способ и устройство для управления коллекторным качанием пучка электронов

Формула изобретения

1. Способ коллекторного качания для управления пучком (1) электронов в коллекторе (230) пучка, содержащий этапы, на которых

подвергают пучок (1) электронов воздействию поперечного качающего поля, имеющего компонент поля, перпендикулярный продольному направлению (z) коллектора (230) пучка, и обеспечивают наклонную, вращающуюся область (3) пересечения пучка (1) электронов в коллекторе (230) пучка,

отличающийся дополнительным этапом, в котором

изменяют, по меньшей мере, одно из продольного положения и угла наклона области (3) пересечения при помощи модуляции поперечного качающего поля.

2. Способ по п.1, в котором модуляция поперечного качающего поля содержит, по меньшей мере, один из этапов, на которых

производят наложение вертикального качающего поля на поперечное качающее поле, и

подвергают поперечное качающее поле воздействию амплитудной модуляции.

3. Способ по п.2, в котором частота поперечного качания поперечного качающего поля больше, чем частота вертикального качания вертикального качающего поля или частота амплитудной модуляции упомянутой амплитудной модуляции.

4. Способ по п.3, в котором частное частоты поперечного качания и частоты вертикального качания или частоты амплитудной модуляции больше, чем 2.

5. Способ, по меньшей мере, по одному из пп.2-4, в котором амплитудная модуляция имеет глубину модуляции меньше, чем 70%.

6. Способ, по меньшей мере, по одному из пп.1-4, в котором поперечное качающее поле генерируют, по меньшей мере, двумя катушками (11, 12, ) поперечного поля, размешенными по окружности в области входа коллектора пучка.

7. Способ по п.6, в котором поперечное качающее поле генерируют тремя парами катушек (11, 12, ) поперечного поля.

8. Способ, по меньшей мере, по одному из пп.2-4, в котором вертикальное качающее поле генерируют устройством (20) катушки вертикального поля, которая расположена в области (231) входа коллектора (230) пучка и/или продолжена вдоль продольного направления (z) коллектора (230) пучка.

9. Способ, по меньшей мере, по одному из пп.1-4, содержащий этап, на котором

определяют распределение температуры в коллекторе (230) пучка, и

управляют модуляцией поперечного качающего поля в зависимости от упомянутого определенного распределения температуры.

10. Способ генерирования сверхвысокой частоты, содержащий этапы генерирования пучка электронов, подвержения пучка электронов воздействию магнитного гиротронного поля для генерирования сверхвысокой частоты и сбора пучка электронов, причем пучок электронов подвергают воздействию в соответствии со способом коллекторного качания, по меньшей мере, по одному из предшествующих пунктов.

11. Устройство (100) коллекторного качания, которое размещено для управления пучком (1) электронов в коллекторе (230) пучка, содержащее

устройство (10) поперечной качающей катушки, которое размещено с возможностью генерирования поперечного качающего поля, направленного перпендикулярно продольному направлению (z) коллектора (230) пучка и обеспечения наклонной, вращающейся области (3) пересечения пучка (1) электронов в коллекторе пучка, отличающееся

модулирующим устройством (20, 30), которое размещено для модуляции поперечного качающего поля так, что, по меньшей мере, одно из продольного положения и угла наклона области (3) пересечения изменяются.

12. Устройство по п.11, в котором модулирующее устройство содержит, по меньшей мере, одно из

устройство (20) катушки вертикального поля, которое размещено с возможностью наложения вертикального качающего поля на поперечное качающее поле,

устройство (30) амплитудной модуляции, которое соединено с устройством поперечной качающей катушки для подвержения поперечного качающего поля воздействию амплитудной модуляции.

13. Устройство по п.12, в котором модулирующее устройство (20, 30) выполнено с возможностью управления частотой поперечного качания поперечного качающего поля таким образом, что она превышает частоту вертикального качания вертикального качающего поля или частоту амплитудной модуляции амплитудной модуляции.

14. Устройство по п.13, в котором модулирующее устройство (20, 30) выполнено с возможностью управления частотой поперечного таким образом, что частное частоты поперечного качания и частоты вертикального качания или частоты амплитудной модуляции больше, чем 2.

15. Устройство, по меньшей мере, по одному из пп.11-14, в котором устройство (10) поперечной качающей катушки содержит, по меньшей мере, две катушки (11, 12, ) поперечного поля, размешенные по окружности вокруг области (231) входа коллектора пучка.

16. Устройство по п.15, в котором устройство поперечной качающей катушки содержит три пары катушек поперечного поля.

17. Устройство, по меньшей мере, по одному из пп.12-14, в котором устройство (20) вертикальной качающей катушки содержит, по меньшей мере, одну из катушку (21) области входа, окружающую область входа коллектора пучка и вертикальную качающую катушку, размещенную вдоль продольного направления (z) коллектора пучка.

18. Устройство, по меньшей мере, по одному из пп.12-14, дополнительно содержащее контур (40) обратной связи для управления, по меньшей мере, одним из поперечного качающего поля и вертикального качающего поля в зависимости от температуры коллектора (230) пучка.

19. Сверхвысокочастотный генератор (200), содержащий

источник (210) пучка электронов для генерирования пучка электронов,

криомагнитное устройство (220) резонанса для подвержения пучка (1) электронов воздействию магнитного гиротронного поля для генерирования сверхвысокой частоты, и

коллектор (230) пучка, который размешен с возможностью сбора пучка (1) электронов, причем коллектор (230) пучка содержит устройство (100) коллекторного качания, по меньшей мере, по одному из пп.11-18.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу коллекторного качания, в частности, для управления пучком электронов в коллекторе пучка вакуумного устройства, подобного электронной лампе сверхвысокочастотного генератора. Кроме того, изобретение относится к способу сверхвысокочастотной генерации при помощи сверхвысокочастотного генератора, при этом способ включает в себя коллекторное качание пучка электронов. Кроме того, изобретение относится к устройству коллекторного качания и сверхвысокочастотному генератору, который приспособлен для реализации вышеупомянутых способов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Генерация сверхвысокой частоты, использующая электронные лампы, в частности использующая мазер на свободных электронах, гиротрон или клистрон, в целом известна. В качестве примера, гиротрон включает в себя источник электронов для генерирования полого пучка сильно ускоренных электронов и криомагнитное устройство резонанса для принуждения электронов к циклотронному движению, в котором испускается сверхвысокочастотное излучение. Коллектор пучка обеспечен для сбора пучка электронов после разделения сверхвысокочастотного излучения сверхвысокочастотной оптикой. Коллектор пучка приспособлен не только для поглощения электрического тока, представленного пучком электронов, а скорее для рассеивания излишней мощности, которая сохранилась в пучке электронов после испускания сверхвысокочастотного излучения.

Рассеивание тепла в коллекторах пучка представляет серьезную проблему, в частности, у сверхвысокочастотных генераторов большой мощности. В качестве примера, электронная лампа миллиметрового диапазона большой мощности работает с мощностью высокой частоты (ВЧ) типично 1 МВт в режиме непрерывного действия с КПД от 30% до 50%. В этом пределе КПД, типично от 1 до 2 МВт мощности остается в пучке электронов после сверхвысокочастотной генерации. Эта остаточная мощность должна быть рассеяна, как излишняя мощность, в коллекторе пучка. Коллектор пучка, типично, выполнен из меди, и имеет цилиндрическую форму. Электроны направляются сильным стационарным магнитным полем с осевой симметрией (типично 5-6 Т) через область входа в коллектор с осевой симметрией. Расходящиеся линии магнитного поля и таким образом движущиеся в потоке электроны пересекаются в некотором вертикальном положении со стенкой коллектора. Область пересечения (область столкновения) образует горизонтальное кольцо с типичной плотностью мощности, например, 20 МВт/м ². Несмотря на то, что медь, имеющая превосходные свойства охлаждения и современные системы водяного охлаждения включены в стенку коллектора пучка, эта плотность мощности находится далеко за пределами существующей технологии охлаждения. Из-за непрерывной работы, эта плотность мощности может привести к плавлению коллектора пучка.

Для избежания повреждения на коллекторе пучка, доступные гиротроны приспособлены для технологии коллекторного качания (технологии качания магнитного поля, смотри, например, С. Альберти и др. «Усовершенствование европейского гиротрона непрерывного действия большой мощности для ECRH систем» в «Fusion Engineering and Design» № 53, 2001, стр. 387-397). Обычно, коллекторное качание содержит наложение стационарного расходящегося магнитного поля и магнитного качающего поля, которое качает (непрерывно передвигает, отклоняет) полый пучок электронов по внутренней стенке коллектора пучка, чтобы уменьшить усредненную по времени локальную плотность мощности (фиг.5А и 5В).

В частности, фиг.5А и 5В изображают цилиндрический коллектор 230' пучка обычного гиротрона (не показано полностью). Полый пучок 1' электронов направлен к коллектору 230' пучка вдоль его продольного (осевого) протяжения (параллельно положительному z-направлению). При расходящемся магнитном поле 2' пучок 1' электронов направлен к внутренним стенкам коллектора 230' пучка. Без качания область 3' пересечения, образованная пучком 1' электронов с внутренней стенкой коллектора 230' пучка, является круглой областью, как показано в отношении центрального пунктирного кольца на фиг.5А.

Согласно фиг.5А коллекторное качание обеспечено вертикальной качающей катушкой 22', окружающей внешнюю стенку коллектора 230' пучка и продолжающейся вдоль его продольного протяжения. С вертикальной качающей катушкой 22' вертикальное качающее поле создано добавлением периодически меняющегося осевого векторного компонента (z-компонента) к расходящемуся магнитному полю (Система Качания Вертикального Поля, СКВП). В результате, пучок 1' электронов качают вдоль внутренней стенки коллектора 230' пучка. Область 3' пересечения, образованная пучком 1' электронов, является сдвигающейся круглой областью. Штриховые кольца на фиг.5 отмечают верхнюю и нижнюю критические отметки 4' отклоненного пучка 1' электронов.

СКВП имеет общий недостаток, связанный с низким электрическим КПД. Медная стенка коллектора 230' пучка представляет единственный виток, короткозамкнутую катушку, эффективно экранирующую вертикальное качающее поле. В связи с тем, что мощные источники питания переменного тока большие, катушкам качания с водяным охлаждением требуется обеспечить необходимую возможность качания. Этого недостатка можно избежать при обычном способе коллекторного качания, изображенном на фиг.5В (Система Качания Поперечного Поля, СКПП).

При СКПП коллекторное качание обеспечено поперечной качающей катушкой 11'. В этом случае, поперечное качающее поле создано добавлением вращающегося горизонтального векторного компонента к расходящемуся магнитному полю. При поперечном качающем поле областью пересечения пучка 1' электронов является вращающийся эллипс. Так как малого перекашивания перпендикуляра к z-направлению достаточно для эффективного отклонения пучка электронов, поперечная качающая катушка 11' может быть расположена впереди области входа коллектора 230' пучка, таким образом, вышеупомянутая проблема экранирования СКВП технологии значительно уменьшена. Кроме того, эта секция гиротрона сооружена из нержавеющей стали, а не меди с уменьшенной электропроводностью.

Общую проблему как СКВП, так и СКПП технологий, относят к так называемому образованию максимумов мощности в течение периода качания. Фиг.6 изображает вертикальные профили плотности мощности увеличения температуры в коллекторе для СКВП технологии (точки) и СКПП технологии (штрихи). В то время как вертикальное качание имеет в результате два пика мощности в критических точках 4' (фиг.5А) за период качания, поперечное качание показывает единственный пик мощности в нижнем пределе (возле области входа коллектора пучка). Образование максимумов мощности представляет основной недостаток, потому что плотность мощности в максимуме распределения мощности определяет общую производительность коллектора.

Существует интерес к уменьшению образования максимумов мощности не только в гиротронных коллекторах пучка, а скорее в любом коллекторе пучка вакуумного устройства большой мощности, фактически примененного, например, в других сверхвысокочастотных генераторах, в частности с целью нагрева плазмы в термоядерном реакторе.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение усовершенствованных способов коллекторного качания и устройств для управления пучком электронов в коллекторе пучка, избегая недостатков и ограничений обычных технологий.

Эта задача решена способами и устройствами, содержащими признаки независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществлений и применений изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому объекту настоящее изобретение основано на общих технических аспектах обеспечения способа коллекторного качания для управления пучком электронов в коллекторе пучка, в котором поперечное качающее поле модулируют для непрерывного изменения положения и/или ориентации качающегося пучка электронов в коллекторе пучка. Согласно второму объекту настоящее изобретение основано на общих технических аспектах обеспечения устройства коллекторного качания, выполненного с возможностью управления пучком электронов в коллекторе пучка, в котором устройство поперечной качающей катушки устройства коллекторного качания обеспечено модулирующим устройством, которое размещено с возможностью модуляции положения и/или ориентации поперечного качающего поля. Дополнительные независимые объекты изобретения содержат способ сверхвысокочастотной генерации и сверхвысокочастотный генератор, включающие в себя признаки, относящиеся к заявленным аспектам коллекторного качания.

Согласно изобретению поперечное качающее поле модулируют. Поперечное качающее поле является вращающимся магнитным полем, имеющим, по меньшей мере, один векторный компонент, перпендикулярный продольному направлению коллектора пучка. Поперечное качающее поле отклоняет пучок электронов так, что образует наклонную, вращающуюся область пересечения в коллекторе пучка. Предлагаемая модуляция поперечного качающего поля обеспечивает в результате непрерывное изменение продольного (в частности, осевого) положения и угла наклона области пересечения. Соответственно, можно избежать явных максимумов выделения мощности (образования максимумов мощности), происходящих при обычной технологии и получить однородное распределение мощности. При модуляции профиль нагрева вдоль продольного направления коллектора пучка расширяют, таким образом, уменьшают образование максимумов мощности. В частности, плотность мощности в критической точке области пересечения возле области входа коллектора пучка (ближайшая или нижняя критическая точка) уменьшают тем, что ближайшую критическую точку неоднократно (предпочтительно периодически) передвигают вследствие модуляции поперечного качающего поля.

В качестве основного преимущества, система коллекторного качания, которая генерирует однородное распределение мощности вдоль всего профиля нагрева, обеспечена впервые. Предлагаемое коллекторное качание обеспечивает, в частности, преимущества для электронных ламп, которые приспособлены для генерирования сверхвысокочастотной выходной мощности выше 1 МВт, в частности выше 2 МВт. Однако предлагаемое коллекторное качание также обеспечивает преимущества для обычных ВЧ электронных ламп, потому что они могут быть сконструированы более экономично (в частности, с меньшими коллекторами) или работать с более высоким запасом надежности и/или продленным сроком службы.

Согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения поперечное качающее поле модулируют наложением поперечного качающего поля с вертикальным качающим полем. Предпочтительно, область пересечения, например, эллипс пересечения в цилиндрическом коллекторе пучка, сдвигают вверх и вниз (или вперед и назад), таким образом, сглаживают пики профиля выделения мощности вдоль продольного протяжения коллектора пучка. В качестве дополнительного преимущества для обеспечения первого варианта осуществления коллекторного качания могут быть использованы доступные элементы электронных устройств. В частности, доступные устройства катушки вертикального поля могут быть объединены с устройством катушки поперечного поля для генерирования модулированного поперечного качающего поля.

Первый вариант осуществления изобретения обеспечивает, помимо прочего, преимущество, выраженное в уменьшении образования максимумов мощности без генерирования новых «мест перегрева». Модуляция поперечного качающего поля вертикальным качающим полем обеспечивает не только сдвиг образования максимумов мощности, но также и конкретное ослабление. Вследствие частотно зависимого влияния толстой стенки коллектора (скин-эффект), наложение поперечного и вертикального качающих полей является нелинейным процессом. Поэтому, принимая во внимание сложное взаимодействие наложенных расходящихся зависящих от времени полей в присутствии экранирования и деформации стенки коллектора, в частности медной стенки, ослабление образования максимумов мощности представляет неожиданный и обеспечивающий преимущества результат.

Согласно второму предпочтительному варианту осуществления изобретения поперечное качающее поле подвергают воздействию амплитудной модуляции. В этом случае, модулируют угол наклона вращающейся области пересечения, таким образом, сглаживают пики мощности профиля плотности мощности. Второй вариант осуществления изобретения имеет дополнительное преимущество в технической простоте. Система катушки вертикального поля не требуется для реализации амплитудной модуляции поперечного качающего поля.

Согласно дополнительному варианту осуществления поперечное качающее поле может быть модулировано как вертикальным качающим полем, согласно вышеупомянутому первому варианту осуществления, так и амплитудной модуляцией, согласно вышеупомянутому второму варианту осуществления. Такое сочетание обеспечивает преимущество, заключающее в дополнительном улучшении профиля плотности мощности в пределах коллектора пучка.

Для реализации этих вариантов осуществления устройство коллекторного качания этого изобретения содержит устройство катушки вертикального поля, которое размещено для наложения поперечного качающего поля с вертикальным качающим полем и/или устройство амплитудной модуляции, которое соединено с устройством поперечной качающей катушки для подвержения поперечного качающего поля воздействию амплитудной модуляции.

Дополнительные преимущества изобретения получают, если поперечное качание и модуляция поперечного качающего поля воздействуют согласно разным временным масштабам. Предпочтительно, частота поперечного качания, которая типично является частотой вращения поперечного качающего поля больше, чем частота вертикального качания модулирующего вертикального качающего поля и/или частота амплитудной модуляции. При этом варианте осуществления изобретения профиль выделения мощности сглаживают медленным вертикальным смещением и/или наклоном области пересечения. Согласно предпочтительным вариантам изобретения область пересечения пучка электронов вращается, по меньшей мере, 2 раза, в частности предпочтительный, по меньшей мере, 5 раз пока не завершен один вертикальный цикл (первый вариант осуществления) или цикл наклона (второй вариант осуществления). Другими словами, отношение частоты поперечного качания и частоты вертикального качания (или частоты амплитудной модуляции) предпочтительно больше, чем 2, в частности предпочтительное больше, чем 5.

Дополнительные преимущества при вышеупомянутом втором варианте осуществления получены, если амплитудная модуляция имеет глубину модуляции меньше, чем 70%, в частности равна или меньше, чем 50%. При этих параметрах, однородные профили выделения мощности дополнительно оптимизированы.

Типично, вертикальное качающее поле, модулирующее поперечное качающее поле (первый вариант осуществления) может быть генерировано устройством катушки вертикального поля, продолжающимся вдоль продольного направления коллектора пучка, возможно, ровно вокруг его области входа. В этом случае, может быть получено улучшенное сглаживание образования максимумов мощности, отдаленное от области входа. Однако, согласно частному преимуществу изобретения, устройство катушки вертикального поля будет ограничено до катушки вертикального поля (так называемой катушки области входа), размещенной в области входа коллектора пучка. Изобретатели обнаружили, что генерирование вертикального качающего поля для модулирования поперечного качающего поля только катушкой области входа является пригодным для сглаживания ближайшего образования максимумов мощности. При обеспечении только катушкой области входа, структура устройства коллекторного качания является существенно упрощенной. При этом не возникают недостатки, связанные с низким КПД обычной СКВП технологии.

Дополнительное преимущество изобретательской технологии коллекторного качания дано возможностью использования различных размещений катушек поперечного поля, выбранных в зависимости от частного применения изобретения. Предпочтительно, по меньшей мере, две катушки поперечного поля размещены непосредственно перед областью входа коллектора пучка. Только двух катушек поперечного поля достаточно для обеспечения переключающего поперечного качающего поля, которое, согласно изобретению, модулируют вертикальным качающим полем и/или амплитудной модуляцией. Предпочтительно, размещение трех или шести катушек поперечного поля, обеспечено имеющимися в результате преимуществами в виде однородности поля. Согласно, в частности, предпочтительному варианту осуществления, три пары катушек поперечного поля размещены с относительным смещением на 120°. При парном возбуждении катушек, получают вращающееся магнитное поле для поперечного качания.

Другое преимущество улучшенной безопасности работы изобретательского коллекторного качания дано тем фактом, что нет частных требований в отношении управления качающими полями. Параметры поперечного и вертикального качания, в частности частота поперечного качания, частота вертикального качания, частота амплитудной модуляции, амплитуда вертикального качания, форма амплитудной модуляции и/или глубина модуляции, могут быть отрегулированы в зависимости от свойств коллектора пучка, в частности, охлаждающей способности, размеров и рабочих условий, таких как, например, электрический ток пучка электронов. Однако, согласно модифицированному варианту осуществления изобретения, может быть реализовано управление с обратной связью, по меньшей мере, одним из поперечных и вертикальных качающими полями. При этом варианте изобретения способ коллекторного качания включает в себя этап определения температуры для получения распределения температуры в коллекторе пучка и дополнительный этап управления, по меньшей мере, одним из поперечных качающих полем и изобретательской модуляцией поперечного качающего поля в зависимости от обнаруженного распределения температуры. Для сбора данных температуры предпочтительно используют множество термоэлектрических датчиков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные подробности и преимущества предпочтительного варианта осуществления описаны ниже со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:

Фиг.1-3: схематичные виды предпочтительного варианта осуществления изобретения;

Фиг.4: графическое представление профиля плотности мощности, полученного согласно изобретению; и

Фиг.5 и 6: иллюстрируют обычные технологии (предшествующий уровень техники).

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В отношении следующего описания предпочтительного варианта осуществления ссылка выполнена на применение изобретательского коллекторного качания для управления пучком электронов в гиротроне большой мощности. Следует подчеркнуть, что применение изобретения не ограничено гиротронами, а скорее возможно и на других вакуумных устройствах, включающих в себя коллектор пучка для сбора пучка электронов, таких как, например, другие вакуумные устройства с магнитным полем, направляющим сбросы пучка электронов с большой плотностью мощности, таких как, например, мазеры на свободных электронах (МСЭ) или лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Кроме того, примерная ссылка выполнена на применение изобретения с цилиндрическим коллектором пучка, в котором электронный пучок периодически качают вдоль продольного протяжения внутренней стенки коллектора пучка. Изобретательское коллекторное качание может быть реализовано с разными конструкциями коллектора пучка аналогичным способом. В качестве примера, внутренняя стенка коллектора может быть приспособлена для скользящего падения пучка электронов на коническую стенку коллектора. При следующих вариантах осуществления предположено периодически вращающееся поперечное качающее поле, имеющее заданную частоту поперечного качания. Изобретение может быть реализовано с неоднородным вращением или скачкообразной сменой направления поперечного качающего поля аналогичным способом.

Фиг.1 схематично изображает вариант осуществления сверхвысокочастотного генератора 200 (фиг.1А), который оборудован предлагаемым устройством 100 коллекторного качания, которое подробно изображено в схематичном виде сверху фиг.1В. Сверхвысокочастотный генератор 200 включает в себя электронную пушку 210, криомагнитное устройство 220 резонанса и цилиндрический коллектор 230 пучка. Сверхвысокочастотный генератор 200, например, гиротрон большой мощности, такой как коммерческий гиротрон ТН1507 Фалеса (SNo.3), приспособлен для работы в непрерывном режиме с частотой гиротрона в диапазоне от 100 до 140 ГГц и выходной мощностью около 1МВт. После взаимодействия пучок электронов - волна с КПД около 45%, электроны имеют энергию от около 80 до 100 КэВ. Цилиндрический коллектор 230 пучка имеет продольную длину около 1 м и диаметр около 0,5 м.

Продольное направление переноса электронов в сверхвысокочастотный генератор 200, в частности, в коллектор 230 пучка и осевое направление коллектора пучка относят как z-направление. Радиальные направления (х- и у-направления) ориентированы перпендикулярно относительно z-направления.

Предлагаемое устройство 100 коллекторного качания размещено со стороны входа коллектора 230 пучка, например в осевом положении между криомагнитным устройством 220 резонанса и коллектором 230 пучка, в частности, прямо перед областью 231 входа. В зависимости от варианта осуществления устройство 100 коллекторного качания содержит сочетание устройства 10 поперечной качающей катушки с устройством 20 вертикальной качающей катушки (первый вариант осуществления) или только устройство 10 поперечной качающей катушки (в сочетании с устройством 30 амплитудной модуляции, второй вариант осуществления), или сочетание устройства 10 поперечной качающей катушки как с устройством 20 вертикальной качающей катушки, так и устройством 30 амплитудной модуляции.

Устройство 10 поперечной качающей катушки содержит, например, шесть поперечных качающих катушек с 11 по 16. Фиг.1В показывает вид сверху компоновки катушек вокруг коллектора 230 пучка. Предпочтительно, катушки с 11 по 16 сконструированы и размещены, как описано в публикации Г. Даммерца и др. в «Трудах Совместной 30 Международной Конференции на тему Инфракрасные и Миллиметровые волны и 13 Международной Конференции на тему Электроника Терагерцевого Диапазона», Вильямсбург, США, ISBN 0-7803-9349-X (2005) с. 323-324. Поперечные качающие катушки с 11 по 16 возбуждают попарно (11-14, 12-15, 13-16), таким образом, создавая магнитное поперечное качающее поле. Частота поперечного качания выбрана, например, 50 Гц, чтобы упростить источник питания (50 Гц европейский стандарт питающей сети), т.е. магнитное поперечное качающее поле вращается 50 раз в секунду. Поперечные качающие катушки с 11 по 16 сконструированы, принимая во внимание доступное пространство вокруг гиротрона, требуемую магнитодвижущую силу, требования охлаждения для непрерывной работы и производственные соображения. Для избежания вибрационного повреждения вследствие работы при переменном токе в статическом магнитном поле криомагнитного устройства 220 резонанса, катушки плотно намотаны (пустоты заполнены). Каждая из катушек с 11 по 16 обеспечена медной рубашкой водяного охлаждения, поддерживающей температуру катушки ниже 80°С. Каждая катушка выполнена с возможностью генерации магнитодвижущей силы, например, 8 кА-витков. Типичные размеры катушек с 11 по 16: внешние размеры: 322×245×90 мм, обмотка (медь) 200 витков (10 слоев), поперечное сечение проволоки 2,24×3,55 мм 7,4 мм², ток: 30 А (21,2 А (среднеквадратическое значение)) (2,88 А/мм² (среднеквадратическое значение)), напряжение: 72 В (среднеквадратическое значение), полное сопротивление: 0,36 Ом при 20°С, омические потери: 20°С 162 Вт, 120°С 225 Вт, макс. допустимая температура изоляции 200°С, индуктивность: 12 мГн, вес меди: 11 кг, полный вес: 17 кг, каркас катушки: аустенитная нержавеющая сталь, магнитное поле в центре катушки: 21 мТл. Каждая из катушек с 11 по 16 соединена с источником 17 питания поперечного качающего поля, который содержит, например, регулируемый 3-фазный трансформатор, обеспечивающий ток 23 А в каждой поперечной качающей катушке. Пучок 1 электронов (штриховая окружность) осесимметричный и полый с диаметром приблизительно 100 мм.

Устройство 20 вертикальной качающей катушки содержит цилиндрическую вертикальную качающую катушку 21, соединенную с источником 22 питания вертикального качания. Катушка 21 размещена с осевой симметрией вокруг части пучка 1 электронов непосредственно перед областью 231 входа коллектора 230 пучка. В качестве необходимого преимущества изобретения осевая длина вертикальной качающей катушки 21 может быть выбрана существенно короче по сравнению с обычной СКВП-катушкой. В качестве примера вертикальная качающая катушка 21 может содержать несколько витков, например, менее 10 витков или только ровно один виток. Соответственно, энергопотребление и издержки вертикальной качающей катушки могут быть существенно уменьшены. Источник 22 питания вертикальной качающей катушки содержит источник питания переменного тока, приспособленный для обеспечения переменного тока для возбуждения вертикальной качающей катушки 21. Переменный ток выбран в зависимости от конструкции катушки и величины стационарного магнитного поля.

Устройство 30 амплитудной модуляции, которое предпочтительно включено в источник 17 питания поперечного качания, также схематично изображает фиг.1В. Устройство 30 амплитудной модуляции приспособлено для создания низкочастотной амплитудной модуляции (например, 7 Гц), которая имеет треугольную огибающую и типично 50% глубину модуляции.

В качестве предпочтительного режима работы, токи катушки в устройствах как поперечного, так и вертикального качающего поля, могут быть отрегулированы с источниками 17, 22 питания, чтобы поддерживать одинаковое полное расхождение пучка, т.е. с увеличением амплитуды поперечного качающего поля, амплитуду вертикального качающего поля уменьшают.

Фиг.1В дополнительно изображает контур 40 обратной связи, который, если требуется, может быть обеспечен для управления изобретательским коллекторным качанием. Контур 40 обратной связи включает в себя множество датчиков 41 температуры и схему 42 управления. В качестве примера 49 датчиков температуры (термопар) смонтированы на равных расстояниях вдоль вертикального направления коллектора 230 пучка. Подъем температуры измерен как функция вертикального расстояния от области 231 входа. Схема 42 управления приспособлена для оценивания данных температуры, полученных от датчиков 41 температуры и для создания сигнала управления, по меньшей мере, для одного из источников 17, 22 питания поперечного и вертикального качания. В качестве примера, если температура в зоне, отдаленной от области 231 входа, увеличивается выше заданного порогового значения, схема 42 управления воздействует на увеличенную амплитуду вертикального качающего поля, созданного катушкой 21.

В то время как устройство 10 поперечной качающей катушки создает эллиптическую область пересечения качающегося пучка электронов, как в случае технологии предшествующего уровня техники (см. фиг.5В), изобретательская модуляция поперечного качающего поля имеет в результате изменение области 3 пересечения, как схематично изображено на фиг.2 и 3.

Фиг.2 схематично изображает осевое передвижение области 3 пересечения (эллипс линии столкновения) под влиянием низкочастотного вертикального качающего поля, созданного, например, одновитковой или многовитковой катушкой 21 области входа. Область 3 пересечения, образованную статическим расходящимся магнитным полем 4 и поперечным качающим полем, сдвигают вверх и вниз. Эллипс вращается много раз (типично 10 раз) пока не завершен один вертикальный цикл. Однородный профиль выделения мощности получают регулировкой амплитуды и частоты систем вертикального и поперечного качания в зависимости от параметров работы сверхвысокочастотного устройства 200.

Согласно фиг.3 низкочастотная амплитудная модуляция поперечного качающего поля имеет в результате медленную модуляцию угла наклона вращающегося эллипса линии столкновения, таким образом, сглаживая пики профиля выделения мощности. Согласно изобретению варианты осуществления как фиг.2, так и 3 могут быть объединены для включения в себя более сложного передвижения области пересечения в коллекторе 230 пучка.

Фиг.4 изображает экспериментальный результат, полученный предложенным способом коллекторного качания. Сглаженный профиль выделения мощности (сплошная линия), полученный в изобретении, сравнен с профилем с двойным образованием максимумов мощности обычной СКВП-технологии (точечная линия, см. фиг.6). Согласно фиг.4 получено уменьшение пиковой нагрузки почти в два раза, таким образом, повышая возможность коллектора на ту же величину. Дополнительное улучшение профиля плотности мощности достигнуто обеспечением точной настройки модуляции поперечного качающего поля с точной настройкой постоянного магнитного поля, которое сдвигает нижнюю критическую точку области 3 пересечения немного в сторону от области входа.

Признаки изобретения, раскрытые в вышеупомянутом описании, чертежи и формула изобретения могут учитываться как по отдельности, так и в сочетании для выполнения изобретения в различных вариантах осуществления.