Глава 2 Принципы построения основных узлов гироприборов. Особенности конструкций

На рисунке 2 приведена схема построения одного из типов гироприборов – гиротрона, содержащая основные узлы электронно-оптической и электродинамической систем приборов этого класса. К этим узлам относятся электронная пушка, СВЧ резонатор, содержащий область взаимодействия пучка с полем, коллектор отработанных электронов, окно вывода мощности, магнитная система. Именно эти узлы характеризуют параметры взаимодействия в гироприборах и подлежат оптимизациидлядостижениямаксимальных энергетическихи диапазонных характеристик. Реальные конструкции гироприборов содержат, кроме указанных, большое число дополнительных узлов и систем, принципиально важных для обеспечения их работоспособности (системы теплосъема, магнитного размазывания электронов по поверхности коллектора, преобразователи типов колебаний в области окна вывода мощности и т.п.). Ниже приводится краткое рассмотрение путей построенияосновныхузловгироприборов.

2.1Электронная пушка

Вбольшинстве гироприборов применяются магнетронноинжекционные пушки (МИП), формирующие винтовые электронныепотоки, основнымитребованиямиккоторымявляются: - необходимая величина энергии вращательного движения электронов, которой принадлежит основной вклад в энер-

гообменэлектронногопучкасполем; - формирование электронного потока с параметрами, при

которых взаимодействие с высокочастотным полем наиболее эффективно, что выполняется при формировании тонких трубчатых пучков электронов в области

максимального поперечного электрического поля рабочего типа колебаний;

-разброс поперечных скоростей и энергий электронов в пучке должен быть минимальным;

-паразитные возбуждения в канале транспортировки электронного пучка к резонатору должны быть полностью устранены.

Для эффективного взаимодействия в гироприборах необходимо, чтобы вращательная скорость электронов в пучке v существенно превышала их поступательные скорости vII. Это обеспечивается адиабатическим нарастанием магнитной индукции от Bc на катоде до B0 в резонаторе и при этом

начальная вращательная скорость электронов, выходящих из прикатодной области, Ес напряженность электрического поля на катоде. При оценке достижимой величины v /vII необходимо учесть разброс вращательных скоростей ±Δv , являющийся свойством МИП, формирующих трубчатые пучки вращающихся электронов в гироприборах. Разброс скоростей обусловлен рядом причин, наиболее важными из которых являются неоднородности статических электрического и магнитного полей на катоде, шероховатость поверхности эмиттера (существенными оказываются даже неоднородности порядка 1 мкм), изначальные тепловые энергии электронов, эффекты, связанные с пространственным зарядом электронного пучка в области его формирования. Из-за разброса скоростей v электроны поступают в область с максимальной магнитной индукцией в пространстве взаимодействия с большим разбросом поступательных скоростей vII. Электроны, имеющие максимальные вра-

щательные скорости и соответственно минимальные поступательные скорости могут даже отразиться от магнитной пробки в сторону катода.

Эффективность электронной пушки можно характеризовать соотношением:

где v0= v2 + vII2 – полная скорость электронов. Поскольку

гироприборы обычно работают в режиме, когда соотношение (15) близко к равенству, небольшая часть электронов отражается от магнитной пробки и оказывается запертой между пробкой и катодом. В этой области электроны накапливаются и могут вызвать неустойчивость пучка и нарушение работы гироприбора. Для устранения этих явлений приходится уменьшать эффективность пушки t .

Разработка методов уменьшения разброса скоростей и энергий электронов в трубчатых пучках, формируемых маг- нетронно-инжекционными пушками, является важной задачей, особенно при построении мощных гироприборов.

Одним из методов уменьшения разброса поперечных скоростей в винтовых электронных потоках является применение МИП в режиме температурного ограничения эмиссии катода [47].

Существенным оказывается выбор геометрии электродов МИП, при которой обеспечивается минимальный разброс вращательных скоростей ±Δv и одновременно высокая эффективность пушки t в широком интервале токов электронного пучка, вплоть до наибольших в режиме максимальной выходной мощности. Теоретическая и экспериментальная оптимизация геометрии электродов МИП [41] определила, что наилучшие результаты достигаются, когда в области нарастающего магнитного поля в МИП формируется электронный

пучок близкий к ламинарному, в котором отсутствуют пересекающиеся траектории электронов. Согласно исследований[41], выполненных для мощных длинноимпульсных гиротронов диапазона 3,6 мм, при ускоряющем напряжении U0=70 кВ, токе I0=20 A, отношении магнитных индукций в резонаторе и на катоде α=B0/Bк=20 оптимальной конструкцией катода, обеспечивающей ламинарность потока, является конус с большим углом наклона его образующей к оси ψ=270. Уменьшение этого угла приводит к пересечениям траекторий электронов в области конверсии (при нарастающем магнитном поле) и при этом v существенно возрастает и t уменьшаетсяприувеличениитокаэлектронногопучка.

Разброс поперечных скоростей δv и энергий δγ электронов в винтовых пучках снижает КПД гироприборов [80, 81, 82]. Электронный КПД гиротрона определяется эффективностью преобразования вращательной скорости электронов в излучение – η , эффективностью пушки – t и КПД высокочастотной системы– ηом, – зависящего от омических высокочастотных потерь в резонаторе, преобразователе типов колебаний и устройствах их транспортировки –

ηе=η × t ×ηом. (16)

Разброс поперечных скоростей является основной причиной, из-за которой КПД гиротрона обычно не превышает 40%, в то время как по теоретическим оценкам при v =0 он должен быть 50–60% (по-видимому при специальной настройке, позволяющей преодолеть жесткий режим самовозбуждения) [83].

Для мощных гиротронов с мегаваттным уровнем мощности, в соответствии с теоретическими расчетами [84], влияние δv и δγ можно оценить аппроксимирующим выражением:

η =η max[1–425(δγ)–0,4(δv )2]. (17)