Кураев Александр Александрович, д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры информационных радиотехнологий
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Тел. +375 17 293-89-56
Kurayev Alexander Alexandrovic, Dr. of Sci. (Phys. and Math.), Professor, Professor at the Information Radiotechnologies Department
220013, Minsk, P. Brovka St., 6
Tel. +375 17 293-89-56
Матвеенко В. В., к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры вычислительных методов и программирования
г. Минск
Matveyenka V. V., Cand. of Sci., Assistant Professor, Assistant Professor at the Computational Methods and Programming Department
Minsk
В классических гиротронах частота ωгенерации ω ≈ kωн, где ωн = еB0/m – циклотронная частота вращения электрона в однородном продольном магнитном поле с индукцией B0, е – заряд электрона, m – масса электрона, k = 1, 2, 3… – номер рабочей гармоники циклотронной частоты. То есть перестройка частоты генерации ω возможна только за счет изменения B0. Такой путь не очень удобен: необходима дополнительная (управляющая) обмотка соленоида. Эта трудность может быть устранена в гиротронах со скрещенными полями – электрическим 0 и магнитным 0, причем 0 ⊥0 . В таких гиротронах возможна перестройка частоты за счет изменения E0, которая может быть реализована, по крайней мере, в двух случаях: гиротрон на коаксиальном резонаторе с радиальным E0; четырехзеркальный гиротрон на бегущих Т-волнах с поперечным по отношению к 0 и к направлению бегущих волн однородным 0. В первом типе гиротрона моновинтовой электронный поток имеет угловую частоту вращения , где , , ΔV – разность потенциалов между внутренним (радиус b1) и внешним (радиус b2) проводниками коаксиала, r0 – радиус вращения пучка. Таким образом, частота генерации ω ≈ kωн определяется как при помощи B0, так и ΔV. Причем при ΔV = 0 прибор становится классическим высокоорбитным гиротроном, при B0 = 0 – классическим гелитроном. Поэтому при B0 ≠ 0 и ΔV ≠ 0 его следует назвать гирогелитроном, частота генерации которого перестраивается электрическим способом – изменением ΔV. В статье приведены схемы конструкций гирогелитрона и двухпучкового четырехзеркального гиротрона. В том и другом случаях указаны пьезоэлектрические устройства синхронной перестройки частоты резонатора, что делает приборы полностью электрически управляемыми. Для гирогелитрона получены следующие результаты. Поле резонатора – H211, взаимодействие на второй гармонике ωs; а) узкополосная перестройка 10 %: максимальный КПД = 55 %, минимальный КПД = 25 %; β0 = v0/c = 0,27; q = v0⊥/v|| = 2; б) широкополосная перестройка 58 %: максимальный КПД = 18 %, минимальный КПД = 14 %; β0 = v0/c = 0,2; q = v0⊥/v|| = 2. Полученные для гирогелитрона результаты указывают на перспективность использования электрической перестройки частоты в коаксиальной гиро-ЛОВ и полосы усиления в гиро-ЛБВ, поскольку в этих приборах нет необходимости в пьезоэлектрической перестройке электродинамических структур.
The generation frequency is ω ≈ kωн in classical gyrotrons, where ωн = еB0/m is the electron cyclotron rotation frequency in a uniform longitudinal magnetic field with induction B0, e is the electron charge, m is the electron mass, k = 1, 2, 3… is the cyclotron frequency working harmonic number. Thus, the generation frequency ω being tuned is possible only by changing B0. This way is very inconvenient. It’s necessary a solenoid additional (control) winding. That difficulty can be eliminated in gyrotrons with crossed fields - electric 0 and magnetic 0, here 0 ⊥ 0. The frequency can be tuned by changing E0. This possibility can be realized at least two ways: a gyrotron based on a coaxial resonator with radial field E0; a four-mirror gyrotron on traveling Т-waves with transverse in respect the traveling wave direction to uniform crossed fields – electric 0 and magnetic 0. The single-screw electron flow has a rotation frequency , for the first gyrotron type, where , , ΔV is the potential difference between the inner (radius b1) and outer (radius b2) coaxial conductors, r0 is the electron flow rotation radius. Thus, the generation frequency ω ≈ kωн is determined by both B0 and ΔV. Moreover, at ΔV = 0 the device becomes a classical high-orbit gyrotron, at B0 = 0 a classical helitron. Therefore, at B0 ≠ 0 and ΔV ≠ 0 it should be called a gyrohelitron, the generation frequency of which is tuned electrically - by changing ΔV. The article presents the design schemes of a gyrohelitron and a two-beam four-mirror gyrotron. In both cases, piezoelectric devices realize synchronous tuning of the frequency, just it allows the devices becoming fully electrically controllable. The following results were obtained for the gyrohelitron. Resonator field – H211, interaction on the second harmonic ωs; a) narrow-band tuning 10 %: maximum efficiency – 55 %, minimum efficiency – 25 %; β0 = v0/c = 0.27; q = v0⊥/v|| = 2; b) broadband tuning 58 %: maximum efficiency – 18 %, minimum efficiency – 14 %; β0 = v0/c = 0.2; q = v0⊥/v|| = 2. The given results for the gyrohelitron indicate that it is promising to use electrical frequency tuning in a coaxial gyro-BWT and the amplification band in a gyro-TWT, since these devices do not require piezoelectric tuning of electrodynamic structures.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.