ВОЛНОВОДНОЕ ОКНО БАНОЧНОГО ТИПА
WAVEGUIDE WINDOW OF CAN TYPE

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, в частности, к волноводным СВЧ-окнам баночного типа для электровакуумных приборов СВЧ.
Актуальной задачей при разработке мощных СВЧ-генераторов клистронного типа традиционно является проблема обеспечения прочности окон для вывода генерируемой СВЧ-энергии. При увеличении мощности выводимого излучения (к примеру, до величин порядка 100 МВт), что может представлять интерес при разработке новых и модернизации существующих крупных ускорителей заряженных частиц, возникает необходимость усовершенствования конструкции окна, выдерживающей возникающие при выводе излучения нагрузки.
Известно волноводное окно баночного типа для ввода/вывода СВЧ-энергии, выполненное в виде соосно расположенных отрезка круглого волновода с вакуумно-плотно впаянным диэлектрическим диском и двух отрезков прямоугольных волноводов, присоединенных к торцам круглого волновода, имеющее также одну или две металлические трубки с охлаждающей жидкостью (патент РФ 2451362, H01J 23/36, 2012). Каждая из металлических трубок размещена в соответствующем пазе, выполненном в диэлектрическом диске вдоль его диаметра с одной из его сторон. Каждая металлическая трубка расположена вдоль соответствующего паза и спаяна с его стенками по всей его длине. Концы каждой металлической трубки вакуумно-плотно спаяны со стенкой отрезка круглого волновода. Продольная ось каждой металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов
Таким образом, благодаря циркуляции охлаждающей жидкости по металлическим трубкам, технически организован теплоотвод от диэлектрического диска при прохождении СВЧ-волны через баночное окно, что позволяет увеличить уровень средней мощности СВЧ проходящей волны. К недостаткам подобных конструкций относится технологическая сложность в изготовлении продольных пазов для металлических трубок охлаждения. Поскольку диэлектрический диск конструктивно отделяет вакуумное пространство от воздушного, поверхность диска испытывает значительное давление. В свою очередь, толщина диэлектрического диска влияет на частоту выводного СВЧ-излучения, поэтому для случая тонких дисков (менее 10 мм), рассчитанных на конкретную рабочую частоту клистрона, в местах изготовления пазов для металлических трубок значительно уменьшается механическая прочность диска, что может привести к его повреждению и. как следствие, нарушению уровня вакуума в системе и срыву генерации.
Известно волноводное окно баночного типа S-диапазона для вывода СВЧ-энергии, выполненное в виде соосно расположенных отрезка круглого волновода с вакуумно-плотно впаянным керамическим диском и двух отрезков прямоугольных волноводов, присоединенных к торцам круглого волновода. (A.M. Барняков. А.Е. Левичев. Е.В, Лидер и др. // Вакуумное С.В.Ч.-окно S-диапазона для мощного клистрона // Приборы и техника эксперимента, №2, 2018. С.72-77) Устройство разработано для частоты 2856 МГц. допустимая импульсная мощность проходящей через окно волны более 30 МВт, высота окна 27 мм, диаметр 84 мм, толщина керамического диска 4 мм. При заявленной пропускаемой мощности конструкция не предусматривает каких-либо дополнительных систем теплоотвода от керамического диска. Однако, при увеличении пропускаемой мощности до величины порядка 100 МВт возможны тепловые пробои керамического диска ввиду его малой толщины и отсутствия системы охлаждения, следовательно, возможности данной конструкции по повышению уровня пропускаемой мощности ограничены.
Наиболее близким по конструктивным особенностям и технической сущности является волноводное окно баночного типа для вывода СВЧ-энергии, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого, равноудаленного от его торцов расположена диэлектрическая перегородка, выполненная в виде диска и вакуумно-плотно соединенная с помощью пайки со стенками отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, при этом размеры отрезка круглого волновода и диэлектрической перегородки в виде диска выбраны такими, чтобы обеспечить передачу СВЧ-мощности через баночное окно на волне Е11*. (патент РФ 2207655. H01J 23/36, Н01Р 1/08 2003) Недостаточная прочность соединений волноводного окна, в частности, в области прикрепления диэлектрического диска, в режиме тепловой нагрузки ограничивает уровень проходящей через окно мощности.
Техническим результатом изобретения является повышение уровня проходящей через баночное окно СВЧ-мощности за счет конструктивных преобразований выводного окна, повышающих его прочность.
11
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от волноводного окна баночного типа, представляющего собой отрезок волновода круглого сечения с проводящими торцевыми поверхностями, снабженными посадочными фланцами для подсоединения отрезков волноводов прямоугольного сечения, в плоскости поперечного сечения отрезка волновода круглого сечения равноудалено от его торцевых поверхностей расположен диэлектрический диск, вакуум-плотно прикрепленный к отрезку волновода круглого сечения, причем геометрия отрезка волновода круглого сечения и отрезков волноводов прямоугольного сечения выбрана таким образом, что обеспечена передача мощности сверхвысокочастотного излучения на волне Е, в предложенном волноводном окне отрезок волновода круглого сечения образован двумя соединенными между собой монтажными кольцами, на боковой кромке диэлектрического диска выполнена фаска, диэлектрический диск вставлен между монтажными кольцами посредством сборной обоймы из проводящего материала с идентичным кромке диска с фаской профилем, сборная обойма с диэлектрическим диском прикреплена к внутренней поверхности отрезка волновода круглого сечения при помощи пайки, при этом между сборной обоймой и волноводом круглого сечения выполнен компенсационный зазор; геометрические размеры волноводного окна определяются соотношениями:
r
где D - диаметр отрезка волновода круглого сечения;
0
ƒ - рабочая частота сверхвысокочастотного излучения;
rwg/2
L - расстояние от внутренней поверхности посадочного фланца до поверхности диэлектрического диска;
d
H - толщина диэлектрического диска;
а коэффициенты пропорциональности ν, ξ, σ получены эмпирически и выбраны из соответствующих диапазонов значений: ν=(0,27-0,36), ξ=(0,15-0,21), σ=(0,09-0,14).
В частном варианте выполнения окно может быть выполнено в следующей геометрии: диаметр диэлектрического диска составляет 216 мм, толщина диэлектрического диска 7 мм, фаска на боковой кромке диэлектрического диска выполнена под углом 60° к вертикали.
В основе выбора конструктивных особенностей заявляемого волноводного окна лежат следующие положения.
Наиболее перспективными в отношении увеличения предельной величины проходной мощности можно считать сверхразмерные окна с бегущей волной в диэлектрике, поэтому размеры отрезков волноводов круглого и прямоугольного сечений, а также диаметр и толщина диэлектрического диска выбираются много больше длины волны рабочего сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, создаваемого СВЧ-генератором (в частности, клистроном), согласно приведенным выше соотношениям. Увеличенные размеры устройства также повышают его электрическую и тепловую прочность.
11
11
11
11
Выбор в качестве основной передающей СВЧ-мощность волны моды Е обусловлен следующим. Передача мощности на основной моде Н отрезка волновода круглого сечения характеризуется жестким тепловым режимом работы диэлектрического диска. Наиболее интенсивный нагрев диска происходит в его центральной части. Место спая диска со стенкой круглого волновода (что имеет место в прототипе), находится на значительном расстоянии от его центра, толщина самого диска незначительна и определяется требованиями согласования. По этим причинам передача тепла от центральной части диска к стенке отрезка круглого волновода оказывается затрудненной, что дополнительно ограничивает величину передаваемой через окно мощности. Попытки смягчить тепловой режим диэлектрического диска за счет водяного охлаждения внешней поверхности его образующей не позволяют существенно повысить пропускную способность выводного окна на базе основной моды Н отрезка волновода круглого сечения. Получить значительное увеличение пропускной способности выводного окна можно за счет использования конструкции с передачей СВЧ-мощности на волне с модой Е.
В заявляемом окне технологически обеспечено изменение положения места прикрепления диэлектрического диска путем непосредственно припоя к поверхности отрезка волновода круглого сечения на прикрепление к отрезку волновода круглого сечения посредством сборной обоймы. Это приводит к перераспределению тепловых нагрузок на данную зону и упрочняет конструкцию.
Это обеспечено за счет следующего.
Фаска под углом к вертикали (поперечному сечению волновода круглого сечения), выполненная на кромках диэлектрического диска, вставленного посредством сборной обоймы из проводящего материала с идентичным кромке диска с фаской профилем между монтажными кольцами, образующими при соединении отрезок волновода круглого сечения, обеспечивает увеличение площади поверхности его соприкосновения с сборной обоймой, что увеличивает прочность конструкции и улучшает теплообмен между диэлектрическим диском и отрезком волновода круглого сечения (корпусом устройства). Компенсационные зазоры обеспечивают технологическую возможность пайки диэлектрического диска, позволяя обойме свободно расширяться во время нагрева без повреждения диэлектрического диска, что также способствует упрочнению конструкции.
В совокупности все эти меры работают на повышение уровня проходящей через баночное окно СВЧ-мощности за счет предложенного упрочнения конструкции окна.
На фиг. 1 схематично изображен чертеж продольного разреза разрабатываемого выводного волноводного окна.
На фиг. 2 изображен стык обоймы с диэлектрическим диском.
На фиг. 3 представлено распределение напряженности электрического поля в продольном сечении модели выводного окна.
На фиг. 4 изображена тангенциальная составляющая электрического поля на поверхности диэлектрического диска.
На фиг. 1 изображен чертеж продольного разреза разрабатываемого выводного окна с упрощенной геометрией, отражающей принципиальные особенности электродинамических свойств конструкции. Здесь 1 - диэлектрический диск; 2 - посадочный фланец; 3, 4 - монтажные (присоединительные) кольца, образующие волновод круглого сечения; 5 - сборная (монтажная) обойма диэлектрического диска; 6, 7 - отрезок волновода прямоугольного сечения. Эскиз продольного разреза устройства в плоскости электрического поля основной волны отрезка волновода прямоугольного сечения (параллельной узкой стенке) в месте спайки диэлектрического диска со сборной обоймой представлен на фиг. 2. Фаска под углом 60° к вертикали, выполненная на кромке диэлектрического диска, обеспечивает увеличение площади поверхности его соприкосновения с медной обоймой, что увеличивает прочность конструкции и улучшает теплообмен между диэлектрическим диском и корпусом устройства. Компенсационные зазоры 8 обеспечивают технологическую возможность пайки диэлектрического диска.
В конструкцию разрабатываемого выходного волноводного окна баночного типа входит отрезок волновода круглого сечения, состоящий из двух свариваемых между собой монтажных колец 3 и 4, с проводящими торцевыми поверхностями, снабженными посадочными фланцами 2 для подсоединения отрезков волноводов прямоугольного сечения 6 и 7. Стыковка этих отрезков волноводов с объемом отрезка круглого волновода осуществляется по плоскости торцевых поверхностей. В плоскости поперечного сечения отрезка волновода круглого сечения (равноудалено от его торцов) расположен диэлектрический диск 1, соединенный с внутренней поверхностью монтажного кольца посредством припоя через сборную обойму. Посадочные фланцы на концах отрезков волноводов прямоугольного сечения 6 и 7 обеспечивают возможность подключения устройства к волноводным трактам генератора и нагрузки.
11
Основные геометрические размеры выходного окна, обеспечивающие передачу СВЧ-мощности на волне Е определяются соотношениями:
r
где D - диаметр отрезка круглого волновода;
0
ƒ - центральная частота СВЧ-генератора (клистрона);
rwg/2
L - расстояние от внутренней поверхности посадочного фланца до поверхности диска;
d
H - толщина диэлектрического диска;
Коэффициенты пропорциональности ν, ξ, σ получены эмпирически и выбираются из соответствующих диапазонов значений: ν=(0,27-0,36), ξ=(0,15-0,21), σ=(0,09-0,14).
Для увеличения средней проходящей через баночное окно СВЧ-мощности до 100 МВт были увеличены геометрические размеры волноводов и диэлектрического диска, для увеличения механической прочности в местах пайки диска в конструкцию добавлены медные монтажные обоймы сложной формы. Баночное окно рассчитано на излучение частотой 2856 МГц, его диаметр составляет 216 мм, толщина диэлектрического диска 7 мм, при этом диаметр баночного окна увеличен до 216 мм, толщина диэлектрического диска увеличена до 13 мм, на его кромках выполнена фаска под углом 60° к вертикали, увеличивающая площадь поверхности в местах пайки диэлектрического диска к обойме и далее присоединения его к круглому волноводу.
Были проведены расчеты выводного волноводного окна баночного типа данной конфигурации при прохождении через него волны мощностью 100 МВт. На фиг. 3 приведено распределение напряженности электрического поля в продольном сечении модели выводного окна. На фиг. 4 представлен график зависимости величины тангенциальной составляющей электрического поля на поверхности диэлектрического диска при мощности СВЧ-волны возбуждения, составляющей 100 МВт. Аргументом зависимости является расстояние от центра диэлектрического диска, отсчитываемое в направлении, перпендикулярном плоскости широкой стенки отрезка волновода прямоугольного сечения. Согласно графику фиг. 4 максимальное значение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля не превышает 20кВ/см. Такой уровень поля позволяет гарантировать отсутствие пробоев по поверхности диэлектрического диска.
Предварительные испытания собранного по рассчитанным размерам выводного волноводного окна для СВЧ-генератора клистронного типа с рабочей частотой 2,856 ГГц показали, что оно выдерживает заявленную импульсную мощность 100 МВт при длительности пачки импульсов порядка 1 мкс за счет предложенных усовершенствований.