СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СОЛЕНОИДА В СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОМ ПРИБОРЕ

Полезная модель относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использована при разработке мощных устройств СВЧ.
Большинство современных электровакуумных приборов предназначенных для генерации и усиления колебаний СВЧ диапазона являются электроннолучевыми приборами, в которых электронный пучок обычно имеет форму одного или нескольких протяженных по сравнению с поперечными размерами электронных лучей.
В мощных и сверхмощных генераторах и усилителях СВЧ поток электронов имеет достаточно большую интенсивность и при прохождении вдоль электродинамической структуры должен обладать строго определенной конфигурацией. Такие пучки, обладая большим собственным объемным зарядом, стремятся расшириться под действием электростатических (кулоновских) сил расталкивания. Это обстоятельство при наличии вокруг пучка металлической стенки приводит к оседанию на ней части пучка. Кроме того, значительный объемный заряд пучка ведет к понижению потенциала пространства, в котором распространяется пучок и, как следствие, к уменьшению скорости электронов, что в свою очередь приводит к еще большему росту объемной плотности электронов. При увеличении плотности пространственного заряда в пучке возможно образование так называемого виртуального катода, что ведет к появлению отраженных от него электронов, движущихся в сторону катода.
Функционирование мощных СВЧ-приборов, в которых применяются протяженные электронные пучки (клистроны, ЛБВ, ЛОВ и др.), можно обеспечить лишь при использовании систем, ограничивающих электронный поток. В качестве таких средств ограничения в мощных СВЧ-генераторах и
усилителях в основном используются различные устройства формирования магнитного поля на основе соленоидов.
Известны устройства формирования магнитного поля сверхвысокочастотных приборов, обеспечивающие ограничение поперечных размеров электронного пучка на основе сплошного соленоида или отдельных соосных соленоидов. Для электропитания таких поперечно-ограничивающих устройств СВЧ-приборов, функционирующих в непрерывном или импульсно-периодическом режиме, в основном используются генераторы постоянного (Иванов А.Б., Сосновкин Л.Н. Импульсные передатчики СВЧ // М. - Советское Радио. - 1956) или импульсного тока (Мовшевич Б.З., Копелович Е.А., Кузнецов Ю.А. Импульсно-периодический генератор сильных магнитных полей // ПТЭ. - №6. - 1989. - с.130-136).
Применение постоянных магнитов для транспортировки электронного пучка ограничивается использованием их в СВЧ-устройствах малой и средней мощности.
В сверхмощных СВЧ-приборах (М.Fazio, W.Haynes, E.Carlsten, R.Stringfield A 500 MW, 1μs pulse Length High Current Relativistic Klystron // IEEE Transactions on Plasma Science, - October 1994, - vol.22, - Num.5, - pp.740-749 - прототип) с уровнем генерируемой мощности в сотни мегаватт и более для формирования магнитного поля в соответствующих устройствах на основе соленоида используются исключительно громоздкие и сложные системы электропитания, состоящие из конденсаторных накопительных батарей в качестве источника электрической энергии, подключенных к соленоиду через вакуумные, газовые или полупроводниковые коммутаторы. Электропитание этих устройств осуществляется от внешних источников энергии.
Следует особо отметить, что с ростом выходной мощности СВЧ-приборов в них применяются все более интенсивные электронные пучки, для транспортировки которых вдоль электродинамической структуры требуются все большие магнитные поля. Соответствующим образом растут габариты и
масса устройств, формирующих эти поля и, соответственно, увеличиваются массогабаритные характеристики и потребление мощности системами их питания. Все это ограничивает возможности известных систем электропитания.
В связи с этим, разработка компактных автономных систем электропитания устройств формирования магнитного поля мощных СВЧ-приборов с улучшенными массогабаритными характеристиками представляется достаточно актуальной и является одним из направлений совершенствования данного класса приборов СВЧ.
Особенно остро проблема энергообеспечения мощных СВЧ-генераторов и усилителей стоит, когда возможности электропитания от первичной сети ограничены, например, в случае размещения СВЧ-устройств на борту транспортных средств или в полевых условиях.
Техническим результатом настоящей полезной модели является уменьшение массогабаритных характеристик и энергопотребления систем электропитания устройств формирования магнитного поля на основе соленоида, а также обеспечение автономности их функционирования в составе мощных СВЧ-приборов. Кроме того, предложенное решение позволяет упростить регулирование параметров генерируемых импульсов тока и облегчить реализацию режима генерации мощных СВЧ-колебаний сериями импульсов длительностью до нескольких секунд.
Технический результат достигается тем, что, в отличие от известной системы электропитания устройства формирования магнитного поля на основе соленоида в сверхвысокочастотном приборе, содержащей источник электрической энергии, подключенный к соленоиду через коммутатор, в предложенном решении в качестве источника электрической энергии предлагается использовать, по меньшей мере, один химический источник тока, а коммутатором служит электромеханическое реле.
Кроме того, система может отличаться тем, что в качестве химического источника тока выбран автомобильный аккумулятор. В системе
электропитания автомобильный аккумулятор может являться звеном батареи последовательно или параллельно соединенных идентичных аккумуляторов.
Таким образом, достижение технического результата обусловлено выбором типа источника электропитания и соответствующего ему коммутатора.
Преимущества химических источников тока, например кислотных аккумуляторных батарей, по сравнению с прототипом (блок конденсаторных накопительных батарей, подключенный к внешнему источнику энергии) связаны с их автономностью, что исключает необходимость использования внешнего источника питания; достаточно высокой мощностью, отдаваемой в нагрузку и сопоставимой с мощностью системы питания в прототипе, компактностью, массогабаритными характеристиками, что связано с заменой громоздкой и сложной системы питания соленоида прототипа; возможностью длительное время при правильном выборе режимов работать без подзарядки. Кроме того, данные устройства имеют низкое внутреннее сопротивление, что позволяет формировать с их помощью импульсы тока амплитудой в сотни ампер - единицы килоампер в низкоомной нагрузке, какой является обмотка соленоида. Генерация таких импульсов тока обеспечивает формирование магнитных полей с индукцией, обеспечивающей эффективную транспортировку интенсивных электронных пучков в мощных СВЧ-приборах. Все это в итоге существенно снижает общее энергопотребление системы питания сверхвысокочастотного прибора.
При построении систем электропитания на основе химических источников тока достаточно легко осуществить регулировку генерируемых с их помощью параметров импульсов тока. Это может быть достигнуто, например, соединением в батарею нескольких аккумуляторов параллельно, либо последовательно в зависимости от внутренних характеристик питаемого ими соленоида магнитного поля.
В режимах, когда необходимо обеспечить генерацию СВЧ-колебаний сериями импульсов длительностью до нескольких секунд в случае
применения химических источников тока отпадает необходимость формировать токовые импульсы для питания соленоида магнитного поля с частотой следования СВЧ-импульсов в серии.
Особенно часто такие режимы востребованы при размещении мощных СВЧ-устройств на борту транспортных средств, у которых существует жесткое ограничение на величину потребляемой мощности.
В качестве коммутатора в системах электропитания устройств формирования магнитного поля на основе химических источников тока наиболее целесообразно использовать электромеханические реле. При таком выборе коммутатора улучшаются массогабаритные характеристики системы электропитания, что связано с заменой более громоздких и сложных в управлении вакуумных, либо газовых коммутаторов прототипа. Кроме того, применение электромеханического реле позволяет достаточно легко реализовать режим работы сверхвысокочастотного прибора с длительностью серии импульсов до нескольких десятков секунд.
Применение полупроводниковых элементов (тиристоров, транзисторов и т.д.) в качестве коммутаторов менее оправдано, так как при достаточно низком уровне коммутируемых напряжений и больших токах, потери при коммутации будут достаточно высоки.
Наиболее простым с точки зрения практической реализации системы электропитания устройства формирования магнитного поля может быть применение в качестве химического источника тока автомобильного аккумулятора в силу его экономичности и доступности.
На фигуре представлена характерная осциллограмма, иллюстрирующая работу клистронного СВЧ-генератора в импульсно-периодическом режиме с системой электропитания устройства формирования магнитного поля на основе соленоида от аккумуляторной батареи с электромеханическим реле в качестве коммутатора, где:
1 - импульс тока в соленоиде сверхвысокочастотного прибора;
2 - импульсы СВЧ-излучения.
Данное техническое решение было реализовано следующим образом. Для питания соленоида магнитного поля клистрона с выходной мощностью порядка 10 МВт была использована батарея из 6-ти автомобильных аккумуляторов, позволившая в соленоиде диаметром 110 мм и длиной 600 мм сформировать однородное магнитное поле с индукцией 3 кГс. Ток в соленоиде при этом, в зависимости от количества аккумуляторов, мог достигать 600 А.
Управление запуском и отключением магнитного поля осуществлялось с помощью электромеханического реле, медные контакты которого коммутировали аккумуляторную батарею на обмотку соленоида клистронного СВЧ-генератора.
С помощью данного устройства питания соленоида магнитного поля реализован импульсно-периодический режим работы клистрона с длительностью серии импульсов до 3-х секунд. Частота следования импульсов в серии ограничивалась возможностями первичной сети и составляла 150 Гц.
3
Реализованное автономное устройство электропитания вместе с системой коммутации размещалось в стойке размером 250×180×1000 мм и весило порядка 100 кг.
Таким образом, разработанная система электропитания устройства формирования магнитного поля на основе соленоида с помощью химических источников тока позволяет в условиях ограничения энергопотребления от внешней сети обеспечить функционирование мощных СВЧ-генераторов. При этом существенно уменьшаются массогабаритные характеристики и энергопотребление системы электропитания устройства формирования магнитного поля, достигается автономность ее функционирования, а также значительно упрощается реализация импульсно-периодического режима работы мощного сверхвысокочастотного прибора.