Коллекторный узел мощного СВЧ-прибора

Полезная модель относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, в частности к конструкции коллектора многолучевого прибора, например клистрона, и может быть использована при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для утилизации энергии потока электронов, выходящего из зазора выводного резонатора.
Физика процесса, происходящего в коллекторной части клистрона, такова. Тепловоспринимающая поверхность коллектора в генераторах СВЧ-импульсов принимает всю мощность, которую несет электронный поток, выходящий из выводного резонатора, что составляет порядка 60% от средней подводимой мощности по цепи анода прибора. При ударе электрона о поверхность коллектора его кинетическая энергия переходит в тепло, разогревающее стенки коллектора, что делает эту зону проблемной. В случае утилизации мощностей порядка нескольких десятков киловатт применяется принудительное жидкостное охлаждение.
Аналогом заявляемой полезной модели является многоэлектродный коллектор электровакуумного прибора О-типа (патент Российской Федерации № 2291514, опубликован 10.01.2007). Коллектор состоит из двух электродов: предколлектора, являющегося частью корпуса прибора, и токоприемного электрода под пониженным относительно корпуса потенциалом.
Данный коллектор присоединяется к электродинамической структуре посредством «сварки-пайки», что характерно для отпаянных приборов. Это обстоятельство не позволяет осуществлять сборку-разборку клистрона в случае необходимости.
Наиболее близким техническим решением является выбранный за прототип коллекторный узел, представляющий собой коллектор из меди для мощного СВЧ-прибора, имеющий возможность подстыковки к выводному резонатору (резонаторной электродинамической структуре) (патент Российской Федерации № 2196371, опубликован 10.01.2003). В коллекторе размещены втулки из молибдена, расположенные на его внутренней, предварительно никелируемой поверхности, причем втулки из молибдена соединены с коллектором при нагреве, при этом внутреннюю поверхность коллектора и наружную поверхность втулок выполняют конусными с одинаковым углом наклона. То есть коллекторный узел мощного СВЧ-прибора представляет собой биметаллическую структуру, одна составляющая которой выполнена из меди, формирующей теплоотводящую поверхность, при этом обеспечена возможность присоединения биметаллической структуры к выводному резонатору посредством «сварки-пайки» в области стыковки коллекторного узла с выводным резонатором. К недостаткам данного коллектора можно отнести сложность изготовления, неспособность компактного сборно-разборного соединения конструкции узла в условиях ограниченного объема.
Актуальность технической проблемы состоит в следующем.
Техническая проблема возникает в ходе отработки технологии создания отпаянного клистрона, когда необходимо создать разборный образец СВЧ-генератора для возможности корректировать элементы резонансной электродинамической структуры и коллектора. При этом должны обеспечиваться надежность и герметичность соединения этих составляющих при минимальных габаритах (в условиях ограниченного объема). В связи с этим требуется найти решение по созданию надежного, компактного, герметичного сборно-разборного механического соединения коллекторного узла с электродинамической структурой.
Таким образом, техническим результатом полезной модели является создание надежной герметичной сборно-разборной (в том числе многоразовой) конструкции коллекторного узла, обеспечивающего минимально возможные габариты.
Данный технический результат заключается в том, что по сравнению с известным коллекторным узлом мощного СВЧ-прибора, представляющего собой коллектор в виде биметаллической структуры, одна составляющая которой выполнена из меди, формирующей теплоотводящую поверхность, при этом обеспечена возможность присоединения биметаллической структуры коллектора к резонаторной электродинамической структуре, в предложенном коллекторном узле вторая составляющая биметаллической структуры выполнена из нержавеющей стали в форме кольца, обеспечивающего возможность многоразового разъемного присоединения биметаллической структуры коллектора к резонаторной электродинамической структуре за счет резьбовых отверстий, выполненных в торцевой контактной части вышеназванного кольца.
Таким образом, по сравнению с прототипом, где возможность присоединения к электродинамической структуре организована по типу «сварки-пайки», в заявляемом случае обеспечивается принципиальная возможность, в том числе и многократная, организации сборно-разборного соединения коллекторного узла с электродинамической структурой. Обычно в качестве материала для коллектора используют медь, обладающую высокой теплопроводностью. Резьба в теле медного коллектора не выдержит многократных механических соединений. В этом случае приходится выполнять коллектор с фланцем. Герметичная сборно-разборная конструкция осуществляется через фланцевые соединения посредством болтов. Наличие фланцев со стороны электродинамической структуры и коллектора увеличивает габариты клистрона в месте стыковки и усложняет организацию вывода СВЧ излучения. Избежать этого позволяет конструкция с кольцом из нержавеющей стали, являющейся второй составляющей биметаллической структуры заявляемого коллектора, за счет выбора материала, характеризующегося высокими прочностными свойствами. Обеспечивается возможность многоразового разъемного соединение коллекторного узла к резонаторной электродинамической структуре за счет резьбовых отверстий, выполненных в торцевой контактной части стального кольца.
При этом в условиях ограниченных размеров исключается фланцевое соединение со стороны коллекторного узла, а также обеспечивается надежное, компактное, герметичное сборно-разборное механическое соединение коллектора с выводным резонатором по сравнению с прототипом.
Герметичность при этом обеспечена за счет медной прокладки между резонаторной электродинамической структурой и коллектором.
Таким образом, вся совокупность заявляемых признаков приводит к возможности достижения заявляемого результата.
На фигуре 1 схематично изображен коллекторный узел клистрона (мощного СВЧ-прибора), где коллектор образован медным телом 3 (одна составляющая коллектора, выполненная из меди), формирующим теплоотводящую поверхность, и кольцом 1 из нержавеющей стали с резьбовыми отверстиями 2 (вторая составляющая коллектора) со стороны резонаторной электродинамической структуры, 4 - кожух, 5 - трубки охлаждения.
Проведена экспериментальная отработка заявляемого узла. Коллекторный узел представляет собой медное тело коллектора 3, заключенное в металлический кожух 4, образующие замкнутый объем, заполняемый через трубки 5 циркулирующей охлаждающей жидкостью. С торцевой стороны коллектора расположено стальное кольцо 1 с резьбовыми отверстиями 2, позволяющее осуществить многократное присоединение коллекторного узла к выводному резонатору электродинамической структуры.
Таким образом, заявленное усовершенствование обеспечивает многоразовое сборно-разборное герметичное соединение коллекторного узла с выводным резонатором.