SU1110335A1

SU1110335A1 - Electronic mw-magnicon device

Info

Publication number: SU1110335A1
Application number: SU823467164A
Authority: SU
Inventors: М.М. Карлинер; Е.В. Козырев; А.Ю. Максимов; О.А. Нежевенко; Г.Н. Острейко
Original assignee: Институт ядерной физики СО АН СССР
Priority date: 1982-07-09
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1986-01-30

Abstract

I. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР СВЧМАГНИКОН ,содержащий устройство дл формировани пучка зар жённых частиц , ускорительную трубку отклон ющую систему дл круговой развертки пучка, цилиндрический выходной, резонатор, снабженный выводами энергии и имек ций размеры, необходимые дп возбуждени бегущей по азимуту волны, отличающийс тем. что, с-целью увеличени .мощности прибора и повьпиени его рабЪчей частоты, выходной резонатор снабжен средством дл создани в нем продольного , аксиально-симметричного, посто нного магнитного пол величины гпсо В - индукци магнитного пол , Тл; hi - масса зар женной частицы, кг; е - зар д частицы, Кл; СО - кругова частота развертки, рад/с, направленного так, что направление (Л циклотронного вращени частиц пучка совпадает с направлением круговой развертки, а торцовые стенки резонатора имеют осесимметричные отверсти дл прохождени пучка. 2. Прибор СВЧ по п. I, о т л и чающийс тем, что средство создани магнитного пол вьшолнено в виде соленоида, охватывак цего вы00 ходной резонатор и соосного ему. 00 елI. ELECTRONIC DEVICE SHCHMAGNIKON containing a device for forming a beam of charged particles, an accelerating tube deflecting system for a circular sweep of the beam, a cylindrical output, a resonator, equipped with energy and emission leads, the dimensions needed for the excitation of an azimuth-traveling wave differing from one another. that, in order to increase the power of the device and control its frequency, the output resonator is equipped with a means for creating in it a longitudinal, axially symmetric, constant magnetic field of magnitude gpso B - magnetic field induction, T; hi is the mass of the charged particle, kg; e is the charge of a particle, C; CO is the circular frequency of the scan, rad / s, directed so that the direction (L of the cyclotron particle beam rotation coincides with the direction of the circular scan, and the end walls of the resonator have axisymmetric holes for the beam to pass. 2. Microwave device according to claim I, ton T and due to the fact that the means of creating a magnetic field is accomplished in the form of a solenoid, covering the entire output resonator and coaxial with it.

Description

ii

NN

Изобретение относитс к области мощных электровакуумных приборов СВЧ и может быть использовано дл получени больших средних уровней СВЧ-мощности в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн при высоком КПД.The invention relates to the field of high-power microwave vacuum devices and can be used to obtain large average levels of microwave power in the decimetric and centimeter wavelength range with high efficiency.

Известен СВЧ-прибор, например гирокон,предназначенный дл получени большой средней СВЧ-мощности I МВт и более и имек ций высокий КПД 90%, Гирокон содержит источник пучка электроновJ отклон ющую сиетему дл круговой развертки пучка и выходной резонатор с выводами энергии.A microwave device, such as a gyrocon, designed to produce a high average microwave power of I MW and more and high-efficiency 90% emissions is known. The gyrocon contains an electron beam source, a deflecting circuit for circular scanning of the beam, and an output resonator with power leads.

Электронный поток в .гироконе модулируетс не по величине скорости , а по ее направлению путем круговой развертки пучка. Мощный рел тивистский пучок имеет малые поперечные размеры и все электроны практически одинаково эффективно тормоз тс В выходном резонаторе.The electron flux in the gyrocone is modulated not by the magnitude of the velocity, but by its direction by a circular sweep of the beam. A powerful relativistic beam has small transverse dimensions and all electrons are almost equally effectively decelerated. In the output cavity.

Недостатками гирокона вл етс трудность получени высокочастотных колебаний с длиной волны короче 20 см и высокой мощностью из-за больших потерь на токооседании и СЕЧ-потерь в стенкахвыходного резонатора . Наиболее близким техническим решением к-изобретению вл етс гирокон, содержащий источник пучка рел тивистских электронов, ускорительную трубку, отклон ющую систему дл круговой развертки пучка , цилиндрический выходной резонатор , возбуждаемый пучком и снабженный выводами энергии.The disadvantages of a gyrocon are the difficulty of obtaining high-frequency oscillations with a wavelength shorter than 20 cm and high power due to large losses in current interconnection and SEC-losses in the output cavity walls. The closest technical solution to the invention is a gyrocon containing a source of a beam of relativistic electrons, an acceleration tube, a deflecting system for a circular sweep of the beam, a cylindrical output resonator excited by the beam and equipped with energy leads.

Дл формировани электронного потока в виде необходимого дл работы гирокона длинного и слабо расход щегос пучка большой мощности, электроны ускор ютс в ускорительно трубке до рел тивистских энергий. Далее отклон емые устройством развертки электроны попадают в щель выходного резонатора и возбуждают бегущую по азимуту волну. Полученна СВЧ-мощность выводитс через два или более вывода энергии.To form an electron beam in the form of a long and slightly divergent high-power beam required for the operation of the gyro, electrons are accelerated in the accelerator tube to relativistic energies. The electrons deflected by the sweep device then enter the slot of the output resonator and excite the wave traveling in azimuth. The received microwave power is output through two or more power outputs.

Использование в гироконе пучка частиц высокой энергии требует наличи больших напр женностей высокочастотного пол в выходном резонаторе и приводит к большим потер м высокочастотной энергии в стенках резонатора. Это особенно существеннThe use of a high-energy particle beam in a gyrocon requires the presence of high-intensity high-frequency fields in the output cavity and leads to large losses of high-frequency energy in the walls of the cavity. This is especially significant.

0335203352

дл коротковолнового гирокона (for shortwave gyrocon (

30 см, где удельные потери мощности на единицу поверхности пре- вьдаает 200-300 Вт/см. что вызы5 вает больщие технические трудности, св занные с охлаждением выходного резонатораJ и ограничивает энергию и мощность пучка. Кроме того, малые на высоких частотах размеры кольце-30 cm, where the specific power loss per unit surface exceeds 200–300 W / cm. This causes great technical difficulties associated with cooling the output resonator and limits the energy and power of the beam. In addition, the small at high frequencies ring sizes

10 вой щели выходного резонатора привод т к большому токооседанию на резонатор, что также ограничивает мощность пучка. Возникает необходимость точной проводки пучка в щель10 slots of the output resonator lead to a large current-supply to the resonator, which also limits the power of the beam. There is a need for accurate wiring of the beam into the slot.

15 резонатора. Это влечет за собой высокие требовани к стабильности па-- раметров пучка и устройства круговой развертки, а также необходимость наличи средств дл быстрого аварийно-15 resonator. This entails high demands on the stability of the beam parameters and the round-scan device, as well as the need for funds for fast crash

20 го отключени пучка в случае его попадани на кра кольцевой щели.The 20th shutdown of the beam in case it hits the edge of the annular gap.

Целью изобретени вл етс увеличение высокочастотной мощности прибора и повышение его рабочей часто-The aim of the invention is to increase the high-frequency power of the device and increase its operating frequency.

25 ты.25 you.

Цель дocтигaefc тем, что в электронном приборе СВЧ, содержащем устройство дл формировани пучка зар з(енных частиц, ускорительнуюThe goal of scoring is that in an electronic microwave device containing a device for forming a charge beam

30 трубку, отклон ющую систему дл круговой развертки пучка, цилиндрический выходной резонатор, снабженный выводами энергии и имеющий размеры, необходимые дл возбуждени бегу-30 tube deflecting system for a circular sweep of the beam, a cylindrical output resonator, equipped with energy leads and having the dimensions necessary for driving

,j щей по азимуту волны, выходной резонатор снабжен средством дл создани в нем продольного, аксиально-симметрично , посто нного магнитного пол величиныazimuth wave, the output resonator is equipped with a means for creating in it a longitudinal, axially symmetrical, constant magnetic field of magnitude

m Wm W

где В - индукци магнитного пол ;where B is magnetic field induction;

Тл; И1 - масса зар женной частицы,T; I1 is the mass of the charged particle,

кг;kg;

е - зар д частицы, Кл; W - кругова частота развертки,e is the charge of a particle, C; W - circular sweep frequency,

рад/с,rad / s

направленного так, что направление циклотронного вращени частиц пучка совпадает с направлением круговой развертки, а торцовые стенки резонатора имеют осесимметричные отверсти дл прохождени пучка, а также тем, что средство создани магнитного пол .выполнено в виде соленрида, охватывающего выходной резонатор и соосного ему. При такой величине магнитного пол циклотрон на частота вращени частиц пучка равна частоте развертки.В этом случа электр.оны пучка движутс в выходном резонаторе синхронно с бегущей по азимуту волной и эффективно взаимодействуют с ней в течение длительного промежутка времени. Это позвол ет сделать длину выходного резонатора достаточно большой и, таким образом, уменьшить на-. пр женность высокочастотного пол нем и соответственно тепловые потери в стенках, что дает возможность увеличить мощность прибора и реализовать его в более коротковол новом диапазоне длин волн. Кроме того, магнитное поле ограничивает поперечное движение частиц и практ чески исключает токооседание на резонатор. На чертеже изображен предлагаемый прибор, общий/вид. Электронный прибор СВЧ содержит источник 1 рел тивистских электронов , включающий в себ устройство дл формировани пучка зар женных частиц и ускорительную трубку, от клон ющую систему 2 дл круговой развертки пучка, цилиндрический выходной резонатор 3, снабженный выводами 4 энергии и имеющий разме ры, необходимые дл возбуждени -бегущей по азимуту волны. В торцовых стенках резонатора 3 наход тс ос симметричные отверсти дл ввода и вывода пучков 5 и 6, на кра х которых дл уменьшени потерь на излучение , установлены цилиндры 7 и 8, вл ющиес запредельными волноводами . Посто нное магнитное поле нужного направлени создаетс соле ноидом 9, питающимс от источника 10 посто нного тока. Частицы, отдавшие свою энергию СВЧ-полю, попа дают в коллектор 11. Устройство работает следующим образом. Электронный пучок, сформи рованный и ускоренный в источнике 1, отклон етс системой 2 круговой развертки, отходит от оси, двига с в свободном от полей пролетном про странстве и попадает s область магнитного пол соленоида 9. Рассто ние от системы 2 развертки до соленоида 9 и угол отклонени выби раютс такими, чтобы :при входе BI магнитное поле частицы пучка приоб ретали большую поперечную скорость 35 ( сравниваемую с их полной скоростью. Величина магнитного пол выбираетс так, что циклотронна частота, обращени частиц равна частоте развертки и, таким образом, равна угловой фазовой скорости бегущей по азимуту волнш в выходном резонаторе 3. В этом случае частицы пучка в среднем движутс в одной фазе волны. Взаимодействие их с волной сохран ет синхронный характер в течение длительного промежутка времени . Это позвол ет использовать длинный выходной резонатор при малых напр женност х СВЧ-пол в нем и соответственно малых потер х мощности в стенках резонатора. Система 2 круговой развертки пучка так же, как и в прототипе, обеспечивает влет частиц, в каждьш момент времени в тормоз щую фазу бегущей по азимуту волны. При этом мощный пучок имеет малые поперечные размеры на входе в выходной резонатор 3, и все частицы практически одинаково тормоз тс в нем, что дает возможность получени высокого КПД прибора . При взаимодействии с СВЧ-полем бегущей по азимуту волны поперечна скорость частиц уменьшаетс и их движение представл ет собой скручивающуюс спираль. После взаимодействи с СВЧ-полем выходного резонатора 3 пучок попадает в коллектор 1 I. Если частота, на которую настроен выходной резонатор 3, кратна частоте развертки, предлагаемый прибор (также как и прототип) будет работать в режиме умножени частоты. Предлагаемый прибор СВЧ может быть использован дл питани резонансных структур накопительных колец, сильноточных ускорителей и других потребителей непрерывной СВЧ-мощности 1 МВт и более, например, дл передачи энергии на рассто ние. Аналитические и численные расчеты электронно-оптического тракта прибора и взаимодействи пучка с выходным резонатором показали возможность получени средней мощности 1-3 МВт при высоком КПД приборе в коротковолновой области см дециметрового диапазона длин волн. В этом диапазоне мощность предлагаемого прибора может быть более чем в 10 раз выше мощности прототипа , у которого она ограничиваетс потер ми в выходном резонаторе.direction in such a way that the direction of cyclotron rotation of the beam particles coincides with the direction of the circular scan, and the end walls of the resonator have axisymmetric holes for the passage of the beam, as well as the means for creating a magnetic field made in the form of a solenride covering the output resonator and coaxial to it. With such a magnitude of the magnetic field, the cyclotron at the frequency of rotation of the beam particles is equal to the sweep frequency. In this case, the beam electrons travel in the output resonator synchronously with the wave traveling in azimuth and effectively interact with it for a long period of time. This makes it possible to make the length of the output resonator large enough and, thus, reduce the n. The intensity of the high-frequency field and, accordingly, the heat loss in the walls, which makes it possible to increase the power of the device and realize it in a shorter wavelength range. In addition, the magnetic field limits the transverse motion of the particles and virtually eliminates the current flow to the resonator. The drawing shows the proposed device, the overall / view. An electronic microwave device contains a source of 1 relativistic electrons, including a device for forming a beam of charged particles and an accelerator tube, a deflecting system 2 for a circular sweep of the beam, a cylindrical output resonator 3, equipped with power outputs 4 and having the dimensions required for excitation - running in azimuth wave. In the end walls of the resonator 3 there are symmetrical holes for the input and output of beams 5 and 6, on the edges of which to reduce radiation losses, cylinders 7 and 8 are installed, which are outbound waveguides. A constant magnetic field of the desired direction is created by a solenoid 9, powered by a DC source 10. Particles that donate their energy to the microwave field fall into the collector 11. The device works as follows. The electron beam formed and accelerated at source 1 is deflected by circular scan system 2, moves away from the axis, moving c in the transit space free of fields, and s reaches the magnetic field region of the solenoid 9. The distance from the sweep system 2 to the solenoid 9 and the deflection angle is chosen such that: at the entrance of BI, the magnetic field of the beam particle acquires a large transverse velocity 35 (compared to their full speed. The magnitude of the magnetic field is chosen so that the cyclotron frequency and, thus, is equal to the angular phase velocity of the wave traveling in azimuth in the output cavity 3. In this case, the beam particles move on average in one phase of the wave. Their interaction with the wave retains a synchronous nature for a long period of time. the output resonator at low voltages, the microwave field in it and, accordingly, small power losses in the walls of the resonator. The system 2 of the circular sweep of the beam, as in the prototype, ensures the entry of particles at each time point in the brake conductive phase of the traveling wave in azimuth. At the same time, the powerful beam has small transverse dimensions at the entrance to the output resonator 3, and all particles are almost equally decelerated in it, which makes it possible to obtain a high efficiency of the device. When interacting with the microwave field of an azimuth-traveling wave, the transverse velocity of the particles decreases and their motion is a twisting spiral. After interacting with the microwave field of the output resonator 3, the beam enters the collector 1 I. If the frequency to which the output resonator 3 is tuned is a multiple of the sweep frequency, the proposed device (as well as the prototype) will operate in frequency multiplication mode. The proposed microwave device can be used to power the resonant structures of storage rings, high-current accelerators and other consumers of a continuous microwave power of 1 MW or more, for example, to transfer energy over distance. Analytical and numerical calculations of the electron-optical path of the instrument and the interaction of the beam with the output resonator showed the possibility of obtaining an average power of 1–3 MW with a high efficiency of the instrument in the short-wavelength region of the decimeter wavelength range. In this range, the power of the proposed device can be more than 10 times higher than the power of the prototype, in which it is limited by losses in the output cavity.

Пучок элентронобBeam electronronob

11eleven

Claims

I. MICROWAVE ELECTRONIC DEVICE, comprising a device for generating a beam of charged particles, an accelerator tube _{f, a} deflecting system for circular scanning of the beam, a cylindrical output resonator equipped with energy leads and having the dimensions necessary to excite an azimuthally traveling wave, characterized in that, with · In order to increase the power of the device and increase its operating frequency, the output resonator is equipped with a means for creating a longitudinal, axially symmetric, constant magnetic field of magnitude _Β = -2- ^ω -, e 'where B is the magnetic field induction,

T;

I) is the mass of the charged particle, kg;

e is the particle charge, C;

W is the circular sweep frequency, _with rad / s, “so directed that the direction of cyclotron rotation of the beam particles coincides with the direction of the circular sweep, and the end walls of the resonator have axisymmetric openings for the beam to pass through.

2. A microwave device according to Claim. Characterized in that the means of creating a magnetic field is made in the form of a solenoid, covering the output resonator and coaxial to it.

SU „„ 1110335 ί

Xji