RU2755826C1 - Multi-barrel gyrotron - Google Patents
Multi-barrel gyrotron Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755826C1 RU2755826C1 RU2021102698A RU2021102698A RU2755826C1 RU 2755826 C1 RU2755826 C1 RU 2755826C1 RU 2021102698 A RU2021102698 A RU 2021102698A RU 2021102698 A RU2021102698 A RU 2021102698A RU 2755826 C1 RU2755826 C1 RU 2755826C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gyrotron
- resonators
- electron
- electron beams
- emission regions
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
- H01J23/06—Electron or ion guns
Abstract
Description
Изобретение относится к электронике СВЧ, представляет собой новую разновидность мазера на циклотронном резонансе.The invention relates to microwave electronics, is a new type of cyclotron resonance maser.
Одними из известных устройств высокочастотной вакуумной электроники больших мощностей являются гиротроны [1, 2]. Гиротрон - мощный генератор в субмиллиметровом и миллиметровом диапазоне, основанный на магнитотормозном излучении. Устройство, расположенное в магнитной системе, содержит магнетронно-инжекторную пушку, резонатор, коллекторную систему, систему вывода, выходное окно. В гиротроне в системе катод-анод под действием скрещенных полей формируется полый винтовой электронный пучок. Далее под действием нарастающего магнитного поля пучок распространяется вдоль силовых линий магнитного поля, компрессируется, при этом адиабатически увеличивается доля осцилляторной энергии электронного пучка. В резонаторе гиротрона электронный пучок группируется и эффективно взаимодействует с одной из собственных мод резонатора, отдает часть осцилляторной энергии и оседает на коллектор. Энергия из резонатора выводится осесимметричным способом или при помощи системы квазиоптических зеркал, которые трансформируют волновой пучок в гауссов пучок и транспортируют его через выходное окно.Gyrotrons are one of the known high-power high-frequency vacuum electronics devices [1, 2]. The gyrotron is a powerful generator in the submillimeter and millimeter ranges, based on magnetic bremsstrahlung. The device located in the magnetic system contains a magnetron-injection gun, a resonator, a collector system, an output system, and an exit window. In a gyrotron in the cathode-anode system, a hollow helical electron beam is formed under the action of crossed fields. Further, under the action of the increasing magnetic field, the beam propagates along the lines of force of the magnetic field, is compressed, while the fraction of the oscillatory energy of the electron beam increases adiabatically. In the gyrotron resonator, the electron beam is grouped and effectively interacts with one of the resonator's eigenmodes, gives up part of the oscillatory energy, and is deposited on the collector. The energy is removed from the resonator by an axisymmetric method or by means of a system of quasi-optical mirrors, which transform the wave beam into a Gaussian beam and transport it through the exit window.
Преимуществом гиротронов над другими мазерами на циклотронном резонансе является работа на квазикритических модах резонатора, что снижает влияние разброса поперечных скоростей электронного пучка на эффективность работы гиротрона. Необходимым условием генерации излучения в гиротроне является синхронизм между собственной частотой резонатора ω и одной из гармоник циклотронной частоты: ω≈n⋅ωH. При этом релятивистская циклотронная частота электронов определяется равенством ωH=еВ/γm0,An advantage of gyrotrons over other cyclotron resonance masers is operation at quasi-critical cavity modes, which reduces the influence of the spread of the transverse electron beam velocities on the efficiency of the gyrotron. A necessary condition for the generation of radiation in the gyrotron is the synchronism between the natural frequency of the resonator ω and one of the harmonics of the cyclotron frequency: ω≈n⋅ω H. In this case, the relativistic cyclotron frequency of electrons is determined by the equality ω H = еВ / γm 0 ,
где В - величина однородного продольного магнитного поля в пространстве взаимодействия,where B is the value of a uniform longitudinal magnetic field in the interaction space,
е - элементарный заряд,e - elementary charge,
m0 - масса покоя электрона,m 0 - electron rest mass,
γ - Лоренц-фактор,γ - Lorentz factor,
n - номер циклотронной гармоники.n is the number of the cyclotron harmonic.
Переход к работе на высоких циклотронных гармониках, с одной стороны, позволяет снизить требования к величине магнитного поля в n раз при работе на одинаковой частоте электромагнитного поля. С другой стороны, переход на высокие гармоники позволяет повысить частоту генерации в n раз при работе с тем же уровнем внешнего магнитного поля, и, таким образом, продвинуться далее в терагерцовый диапазон.The transition to work at high cyclotron harmonics, on the one hand, makes it possible to reduce the requirements for the magnitude of the magnetic field by a factor of n when operating at the same frequency of the electromagnetic field. On the other hand, the transition to high harmonics makes it possible to increase the generation frequency by a factor of n when operating with the same level of the external magnetic field, and, thus, to move further into the terahertz range.
Электромагнитное излучение терагерцового диапазона частот является привлекательным для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии, биологии и медицины. При этом в данном диапазоне частот мощность источников излучения существенно снижается по сравнению с СВЧ и оптическими диапазонами. Это снижение обусловлено падением мощности как традиционных приборов СВЧ-электроники, основанных на черенковском излучении прямолинейных электронных пучков (ЛБВ, клистроны), из-за наличия мелкомасштабных элементов и малого размера области взаимодействия, так и падением мощности лазеров при переходе от оптического диапазона к ТГц из-за малой энергии фотонов. Поэтому актуальной проблемой является отсутствие источников ТГц излучения с достаточным уровнем мощности и с возможностями широкой перестройки частоты.Electromagnetic radiation in the terahertz frequency range is attractive for a wide range of fundamental and applied research in physics, chemistry, biology, and medicine. At the same time, in this frequency range, the power of radiation sources is significantly reduced in comparison with the microwave and optical ranges. This decrease is due to a drop in the power of both traditional microwave electronics devices based on Cherenkov radiation of rectilinear electron beams (TWT, klystrons), due to the presence of small-scale elements and the small size of the interaction region, and a drop in laser power when going from the optical range to THz from - for low energy of photons. Therefore, an urgent problem is the absence of THz radiation sources with a sufficient power level and with the possibility of wide frequency tuning.
Недостатком описанного выше канонического (классического) гиротрона является ограничение в непрерывной перестройке рабочей частоты, что уменьшает его частотные возможности и количество потенциальных приложений. Наиболее существенным недостатком канонического гиротрона при продвижении в терагерцовый диапазон и при переходе к работе на высоких циклотронных гармониках является обострение проблемы конкуренции со стороны мод, работающих на более низких гармониках. Кроме того, в нем весьма ограничены возможности перестройки частоты. Для некоторых приложений, когда частотных возможностей одного гиротрона недостаточно, используют группу разночастотных гиротронов со сходными свойствами, что существенно увеличивает стоимость и габариты установки (гиротронного комплекса) в целом. При этом возникает проблема взаимного влияния гиротронов на работу друг друга, обусловленного действием магнитного поля соленоида каждого гиротрона на расположенные рядом гиротроны.The disadvantage of the canonical (classical) gyrotron described above is the limitation in continuous tuning of the operating frequency, which reduces its frequency capabilities and the number of potential applications. The most significant drawback of the canonical gyrotron when moving into the terahertz range and when switching to operation at high cyclotron harmonics is the aggravation of the problem of competition from the modes operating at lower harmonics. In addition, it has very limited frequency tuning capabilities. For some applications, when the frequency capabilities of one gyrotron are insufficient, a group of gyrotrons with different frequencies with similar properties is used, which significantly increases the cost and dimensions of the installation (gyrotron complex) as a whole. In this case, the problem of the mutual influence of gyrotrons on each other's work arises, due to the action of the magnetic field of the solenoid of each gyrotron on the nearby gyrotrons.
В настоящее время существует множество неканонических схем гиротронов, одной из которых является гиротрон с большой орбитой (ГБО) или гиротрон с приосевым электронным пучком [3-7]. В ГБО электроны движутся по винтовым траекториям вокруг оси аксиально симметричного резонатора. ГБО обычно работает на высокой гармонике циклотронной частоты, и, следовательно, при работе на одной и той же частоте электромагнитного поля требует меньшее магнитное поле, и имеет больший радиус орбиты электронов по сравнению с обычным гиротроном «с малой орбитой». При такой геометрии электронного пучка в резонаторе реализуется эффективная электронная селекция, что обеспечивает подавление паразитных колебаний, и возбуждается только мода с азимутальным индексом, равным номеру циклотронной гармоники. Как правило, ГБО имеет сложную неадиабатическую электронно-оптическую систему с кикером или реверсом магнитного поля с высоким коэффициентом перемагничивания (отношение магнитного поля в пространстве взаимодействия к магнитному полю в прикатодной области). Сечение электронного пучка в ГБО существенно меньше, чем в каноническом гиротроне, что при близкой величине плотности тока пучка приводит к заметно меньшей величине полного тока и мощности пучка. Таким образом, в гиротронах с большой орбитой высокая степень селекции, но уровни достижимой мощности заметно ниже, чем для канонических гиротронов. Кроме того, для ГБО требуется система со специфическим распределением магнитного поля, которая не является коммерчески широкодоступной, и поэтому существенно дороже.Currently, there are many non-canonical gyrotron schemes, one of which is a gyrotron with a large orbit (HBO) or a gyrotron with an axial electron beam [3-7]. In HBO, electrons move along helical trajectories around the axis of an axially symmetric resonator. HBO usually operates at a high harmonic of the cyclotron frequency, and, therefore, when operating at the same frequency of the electromagnetic field, it requires a smaller magnetic field and has a larger electron orbital radius compared to a conventional "small orbit" gyrotron. With this geometry of the electron beam, effective electronic selection is realized in the resonator, which ensures the suppression of parasitic oscillations, and only a mode with an azimuthal index equal to the number of the cyclotron harmonic is excited. As a rule, HBO has a complex non-adiabatic electron-optical system with a kicker or reversal of the magnetic field with a high magnetization reversal coefficient (the ratio of the magnetic field in the interaction space to the magnetic field in the cathode region). The cross section of the electron beam in the HBO is significantly smaller than in the canonical gyrotron, which, at a close value of the beam current density, leads to a noticeably lower value of the total current and beam power. Thus, in gyrotrons with a large orbit, there is a high degree of selection, but the levels of attainable power are noticeably lower than for canonical gyrotrons. In addition, HBO requires a system with a specific magnetic field distribution, which is not widely available commercially and therefore is significantly more expensive.
С другой стороны, широко известны многолучевые электронные приборы (клистроны, ЛБВ) [8-10]. В мощных многолучевых приборах используется несколько электронных пучков, каждый из которых распространяется в своем индивидуальном канале (стволе) в замедляющей системе или резонаторном блоке. Переход к многолучевым клистронам позволяет снизить ускоряющее напряжение по сравнению с однолучевыми аналогами, что приводит к уменьшению габаритов и массы клистронов, а также источников их электропитания. Низкопервеансные парциальные пучки лучше группируются и более эффективно отдают энергию в выходном резонаторе, что приводит к повышению КПД клистронов на 10-20% и дает возможность расширения полосы усиления [9, 10]. Но при этом зависящие от длины волны мелкомасштабные элементы этих приборов не позволяют продвинуться далеко в терагерцовый диапазон.On the other hand, multi-beam electronic devices (klystrons, TWT) are widely known [8-10]. In powerful multi-beam devices, several electron beams are used, each of which propagates in its own individual channel (barrel) in a slowing down system or resonator unit. The transition to multi-beam klystrons makes it possible to reduce the accelerating voltage in comparison with single-beam analogs, which leads to a decrease in the size and weight of klystrons, as well as their power supply sources. Low-perveance partial beams are better grouped and more efficiently release energy in the output cavity, which leads to an increase in the efficiency of klystrons by 10–20% and makes it possible to expand the gain band [9, 10]. But at the same time, the wavelength-dependent small-scale elements of these devices do not allow advancing far into the terahertz range.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в авторском свидетельстве SU 786677 «Мазер на циклотронном резонансе» (H01J 25/00, опубл. 23.02.89 г.). Известное устройство содержит систему формирования винтовых электронных пучков в виде аксиально-симметричной электронной пушки с анодом и катодом, имеющим два эмитирующих пояска, а также резонатор и систему вывода, при этом это устройство расположено в магнитной системе. Пушка и резонатор кругового сечения расположены соосно. В пушке формируются два электронных пучка. Дополнительные электронные пучки могут быть использованы как для подавления паразитных колебаний, так и с целью улучшения условий самовозбуждения рабочей моды. В описанном устройстве реализуется возможность увеличения тока пучка и эффективности электронной селекции, что позволяет повысить выходную мощность.The closest in technical essence is the device described in the inventor's certificate SU 786677 "Maser on cyclotron resonance" (H01J 25/00, publ. 23.02.89). The known device contains a system for the formation of helical electron beams in the form of an axially symmetric electron gun with an anode and a cathode having two emitting belts, as well as a resonator and an extraction system, this device being located in a magnetic system. The cannon and the resonator of circular cross-section are located coaxially. Two electron beams are formed in the gun. Additional electron beams can be used both to suppress parasitic oscillations and to improve the conditions for self-excitation of the working mode. In the described device, the possibility of increasing the beam current and the efficiency of electron selection is realized, which makes it possible to increase the output power.
Для большинства приложений субтерагерцового и терагерцового диапазонов требуются частотно-перестраиваемые источники излучения с мощностью порядка 10 Вт, в некоторых случаях даже порядка нескольких мкВт. При этом прототип является мощным (существенно более 10 Вт) и узкополосным прибором. Высокая мощность электронного пучка и самого прибора усложняют и увеличивают стоимость описанной гиротронной установки. Кроме того, работа с электронным пучком высокой мощности требует дополнительные системы охлаждения как резонатора, в котором происходит электронно-волновое взаимодействие, так и коллектора, на который оседает отработанный электронный пучок. Как и некоторые другие гиротроны, устройство-прототип имеет один резонатор, что ограничивает возможности по перестройке частоты или одновременной генерации на нескольких частотах. При продвижении в терагерцовый диапазон существенно повышается стоимость магнитной системы. При переходе к работе гиротрона на высокие циклотронные гармоники снижается требование к магнитной системе, но при этом усугубляется проблема селекции рабочей моды.Most applications in the sub-terahertz and terahertz ranges require frequency-tunable radiation sources with a power of the order of 10 W, in some cases even of the order of several μW. In this case, the prototype is a powerful (significantly more than 10 W) and narrow-band device. The high power of the electron beam and of the device itself complicates and increases the cost of the described gyrotron setup. In addition, operation with a high-power electron beam requires additional cooling systems for both the resonator, in which the electron-wave interaction occurs, and the collector, on which the spent electron beam settles. Like some other gyrotrons, the prototype device has one resonator, which limits the possibilities for frequency tuning or simultaneous generation at several frequencies. When moving into the terahertz range, the cost of the magnetic system increases significantly. With the transition to the operation of the gyrotron at high cyclotron harmonics, the requirement for the magnetic system decreases, but the problem of selecting the working mode is aggravated.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение частотных возможностей, снижение стоимости гиротронных устройств субтерагерцового диапазона.The problem to be solved by the invention is to expand the frequency capabilities, reduce the cost of gyrotron devices in the subterahertz range.
Технический результат в разработанном гиротроне достигается за счет того, что он содержит систему формирования винтовых электронных пучков, резонаторную систему, и систему вывода, и расположен в магнитной системе.The technical result in the developed gyrotron is achieved due to the fact that it contains a system for the formation of helical electron beams, a resonator system, and an extraction system, and is located in a magnetic system.
Новым в разработанном гиротроне является то, что система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, две области эмиссии, резонаторная система состоит из резонаторов, количество которых равно количеству областей эмиссии, и каждый из которых расположен соосно электронному пучку, выходящему из соответствующей области эмиссии, при этом резонаторы выполнены в разных геометрических размерах. Каждый из резонаторов работает в режиме с приосевым электронным пучком (подобном ГБО). При этом все резонаторы расположены в магнитном поле единой (одной и той же) магнитной системы. Использование одной магнитной системы в сравнении с набором гиротронов, когда каждому из них соответствует своя магнитная система, с аналогичными выходными характеристиками не только уменьшает стоимость гиротронной установки, но и упрощает ее.The novelty in the developed gyrotron is that the system for the formation of helical electron beams contains at least two emission regions, the resonator system consists of resonators, the number of which is equal to the number of emission regions, and each of which is located coaxially with the electron beam emerging from the corresponding emission region , while the resonators are made in different geometrical sizes. Each of the resonators operates in a paraxial electron beam mode (similar to a SSS). In this case, all resonators are located in the magnetic field of a single (one and the same) magnetic system. The use of one magnetic system in comparison with a set of gyrotrons, when each of them corresponds to its own magnetic system, with similar output characteristics, not only reduces the cost of the gyrotron setup, but also simplifies it.
В отличие от подходов к формированию электронного пучка, применяемых обычно в ГБО, в разработанном устройстве предлагается использование адиабатической магнетронно-инжекторной пушки (МИП) с секционированной эмиссией. Магнитная система в этом случае не отличается от магнитных систем обычных гиротронов, что упрощает процесс разработки. При указанном подходе к формированию электронных пучков не требуется специального проектирования электронно-оптической системы (ЭОС): например, может использоваться готовый экземпляр известной пушки, при этом лишь обеспечивается секционирование эмиссии.In contrast to the approaches to the formation of an electron beam, which are usually used in HBO, the developed device proposes the use of an adiabatic magnetron-injection gun (MIP) with sectioned emission. In this case, the magnetic system does not differ from the magnetic systems of conventional gyrotrons, which simplifies the development process. With this approach to the formation of electron beams, no special design of the electron-optical system (EOS) is required: for example, a ready-made copy of a known gun can be used, while only securing the emission is ensured.
В случае работы гиротронов с электронными пучками высокой плотности переход к многоствольной системе позволяет снизить влияние пространственного заряда на формирование и распространение электронного пучка. Кроме того, переход от трубчатого винтового электронного пучка к нескольким тонким винтовым электронным пучкам позволяет снизить тепловую нагрузку на стенки каждого резонатора и коллектора, что, в свою очередь, существенно снижает стоимость гиротронной установки.In the case of operation of gyrotrons with high-density electron beams, the transition to a multilateral system makes it possible to reduce the effect of the space charge on the formation and propagation of the electron beam. In addition, the transition from a tubular helical electron beam to several thin helical electron beams makes it possible to reduce the thermal load on the walls of each resonator and collector, which, in turn, significantly reduces the cost of the gyrotron setup.
В первом частном случае реализации разработанного гиротрона система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на одном кольцевом пояске.In the first particular case of the implementation of the developed gyrotron, the system for the formation of helical electron beams is a magnetron-injection electron gun, and the emission regions at its cathode are located uniformly in azimuth relative to the central axis of the gyrotron on one ring belt.
Во втором частном случае система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на разных кольцевых поясках.In the second particular case, the system for the formation of helical electron beams is a magnetron-injection electron gun, and the emission regions at its cathode are located uniformly in azimuth relative to the central axis of the gyrotron on different ring belts.
Использование областей эмиссии, расположенных на нескольких кольцевых поясках, позволяет увеличить их количество и, следовательно, формировать большее число тонких винтовых электронных пучков с достаточным уровнем тока в магнитном поле одной магнитной системы. При этом количество резонаторов (стволов) в резонаторной системе также увеличивается и, следовательно, увеличивается мощность выходного изучения или диапазон широкополосной перестройки частоты. То есть магнитная система используется более эффективно.The use of emission regions located on several annular belts makes it possible to increase their number and, consequently, to form a larger number of thin helical electron beams with a sufficient current level in the magnetic field of one magnetic system. In this case, the number of resonators (trunks) in the resonator system also increases and, therefore, the output study power or the range of broadband frequency tuning increases. That is, the magnetic system is used more efficiently.
В третьем частном случае система формирования винтовых электронных пучков представляет собой магнетронно-инжекторную электронную пушку, а области эмиссии на ее катоде расположены произвольным образом относительно центральной оси гиротрона.In the third particular case, the system for the formation of helical electron beams is a magnetron-injection electron gun, and the emission regions at its cathode are located in an arbitrary manner relative to the central axis of the gyrotron.
Отметим, что те части магнетронно-инжекторной пушки, которые далеки от эмиттера и не оказывают влияния на формирование электронного пучка, могут быть удалены без ущерба для работы системы. В этом случае может быть заметно уменьшена мощность, необходимая для обеспечения термоэлектронной эмиссии. Кроме того несомненным достоинством такого варианта является существенное уменьшение электрической емкости в системе анод-катод, что делает управление параметрами электронного пучка более быстрым.Note that those parts of the magnetron-injection gun that are far from the emitter and do not affect the formation of the electron beam can be removed without affecting the operation of the system. In this case, the power required to provide thermionic emission can be significantly reduced. In addition, the undoubted advantage of this option is a significant decrease in the electric capacity in the anode-cathode system, which makes the control of the parameters of the electron beam faster.
В четвертом частном случае система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, два катодных узла, каждый из которых содержит одну область эмиссии.In the fourth particular case, the system for the formation of helical electron beams contains at least two cathode assemblies, each of which contains one emission region.
В такой реализации устройства несколько катодных узлов расположены в магнитном поле одной магнитной системы. Формирование электронных пучков может быть осуществлено за счет использования нескольких адиабатических МИП, но возможны и другие варианты реализации (неадиабатические МИП, системы со скачком магнитного поля и др.), потенциально имеющие свои преимущества в простоте и стоимости реализации.In such an implementation of the device, several cathode nodes are located in the magnetic field of one magnetic system. The formation of electron beams can be carried out by using several adiabatic MIPs, but other implementation options are also possible (nonadiabatic MIPs, systems with a jump in the magnetic field, etc.), potentially having their own advantages in simplicity and cost of implementation.
В пятом частном случае одна из областей эмиссии расположена на центральной оси гиротрона, при этом дополнительно введена система закрутки электронного пучка.In the fifth special case, one of the emission regions is located on the central axis of the gyrotron, with an additional system of electron beam swirling.
Введение области эмиссии, расположенной на центральной оси гиротрона, позволяет дополнительно увеличить количество резонаторов в многоствольном гиротроне.The introduction of an emission region located on the central axis of the gyrotron makes it possible to additionally increase the number of resonators in the multilateral gyrotron.
В шестом частном случае система закрутки электронного пучка выполнена с возможностью формирования участка неадиабатического движения электронов. В частном случае реализации подобная система закрутки представляет собой кикер.In the sixth particular case, the electron beam swirling system is configured to form a section of non-adiabatic electron motion. In a particular case of implementation, such a spinning system is a kicker.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 схематически изображен гиротрон, на катоде которого области эмиссии расположены равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на одном кольцевом пояске.FIG. 1 schematically depicts a gyrotron, on the cathode of which the emission regions are located uniformly in azimuth relative to the central axis of the gyrotron on one annular band.
На фиг. 2 схематически представлены: а) магнетронно-инжекторная электронная пушка, с областями эмиссии, расположенными равномерно по азимуту относительно центральной оси гиротрона на разных кольцевых поясках; б) резонаторная система многоствольного гиротрона.FIG. 2 schematically shows: a) a magnetron-injection electron gun, with emission regions located uniformly in azimuth relative to the central axis of the gyrotron on different annular belts; b) resonator system of a multi-barreled gyrotron.
На фиг. 3 представлена схема гиротрона с системой формирования винтовых электронных пучков, содержащей два катодных узла, каждый из которых содержит одну область эмиссии в виде кольцевого пояска.FIG. 3 shows a diagram of a gyrotron with a system for the formation of helical electron beams, containing two cathode assemblies, each of which contains one emission region in the form of an annular band.
На фиг. 4 схематически представлены резонаторы, выполненные в разных геометрических размерах (все резонаторы имеют разные диаметры).FIG. 4 schematically shows resonators made in different geometrical sizes (all resonators have different diameters).
На фиг. 5 представлен график зависимости частоты генерации от магнитного поля в многоствольной системе с пятью резонаторами.FIG. 5 shows a graph of the dependence of the generation frequency on the magnetic field in a multilateral system with five cavities.
Разработанный гиротрон по п. 1 или п. 2 формулы (фиг. 1) включает в себя систему формирования винтовых электронных пучков 1, содержащую две расположенных на одном кольцевом пояске области эмиссии 2, резонаторную систему, состоящую из двух расположенных соосно электронному пучку резонаторов 3. При этом разработанный гиротрон расположен в магнитной системе 4.The developed gyrotron according to
Кроме того, по п. 3 формулы система формирования винтовых электронных пучков 1 может включать в себя области эмиссии 2, расположенные на разных кольцевых поясках (фиг. 2а). При этом количество и положение резонаторов 3 (фиг. 2б) должно быть таким, чтобы каждый резонатор соответствовал «своему» электронному пучку и находился с ним на одной оси. В частном случае, представленном на фиг. 2 три области эмиссии расположены на одном пояске и шесть областей на другом, следовательно, выходящим электронным пучкам соответствуют три резонатора, расположенные ближе к оси системы, и шесть резонаторов на большем расстоянии от оси.In addition, according to
На фиг. 3 представлен вариант реализации устройства по п. 5 формулы, содержащего систему формирования винтовых электронных пучков 1, состоящую из двух катодных узлов, каждый из которых содержит одну область эмиссии 2 в виде пояска. При этом каждый электронный винтовой пучок входит в свой резонатор 3.FIG. 3 shows an embodiment of the device according to claim 5 of the formula, containing a system for forming
Заявленное устройство работает следующим образом. Система формирования винтовых электронных пучков 1 содержит, по крайней мере, две области эмиссии 2. В результате термоэлектронной эмиссии формируется облако электронов, которое затем под действием скрещенных магнитного и электрического полей преобразуется в винтовой электронный пучок. Таким образом, в системе формируются, по крайней мере, два тонких винтовых электронных пучка. Далее частицы попадают в нарастающее слабо неоднородное магнитное поле, где их вращательная скорость по адиабатическому инварианту 
В разработанном гиротроне резонаторы 3 выполнены в разных геометрических размерах, то есть имеют либо разные диаметры, либо разные длины, либо одновременно разные диаметры и длины.In the developed gyrotron, the
Использование резонаторов 3 с разными геометрическими размерами позволяет расширить характеристики заявленного устройства. Вариант многоствольного гиротрона выбирается согласно области планируемого применения и определяется требованиями к выходным характеристикам гиротронной установки.The use of
На фиг. 4 схематически представлен вариант реализации разработанного многоствольного гиротрона, в котором резонаторы 3 имеют разные радиусы. В таком случае реализуется широкополосная непрерывная перестройка частоты выходного излучения. Использование секционированной магнетронно-инжекторной электронной пушки с отдельным подогревом каждой области эмиссии 2 и/или секционированным анодом (ограничения по эмиссии) позволяет управлять электронными пучками, реализовать или избежать одновременной многочастотной генерации на одинаковых или различающихся частотах. Возможна генерация на близких или кратных друг другу частотах.FIG. 4 schematically shows an embodiment of the developed multilateral gyrotron, in which the
На фиг. 5 представлен график зависимости частоты генерации от магнитного поля в многоствольной системе с пятью резонаторами 3, имеющими различные радиусы.FIG. 5 shows a graph of the dependence of the generation frequency on the magnetic field in a multilateral system with five
В качестве примера рассмотрен вариант многоствольного гиротрона с широкополосной непрерывной перестройкой частоты. Как правило, в гиротронах непрерывная перестройка частоты реализуется за счет последовательного возбуждения продольных мод TEmpq, имеющих одинаковую поперечную структуру TEmp и отличающихся продольным индексом q. Диапазон перестройки частоты Δω можно оценить аналитически:As an example, a variant of a multi-barreled gyrotron with broadband continuous frequency tuning is considered. As a rule, continuous frequency tuning in gyrotrons is realized due to the successive excitation of longitudinal TE mpq modes , which have the same transverse TE mp structure and differ in the longitudinal index q. The frequency tuning range Δω can be estimated analytically:
где ω - частота генерации,where ω is the generation frequency,
λ - длина волны,λ - wavelength,
L - длина пространства взаимодействия,L is the length of the interaction space,
q - продольный индекс рабочей моды.q is the longitudinal index of the working mode.
В случае многоствольного гиротрона доступный диапазон непрерывной перестройки многократно увеличивается за счет использования нескольких цилиндрических резонаторов 3 с измененными относительно друг друга радиусами, при этом для каждого резонатора 3 длина оптимизируется отдельно. В частности, в многоствольной системе с пятью резонаторами 3 (радиусы имеют следующие величины 3,06 мм, 3,005 мм, 2,95 мм, 2,895 мм и 2,84 мм) на частоте порядка 140 ГГц реализуема перестройка частоты в интервале 13,1 ГГц (фиг. 5). В подобной гиротронной системе с одним резонатором возможна непрерывная перестройка в диапазоне не больше 2,5 ГГц. Таким образом, переход к s-ствольной гиротронной системе позволяет увеличить диапазон непрерывной перестройки в s раз за счет использования нескольких цилиндрических резонаторов 3 с измененными относительно друг друга радиусами и/или длинами.In the case of a multi-barreled gyrotron, the available continuous tuning range increases many times due to the use of several
Далее рассмотрен пример многоствольного гиротрона, предназначенного для одновременной генерации излучения на нескольких частотах, использующего три резонатора. Схема многоствольного гиротрона с приосевым пучком позволяет использовать преимущества ГБО для возбуждения мод, работающих на высоких гармониках гирочастоты. Так, возможны варианты многоствольного гиротрона с одновременным или последовательным возбуждением мод на кратных друг к другу частотах. В частности, при реализации многоствольной системы с тремя резонаторами с одновременной параллельной генерацией на частотах 263 ГГц, 395 ГГц и 527 ГГц работа гиротрона происходит на второй, третьей и четвертой гармониках гирочастоты соответственно. При этом радиусы регулярной части резонатора и его длина оптимизируются для достижения требуемого уровня мощности выходного излучения. Указанные частоты являются востребованными, например, в ДПЯ/ЯМР спектроскопии высокого разрешения [11]. Такая многоствольная система с тремя резонаторами может быть использована вместо набора отдельных гиротронов с аналогичными выходными характеристиками.Next, we consider an example of a multi-barreled gyrotron designed for simultaneous generation of radiation at several frequencies using three cavities. The scheme of a multilateral gyrotron with an axial beam makes it possible to use the advantages of SSS for the excitation of modes operating at high harmonics of the gyrofrequency. Thus, variants of a multi-barreled gyrotron with simultaneous or sequential excitation of modes at frequencies multiple to each other are possible. In particular, when implementing a multilateral system with three cavities with simultaneous parallel generation at frequencies of 263 GHz, 395 GHz, and 527 GHz, the gyrotron operates at the second, third, and fourth harmonics of the gyrofrequency, respectively. In this case, the radii of the regular part of the resonator and its length are optimized to achieve the required output radiation power level. These frequencies are in demand, for example, in high-resolution DNP / NMR spectroscopy [11]. Such a multilateral system with three resonators can be used instead of a set of separate gyrotrons with similar output characteristics.
Данный подход позволяет снизить размеры гиротронных установок, и привлекателен за счет экономии на магнитных системах. Кроме того, в такой схеме отсутствует проблема взаимного влияния гиротронов на работу друг друга, обусловленного действием магнитного поля соленоида соседнего гиротрона, что позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты установки.This approach allows one to reduce the size of gyrotron installations, and is attractive due to the savings on magnetic systems. In addition, in such a scheme, there is no problem of the mutual influence of gyrotrons on the operation of each other, caused by the action of the magnetic field of the solenoid of the neighboring gyrotron, which makes it possible to reduce the cost and reduce the dimensions of the installation.
Как следует из вышеизложенного, разработанное авторами устройство несложно в реализации и включает в себя преимущества как канонического гиротрона, если говорить о системе формирования винтовых электронных пучков, так и ГБО с эффективной селекцией рабочей моды. Такие приборы перспективны для задач по перестройке частоты генерируемого излучения и для продвижения в терагерцовый диапазон, путем возбуждения мод, работающих на высоких гармониках гирочастоты.As follows from the above, the device developed by the authors is easy to implement and includes the advantages of both the canonical gyrotron, in terms of the system for the formation of helical electron beams, and the HBO with effective selection of the operating mode. Such devices are promising for tasks of tuning the frequency of generated radiation and for advancing into the terahertz range by exciting modes operating at high harmonics of the gyrofrequency.
Таким образом, в разработанном гиротроне система формирования винтовых электронных пучков содержит, по крайней мере, две области эмиссии, а резонаторная система состоит из резонаторов, количество которых равно количеству областей эмиссии, и каждый из которых расположен соосно электронному пучку, выходящему из соответствующей области эмиссии, то есть каждый из резонаторов работает в режиме с приосевым электронным пучком (подобном ГБО). При этом резонаторы выполнены в разных геометрических размерах и расположены в единой магнитной системе. Применение резонаторов с разными геометрическими размерами позволяет, во-первых, реализовать широкополосную непрерывную перестройку частоты выходного излучения, а, во-вторых, осуществлять одновременную генерацию излучения на близких или кратных друг другу частотах. Использование одной магнитной системы не только уменьшает стоимость гиротронной установки, но и упрощает ее.Thus, in the developed gyrotron, the system for the formation of helical electron beams contains at least two emission regions, and the resonator system consists of resonators, the number of which is equal to the number of emission regions, and each of which is located coaxially with the electron beam emerging from the corresponding emission region, that is, each of the resonators operates in a paraxial electron beam mode (similar to a SSS). In this case, the resonators are made in different geometrical sizes and are located in a single magnetic system. The use of resonators with different geometric dimensions allows, firstly, to realize broadband continuous frequency tuning of the output radiation, and, secondly, to simultaneously generate radiation at frequencies close or multiple to each other. The use of one magnetic system not only reduces the cost of the gyrotron installation, but also simplifies it.
Источники информацииSources of information
1. Гольденберг А.Л., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Флягин В.А. «Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы», Известия вузов. Радиофизика, 1996, т. 39, №6, с. 635-669.1. Goldenberg A.L., Denisov G.G., Zapevalov V.E., Litvak A.G., Flyagin V.A. “Cyclotron resonance masers: state and problems”, Izvestiya vuzov. Radiophysics, 1996, vol. 39, no. 6, p. 635-669.
2. Nusinovich G.S., Thumm М.K.А. and Petelin M.I. «The Gyrotron at 50: Historical Overview», J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, 2014, V. 35, No. 4. p. 325-381. doi: 10.1007/s10762-014-0050-7.2. Nusinovich G.S., Thumm M.K.A. and Petelin M.I. “The Gyrotron at 50: Historical Overview”, J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, 2014, V. 35, No. 4.p. 325-381. doi: 10.1007 / s10762-014-0050-7.
3. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н. «Субтерагерцовые и терагерцовые гиротроны с большой орбитой», Изв. вузов. Радиофизика, 2009, т. 52, №7, с. 525-535.3. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N. "Subterahertz and terahertz gyrotrons with a large orbit", Izv. universities. Radiophysics, 2009, vol. 52, no. 7, p. 525-535.
4. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н., Самсонов С.В. «Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой» // Журн. техн. физ., 2005, Т. 75, №12, с. 76-81.4. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N., Samsonov S.V. "Electron-optical system of a gyrotron with a large orbit" // Zh. tech. fiz., 2005, T. 75, No. 12, p. 76-81.
5. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., et al. «A high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet» // IEEE Trans. Plasma Sci., 2004, V. 32, No. 3, p. 903-909, doi: 10.1109/TPS.2004.827614.5. Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., et al. "A high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet" // IEEE Trans. Plasma Sci., 2004, V. 32, No. 3, p. 903-909, doi: 10.1109 / TPS.2004.827614.
6. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., et al., «Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet» // Vacuum, 2005, V. 77, №4, p. 539-456, doi: 10.1016/j.vacuum.2004.09.022.6. Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., et al., "Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet" // Vacuum, 2005, V. 77, No. 4, p. 539-456, doi: 10.1016 / j.vacuum.2004.09.022.
7. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н. «Электронно-оптическая система терагерцового гиротрона» // Радиотехника и электроника, 2011, Т. 56, №4, с. 537-544.7. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N. "Electron-optical system of terahertz gyrotron" // Radio engineering and electronics, 2011, V. 56, No. 4, p. 537-544.
8. Palmer R.B., Fernow R.C., Fischer J., et al., «The cluster klystron demonstration experiment» // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1995, V. 366, No. 1. p. 1-16. doi: 10.1016/0168-9002(95)00609-5.8. Palmer RB, Fernow RC, Fischer J., et al., "The cluster klystron demonstration experiment" // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1995, V. 366, No. 1.p. 1-16. doi: 10.1016 / 0168-9002 (95) 00609-5.
9. Борисов Л.М., Гельвич Э.А., Жарый E.B. и др. «Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ» // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника, 1993, №1(455), с. 12-20.9. Borisov L.M., Gelvich E.A., Zhary E.B. and others. "Powerful multi-beam microwave amplifiers" // Electronic technology. Ser. 1. Microwave technology, 1993, No. 1 (455), p. 12-20.
10. Freydovich I.A., Knapp Е.А., Nevsky P.V., et al. «A variable high-power multi-beam klystron design» // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2005, V. 539, No. 1-2, p. 63-73, doi: 10.1016/j.nima.2004.10.004.10. Freydovich I. A., Knapp E. A., Nevsky P. V., et al. "A variable high-power multi-beam klystron design" // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2005, V. 539, No. 1-2, p. 63-73, doi: 10.1016 / j.nima.2004.10.004.
11. Blank M. and Felch K.L. «Millimeter-wave Sources for DNP-NMR» // eMagRes, 2018, V. 7, No. 4, p. 155-165, doi: 10.1002/9780470034590.emrstm1582.11. Blank M. and Felch K.L. "Millimeter-wave Sources for DNP-NMR" // eMagRes, 2018, V. 7, No. 4, p. 155-165, doi: 10.1002 / 9780470034590.emrstm1582.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021102698A RU2755826C1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | Multi-barrel gyrotron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021102698A RU2755826C1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | Multi-barrel gyrotron |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2755826C1 true RU2755826C1 (en) | 2021-09-22 |
Family
ID=77852177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021102698A RU2755826C1 (en) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | Multi-barrel gyrotron |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2755826C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU786677A1 (en) * | 1979-07-25 | 1989-02-23 | Институт прикладной физики АН СССР | Maser on cyclotron resonance |
| JPH087775A (en) * | 1994-06-17 | 1996-01-12 | Toshiba Corp | Gyrotron device |
| US5610482A (en) * | 1992-10-27 | 1997-03-11 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Gyrotron and method of improving its efficiency |
| US20070285018A1 (en) * | 2005-12-15 | 2007-12-13 | Shenggang Liu | Coaxial cavity gyrotron with two electron beams |
| US20100141143A1 (en) * | 2005-12-16 | 2010-06-10 | Shenggang Liu | Coaxial cavity gyrotron with two electron beams |
| RU2523447C2 (en) * | 2012-06-21 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук(ИПФ РАН), | Magnetron-type electron gun for generating helical electron beams with reflected electron trap |
-
2021
- 2021-02-04 RU RU2021102698A patent/RU2755826C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU786677A1 (en) * | 1979-07-25 | 1989-02-23 | Институт прикладной физики АН СССР | Maser on cyclotron resonance |
| US5610482A (en) * | 1992-10-27 | 1997-03-11 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Gyrotron and method of improving its efficiency |
| JPH087775A (en) * | 1994-06-17 | 1996-01-12 | Toshiba Corp | Gyrotron device |
| US20070285018A1 (en) * | 2005-12-15 | 2007-12-13 | Shenggang Liu | Coaxial cavity gyrotron with two electron beams |
| US20100141143A1 (en) * | 2005-12-16 | 2010-06-10 | Shenggang Liu | Coaxial cavity gyrotron with two electron beams |
| RU2523447C2 (en) * | 2012-06-21 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук(ИПФ РАН), | Magnetron-type electron gun for generating helical electron beams with reflected electron trap |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Thumm | State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers update 2001 | |
| Granatstein et al. | Vacuum electronics at the dawn of the twenty-first century | |
| Felch et al. | Characteristics and applications of fast-wave gyrodevices | |
| Granatstein et al. | A quarter century of gyrotron research and development | |
| Singh et al. | Gyrotron and its electron beam source: A review | |
| Thumm | State-of-the-art of High Power Gyro-devices and Free Electron Masers: Update 2003 | |
| He et al. | Numerical simulation of a gyro-BWO with a helically corrugated interaction region, cusp electron gun and depressed collector | |
| Samsonov et al. | Multitube helical-waveguide gyrotron traveling-wave amplifier: Device concept and electron-optical system modeling | |
| Thumm | State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers: update 2006 | |
| Shen et al. | Research and development of S-band high power multibeam klystron | |
| Pasour et al. | The triaxial klystron | |
| RU2755826C1 (en) | Multi-barrel gyrotron | |
| Bratman et al. | New versions of terahertz radiation sources for dynamic nuclear polarization in nuclear magnetic resonance spectroscopy | |
| Guo et al. | Operation of a high performance, harmonic-multiplying, inverted gyrotwystron | |
| Jerby et al. | Cyclotron-resonance-maser arrays | |
| Karmakar et al. | Gyrotron: The Most Suitable Millimeter-Wave Source for Heating of Plasma in Tokamak | |
| Thumm | State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers: Update 2005 | |
| Ansari et al. | Design and Performance Analyses of High-Efficiency $ X $-Band Relativistic Backward-Wave Oscillator Using an Improved Resonant Reflector Under Low Guiding Magnetic Field | |
| Lawson et al. | Reflections on the university of Maryland’s program investigating gyro-amplifiers as potential sources for linear colliders | |
| Zapevalov et al. | Multibarrel gyrotrons | |
| Singh | Analytical study of the interaction structure of vane-loaded gyro-traveling wave tube amplifier | |
| Singh et al. | Electron Gun for Gyrotrons | |
| Fedotov et al. | Project of 30 GHz compact low-voltage gyrotron | |
| Hu et al. | Numerical analysis of a Ka-band third-harmonic magnetron-type slotted peniotron | |
| Guzilov | 6 kW L-band pulsed MBK with broad frequency band of 15% |