КЛИСТРОН С ЛЕНТОЧНЫМ ПУЧКОМ

Полезная модель относится к электронным приборам СВЧ, а именно к усилительным клистронам. Предлагаемая конструкция предназначена, в основном, для приборов, работающих в коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне длин волн с фокусировкой однородным магнитным полем.
В последние годы в качестве одного из основных способов улучшения параметров вакуумных СВЧ приборов (клистронов и ЛБВ) рассматриваются конструкции с использованием ленточных электронных пучков. Преимуществом подобной конструкции является то, что большие поперечные размеры пучка позволяют получить большую передаваемую мощность при меньшем рабочем напряжении и меньшей плотности тока на катоде. Таким образом, при напряжении, характерном для многолучевых клистронов, плотность тока, и, следовательно, долговечность остаются на уровне однолучевого клистрона. При этом клистрон с ленточным пучком существенно проще в изготовлении, чем многолучевой клистрон. Преимущества приборов с ленточным пучком делают их перспективными источниками СВЧ энергии как сверхвысокого уровня в длинноволновых диапазонах (клистроны), так и в миллиметровом диапазоне (клистроны, ЛБВ).
Первый клистрон с ленточным пучком в диапазоне 11 ГГц был показан в 2009 году [1]. В трехрезонаторном клистроне на ленточном пучке в диапазоне 94 ГГц была получена выходная мощность 7,5 кВт [2].
Для фокусировки ленточных пучков можно применять как системы со знакопеременным магнитным полем, так и с однородным. Преимуществами систем с однородным магнитным полем являются простота в изготовлении, пониженные требования к точности изготовления и настройки магнитной фокусирующей системы, при этом основной проблемой для стабильной транспортировки ленточного пучка в пролетных каналах в таком поле является закручивание краев пучка - так называемая диокотронная неустойчивость пучка [3]. Использование значительного, в несколько раз больше равновесного значения, магнитного поля для снижения диокотронного неустойчивости [4], существенно увеличивает массу и усложняет изготовление и настройку прибора, поэтому требуются другие конструктивные решения.
Известно, что невозмущенное движение электронного пучка произвольного сечения в пролетном канале обеспечивается при условии совпадения сечения канала и формы эквипотенциали пучка [5]. При транспортировке ленточного пучка прямоугольного, или близкого к прямоугольному сечению в прямоугольном пролетном канале технологически сложно обеспечить выполнение этого условия, что снижает допустимую длину транспортировки пучка в приборе. В ряде конструкций [6], [7] используется пучок эллиптического сечения, который движется в пролетном канале прямоугольного сечения. При однородной плотности тока по сечению использование пучка эллиптического сечения позволяет уменьшить, по сравнению с пучком прямоугольного сечения, амплитуду электрического поля пространственного заряда на краю пучка, что снижает закручивание краев пучка. Дальнейшего повышения устойчивости можно добиться при соответствующем выборе формы пролетного канала. Так в конструкции [8], ближайшем аналоге и прототипе предлагаемой полезной модели, предлагается транспортировать пучок эллиптического сечения в пролетном канале также эллиптического сечения. В прототипе не рассматривается соотношение формы пролетного канала и эквипотенциалей транспортируемого пучка, что приводит к необходимости использовать сильное магнитное поле и высокий коэффициент заполнения пролетного канала электронным пучком, что усложняет изготовление прибора и повышает требования к точности установки и величине магнитного поля.
Техническим результатом предлагаемого решения является создание усилительного клистрона с ленточным пучком эллиптического сечения с пониженным проявлением неустойчивости краев в пучке. Это достигается выбором формы сечения пролетного канала, совпадающей с формой внешней эквипотенциали поля пучка, и выбором оптимального соотношения ширины пролетного канала и ширины пучка.
i
1
2
Для электронного пучка эллиптического сечения решение для потенциала φ в пучке и лапласовского поля φ вне пучка можно рассчитать с использованием метода Римана [9]. Для эллиптического пучка при введении эллиптических координат , η, с равными коэффициентами Ляме h=h=h имеем
Здесь a, b - полуоси эллипса; x, y - декартовы координаты в плоскости сечения.
Решение уравнения Лапласа представляется в виде:
причем S удовлетворяет однородным условиям на границе пучка и выражается через двойной интеграл:
где , ν=0 - уравнение границы потока.
Для однородного распределения плотности тока по сечению пучка
0
ρ-ρ=const имеем решение
Где
Из формулы видно, что выражение для потенциала φ содержит азимутальные зависимости и эквипотенциали решения не являются эллипсами того же семейства, что и сечение электронного пучка. То есть сечение пролетного канала должно быть эллипсом с другим соотношением полуосей.
0
В настоящее время в большинстве разрабатываемых СВЧ приборах применяются ленточные электронные пучки с соотношением сторон примерно 1 к 10, например [2] [7], что является оптимальным с точки зрения технологии изготовления катодных узлов и приборов в целом. Для эллиптического пучка соотношение сторон 1 к 10 также можно считать оптимальным. Сечение пролетного канала должно быть эллиптическим, с полуосями a1 и b1, совпадающим с одной из внешних эквипотенциалей φ. При малой ширине пролетного канала, т.е. малой величине a1, повышаются требования к точности изготовления прибора, а при увеличении - значительно возрастают поперечные размеры пролетного канала. Анализ показывает, что оптимальной будет ширина пролетного канала примерно на треть больше ширины электронного пучка, что означает a1=1,33a. При этом по результатам расчетов эквипотенциалей, получается, что a1/b1=1,18. Эти результаты верны для любых электронных пучков с равномерным распределением плотности тока и пространственного заряда по сечению пучка (ρ=ρ=const) и имеющих сечение в виде эллипса с отношением полуосей a/b=10. Для резонаторов клистрона, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, полученное значение малой полуоси (высоты) пролетного канала оказывается слишком большим и может превысить ширину резонатора, поэтому на входе и выходе пучка в резонатор необходимо делать отверстия с меньшим сечением. Известно, что снижения провисания электрического поля в зазорах резонаторов клистронов с цилиндрическими пучками необходимо выбирать определенное соотношение между шириной зазора и диаметром пролетного канала [10]. Для клистронов с ленточным пучком можно взять аналогичное соотношение между шириной зазора и малой полуосью пролетного канала. Оптимальным, с точки зрения технологичности изготовления и взаимодействия пучка с электрическим полем резонатора, будет изготовление на входе и выходе резонаторов отверстия эллиптического сечения с полуосями a2 и b2, где a2=a1=1,33*a и a2/b2=10, что обеспечит малое провисание высокочастотного электрического поля резонатора в пролетный канал.
Суть предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично показан клистрон с ленточным пучком. На фиг. 2 показан ленточный пучок с соотношением a/b=10 и внешние эквипотенциали пучка. Точками обозначен контур эллипса с соотношением полуосей a1/b1=1,18, являющийся границей пролетного канала. Все кривые приведены в нормированном виде. На фиг. 3 и фиг. 4 показано сечение различных вариантов построения резонаторов прибора.
На рисунках приняты следующие обозначения:
1 - электронный пучок эллиптической формы с соотношением полуосей a/b=10.
2 - катод прибора.
3 - анод прибора.
4 - каналы пролетных труб разной длины.
5 - СВЧ резонаторы прибора.
6 - магнитная фокусирующая система.
7 - коллектор.
8 - внешние эквипотенциали пучка.
9 - точками обозначен эллипс с соотношением полуосей a1/b1=1,18, где a1=1,33a.
10 - отверстия для электронного пучка на входе и выходе резонаторов.
На фиг. 1 показано, что электроны, вылетевшие с пространственно развитой поверхности катода 2, при их движении до анода 3 формируются электростатическим полем в электронный пучок 1, имеющий эллиптическое сечение с полуосями эллипса a и b при соотношении a/b=10. Форма электродов, создающих распределение потенциала, обеспечивающее формирование сходящегося от катода к аноду пучка, как и само распределение потенциала по длине, для предлагаемой полезной модели не имеют значения, поэтому электроды показаны условно в виде анода 3 сложной формы. Электронный пучок проходит сквозь электродинамическую систему, состоящую из нескольких резонаторов 5 и нескольких пролетных труб с каналами для прохождения электронного пучка 4. Как и в традиционных клистронах, пролетные трубы имеют различную длину. Соотношение длин пролетных каналов и размеров резонаторов на рисунке условно. Отработанный электронный пучок высаживается на поверхности коллектора 7. Для фокусировки пучка используется однородное магнитное поле, создаваемое магнитной фокусирующей системой 6. На входе и выходе электродинамической системы показаны отверстия 10, расположенные на входе и выходе резонаторов и служащие для пропускания электронного пучка. В случае конструктивной необходимости, возможно использование пролетных труб 4 в начале и конце электродинамической системы. На фиг. 1 показан только один вид прибора - узкая полуось пучка b лежит в плоскости рисунка. Сходимость пучка в этой плоскости, т.е. соотношение поперечного размера катода 2 к поперечному размеру пучка 1, может превышать 25. На схеме показана сходимость 20. Обеспечить высокую сходимость пучка по обеим плоскостям сложно, поэтому в перпендикулярном направлении (в плоскости большой полуоси а) сходимость составляет примерно 1,2, что дает суммарную сходимость пучка по площади 24.
Поперечное сечение пучка 1 показано на фиг. 2. Там же показано несколько внешних эквипотенциалей пучка 8, рассчитанных по формуле (1). Точками 9 на фиг. 2 показан эллипс с полуосями a1 и b1, где a1=1,33*a при соотношении a1/b1=1,18. Видно, что все точки лежат на одной из эквипотенциалей пучка, следовательно, эллипс с указанными значениями a1 и b1 может, как указано в формуле полезной модели, являться границей пролетного канала электронного пучка с указанными геометрическими параметрами.
На фиг. 3 в двух проекциях показано сечение резонатора 5 с пролетными каналами 4 и отверстиями 10 для электронного пучка на входе и выходе резонаторов. Пропорции размеров резонатора и пролетных каналов соответствуют миллиметровому диапазону длин волн. Это так называемый pillbox резонатор, в котором отсутствуют емкостные выступы.
2
2
2
2
На фиг. 4 показан резонатор клистрона сантиметрового диапазона длин волн. За основу взят реальный резонатор 7-ми лучевого клистрона. Резонатор традиционной конструкции имеет емкостной выступ. Большие поперечные размеры позволяют заменить пролетную трубу с 7 пролетными каналами трубой с одним эллиптическим пролетным каналом без изменения размеров резонатора. Ширина эллиптического пролетного канала равна расстоянию между двумя крайними точками противолежащих пролетных каналов. В 7 лучевой конструкции суммарная площадь всех электронных пучков составляет 4,45 мм. Площадь эллиптического ленточного пучка составляет 4,41 мм, что практически одинаково Суммарная площадь катодов в 7 лучевой конструкции 37 мм. Площадь катода эллиптического пучка составляет около 100 мм, что показывает преимущество клистронов с ленточными пучками перед традиционными многолучевыми клистронами с точки зрения плотности тока на катоде и, как следствие, долговечности прибора.
Источники информации:
1. М. Cusick, J. Atkinson, A. Balkcum, G. Caryotakis, D. Gajaria, T. Grant, et al., "X-band sheet beam klystron(XSBK)," in Proc. 10th IEEE IVEC, Roma, Italy, Apr. 2009, pp. 296-297.
2. John Pasour, Edward Wright, Khanh T. Nguyen, Adam Balkcum, Franklin N. Wood, Robert E. Myers "Demonstration of a Multikilowatt, Solenoidally Focused Sheet Beam Amplifier at 94 GHz". IEEE transaction on electron devices, vol. 61, no. 6, pp. 1630-1636, June 2014
3. С.C. Cutler, "Instability in hollow and strip electron beams." J. Appl. Phys., vol. 27, no. 9, pp.1028-1029, Sep.1956.
4. Cunjun Ruan, Shuzhong Wang, Ying Han, Qingsheng Li, Xiudong Yang. "Theoretical and experimental investigation on intense sheet electron beam transport with its diocotron instability in a uniform magnetic field." IEEE transaction on electron devices vol. 61, no. 6, pp 1643-1650, June 2014
5. Дж. Лоусон. "Физика пучков заряженных частиц." М. Мир. 1980 г.
6. SLAC-PUB-15330. Presented at The 15th Annual Directed Energy Symposium Albuquerque, New Mexico, November 26-30, 2012, USA.
7. Ningfeng Bai, Meng Shen, Xiaohan Sun, Fujiang Liao, Jinjun Feng, Tiechang Yan. "Design of low current density elliptical sheet beam gun. "P3-39, IVEC2015, April 27-29, Beijing, China.
8. Purna C. Panda, Vishnu Srivastava, Anil Vohra. "Stable Transport of Intense Elliptical Sheet Electron Beam through Elliptical Tunnel under Uniform Magnetic Field." P2-37, IVEC2011, February 21-24, Bangalore, India.
9. Syrovoy V.A. "Theory of intense beams of charged particles." New York: ELSEVIER. - 2011.
10. А.А. Кураев. "Мощные приборы СВЧ: Методы анализа и оптимизации параметров." М. Радио и связь 1986 г.