Кураєв А. А., Синіцин А. К. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки вул. П. Бровки, 6, Мінськ 220013, Білорусь Тел. (375-17) 239-84-98, e-mail: kurayev@bsuir.unibel.by, sinitsyn@bsuir.unibel.by

Анотація – Проведена оптимізація по ККД гірокпіно-трону (гіротрон з дводзеркальні коробчатим відкритим резонатором і широким похилим щодо осі резонатора спіраль електронним потоком). Показано, що середній по верствам електронного потоку ККД досягає 50% при оптимізованому куті нахилу електронного потоку.

I. Вступ

Однією з головних проблем при вирішенні задачі підвищення потужності гіротронов в короткохвильовому діапазоні є динамічний розшарування широкого (для досягнення високої потужності) електронного потоку (ЕП) в поперечно-неоднорідному полі резонатора. Ця проблема може бути вирішена в гірокпінотроне, запропонованому в 1969 р. в [1]. У цьому приладі широкий спіраль ЕП проходить похило (під кутом a) щодо площин дзеркал двухзеркальной відкритого резонатора. Завдяки цьому, при оптимізованому а кожен шар ЕП при достатній протяжності резонатора має в середньому однакові умови взаємодії і невзаємодіючих шарів (у вузлах поля в звичайному гіротроне) немає. Аналітичний аналіз і чисельні розрахунки в [1] підтвердили це. Однак в

[1] розрахунки були проведені на основі спрощеної моделі: 1) використовувалися усереднені слаборелятівістскіе рівняння; 2) поле між дзеркалами передбачалося плоско-паралельним, дифракція не враховувалася. У 1969р. проблема підвищення потужності гіротронов в короткохвильовій частині міліметрового діапазону не була настільки актуальною, як в даний час. Тому необхідні уточнення моделі і більш ретельні дослідження ги-роклінотрона в ті роки не проводилися. Тепер же вони досить актуальні, і в цьому звіті наведено їх основні результати.

II. Схема приладу

Рис. 1 / Fig. 1 Схема гіроклінотрона представлена ​​на рис. 1. Тут: 1 – широкий спіраль ЕП; 2 – пло

ські дзеркала коробчатого резонатора, 3 – бічні невідбивальним екрани; a – кут нахилу ЕП щодо площин дзеркал; ср = 7г/2-а-угол нахилу ЕП щодо осі резонатора. На рис. 1 вказані також і розміри резонатора: 2а по осі с, 2b по осі у, 2 / по осі С ■ Система координат х, V, г-розрахункова для ЕП, система координат ±, у, С ~ розрахункова для поля резонатора.

III. Математична модель

Основне спрощення прийнятої моделі – неврахування сил просторового заряду пучка. Як показано в [2], ці сили мають за своєю структурою граничний характер і всередині «товстого» ЕП практично не грають ролі, проявляючись лише на його кордонах.

У відповідності з теорією, розвиненою в [3], поля

Е v \ В HWq моди розглянутого резонатора в системі координат можуть бути записані в

вигляді:

Дифракційна добротність резонатора Qd розраховується як: 0D = QMl 12я / Зг.

В системі x, y, z маємо:

zc відповідає центру резонатора

Ev = Ev, Вх = В * cos ср-В (. Sin ср,

Для розрахунків використовувалися неусредненние тривимірні релятивістські рівняння руху електрона в заданому ВЧ-поле з граничними умовами, аналогічними [1].

IV. Результати розрахунків

Оптимізаційні розрахунки гіроклінотрона на основі сформульованої вище математичної моделі показали, що його середній по верствам оптимальний ККД (г |) досягає 50% при наступних параметрах:

ф

Рис. 2 / Fig. 2

Х = 3 мм, Ро = 0.5 (V0= 79 kBJ, пітч-фактор q0 =uLlua

=1.4, F=eSo/m0®=0.93 (S0– Направляє магнітне поле), амплітуда ВЧ – поля ЕАтаху = 100 кВ / см, аг=50;

1Г = 80; Ьг = 12; q = 53; Мг= 8; Qd = 5000; навантажена добротність QH= 500; t]emax=0.55.

Розкид ККД по верствам досягає 9%. На рис. 2 представлена ​​залежність середнього по верствам ККД від кута нахилу СР По виду вона близька до розрахованої в [1] за спрощеною моделі для Д> = 0.4.

V. Висновок

Проведені розрахунки ККД гірокпінотрона за уточненою математичної моделі показали, що його усереднений по верствам ЕП ККД при оптимальних кутах нахилу не поступається максимальному ККД звичайних гіротронов з тонким ЕП. Звернемо увагу на те, що конструкція гірокпінотрона може бути і циліндричної з товстим трубчастим полі-гвинтовим пучком: а) азимутально-симетричною (Ріс.З, а) або гвинтовий (Ріс.З.б). Тут 1-робітники дзеркала резонатора, 2 – трубчастий електронний потік. Гіроклінотрон, зображений на мал.36, може використовуватися як підсилювач.

VI. Список літератури

1 Кураєв А. А. МЦР – монотрон з широким електронним потоком і похилим щодо осі резонатора магнітним полем. Радіотехніка та електроніка, 1969, т. 14, № 9, с. 1614-1622.

2 Кураєв А. А., Слепян Г. Я. До розрахунку впливу сил просторового заряду в осесиметричних гірорезо-нансних приладах з равнопеременнимі трубчастими потоками кінцевої товщини, 1975, т.20, № 1, с. 202-206.

3 Вайнштейн П. А. Відкриті резонатори і відкриті хвилеводи. М.: Радянське радіо, 1966, 475 с ..

GYROKLINOTRON SIMULATION AND OPTIMIZATION BY EFFICIENCY

Kurayev A. A, Sinitsyn A. K.

Belarussian State University of Informatics and Radio Electronics

6               P. Brovki St., Minsk – 220013, Belarus phone: +375 (17) 2398498 e-mail: kurayev@bsuir. unibel. by, sinitsyn@bsuir. unibel.by

Abstract – Averaged efficiency is shown to reach 55% in gyroklinotrons (gyrotrons with a two-mirror box-shaped open resonator and a wide electron stream (ES) tilted about the resonator axis) for optimized ES tilting angles.

I.   Introduction

Dynamic stratification of a wide (in order to attain high power levels) ES in a transversely inhomogeneous resonator electromagnetic field is among principal problems encountered when the task of increasing gyrotron power in a shortwave band is addressed. This problem may be handled if a gyroklinotron (klin is wedge in Russian) proposed by Kurayev in [1] is applied. In this device a wide helical ES is tilted at an a angle about the plane of mirrors of a two-mirror box-shaped open resonator. Owing to this, for an optimized a and with a sufficiently long resonator each ES layer on the average has similar interaction conditions, while non-interacting layers are absent.

II.  Schematics

The gyroklinotron schematics is shown in Fig. 1, where 1 is a wide helical ES, 2 – flat mirrors of a box-shaped open resonator, 3 – lateral nonreflecting screens of the resonator.

III.   Results

In Fig. 2 efficiency versus the angle of inclination <p is shown.

IV.   Conclusions

Calculations of the gyroklinotron efficiency carried out using a refined mathematical model have shown that its efficiency averaged across the ES layers at optimal tilting angles compares well with the maximum efficiency attained when regular gyrotrons with a thin ES are used. It should be noted that the gyroklinotron design may be either cylindrical with a thick tubular polyspiral beam, or azimuthally symmetric (Fig. 3a), or helical (Fig. 3.b). Here 1 are the resonator working mirrors, 2 – a tubular electronic stream. The gyroklinotron shown in Fig. 3b may be used as an amplifier.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»