕ,, выполняется одновременно для двух мод ТЕ „и ТЕ„„(с одинаковыми азимутальными и разными радиальными индексами), для селективного переизлучения в одну из этих мод используется стержень 4, устанавливаемый вдоль оси резонатора (фиг. 3), при наличии которого моды ТЕ„,, и

И (. у

ТЕ, имеют различные волновые числа К.

Профиль сужения 2 подбирают таким образом, чтобы в резонаторе оказывалось "запертой" мода ТЕ„„ <, с одной продольной вариацией поля — ТЕ, .1, а моды с числом продольных вариаций больше 1 излучались через закритическое сужение 2. Например, для pesoнатора на моде ТЕЗ радиус сужения

2R при 1 = 0 должен быть близок к

-2

R — 10 /1,, Таким образом, как следует из за, висимости, приведенной на фиг. 1, добротность резонатора Q в заявляемом резонаторе ниже величины 0 гладкомин стенного резонатора, благодаря чему при заданной плотности ВЧ омических потерь. обеспечивается возможность повьппения выходной мощности HIg Высокие селективные свойства резонатора и вы" сокий КПД достигается увеличением длины резонатора L (что позволяет .сузить полосу циклотронного резонанса и исключить из нее паразитные моды).

13б 2347 — cA< 2, 4 где

N=2L/ß., L—

Минимальная длина резонатора, при которой достигается положительный эффект, определяется требованием чистоты выходного излучения. Точный

5 учет взаимодействующих мод в подобной системе затруднителен, Однако, расчет взаимодействия рабочей моды резонатора ТЕ„„ p/ и бегущей волны ТЕ„, и л при Условии 41 /" Ь2 (где 14 — характеризует продольный масштаб гофра;.

h — постоянная распространения из у20 чаемой моды ТЕ„, 2, определенная на частоте и/„ рабочей моды ТЕ,„ „ в гладком резонаторе длины 1„ радиуса Rp} л показывает, что уже при 1h — h2ol Ь р 2// мощность излучения из резонатора снижается на порядок по сравнению с л мощностью, излучаемой при h = Ь, Таким образом при h = Ь „и Ъ2.„- 20

h„ t, > 2// (здесь Ь,2 — постоянная распространения волны ТЕ,„„„.,определенная на частоте и/„; азимутальный индекс ш,„ волны ТЕ„„„„„ равен азимутальному индексу ш волны TE Р, 25 радиальный индекс отличается на единицу) практически можно ограничиться расчетом взаимодействия мод ТЕ,„, и

ТЕ,„ „ . Таким образом минимальная длина резонатора 30

Например, при выводе энергии из резонатора посредством волны ТЕ2 ми1. нимальная длина резонатора -. Й

Ro

3 15 (— } . При работе на моде ТЕ и 40 и ()мин 5 3

Резонатор работает следующим образом.

В соответствии со средним радиусом 45 резонатора Г., и радиусом пучка в резонаторе возбуждается мода ТЕ „, на частоте, близкой к критической (она образуется лучами, направленными почти перпендикулярно оси резонатора). Гофрированная по винтовым линиям поверхность резонатора переизлучает эту моду в моду ТЕ, в направлении выходного конца резонатора. Благодаря за--критическим сужениям 1 и 2 мода ТЕ „4 оказывается запертой в резонаторе, тогда как мода ТЕ,„, частота которой много больше критической, свободно излучается через открытый торец резбнатора.

Формула из обре тения

Резонатор для мазера на циклотронном резонансе, содержащий отрезок волновода с гофрированной внутренней поверхностью, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью уменьшения плотности мощности омических потерь в резонаторе, поверхность волновода выполнена в виде многозаходного винтового гофра, при этом период гофра лежит в пределах от Я до 1,23,, а глубина р гофра определяется выражением

0,244!/ ((1-т,/J ) (1-тп,//, )1 рабочая длина волны, М; длина резонатора, М; аэимутальные индексы рабочей ТЕ,„, и излучаемой

ТЕ,„ р мод соответственно л л (m = m -m rpem число заходов в гофре);

P-ые корни уравнения

Х„„ = 0 (I функция Бесселя), р = 1,2.!

362347 4ю

l,О

0,5

as

Составитель E. Шитова

Техред Л.Олийнык . Корректор И. Муска

Редактор В. Ахрем

Заказ 6864 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент" ° г. Ужгород, ул. Гагарина, 101