Катодно-подогревательный узел для многолучевых клистронов
CATHODE-HEATING UNIT FOR MULTIBEAM KLYSTRONS

Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодно-подогревательным узлам (КПУ) для многолучевых электронных приборов (клистронов) с количеством эмиттеров на единой обойме не менее 10 штук.
Как правило, эмиттеры катодно-подогревательного узла изготавливаются из пористой вольфрамовой матрицы, заполненной эмиссионным веществом типа алюмината бария и укреплённых посредством пайки в отверстиях обоймы-держателя. (RU 24320 U1, Н01 1/20 (2000.01)
В рекламе продукции АО «НПП «Торий» (Электронная техника, серия 1, СВЧ-техника, вып. 3(526), 2015, стр. 36-41) представлены многолучевые катодно-подогревательные узлы (КПУ) мощных клистронов, в которых эмиттеры впаяны в обойму через тонкостенный молибденовый цилиндр, что сокращает массу эмиттера и должно повысить равномерность температурного поля эмиттеров.
Однако известные многолучевые КПУ имеют общий для всех эмиттеров подогреватель, смонтированный под матрицу КПУ и, следовательно, нагрев эмиттеров частично осуществляется излучением от подогревателя, а частично передается за счёт теплопроводности металла через обойму, которая должна иметь температуру не менее рабочей температуры эмиттеров. В связи с этим возникают проблемы с обеспечением теплоотвода от других электродов КПУ для исключения в них паразитной эмиссии, формоустойчивости КПУ при циклических включениях накала, создания равномерного оптимального температурного поля эмиттеров, уменьшения мощности подогревателя.
Все перечисленные факторы снижают надежность и долговечность клистронов, что затрудняет их конкуренцию с аналогичными однолучевыми клистронами по долговечности.
Известно, что долговечность клистрона в основном связана с работоспособностью КПУ, а эмиссионная способность КПУ от рабочей температуры эмиттеров примерно 1100°С. В подобных конструкциях оптимизировать температуру эмиттеров практически невозможно, что приводит к существенному снижению долговечности многолучевых клистронов.
Для снижения влияния перечисленных факторов, отрицательно влияющих на параметры КПУ многолучевых клистронов, в настоящем предполагаемом изобретении предложено подавать дозированно энергию нагрева для катодного эмиттера в блоке КПУ.
Предлагается КПУ для многолучевых клистронов, содержащий набор индивидуальных эмиттеров, представляющих собой пористую вольфрамовую матрицу, заполненную эмиссионным веществом типа алюмината бария-кальция и укрепленных посредством пайки в отверстиях обоймы-держателя. Каждый эмиттер выполнен в виде цилиндра толщиной 1,5÷3 мм, наружная сторона которого имеет сферическое углубление, эмиттер впаян высокотемпературным припоем в тонкостенный молибденовый цилиндр, который одновременно впаивается высокотемпературным припоем в обойму, в каждом цилиндре размещается подогреватель эмиттера, образуя как бы парциальный КПУ в общем узле КПУ клистрона, причем один ввод подогревателя закрепляется на обойму, второй ввод крепится к изолированной шине подогревателей - ввод энергии подогревателей, или же вместо молибденовых цилиндров держателями эмиттеров являются металлические стержни, изготовленные из твердосплавных металлов и закреплённых к эмиттеру и обойме методом сварки или пайки («беличье колесо»), а для исключения излучений энергии подогревателя на стержни монтируется система тонкостенных экранов.
В частном случае, с противоположной стороны эмиттера, для повышения эффективности подогревателя устанавливается система тонкостенных экранов с зеркальной отражающей поверхностью.
В частном случае, молибденовый цилиндр для размещения подогревателя имеет прорези (перфорацию), перпендикулярные оси цилиндра для уменьшения теплоотвода от эмиттера к обойме за счёт теплопроводности, с наружной стороны молибденовый цилиндр закрывается экранами из тонкостенной жаропрочной фольги.
В частном случае, для уменьшения общего тока подогревателей увеличивается сопротивление подогревателей за счёт группового последовательного подключения подогревателей таким образом, чтобы частное от деления количества парциальных катодов в обойме на количество групп было целым числом:
ч
Ц=,
где:
ч
Ц - целое число от 1 до 60;
к
К - количество катодов в обойме (парциальных КПУ);
г
К - количество групп.
Техническим результатом является обеспечение высокой надежности и долговечности клистронов.
Изобретение поясняется иллюстрациями:
фиг. 1: парциальный катодно-подогревательный узел (а), катодно-подогревательный узел клистрона (б),
фиг. 2: блок из двух подогревателей с системой тепловых экранов, включенных последовательно,
фиг. 3: блок из четырех подогревателей с системой тепловых экранов, включенных последовательно.
На иллюстрациях обозначены:
1 - эмиттер,
2 - подогреватель,
3 - обойма,
4 - шина питания накала,
5 - стержни,
6 - экран,
7 - набор экранов.
Al
O
2
3
Для снижения влияния факторов, отрицательно влияющих на параметры КПУ многолучевых клистронов, за основу берется КПУ, в котором эмиттеры (1) впаиваются в обойму через тонкостенные молибденовые втулки. Предварительно сформованный и заплавленный  или другим способом изолированный подогреватель из вольфрамо-рениевого сплава помещается в молибденовый цилиндр до соприкосновения с внутренней поверхностью эмиттера. Таким образом, общий КПУ многолучевого клистрона содержит парциальные КПУ, число которых равно количеству эмиттеров в КПУ электронной пушки. Выводы подогревателя (2) один закрепляется на корпус обоймы (3) или шины соединённой с корпусом обоймы, второй вывод соединяется с общей шиной (4), подключенной к блоку питания (фиг. 1). Таким же способом монтируются все подогреватели. Тем самым заранее отобранные по идентичности сопротивлений подогреватели при подаче напряжения на подогреватели обеспечивают равномерное температурное поле на всех эмиттерах в обойме. При этом отпадает необходимость разогрева обоймы до рабочей температуры эмиттеров, что приводит к уменьшению температуры обоймы и других элементов электронной пушки, исключает коробление обоймы при циклических включениях накала, увеличивает долговечность электронной пушки, т.к. гарантированно обеспечивается идентичность температуры всех парциальных эмиттеров КПУ. За счёт концентрированной подачи энергии для разогрева эмиттера существенно снижается мощность для поддержания рабочей температуры эмиттеров.
С целью повышения экономичности КПУ и исключения «паразитной» эмиссии с электродов пушки дальнейшее снижение температуры электродов пушки при оптимальной температуре эмиттеров может быть достигнуто за счет перфорации тонкостенной молибденовой втулки крепления эмиттеров в обойме перпендикулярно оси втулки и монтаж тонкостенных экранов (6) снаружи и внутри втулки. Замена молибденовой втулки на крепление эмиттера методом «беличье колесо» с установкой наружных экранов, уменьшением площади воспринимающей поверхности фокусирующего электрода и её полировка с целью уменьшения нагрева от излучения боковых поверхностей эмиттера увеличивают экономичность КПУ. Уменьшение влияния температуры эмиттера и подогревателя на нагрев элементов пушки обеспечивается дополнительным размещением системы экранов (7), а изменение уровня рабочего напряжения и тока обеспечивается за счет соединения порционных подогревателей в блоки (фиг. 2, фиг. 3).
Представленная конструкция КПУ позволяет в зависимости от потребности заказчика выбирать необходимый ток или напряжение накала путем подключения семейства подогревателей в блоки с равным числом подогревателей. Например, при параллельном включении подогревателей, которые спроектированы для работы от источника 6,3В при необходимой мощности 10Вт парциального катода потребляемый ток будет составлять 1,59 А, т.е. для разогрева 40 эмиттеров общий ток КПУ равен 63,6 А. Целесообразнее снизить ток, а напряжение увеличить. Если, например, соединить в блок последовательно четыре подогревателя, то при сохранении мощности подогрева парциального КПУ общий ток подогревателя КПУ составит 15,9 А при напряжении примерно 25 В.
Возможны и другие комбинации блоков подогревателей с одинаковым количеством подогревателей в блоках.
Представленная конструкция КПУ кроме всех перечисленных преимуществ имеет существенно большую надежность, в частности отказ одного катода или одного блока катодов не приведёт к полному выходу клистрона из строя, а снижение тока катода в результате отказа одного катода в КПУ или одного блока катодов (из-за обрыва подогревателя) можно компенсировать производственными запасами и подстройкой режимов питания клистрона в пределах ТУ.