КАТОДНО-ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ
CATHODE PREHEATING UNIT

Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодно-подогревательным узлам для мощных приборов СВЧ, в частности клистронов.
Одной из основных задач сегодня является создание мощных и сверхмощных многотрубных клистронов.
Различают однолучевые и многолучевые клистроны.
Многолучевые усилительные клистроны (клистроны) являются основой передатчиков современных перспективных бортовых, морских и наземных радиоэлектронных систем.
В последнее время известность получили многотрубные клистроны, представляющие собой два и более парциальных многолучевых клистрона, объединенных единой вакуумной оболочкой и едиными вводом и выводом энергии.
Катодный узел, эмитирующий электроны, является одним из основных элементов клистрона любого типа.
Одной из основных характеристик катодного узла для мощных многолучевых клистронов является высокий однородный уровень эмиссии всех эмитирующих поверхностей, обеспечивающих высокие и стабильные параметры клистрона.
Известны мощные либо сверхмощные клистроны на основе многолучевых электронно-оптических систем, реализованные суммированием многолучевого клистрона, состоящего из восьми групп по восемь лучей в каждой, в которых использованы восемь отдельных катодно-подогревательных узлов, размещенных на общем основании [1].
Указанные клистроны являются мощными (до 100 кВт) либо сверхмощными (более 100 кВт).
Однако данные клистроны отличаются не высокой долговечностью и нестабильностью из-за
во-первых, неидентичности геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов,
во-вторых, неидентичности геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов и системы элементов - сетка, анод, резонаторный блок клистрона, элементы которой выполнены монолитно,
в-третьих, разброса рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов.
Это определяет невысокую долговечность и невысокую стабильность отдельных катодно-подогревательных узлов и, соответственно, клистрона.
Более того данная конструкция клистрона трудно реализуема.
Известен катодно-подогревательный узел для мощного клистрона, содержащий два отдельных катодных модуля, каждый из которых состоит из катодного блока элементарных катодов, подогревателя, держателя и которые торцами, противоположными торцам с рабочей - эмитирующей - поверхностью расположены на одном отдельном основании, выполненном из тугоплавкого материала и при этом соосно пролетным трубам клистрона [2] - прототип.
Данная конструкция благодаря указанной компановке элементов (двухтрубной) позволила значительно увеличить количество лучей клистрона и соответственно его выходную мощность в импульсном режиме.
Однако указанные выше недостатки аналога в целом сохранились, а именно неидентичность геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов, неидентичность геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов и системы элементов - сетка, анод, резонаторный блок клистрона, элементы которой выполнены монолитно, разброс рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов.
Более того, наличие торцевых сварочных швов на значительном линейном расстоянии от рабочей - эмитирующей - поверхности при разогреве катода до рабочей температуры (~1100°C) приводит дополнительно к изменению первоначально установленных геометрических размеров.
Это определяет, как и в аналоге, невысокую долговечность катодно-подогревательного узла и, соответственно, ограничения по выходной мощности в импульсном режиме и коэффициенту полезного действия мощного клистрона.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение долговечности катодно-подогревательного узла путем повышения идентичности геометрических размеров его элементов и снижения разброса рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов, уменьшение массогабаритных характеристик и, соответственно, повышение выходной мощности, коэффициента полезного действия, расширение функциональных возможностей мощного клистрона.
Технический результат достигается катодно-подогревательным узлом для мощного клистрона, содержащим несколько отдельных катодных модулей заданного размера, каждый из которых состоит из катодного блока элементарных катодов, подогревателя, держателя, экрана и которые расположены соосно пролетным трубам клистрона, в котором
катодно-подогревательный узел содержит отдельные катодные модули, кратные четырем,
часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту (0,2-2,0) мм с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, выполнена диаметром, превышающим диаметр катодного модуля на (0,2-10,0) мм,
катодно-подогревательный узел дополнительно снабжен двумя цилиндрами - внешним и внутренним, с заданными диаметрами соответственно, высотой - внешний, равной высоте отдельного катодного модуля либо не более двух его высот, внутренний - равной высоте катодного модуля либо не менее 0,5 его высоты, каждый с толщиной стенки (0,3-0,8) мм, при этом цилиндры соосно расположены один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей - поверхности катодных модулей,
каждый отдельный катодный модуль дополнительно снабжен отдельным цилиндром, размещен в нем с зазором и закреплен посредством упомянутой части держателя, при этом отдельный цилиндр выполнен диаметром, обеспечивающим сопряжение всех катодных модулей, высотой, меньшей высоты катодного модуля на (1,0-5,0) мм, с толщиной стенки, равной (0,2-0,6) мм, на внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой (4,0-8,0) от толщины стенки отдельного цилиндра, в количестве, кратном четырем,
а отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями расположены между внешним и внутренним цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра с отдельными катодными модулями с элементами крепления и торцов внешнего и внутреннего цилиндров и закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем, заданные диаметры внешнего и внутреннего цилиндров, диаметр превышающей части держателя определяются из выражений соответственно
Dвнеш.ц=Dц.пр.труб+Dотд.цилиндр.к.м.
Dвнутр.ц=Dц.пр.труб-Dотд.цилиндр.к.м.
Dпр.ч.д.=Dотд.цилиндр.к.м.-2×S, где
Dц.пр.труб - диаметр расположения центров пролетных труб клистрона, мм,
Dотд.цилиндр.к.м - диаметр отдельного цилиндра катодного модуля, мм,
S - толщина стенки отдельного цилиндра катодного модуля, мм, причем все упомянутые элементы выполнены из тугоплавкого материала.
Заданные размеры отдельных катодных модулей определяются техническими характеристиками клистрона.
Отдельный цилиндр каждого отдельного катодного модуля монолитно с элементами крепления на внешней поверхности торца в плане плоскости расположения его рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены, например, методом штамповки и методом электроискровой обработки соответственно.
Отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями, расположенные между внешним и внутренним цилиндрами, закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем, например, методом сварки.
Тугоплавким материалом может быть молибден, тантал.
Внешний и внутренний цилиндры могут быть выполнены с ребрами жесткости.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного катодно-подогревательного узла для мощного клистрона, а именно когда:
часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту (0,2-2,0) мм с торца противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности выполнена диаметром, превышающим диаметр катодного модуля на (0,2-10,0) мм,
катодно-подогревательный узел дополнительно снабжен двумя цилиндрами - внешним и внутренним, с заданными диаметрами, высотой - внешний, равной высоте отдельного катодного модуля либо не более двух его высот, внутренний - равной высоте катодного модуля либо не менее 0,5 его высоты, каждый с толщиной стенки (0,3-0,8) мм, при этом цилиндры соосно расположены один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей - поверхности катодных модулей,
каждый отдельный катодный модуль дополнительно снабжен отдельным цилиндром, размещен в нем с зазором и закреплен посредством упомянутой части держателя, при этом отдельный цилиндр выполнен диаметром, обеспечивающим сопряжение всех катодных модулей, высотой, меньшей высоты катодного модуля на (1,0-5,0) мм, с толщиной стенки, равной (0,2-0,6) мм,
на внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой (4,0-8,0) от толщины стенки отдельного цилиндра, в количестве, кратном четырем,
а отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями расположены между внешним и внутренним цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра с отдельными катодными модулями с элементами крепления и торцов внешнего и внутреннего цилиндров и закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем.
Это обеспечит:
жесткость без зазоров посадки элементов катодно-подогревательного узла как в самом отдельном цилиндре, так и при последующей их посадке в катодный модуль, и тем самым стабильность их геометрических размеров, и тем самым максимальную соосность расположения отдельных цилиндров с отдельными катодными модулями относительно пролетных труб клистрона,
надежное монолитное соединение без зазоров элементов катодно-подогревательного узла и тем самым максимально достаточную прочность всех его элементов,
практически полное исключение перепада температур между рабочей - эмитирующей - поверхностью и внешним и внутренними цилиндрами и тем самым - максимальную стабилизацию теплового поля в области рабочей - эмитирующей - поверхности.
возможность экранировки нерабочих - эмитирующих участков поверхности и тем самым дальнейшую стабилизацию теплового поля в области рабочей - эмитирующей поверхности,
возможность значительного увеличения компановки эмитирующих элементов клистрона вплоть до 64-лучевого клистрона и более,
возможность работы как в импульсном, так и непрерывном режиме.
И, как следствие: -
во-первых, повышение долговечности катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
во-вторых, значительное повышение выходной мощности и коэффициента полезного действия клистрона,
в-третьих, снижение массогабаритных характеристик катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
в-четвертых, расширение функциональных возможностей мощного клистрона.
Определение заданных диаметров внешнего и внутреннего цилиндров согласно указанным математическим выражениям обеспечивает оптимальные размеры элементов конструкции катодно-подогревательного узла и тем самым максимальную фазовую синхронизацию клистрона и, как следствие, - повышение выходной мощности и коэффициента полезного действия мощного клистрона.
Выполнение части держателя каждого отдельного катодного модуля с превышающим диаметром на указанной высоте является оптимальным для последующего соединения с отдельным цилиндром с точки зрения оптимального конструкционного исполнения.
Выполнение катодного модуля с превышением диаметра с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, как менее 0,2 мм, так и более 10,0 мм недопустимо из-за нарушения теплового баланса.
Выполнение внешнего цилиндра высотой менее высоты отдельного катодного модуля недопустимо из-за ухудшения его экранировки, а более двух его высот не имеет смысла.
Выполнение внутреннего цилиндра высотой менее 0,5 высоты катодного модуля не желательно из-за снижения жесткости конструкции, а более - его высоты не имеет смысла.
Выполнение внешнего и внутреннего цилиндров каждого с толщиной стенки менее 0,3 мм недопустимо из-за нарушения жесткости и надежности конструкции, а более 0,8 мм - не имеет смысла.
Выполнение отдельного цилиндра высотой, меньшей высоты катодного модуля как на 1,0 мм, так и на 5,0 мм, недопустимо, в первом случае из-за возникновения электрического пробоя, во втором - из-за нарушения теплового баланса.
Выполнение отдельного цилиндра с толщиной стенки как менее 0,2, так более 0,6 мм не желательно, в первом случае из-за нарушения жесткости, во втором из-за нарушения пластичности элементов крепления и, соответственно, затруднения последующего соединения.
Выполнение элементов крепления в количестве, меньшем кратного четырем, в виде кругового сегмента, с длиной его кривой как менее 4,0, так более 8,0 от толщины стенки отдельного цилиндра недопустимо,
в первом случае из-за недостаточности точек контакта, во втором из-за возможного нарушения конструкции элементов крепления.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. дан частный случай выполнения заявленного катодно-подогревательного узла для мощного 64-лучевого клистрона, общий вид с выровом (фиг. 1а), общий вид в разрезе (фиг. 1б), вид сверху (фиг. 1в) и где:
- отдельный катодный модуль - 1,
- катодный блок элементарных катодов - 2,
- подогреватель - 3,
- держатель - 4,
- экран - 5
- расположение центров пролетных труб клистрона - 6,
- два цилиндра, внешний - 7, внутренний - 8,
- отдельный цилиндр каждого отдельного модуля - 9 с монолитно выполненными элементами крепления 10.
Примеры конкретного выполнения заявленного модуля катодного-подогревательного узла для мощных клистронов.
Пример 1. Рассмотрен частный случай выполнения заявленного катодно-подогревательного узла для мощного 64-лучевого клистрона (фиг. 1а, б, в).
Технические требования мощного 64-лучевого клистрона задают:
Диаметр расположения центров пролетных труб клистрона 6, равный 60,0 мм,
Диаметр отдельного катодного модуля 1, равный 17,0 мм.
Высоту отдельного катодного модуля 1, равную 18,0 мм.
Толщину стенки отдельного цилиндра катодного модуля 9, равную 0,4 мм.
Определяют:
Определяют диаметр отдельного цилиндра 9 каждого отдельного модуля 1, обеспечивающий сопряжение всех катодных модулей.
Dотд.ц.к.м. равен 23 мм, что соответствует расстоянию между центрами двух сопрягающихся пролетных труб.
Диаметр внешнего 7 и внутреннего 8 дополнительных цилиндров исходя из диаметра расположения центров пролетных труб клистрона 6.
Dвнеш.ц=Dц.пр.труб+Dотд.цилиндр.к.м.=60+23=83 мм
Dвнутр.ц=Dц.пр.труб-Dотд.цилиндр.к.м.=60-23=37 мм
Диаметр превышающей части держателя 4 катодного модуля.
Dпр.ч.д.=Dотд.цилиндр.к.м.-2×S=23-(2×0,4)=22,2
(Согласно математическим выражениям, указанным в формуле изобретения соответственно).
Изготавливают два цилиндра - внешний 7 и внутренний 8 с диаметрами 83,0 мм и 37,0 мм соответственно, каждый с толщиной стенки 0,6 мм, высотой 27,0 мм и 13,5 мм соответственно из листа тугоплавкого материала - тантала ТУ647РКЗ 0054230-311-2000 (далее тантала) методом штамповки и располагают соосно один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей поверхности катодных модулей 1.
Изготавливают держатель 4 из тантала. Часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту 1,1 мм с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, выполняют диаметром 22,2 (превышение диаметра составляет 5,2 мм).
Изготавливают отдельные цилиндры 9 в количестве восьми штук из тантала, диаметром 23 мм, высотой 14,0 мм (соразмерными отдельному катодному модулю 1, при этом высота отдельных катодных модулей определяется массогабаритными характеристиками клистрона), с толщиной стенки 0,4 мм методом штамповки.
На внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра 9 в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления 10, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой 2,4 мм (что соответствует 6,0 от толщины стенки отдельного цилиндра - 0,4 мм), в количестве, кратном четырем, методом электроискровой обработки на станке типа АРТА122.
Отдельные цилиндры 9 с отдельными катодными модулями 1 располагают между внешним 7 и внутренним 8 цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра 9 с отдельными катодными модулями 1 с элементами крепления 10 и торцов внешнего и внутреннего цилиндров 7 и 8 и закрепляют между собой по скользящей посадке посредством элементов крепления 10 в точках контакта, кратных четырем (8×4), методом лазерной сварки (Тип Nd:YAG).
Примеры 2-5. Аналогично примеру 1 выполнены образцы катодно-подогревательного узла для мощного 64-х многолучевого клистрона, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3) и выходящих за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4-5).
Пример 6 - соответствует конструкции катодно-подогревательного узла прототипа, использованного в 30-лучевом клистроне.
Изготовленные образцы модулей катодно-подогревательного узла были опробованы в указанном выше мощном 64-лучевом клистроне.
При этом была измерена выходная мощность в импульсном режиме (ГОСТ 2027.1-91).
Долговечность (РД 11.0770-90).
Определен КПД.
Данные представлены в таблице.
Как видно из таблицы, выходная мощность в импульсном режиме мощного клистрона с образцами катодно-подогревательного узла, изготовленными согласно конструкционным параметрам, указанным в формуле изобретения, составляет порядка 2500 кВт, долговечность порядка 10000 ч, коэффициент полезного действия (КПД) - порядка 50% (примеры 1-3).
В отличие от упомянутого клистрона с образцами катодно-подогревательного узла, изготовленными за пределами, указанными в формуле изобретения, выходная мощность которого составляет менее 1500 кВт, долговечность 5000 ч, коэффициент полезного действия (КПД) - порядка 40 процентов (пример 5) и образца-прототипа, выходная мощность которого составляет порядка 700 кВт, КПД порядка 30 процентов. Образец катодно-подогревательного узла не обеспечивает жесткости конструкции (пример 4).
Таким образом, заявленный катодно-подогревательный узел обеспечит по сравнению с катодно-подогревательным узлом прототипа
- повышение долговечности катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
- значительное повышение мощности клистрона более чем в 3 раза и коэффициента полезного действия порядка 50 процентов (в импульсном режиме),
- снижение массогабаритных характеристик катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
- расширение функциональных возможностей, благодаря возможности работы как в импульсном, так и непрерывном режиме.
Источники информации
1. B.C. Медовников. Создание мощных и сверхмощных клистронов на основе многолучевых электронно-оптических систем // «Радиотехника», 2000 г. №2, с. 58-61 //.
2. Б.Ч. Дюбуа и др. Катоды для мощных многолучевых вакуумных приборов СВЧ. // СВЧ-Техника, Вып. 1, 2011, с. 44-53 - прототип.