Электронный СВЧ прибор
ELECTRONIC MICROWAVE INSTRUMENT

Изобретение относится к области электронных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов больших мощностей пролетного типа, использующих магнитную систему для формирования и транспортировки электронного пучка. Такой прибор может быть использован в мощной СВЧ-электронике, например, в качестве источника мощного СВЧ-излучения для дополнительного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.
2
2
В мощной СВЧ-электронике существует проблема утилизации энергии отработавшего (отдавшего часть своей энергии для генерации СВЧ-излучения) электронного пучка. Например, в типичном мощном гиротроне непрерывного режима с энергией электронного пучка 3 МВт после генерации 1 МВт СВЧ-излучения (что соответствует 33% к.п.д.) в отработавшем электронном пучке будет сосредоточена мощность 2 МВт, которая и должна быть рассеяна на коллекторе. Длина зоны оседания пучка на типичном цилиндрическом коллекторе диаметром 20 см составляет примерно 5 см, и для идеально однородного отработанного электронного пучка плотность теплового потока (то есть, мощность тепла, выделяемого на единице площади токовоспринимающей поверхности коллектора) составит более 6 кВт/см. На практике электронный пучок неоднороден, и плотность теплового потока неодинакова в различных точках поверхности. В результате максимальное значение плотности теплового потока оказывается в два-три раза больше, то есть 12-18 кВт/см. Такие величины плотности теплового потока явно неприемлемы как для проектирования рациональной системы охлаждения, так и с точки зрения долговечности СВЧ прибора.
Известны СВЧ приборы, устройство которых позволяет снизить плотность теплового потока на токовоспринимающую поверхность коллектора за счет расширения поперечного сечения электронного пучка и тем самым увеличения площади зоны оседания электронного пучка на токовоспринимающей поверхности коллектора под воздействием статического неадиабатического (значительно изменяющегося в пространстве на шаге траектории электрона (спирали переменного радиуса и шага)) магнитного поля. Примером служит СВЧ-прибор со статическим неадиабатическим магнитным полем в области коллектора, формируемым с помощью нескольких катушек [G.G. Denisov and V.N. Manuilov. The collector of a megawatt gyrotron with a static nonadiabatic magnetic field. Radiophysics and Quantum Electronics, Vol. 56, No. 6, 2013]. Минусом (изъяном) такого прибора является недостаточное (для мощных приборов) снижение плотности теплового потока (как максимум, примерно в 3 раза) и, соответственно, рабочей температуры токовоспринимающей поверхности коллектора.
Аналогом предлагаемого изобретения является электронный СВЧ-прибор [Faillon et al. Electron collector for electron tubes. United State Patent Number 4,933,594. Date June 12, 1990], содержащий вакуумный корпус, магнитную систему транспортировки пучка и коллектор отработавшего электронного пучка с токовоспринимающей поверхностью в виде поверхности цилиндра (коллектор является частью вакуумного корпуса), снаружи которого коаксиально расположена коллекторная сканирующая катушка, создающая переменное периодическое магнитное поле. При изменении магнитного поля коллекторной сканирующей катушки во времени отработанный электронный пучок перемещается по поверхности коллектора. В результате площадь поверхности, по которой сканирует (перемещается возвратно-поступательным образом) электронный пучок, может быть значительно больше, чем площадь зоны оседания пучка при отсутствии коллекторной сканирующей катушки, и максимальная рабочая температура токовоспринимающей поверхности коллектора, соответственно, снижается. Однако данный СВЧ-прибор имеет недостаток: максимальная рабочая температура токовоспринимающей поверхности оказывается существенно выше, чем получается при равномерном статическом распределении теплового потока на всю зону сканирования, из-за значительных колебаний рабочей температуры токовоспринимающей поверхности во времени. В результате реальный выигрыш от применения данного варианта СВЧ-прибора не столь велик, как можно было бы ожидать. Действительно, сам принцип сканирования подразумевает периодическое воздействие электронного пучка на произвольную точку токовоспринимающей поверхности коллектора и, следовательно, наличие колебаний температуры этой точки во времени с частотой сканирования. Размах этих колебаний, очевидно, уменьшается с увеличением частоты сканирования. В принципе, неограниченно увеличивая частоту сканирования, можно уменьшить размах колебаний до несущественной величины. Но в данном СВЧ-приборе частота сканирования ограничена сверху по причине экранирования переменного магнитного поля проводящим коллектором. На практике из-за указанного ограничения частота сканирования составляет не более чем несколько герц, чего явно недостаточно для устранения колебаний температуры.
За прототип взят электронный СВЧ прибор [Ларичев Ю.Д., Фикс А.Ш. СВЧ-прибор. Авторское свидетельство СССР SU 1238617 А]. Как и предлагаемый электронный СВЧ-прибор, прототип содержит вакуумный корпус, магнитную систему транспортировки электронного пучка, коллектор с токовоспринимающей поверхностью в виде тела вращения (коллектор является частью вакуумного корпуса), коаксиально коллектору снаружи вакуумного корпуса расположена коллекторная сканирующая катушка, создающая переменное периодическое магнитное поле в области коллектора. Равномерность тепловой нагрузки достигается небольшим профилированием - медленным изменением радиуса коллектора вдоль оси симметрии прибора. Недостаток прототипа идентичен недостатку приведенного выше аналога изобретения: значительные неустранимые колебания рабочей температуры токовоспринимающей поверхности коллектора во времени. Причина неустранимости этих значительных колебаний также обусловлена ограничением сверху частоты сканирования электронного пучка вследствие экранирования переменного магнитного поля проводящим телом коллектора.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является снижение максимальной рабочей температуры токовоспринимающей поверхности коллектора электронного СВЧ-прибора при заданной рассеиваемой мощности отработавшего электронного пучка.
Технический эффект достигается тем, что предлагаемый СВЧ-прибор включает вакуумный корпус, магнитную систему формирования и транспортировки электронного пучка, коллектор отработанного электронного пучка в виде длинного тела вращения с медленно изменяющимся вдоль оси симметрии радиусом, одна из поверхностей которого является токовоспринимающей, а также расположенную коаксиально коллектору снаружи вакуумного корпуса коллекторную сканирующую катушку.
Новым по сравнению с прототипом является то, что коллектор выполнен отдельно от вакуумного корпуса, вакуумный корпус выполнен из материала с низкой электропроводностью, коаксиально коллектору снаружи вакуумного корпуса дополнительно размещена коллекторная корректирующая катушка, создающая статическое магнитное поле, токовоспринимающей поверхностью коллектора является внешняя поверхность тела вращения.
В частном случае реализации устройства по п. 2 новым является то, что к электрически изолированному от корпуса коллектору дополнительно подключен источник высокого напряжения.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
На Фиг. 1 изображен предлагаемый электронный СВЧ-прибор.
На Фиг. 2 изображен электронный СВЧ-прибор-прототип.
На Фиг. 3 изображена зависимость температуры произвольной точки токовоспринимающей поверхности коллектора от времени.
Предлагаемый электронный СВЧ-прибор изображен на Фиг. 1. Как и прототип (см. Фиг. 2), предлагаемый электронный СВЧ-прибор содержит вакуумный корпус 1, магнитную систему 2 формирования и транспортировки электронного пучка 3, коллектор 4 в виде длинного тела вращения с медленно изменяющимся вдоль оси симметрии радиусом с токовоспринимающей поверхностью 5 и коллекторную сканирующую катушку 6, расположенную коаксиально коллектору 4 снаружи вакуумного корпуса 1 и создающую переменное периодическое магнитное поле, необходимое для сканирования (перемещения возвратно-поступательным образом) отработавшего электронного пучка 3 по токовоспринимающей поверхности 5 коллектора 4. Электронный пучок 3 в области коллектора 4 движется по траектории 7, при минимальном поле коллекторной сканирующей катушки 6 - по траектории 8, а при максимальном значении поля - по траектории 9. Как и в аналогах, зона сканирования электронного пучка 3 может значительно превышать зону оседания пучка в отсутствие переменного периодического магнитного поля коллекторной сканирующей катушки 6. В отличие от прототипа в предлагаемом СВЧ-приборе дополнительно присутствует коллекторная корректирующая катушка 10, необходимая для коррекции постоянного магнитного поля магнитной системы 2 формирования и транспортировки электронного пучка 3 с тем, чтобы в совокупности с последней обеспечить прохождение отработавшего электронного пучка 3 снаружи коллектора 4, который в предлагаемом СВЧ-приборе выполнен отдельно от вакуумного корпуса 1, и падение его на токовоспринимающую поверхность 5 коллектора 4, поскольку токовоспринимающей поверхностью 5 коллектора 4 является внешняя поверхность тела вращения. Коллекторная корректирующая катушка 10 создает в области прохождения электронного пучка 3 статическое неоднородное магнитное поле.
min
max
*
*
0
*
0
max
min
max
min
*
0
*
*
0
*
Качественная зависимость температуры Т произвольной точки токовоспринимающей поверхности 5 коллектора 4 в установившемся непрерывном режиме от времени t изображена на Фиг. 3 и может быть установлена из следующих простых соображений. В течение времени прохождения электронным пучком 3 данной точки температура растет, а затем медленно убывает (за счет теплопередачи и охлаждения) до тех пор, пока электронный пучок 3 снова не вернется к этой точке. Таким образом, зависимость температуры произвольной точки токовоспринимающей поверхности 5 коллектора 4 от времени представляет собой колебательный процесс с частотой сканирования от минимальной температуры T до максимальной T (Фиг. 3) вокруг средней по времени температуры Т. Очевидно, средний нагрев T-T (разница между средней по времени температурой T и температурой окружающей среды T) токовоспринимающей поверхности 5 определяется средней по времени плотностью теплового потока и не зависит от частоты сканирования. Размах же T-T колебаний температуры существенно зависит от частоты сканирования и стремится к нулю при повышении частоты сканирования до бесконечности (в отсутствие других ограничивающих факторов). Если частота сканирования относительно низка (Фиг. 3, кривая а), то размах колебаний температуры T-T может быть существенно больше среднего нагрева T-T токовоспринимающей поверхности 5, что может привести к негативным последствиям (к значительному уменьшению долговечности или даже к плавлению коллектора 4). Если же частота сканирования сравнительно высока (Фиг. 3, кривая б), то температура выбранной точки коллектора 4 будет почти постоянной во времени, равной средней по времени T, испытывая лишь небольшие колебания. Поскольку средний по времени нагрев T-T данной точки один и тот же для любой частоты сканирования, то переход к более высокой частоте можно интерпретировать как уменьшение размаха колебаний приращения температуры вокруг одного и того же значения T (с одновременным увеличением частоты колебаний).
Как уже было упомянуто ранее, коллектор 4 прототипа одновременно является частью вакуумного корпуса 1 (см. Фиг. 2). В силу самого своего назначения (обеспечить оседание электронного пучка 3 и снятие выделяющегося тепла путем охлаждения) коллектор 4 должен быть изготовлен из материала с хорошей (высокой) электропроводностью и теплопроводностью - обычно из меди. Но такой коллектор 4 у прототипа, будучи выполнен как часть вакуумного корпуса 1, при достаточно высокой частоте сканирования сильно экранирует переменное магнитное поле. В результате на практике из-за ограничения сверху частоты сканирования проводящим коллектором 4 в прототипе реализуется случай, показанный на Фиг. 3 (кривая а), когда размах колебаний рабочей температуры сравним со средним нагревом или даже существенно превосходит его. Особенно велик размах колебаний температуры в точках токовоспринимающей поверхности 5 вблизи границы зоны сканирования, где электронный пучок 3 «застаивается» при повороте.
В предлагаемом СВЧ-приборе, в отличие от прототипа, коллектор 4 отделен от вакуумного корпуса 1, что позволяет использовать для вакуумного корпуса 1 металл с относительно низкой электропроводностью (например, нержавеющую сталь). В результате экранирование переменного периодического магнитного поля коллекторной сканирующей катушки 6 вакуумным корпусом 1 сравнительно невелико. Экранирование же переменного периодического магнитного поля коллектором 4 существенно лишь в пространственной области внутри коллектора 4. Снаружи коллектора 4, где проходит электронный пучок 3, экранирование при определенных условиях существенно меньше.
Действительно, экранирование происходит из-за индукционных токов, наводимых в коллекторе 4 переменным периодическим магнитным полем коллекторной сканирующей катушки 6. Но хорошо известно, что магнитное поле таких круговых, однородных вдоль оси симметрии токов сосредоточено внутри этой области токов, а снаружи отсутствует. Это хорошо видно на примере магнитного поля идеального соленоида (длинной тонкой цилиндрической катушки с постоянной вдоль оси симметрии плотностью тока), которое сосредоточено исключительно внутри соленоида; снаружи соленоида магнитное поле отсутствует. Следовательно, для однородного в области коллектора 4 переменного периодического магнитного поля коллекторной сканирующей катушки 6 и коллектора 4 в виде длинной тонкой цилиндрической оболочки экранирование переменного периодического магнитного поля в пространственной области снаружи коллектора 4 отсутствует. Если же радиус коллектора 4 слабо зависит от продольной координаты, то экранирование в пространственной области снаружи коллектора 4 будет, но оно будет значительно меньше, чем в пространственной области внутри коллектора 4.
max
Таким образом, в предлагаемом СВЧ-приборе значительно снижается экранирование переменного магнитного поля коллекторной сканирующей катушки 6 в области распространения электронного пучка 3 по сравнению с прототипом, что позволяет перейти к существенно более высокой частоте сканирования, значительно снижая максимальную рабочую температуру T. В результате при тех же геометрических размерах коллектора 4 можно значительно снизить максимальную рабочую температуру токовоспринимающей поверхности 5 коллектора 4 и значительно повысить долговечность СВЧ-прибора при той же рассеиваемой мощности отработавшего электронного пучка 3 или, сохранив ту же рабочую температуру и долговечность, значительно повысить рассеиваемую мощность отработавшего пучка 3.
колл
Оценим выигрыш в максимально допустимой частоте сканирования для коллектора 4 предлагаемого СВЧ-прибора по сравнению с коллектором 4 прототипа. Для тела коллектора 4 прототипа, близкого по форме к длинной тонкой немагнитной цилиндрической оболочке, характерная частота f [Гц] начала значительного экранирования составляет [см. В.В. Васильев, Л.Л. Коленский, Ю.А. Медведев, Б.М. Степанов. Проводящие оболочки в импульсном электромагнитном поле. М., Энергоатомиздат, 1982]:
колл
колл
колл
-1
где , σ - проводимость материала коллектора 4 прототипа [Омм], R - радиус коллектора 4 прототипа [м], h - толщина коллектора 4 прототипа [м].
В предлагаемом СВЧ-приборе экранирование осуществляется вакуумным корпусом 1, а для вакуумного корпуса, близкого по форме к длинной тонкой немагнитной цилиндрической оболочке, характерная частота  начала значительного экранирования составляет [см. В.В. Васильев, Л.Л. Коленский, Ю.А. Медведев, Б.М. Степанов. Проводящие оболочки в импульсном электромагнитном поле. М., Энергоатомиздат, 1982]:
корп
корп
корп
-1
где σ - проводимость материала вакуумного корпуса 1 предлагаемого СВЧ-прибора [Омм], R - радиус вакуумного корпуса 1 предлагаемого СВЧ-прибора [м], h - толщина вакуумного корпуса 1 предлагаемого СВЧ-прибора [м].
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить частоту сканирования в  раз по сравнению с прототипом (при прочих равных условиях).
колл
колл
корп
корп
Пример: Для типичного мощного гиротрона коллектор, выполненный из меди , имеет радиус R=10 см и толщину h=5 мм. Пусть предлагаемый СВЧ-прибор имеет такой же коллектор. Радиус вакуумного корпуса предлагаемого СВЧ-прибора будет немного больше радиуса коллектора, скажем, R=11 см. В качестве материала вакуумного корпуса выберем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т . Толщина вакуумного корпуса может быть существенно меньше толщины коллектора в связи с отсутствием охлаждения и увеличением прочности используемого материала, например h=2 мм. В итоге выигрыш в максимально допустимой частоте сканирования для предлагаемого СВЧ-прибора составит почти два порядка.
Во многих практически важных ситуациях такое техническое решение позволит значительно снизить максимальную рабочую температуру токовоспринимающей поверхности 5 коллектора 4 при той же рассеиваемой мощности отработавшего электронного пучка 3, то есть значительно увеличить долговечность СВЧ-прибора или, сохранив ту же максимальную рабочую температуру, существенно увеличить значение рассеиваемой мощности отработавшего электронного пучка 3 при той же долговечности прибора.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 к изолированному от вакуумного корпуса 1 коллектору 4 дополнительно подключен источник высокого напряжения, тормозящего электронный пучок 3. Такое подключение дает возможность произвести рекуперацию энергии электронного пучка 3. Типичный КПД гиротрона без рекуперации составляет 30-35%, а с рекуперацией - около 50%. Кроме весьма заметного повышения КПД, рекуперация очень сильно снижает мощность, рассеиваемую на коллекторе 4. Так, при повышении КПД с 33% до 50% в мегаваттном гиротроне мощность на коллекторе 4 снижается вдвое: с 2 МВт до 1 МВт [см. А.Л. Гольденберг, Г.Г. Денисов, В.Е. Запевалов, А.Г. Литвак, В.А. Флягин. Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы. Известия ВУЗов, Радиофизика, 1996, т. 39, №6, сс. 635-670; Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Мясников В.Е. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС. Известия ВУЗов, Радиофизика, 2003, т. 46, №10, сс. 845-858; G.G. Denisov, A.G.Litvak, V.E. Myasnikov, E.M. Tai, V.E. Zapevalov. Development in Russia of high-power gyrotrons for fusion. Nuclear Fusion, 48, №5, 2008, 5 pp.]. В итоге при той же мощности излучения СВЧ-прибора значительно снижается рассеиваемая мощность отработавшего электронного пучка 3. В результате значительно снижается плотность теплового потока на токовоспринимающую поверхность 5 коллектора 4 и в итоге снижается максимальная рабочая температура токовоспринимающей поверхности 5 со всеми вытекающими отсюда последствиями (например, возможностью повышения долговечности СВЧ-прибора и т.д.).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно снизить максимальную рабочую температуру поверхности коллектора электронного СВЧ-прибора и дает возможность, например, повысить долговечности СВЧ-прибора при заданной мощности СВЧ-излучения (и заданной рассеиваемой мощности отработавшего электронного пучка) или повысить максимально возможную рассеиваемую мощность отработавшего электронного пучка и мощность СВЧ-излучения (если, конечно, мощность излучения не ограничена другими факторами) при заданной максимальной рабочей температуре токовоспринимающей поверхности коллектора или долговечности СВЧ-прибора.