КЛИСТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
KLYSTRON GENERATOR

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для целей радиолокации, навигации и техники ускорителей элементарных частиц.
Для дециметрового диапазона длин волн весьма актуальной задачей является создание мощных высокоэффективных генераторных приборов СВЧ с улучшенными габаритными характеристиками. В этом спектральном диапазоне в качестве таких источников сверхвысокочастотного излучения в основном используются пролетные усилительные клистроны.
Работа клистронных СВЧ-устройств основана на принципе скоростной модуляции электронного пучка под действием СВЧ-поля резонатора. Дальнейшее движение скоростно-модулированного пучка в пространстве без сверхвысокочастотного поля - пространстве дрейфа - ведет к образованию электронных уплотнений и таким образом постоянный по плотности электронный поток получает переменную составляющую тока. Процесс возникновения переменного тока получил название процесса группировки электронного пучка. Конструктивно, любой клистронный прибор СВЧ содержит электронную пушку, систему транспортировки электронного пучка, резонансную структуру, элементы которой разделены пространствами дрейфа и устройство вывода излучения (Ю.А.Кацман Приборы сверхвысоких частот. М. - Высшая школа. - 1973 [1], И.В.Лебедев Техника и приборы сверхвысоких частот.  М. - Высшая школа. - 1972 [2]).
В вышеназванных источниках пучок электронов в клистронных СВЧ-генераторах формируется с помощью накальных термоэмиссионных катодов. Основными недостатками таких классических СВЧ-устройств является относительно низкий коэффициент полезного действия, малая выходная мощность и наличие внешней цепи обратной связи (ОС), соединяющей первый и выходной резонаторы генератора. Кроме того, применение в конструкциях клистронных генераторов электронных пушек на основе термоэмиссии при попытках увеличить выходную мощность до мегаваттного уровня с неизбежностью ведет к резкому увеличению габаритов СВЧ-приборов. Это, в основном, связано с низкими плотностями токов, формируемыми данными пушками, что, как следствие, приводит к необходимости иметь большие площади катодов, а также требует применения протяженных труб дрейфа для эффективной группировки электронного пучка.
За прототип, наиболее близкий к заявляемому клистронному генератору по совокупности признаков, выбран пятирезонаторный клистрон с цепью обратной связи в виде коаксиальной линии передачи (Б.С.Дмитриев, Ю.Д.Жарков, Д.В.Клокотов, Н.М.Рыскин Экспериментальное исследование сложной динамики в многорезонаторном клистронном автогенераторе с запаздывающей обратной связью. ЖТФ. - 2003. - Том 73. - Вып.7. - Стр.105-110).
Прототип содержит систему формирования магнитного поля, подключенные к источнику высокого напряжения анод и катод, являющийся источником пучка электронов, резонансную структуру, состоящую из пяти резонаторов, разделенных трубами дрейфа, цепь обратной связи и средство вывода СВЧ-излучения.
Клистрон, выполненный по схеме прототипа, работает в режиме генератора. Электронный пучок, формируемый термокатодом, в ведущем магнитном поле пропускается вдоль резонансной структуры, взаимодействуя с СВЧ-полем резонаторов. При наличии цепи обратной связи, соединяющей первый и последний резонаторы клистрона, происходит передача части генерируемой СВЧ-мощности в первый резонатор. В результате между сетками первого резонатора наводится СВЧ-напряжение, которое позволяет за счет явления скоростной модуляции обеспечить группировку электронов в области зазора последнего резонатора. Из последнего резонатора микроволновое излучение с помощью устройства вывода передается в нагрузку. Отрезок коаксиального кабеля, соединяющий первый и последний резонатор, выполняет функцию внешней цепи обратной связи, обеспечивающей выполнение амплитудного и фазового условий самовозбуждения клистрона.
Недостатками клистронного генератора, выбранного в качестве прототипа, являются невысокий уровень генерируемой мощности и наличие специально организованной внешней цепи обратной связи, что ведет к существенному усложнению конструкции всего устройства. Следует особо отметить, что построение по схеме прототипа мощного СВЧ-генератора вызовет еще большие трудности в обеспечении функционирования цепи обратной связи из-за существенно возросшего уровня СВЧ-мощности, а также приведет к неоправданно большим габаритным характеристикам прибора в связи с применением термокатода.
Как известно, в основе генерации микроволнового излучения с помощью электровакуумных приборов и, в частности клистронов, лежит процесс модуляции плотности электронного пучка. Для обеспечения эффективности данного процесса необходимо обеспечить выполнение ряда условий, которые связывают в единую систему параметры пучка, характеристики резонаторов клистрона и геометрические размеры разделяющих резонаторы труб дрейфа.
3/2
Основным фактором, существенно ограничивающим уровень выходной мощности микроволнового излучения клистронных генераторов, выполненных по схеме прототипа, является относительно невысокий первеанс электронных пучков, используемых в этих СВЧ-устройствах (первеанс - отношение тока пучка к напряжению на катоде в степени 3/2-х). Последнее обстоятельство объясняется применением в этих приборах накальных катодов на основе явления термоэмиссии электронов. Типичные первеансы пучков классических пролетных СВЧ-устройств колеблются в пределах 0,1…7,5 мкА/В.
Как следствие, при разработке по классической схеме клистронных СВЧ-генераторов мегаваттного уровня мощности они имеют слишком большие габариты. Последнее обстоятельство объясняется тем, что длины труб дрейфа, после прохождения которых наблюдается оптимальная с точки зрения КПД и выходной мощности группировка электронного пучка, получаются чрезмерно большими. Оптимальная длина труб дрейфа определяется плазменной частотой колебаний электронного потока, которая в основном зависит от плотности тока электронного пучка [1, 2]. В классических клистронах на основе термоэмиссии плотности тока пучка редко превышают единицы-десятки ампер на квадратный сантиметр. Это приводит к тому что, плазменная частота колебаний электронного пучка оказывается достаточно низкой.
Кроме того, при реализации генераторного режима работы электровакуумных приборов необходимо обеспечить передачу части генерируемой в выходном резонаторе мощности посредством цепи обратной связи на вход первого резонатора. Как правило, эта цепь выполняется в виде отрезка коаксиальной линии передачи (коаксиального кабеля), либо отверстий связи в стенках соседних резонаторов. Наличие этих элементов в любом случае ведет к снижению выходных характеристик устройства и усложнению конструкции, что в комплексе существенно ограничивает уровень выходного сигнала, так как для возбуждения мощного СВЧ-генератора по этой цепи необходимо передавать электромагнитные поля достаточно большой амплитуды. Известные авторам клистронные генераторы построены по классической схеме с термокатодами и рассчитаны на генерацию СВЧ-излучения с выходной мощностью в пределах нескольких сотен ватт.
Таким образом, для повышения уровня генерируемой мощности, снижения габаритных характеристик клистронных СВЧ-генераторов и упрощения их конструкции необходимо переходить к более высокопервеансным электронным пучкам и отказу от применения внешних цепей обратной связи.
Техническая задача состоит в совершенствовании конструкции СВЧ-генератора на базе клистрона, существенном повышении уровня генерируемой им СВЧ-мощности и уменьшении габаритных характеристик.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение мощности генерируемого излучения при упрощении конструкции и уменьшении габаритов клистронного генератора.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного клистронного генератора, содержащего систему формирования магнитного поля, подключенные к источнику высокого напряжения анод и катод, резонансную структуру в виде резонаторов, разделенных трубами дрейфа, а также цепь обратной связи и средство вывода излучения, в предлагаемом генераторе в качестве источника пучка электронов использован взрывоэмиссионный катод, а геометрические размеры резонаторов, труб дрейфа, катода, анода согласованы с параметрами источника высокого напряжения и выбраны таким образом, что функцию цепи обратной связи выполняет электронный пучок.
Катоды на основе явления взрывной эмиссии дают возможность на порядки по сравнению термокатодами повысить плотность и амплитуду генерируемых токов электронных пучков и, как следствие, выходную СВЧ-мощность клистронных генераторов. Возросшие параметры электронных потоков позволяют за счет правильного выбора геометрии и размеров катода, анода, резонаторов и труб дрейфа резонансной структуры и согласования их с уровнем питающего напряжения обеспечить организацию положительной обратной связи между резонаторами клистронного генератора непосредственно через электронный пучок. Последнее обстоятельство снимает необходимость в организации искусственной внешней цепи ОС и существенно упрощает конструкцию клистронного генератора.
Кроме того, при большой плотности тока при соответствующем выборе длин зазоров резонаторов образуются отраженные электроны, за счет которых, как показывают расчеты, также возможна реализация внутренней обратной связи посредством электронного пучка.
Применение в клистронных генераторах высокопервеансных электронных пучков, источником которых является катод на основе явления взрывной эмиссии, дополнительно позволяет существенно сократить габаритные характеристики СВЧ-приборов. Как известно, оптимальная длина труб дрейфа, разделяющих соседние резонаторы обратно пропорциональна корню квадратному из плотности тока пучка и прямо пропорциональна корню четвертой степени из напряжения между катодом и анодом. Данная зависимость позволяет при существенном росте плотности тока пучка, достигаемого с помощью взрывоэмиссионных катодов, значительно уменьшить длины труб дрейфа и, как следствие, габариты всего устройства в целом.
Таким образом, построение клистрона по предлагаемой схеме позволит достичь технического результата - повышения мощности генерируемого излучения при упрощении конструкции и снижении габаритных характеристик.
На чертеже приведено схематичное изображение заявляемого клистрона,
где
1 - источник высокого напряжения;
2 - взрывоэмиссионный катод;
3 - анод;
4 - система ведущего магнитного поля;
5 - электронный пучок;
6 - резонансная структура в виде тороидальных резонаторов;
7 - трубы дрейфа;
8 - средство вывода СВЧ-излучения.
Заявляемый СВЧ-генератор реализован на практике. В состав макета клистронного генератора, схема которого представлена на чертеже, входят: острокромочный взрывоэмиссионный катод 2, представляющий из себя трубку диаметром 35…45 мм, изготовленную из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, цилиндрический анод 3 диаметром 80 мм, резонансная структура, состоящая из четырех тороидальных резонаторов 6, разделенных трубами дрейфа 7, индуктивное устройство вывода СВЧ-излучения 8, соединенное с коаксиальным радиочастотным кабелем. Взрывоэмиссионный катод в процессе работы формирует тонкостенный кольцевой электронный пучок 5. Вся конструкция размещается в откачиваемом цилиндрическом объеме, который помещается в продольное магнитное поле с индукцией порядка 2,5 кГс, формируемое с помощью соленоида магнитного поля 3. Питание макета осуществлялось от 10-каскадного высоковольтного источника импульсного напряжения 1, каждый каскад которого построен по схеме искусственной формирующей линии.
2
3/2
Клистрон работает следующим образом. Импульс высокого напряжения отрицательной полярности от генератора высоковольтных импульсов прикладывается к взрывоэмиссионному катоду. В результате взрыва микроострий на кромке катода формируется интенсивный электронный пучок, который в магнитном поле соленоида проходит вдоль резонансной структуры клистрона. Плотность тока электронного пучка составляет ~200 А/см, что соответствует первеансу электронного пучка порядка 30…35 мкА/В.
С целью обеспечения максимального уровня выходной СВЧ-мощности для данного клистронного генератора геометрические размеры его основных узлов (диаметр катода, радиальный зазор анод-катод, характеристики резонаторов, диаметры и длины труб дрейфа) согласовывались с амплитудой высоковольтного импульса напряжения и, соответственно, током электронного пучка. Кроме того, размеры щелей резонаторов выбирались на основе компьютерного моделирования процесса взаимодействия электронного пучка и СВЧ-поля резонаторов. Критерием выбора служило появление в области щелей 3-го и 4-го резонаторов отраженных электронов, движущихся в сторону катода. Экспериментальные исследования токопрохождения в заявляемом клистронном генераторе показали, что в оптимальном с точки зрения выходной мощности режиме работы, ток пучка на коллектор имеет форму, характеризуемую наличием выброса на фронте импульса, затем резкого спада и выходом на плато на уровне 0,6…0,7 от амплитудного значения. Зарегистрированная форма импульса тока электронного пучка типична для систем с сильным влиянием объемного заряда на динамику электронов вплоть до образования виртуального катода. Такой режим работы клистрона позволяет обеспечить выполнение электронным пучком функции цепи обратной связи.
Мощность СВЧ-излучения заявляемого клистронного генератора оценивается величиной порядка 10 МВт.
Следует особо отметить, что построенный на основании заявляемого решения макет клистронного генератора имеет габаритные размеры (порядка 700 мм) существенно меньше размеров, сравнимых по мощности усилительных клистронов, разработанных с использованием классических подходов. К примеру, промышленный усилительный клистрон КИУ-1 имеет длину более двух метров при сравнимых выходных характеристиках. Сведениями о создании клистронов, работающих в генераторном режиме, с подобными макету выходными параметрами авторы не располагают.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования было показано, что мощный клистрон с взрывоэмиссионным острокромочным катодом способен эффективно работать в режиме генератора, в котором обратная связь реализована посредством электронного пучка. При этом габаритные характеристики разработанного макета заявляемого устройства существенно меньше размеров классических усилительных клистронов со сравнимыми выходными параметрами при существенном упрощении конструкции.