СВЕРХМОЩНОЕ СВЧ УСТРОЙСТВО
SUPER-POWER MICROWAVE DEVICE

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ устройствам для получения сверхбольших импульсных мощностей, и может быть использовано в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, ускорителях заряженных частиц и других областях техники.
Известен сверхмощный однолучевой многорезонаторный клистрон для ускорителя, выполненный с магнитной фокусирующей системой в виде соленоида [1]. В клистроне получена максимальная на сегодняшний день выходная импульсная мощность 150 МВт при анодном напряжении 535 кВ. Для получения таких напряжений требуется использование источников питания с большими массогабаритными параметрами. Кроме того, из-за высоких напряжений необходимо применять дополнительные меры для защиты от возможных электрических пробоев как источника питания, так и клистрона, что приводит к усложнению их конструкции. При этом габариты клистрона также значительно увеличиваются, что требует увеличения габаритов соленоида и потребляемой им мощности. Поэтому применение таких клистронов в системах радиопротиводействия и в системах функционального поражения проблематично, а применение в ускорителях ограничено. В настоящее время такой клистрон используется в единственном ускорителе DEZI (Германия).
Известно СВЧ устройство (прототип предлагаемого изобретения), содержащее соленоид, в котором на заданном диаметре расположены несколько однолучевых многорезонаторных клистронов, оси которых параллельны оси соленоида [2]. Каждый клистрон содержит электронную пушку с плоским торцевым катодом, резонаторную систему, коллектор, ввод и вывод СВЧ энергии. Соленоид окружает резонаторные системы всех клистронов (длина соленоида равна длине резонаторной системы каждого из клистронов). С противоположных концов соленоида расположены два магнитных экрана, предназначенных для экранирования электронных пушек и коллекторов клистронов от магнитного поля соленоида. Соленоид создает однородное магнитное поле в области резонаторных систем клистронов, при этом в области электронных пушек и коллектора клистронов магнитное поле неоднородно и существенно ослаблено. Все клистроны СВЧ устройства размещены в единой вакуумной оболочке. В области резонаторных систем клистронов, вакуумная оболочка выполнена в виде установленных между магнитными экранами внутри соленоида и соосно ему двух коаксиально расположенных цилиндров, в кольцеобразном промежутке между которыми размещены резонаторные системы всех клистронов СВЧ устройства.
В СВЧ устройстве-прототипе торцевой катод каждого клистрона имеет плоскую форму. Для получения больших импульсных мощностей в клистроне необходимо увеличивать как его ток, так и величину анодного напряжения.
2
Увеличение тока клистрона приводит к увеличению диаметра торцевого катода. Это связано с тем, что для обеспечения высокой долговечности клистрона плотность тока с катода не должна превышать 10 А/см. В свою очередь, увеличение диаметра катода приводит к увеличению поперечных размеров электронной пушки клистрона.
a
Увеличение анодного напряжения клистрона приводит к еще большему увеличению поперечных размеров его электронной пушки, так как требуется увеличить расстояние от катода до окружающих его элементов для предотвращения возможности электрических пробоев. Кроме того, при увеличении анодного напряжения U растут и продольные размеры клистрона в соответствии с выражением:
,
à
где U - анодное напряжение в вольтах.
Таким образом, в СВЧ устройстве-прототипе для получения больших импульсных мощностей в каждом клистроне требуется существенное увеличение как поперечных, так и продольных размеров этого клистрона, что, в свою очередь, приводит к увеличению поперечных и продольных размеров соленоида, окружающего все клистроны, и СВЧ устройство становится громоздким. При этом растет вес и мощность питания соленоида.
Размещение клистронов СВЧ устройства-прототипа в единой вакуумной оболочке приводит к тому, что при ее разгерметизации все клистроны теряют работоспособность, то есть СВЧ устройство прекращает функционировать.
В СВЧ устройстве-прототипе каждый клистрон имеет свой отдельный ввод и отдельный вывод СВЧ энергии. В таком СВЧ устройстве с вывода СВЧ энергии каждого клистрона можно получать относительно невысокую мощность. Для получения большей мощности на выходе СВЧ устройства необходимо произвести суммирование мощностей с выводов СВЧ энергии всех клистронов. Однако и в этом случае полученная на выходе такого СВЧ устройства мощность будет значительно меньше суммарной мощности всех клистронов. Это обусловлено тем, что если СВЧ колебания подаются на отдельные вводы СВЧ энергии всех клистронов независимо друг от друга, то СВЧ колебания на выходе этих клистронов могут быть не сфазированы между собой. Указанные причины не позволяют использовать такое СВЧ устройство в системах радиопротиводействия и системах функционального поражения, где требуются сверхбольшие импульсные мощности. Отсутствие фазировки СВЧ колебаний затрудняет использование такого СВЧ устройства и в многосекционных ускорителях, а также в ускорителях, где требуются сверхбольшие импульсные мощности.
Задачей изобретения является создание СВЧ устройства, обеспечивающего получение сверхбольших импульсных мощностей и имеющего при этом уменьшенные поперечные габариты, высокую электрическую прочность и высокую надежность при эксплуатации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение выходной мощности СВЧ устройства при относительно низких анодных напряжениях входящих в него клистронов.
Предлагается СВЧ устройство, содержащее соленоид и расположенные в нем на заданном диаметре несколько клистронов, оси которых параллельны оси соленоида, каждый клистрон содержит электронную пушку, резонаторную систему, коллектор, ввод и вывод СВЧ энергии, при этом соленоид окружает резонаторные системы всех клистронов, каждый клистрон заключен в отдельную вакуумную оболочку и содержит один или несколько катодов, эмитирующая поверхность каждого из которых имеет форму боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида, при этом соленоид окружает также эмитирующие поверхности катодов клистронов и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторных систем и эмитирующих поверхностей катодов клистронов, при этом вводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены коаксиальными и подсоединены к первому концу общей коаксиальной линии, расположенной на оси соленоида, причем второй конец общей коаксиальной линии образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства, а выводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены волноводными.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит один или несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а выходные плечи первых волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а также содержит один или несколько вторых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам первых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности, при этом выходные плечи вторых волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а также содержит несколько вторых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам первых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности, и дополнительно содержит один или несколько третьих волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам вторых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч третьих волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч вторых волноводных сумматоров мощности, при этом выходные плечи третьих волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.
В предлагаемом СВЧ устройстве между первым концом общей коаксиальной линии и вводом СВЧ энергии каждого клистрона установлен фазовращатель.
В предлагаемом изобретении каждый из клистронов заключен в отдельную вакуумную оболочку. При выходе из строя одного или нескольких клистронов СВЧ устройство может продолжать функционировать.
В предлагаемом изобретении эмитирующая поверхность каждого катода клистрона имеет форму боковой поверхности усеченного конуса. В этом случае катод имеет протяженную эмитирующую поверхность в продольном направлении клистрона при сравнительно небольшом наружном диаметре как катода, так и электронной пушки.
-6
3/2
-6
3/2
Такая электронная пушка обеспечивает в клистроне высокопервеансный полый электронный пучок. Если в клистронах со сплошным электронным пучком первеанс составляет (1,5-2)·10 А/В, то в клистронах с полым электронным пучком величина первеанса может быть увеличена до величины 3·10А/В и более. Увеличение первеанса позволяет при заданном анодном напряжении увеличить выходную мощность клистрона примерно в 1,5 раза или существенно снизить величину анодного напряжения при заданной выходной мощности.
Клистрон с полым электронным пучком позволяет:
- расширить полосу пропускания клистрона;
- повысить КПД клистрона;
- снизить анодное напряжение и, следовательно, повысить электрическую прочность клистрона;
- уменьшить габариты клистрона.
Для функционирования такой электронной пушки с полым электронным пучком требуется в области эмитирующей поверхности катода иметь продольное однородное магнитное поле, напряженность которого равна напряженности продольного однородного магнитного поля в области резонаторной системы клистрона. Для выполнения этого требования в предлагаемом изобретении соленоид окружает как резонаторные системы, так и эмитирующие поверхности катодов всех клистронов и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторных систем и эмитирующих поверхностей катодов клистронов. Соленоид с таким продольным однородным магнитным полем может быть реализован, например, на основе известной конструкции [3]. При этом из-за минимальных поперечных размеров электронных пушек клистронов в предлагаемом СВЧ устройстве можно установить в одном соленоиде несколько клистронов при приемлемых габаритах соленоида.
В предлагаемом изобретении вводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены коаксиальными и подсоединены, например, вблизи коллектора к первому концу общей коаксиальной линии, расположенной на оси соленоида, при этом второй конец общей коаксиальной линии образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства. При настройке клистронов на одинаковую полосу частот и сохранении симметричности конструкции СВЧ устройства обеспечивается сфазированность СВЧ колебаний на выходе клистронов. Это позволяет использовать такое СВЧ устройство в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, а также для СВЧ питания многосекционных ускорителей. При несоблюдении симметричности конструкции и отклонении параметров у отдельных клистронов фазировка СВЧ колебаний может нарушиться. В этом случае для восстановления фазировки в СВЧ устройстве между первым концом общей коаксиальной линии и вводом СВЧ энергии каждого клистрона устанавливают фазовращатель.
Сфазированные колебания позволяют получить на выходе СВЧ устройства сверхбольшие СВЧ мощности при относительно низких анодных напряжениях за счет суммирования мощностей клистронов СВЧ устройства.
Таким образом, получение в предлагаемом СВЧ устройстве сверхбольшой мощности при относительно низких анодных напряжениях входящих в него клистронов достигается за счет выполнения следующих условий:
- выполнение клистронов с катодами с эмитирующей поверхностью в виде боковой поверхности усеченного конуса, что позволяет получить высокопервеансный полый электронный пучок,
- расположение нескольких клистронов с такими катодами в едином соленоиде и обеспечение при этом фазировки СВЧ колебаний на выходе клистронов, позволяющей осуществить эффективное суммирование мощностей этих клистронов.
Использование в предлагаемом СВЧ устройстве многолучевых клистронов позволяет еще больше увеличить мощность СВЧ устройства или понизить анодные напряжения.
-6
3/2
В качестве примера рассмотрим предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе четырех шестилучевых клистронов, размещенных в соленоиде с однородным магнитным полем. В таком СВЧ устройстве каждый из клистронов при анодном напряжении 120 кВ, КПД ≈50% и первеансе луча ≈3·10 А/В обеспечивает выходную импульсную мощность ≈44 МВт. Размещенные в соленоиде СВЧ устройства четыре указанных клистрона обеспечивают суммарную выходную импульсную мощность (с учетом потерь при суммировании) примерно 150 МВт. В то же время, как указывалась ранее, в самом мощном известном однолучевом клистроне со сплошным электронным пучком [1] получена импульсная мощность 150 МВт при анодном напряжении 535 кВ. Таким образом, предлагаемая конструкция СВЧ устройства позволяет получить сверхбольшие импульсные мощности 150 МВт при анодном напряжении 120 кВ, то есть при анодном напряжении, которое более чем в 4 раза меньше анодного напряжения указанного известного однолучевого клистрона.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе двух однолучевых клистронов.
На фиг.2 показан многолучевой клистрон для предлагаемого СВЧ устройства.
На фиг.3 показано предлагаемое СВЧ устройство с первыми волноводными сумматорами мощности, выполненное на основе четырех клистронов.
На фиг.4 показано предлагаемое СВЧ устройство с первыми и вторым волноводными сумматорами мощности, выполненное на основе четырех клистронов.
На фиг.5, фиг.6 и фиг.7 показаны возможные варианты подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии клистронов к общей коаксиальной линии СВЧ устройства через фазовращатели.
Показанное на фиг.1 предлагаемое СВЧ устройство содержит соленоид 1, в котором расположены на заданном диаметре два однолучевых клистрона 2, оси которых параллельны оси соленоида 1. Каждый клистрон 2 содержит размещенные в его вакуумной оболочке электронную пушку 3 магнетронного типа, резонаторную систему 4, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. При этом суммирование мощностей клистронов может осуществляться либо в пространстве, либо в каналах системы волноводных сумматоров мощности СВЧ устройства.
Электронная пушка 3 каждого клистрона 2 содержит катод 8 с эмитирующей поверхностью 9, выполненной в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида 1. Катод 8 окружен полым анодом 10. Коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 клистронов 2 подсоединены к первому концу 11 расположенной на оси соленоида 1 общей коаксиальной линии 12, второй конец 13 которой образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства. В данной конструкции для удобства сборки СВЧ устройства коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 клистронов 2 непосредственно подсоединены к первому концу 11 общей коаксиальной линии 12 вблизи коллекторов 5 клистронов 2, но возможны и другие варианты их подсоединения, например вблизи входных резонаторов резонаторных систем 4 клистронов 2.
Соленоид 1, может быть реализован, например, на основе известной конструкции [3], предназначенной для создания продольного однородного магнитного поля на большой протяженности. В этом случае соленоид 1 выполнен в виде системы катушек, состоящей из основной катушки 14 и расположенных с ее противоположных торцов дополнительных компенсирующих катушек 15. Соленоид 1 окружает резонаторные системы 4 и эмитирующие поверхности 9 катодов 8 всех клистронов 2 и создает в области этих элементов единое продольное однородное магнитное поле. В показанном на фиг.1 варианте выполнения конструкции предлагаемого СВЧ устройства соленоид 1 окружает также коллекторы 5 клистронов 2.
Волноводные выводы СВЧ энергии 7 позволяют выводить из каждого клистрона большую СВЧ мощность, при этом на выходе СВЧ устройства возможно получение сверхбольших мощностей.
Предлагаемое СВЧ устройство, приведенное на фиг.1, может быть реализовано и на основе расположенных в соленоиде 1 двух многолучевых клистронов. Конструкция одного из возможных вариантов выполнения такого многолучевого клистрона показана на фиг.2. Многолучевой клистрон содержит размещенные в его вакуумной оболочке электронную пушку 3, резонаторную систему 4 на основе кольцевых резонаторов, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. Электронная пушка 3 каждого многолучевого клистрона 2 содержит несколько, например шесть, катодов 8 с эмитирующей поверхностью 9, выполненной в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси этого клистрона.
На фиг.3 показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе расположенных в соленоиде 1 четырех однолучевых или многолучевых клистронов, каждый из которых содержит электронную пушку 3, резонаторную систему 4, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. Коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 всех клистронов подсоединены к общей коаксиальной линии 12, расположенной на оси соленоида 1. Волноводные выводы СВЧ энергии 7 двух клистронов подсоединены через фланцы 16 к двум входным плечам 17 одного из первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18, волноводные выводы СВЧ энергии 7 двух других клистронов подсоединены через фланцы 16 к двум входным плечам 17 другого первого двухканального волноводного сумматора мощности 18 (общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов). Выходные плечи 19 первых волноводных сумматоров мощности 18 образуют два вывода СВЧ энергии СВЧ устройства. Наличие волноводных сумматоров мощности позволяет осуществить суммирование мощностей всех клистронов для получения на выходе СВЧ устройства сверхбольших мощностей. При выполнении СВЧ устройства с небольшим числом клистронов возможно использование одного ряда сумматоров мощности (первых волноводных сумматоров мощности 18). При выполнении СВЧ устройства на четырех или на большем числе клистронов в СВЧ устройство могут быть введены дополнительные ряды сумматоров мощности (например, вторые и третьи волноводные сумматоры мощности).
На фиг.4 также показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе расположенных в соленоиде 1 четырех однолучевых или многолучевых клистронов. Так же как в конструкции, показанной на фиг.3, волноводные выводы СВЧ энергии 7 клистронов подсоединены к входным плечам 17 первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18, при этом выходное плечо 19 каждого из первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18 через фланец 20 подсоединено к одному из входных плеч 21 второго двухканального волноводного сумматора мощности 22 (общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности). Выходное плечо 23 второго двухканального волноводного сумматора мощности 22 образует вывод СВЧ энергии СВЧ устройства. При этом коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух клистронов подсоединены через первый дополнительный отрезок коаксиальной линии 24 к общей коаксиальной линии 12, а коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух других клистронов подсоединены через второй дополнительный отрезок коаксиальной линии 25 к общей коаксиальной линии 12.
При большом числе клистронов в конструкцию СВЧ устройства могут быть введены также третьи волноводные сумматоры мощности (не показаны на чертежах).
На фиг.5 и фиг.6 показаны два возможных варианта подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии 6 четырех клистронов к общей коаксиальной линии 12 СВЧ устройства. Согласно этим вариантам коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 каждого клистрона подключен через отдельный фазовращатель 26 к общей коаксиальной линии 12.
На фиг.7 показан еще один из возможных вариантов подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии 6 четырех клистронов к общей коаксиальной линии 12 СВЧ устройства, согласно которому коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух клистронов подсоединены через отдельные фазовращатели 26 к первому дополнительному отрезку коаксиальной линии 24, соединенному с общей коаксиальной линией 12, а коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух других клистронов подсоединены через отдельные фазовращатели 26 ко второму дополнительному отрезку коаксиальной линии 25, также соединенному с общей коаксиальной линией 12.
Во всех описанных вариантах фазовращатели позволяют получить на выходе клистронов сфазированные колебания и тем самым обеспечить эффективное суммирование мощностей клистронов (даже при несоблюдении симметричности конструкции и при незначительном отклонении параметров у отдельных клистронов).
Показанное на фиг.1 СВЧ устройство работает следующим образом.
При приложении к каждому клистрону 2 заданного анодного напряжения под воздействием создаваемого соленоидом 1 продольного однородного магнитного поля на выходе катода 8 формируется полый электронный пучок, который движется вдоль резонаторной системы 4 клистрона 2 к коллектору 5. При прохождении высокочастотного зазора входного резонатора, электронный пучок подвергается воздействию СВЧ электрического поля, в результате чего происходит модуляция электронов по скорости и образуются электронные сгустки, которые затем еще более уплотняются под воздействием СВЧ электрических полей следующих резонаторов. При поступлении в выходной резонатор клистрона 2, электронные сгустки отдают часть энергии СВЧ электрическому полю выходного резонатора и оседают в коллекторе 5. Усиленная таким образом СВЧ мощность из выходного резонатора попадает в выходной волновод вывода СВЧ энергии 7 этого клистрона. Далее суммирование мощностей клистронов 2 осуществляется либо в пространстве, либо СВЧ мощность из выводов СВЧ энергии 7 клистронов 2 поступает во входные плечи волноводных сумматоры мощности (фиг.3 и фиг.4), с помощью которых осуществляется суммирование мощности клистронов СВЧ устройства.
Источники информации
1. D.Sprehn, G.Caryotakis, and R.M.Phillips. 150-MW S-Band Klystron Program at the Stanford Linear Accelerator Center. Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Stanford, CA 94309, SLAS Pub 7232, July 1996.
2. Патент Франции №1324415. Усовершенствование фокусирующего устройства, направленное на обеспечение одновременной фокусировки нескольких пучков электронов, МПК H01J 23/087, 23/02, пр. 09.03.1962 г., опубл. 19.04.1963 г.
3. Авторское свидетельство СССР №302048. Зусмановский С.А., Симонов К.Г. Устройство для фокусировки электронных потоков, МПК H01J 23/10, пр. 31.12.1969 г., опубл. 01.10.1971 г.