Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке и пролетный клистрон
METHOD OF FORMING BUNCHES OF HIGH ENERGY DENSITY IN AN ELECTRON BEAM AND A TRANSIT KLYSTRON

Область техники
Изобретение относится к области электронной СВЧ-техники, в частности к мощным СВЧ-приборам О-типа - пролетным клистронам, к способам повышения их КПД, в частности к способам формирования электронных сгустков высокой плотности энергии в потоке электронов в пролетных клистронах и пролетным клистронам для реализации таких способов.
Уровень техники
2
Увеличение эффективности клистронов для будущих крупных ускорителей, таких как CLIC, ILC, ESS, FCC, а также для ускорителей медицинского назначения, сканирования грузов, дезинфекции различных материалов и других считается высокоприоритетным вопросом. Помимо существенного снижения эксплуатационных расходов (на электроэнергию) высокий КПД клистронов позволяет сократить размеры силовой установки, а также сократить выбросы CO в атмосферу, что является глобальной мировой тенденцией. При использовании эффективных клистронов снижаются инвестиционные затраты на проведение разработок новых систем.
Подавляющее большинство существующих коммерческих высокомощных СВЧ клистронов имеют КПД в диапазоне между 40% и 55%. На рынке доступны только несколько клистронов, способных работать с эффективностью 65% или выше. Эта ситуация отражает прогресс, достигнутый за десятилетия развития клистронов сверхвысоких мощностей, когда для научных исследований гораздо важнее была сама величина мощности, чем эффективность клистрона.
Изучение формирования электронного сгустка в клистронах, определение условий его группировки необходимо для получения практических рецептов для конструирования клистронов с высоким КПД. Эта деятельность началась в последнее десятилетие, интегрируя ранее предложенные концепции «насыщенности сгустка» и «упорядоченного сгустка». В настоящее время она эволюционировала в сторону разработки новой техники немонотонной группировки с понятием приведенная длина группирования в качестве общего параметра.
вых
0
0
вых
0
0
л
0
л
-3/2
-6
6
КПД клистрона определяется как отношение между выходной СВЧ мощностью и мощностью электронного пучка: η=Р/(IxU), где Р - выходная СВЧ мощность клистрона, I - ток катода клистрона, U - напряжение (разность потенциалов) между катодом и анодом клистрона. При движении в каналах клистрона группировка и извлечение мощности из сгустков ограничены силами пространственного заряда. Первеанс луча клистрона Р=I/U, где I - ток одного луча, обычно используется, как мера сил пространственного заряда: чем меньше первеанс, тем слабее пространственный заряд и, соответственно, сильнее группировка. Первеанс в клистронах имеет порядок величины 10, поэтому вводится понятие микропервеанса Рμ=Р×10. Для высокоэффективного клистрона, таким образом, требуется низкий первеанс. Так как всегда существует ограничение сверху на приложенное напряжение, низкий первеанс может быть получен только при работе с небольшим током катода. В однолучевом клистроне это условие несовместимо с требованием получение сверхвысокой мощности, обычно там используются электронная оптика с высоким микропервеансом, не менее 1,5. Поэтому при классической группировке достигается КПД не более 50%. Концепция многолучевого клистрона, предложенная в середине 20 века (В.Ф. Коваленко, «Электронная трубка клистронного типа», Авторское свидетельство №72756, класс 21.13, 31 декабря 1940; J. Bernier, "Multi-beam device", French Patent no. 992 853, Sept. 15, 1944), разрешила это противоречие введением большого количества одиночных лучей, которые взаимодействуют с общим полем в емкостных зазорах резонаторов.
3/2
th
th
В начале 21 века появился существенный стимул к разработке мощных эффективных клистронов в L диапазоне для гигантских ускорителей ILC и XFEL. Три производителя разработали клистроны на частоту 1,3 ГГц, 10 МВт с микропервеансом 0,5-0,54 μА/В (Y.H. Chin, "Design and performance of L-band and S-band Multi Beam Klystrons", in Proc. 24 Linear Accel. Conf., Victoria, ВС, Canada, September 2008, pp. 369-373). Эти результаты согласуются с широко используемым эмпирическим соотношением между микропервеансом и наивысшим достижимым КПД, задаваемым формулой (A. Beunas, G. Faillon and S. Choroba, "A high power long pulse high efficiency Multi Beam Klystron", presented at the 5 MDK Workshop, CERN, Geneva, Switzerland, April 2001):
Независимое исследование, проведенное с помощью некоммерческого 1D кода AJDisk (A.J. Jensen et al., "Sheet beam klystron simulations using AJDISK", Proc. 7th IVEC, Monterey, CA, Apr. 2006, pp. 489-490), показало, что КПД в клистроне может быть несколько больше, чем вычисленное по формуле (1). Оптимизация проводилась для клистрона с постоянной выходной мощностью, изменялись только напряжение и ток луча. В результате получилась похожая на приведенную в формуле (1) зависимость:
Во всех проведенных исследованиях и расчетах, в том числе по двухмерным и трехмерным программам, КПД никогда не превышал 79%, что является, таким образом, верхним пределом при группировке традиционными методами.
Обычно в большинстве клистронов электроны ядра сгустка подвергаются воздействию мощных сил в зазорах резонаторов и имеют достаточно большой разброс по скоростям (до 30-40%). При попытке увеличить КПД и собрать основную часть периферийных электронов в сгусток с помощью увеличения группирующих сил быстрые частицы ядра сгустка начинают обгонять медленные, сгусток разрушается, КПД взаимодействия с выходным резонатором падает.
Известно, что для увеличения КПД используются многорезонаторные конструкции клистрона (А.С. 15556. Многорезонаторный клистрон. С.А. Зусмановский, СССР, 1955, Патент US 2915670 А. Klystron amplifier, Zitelli L.T. - Приор. 22.07.1954), при этом между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные промежуточные резонаторы, настроенные на частоты, которые выше, чем частота основного сигнала. Для группировки электронов промежуточные резонаторы настраивают на частоты, более высокие по сравнению с частотой основного сигнала. Использование многорезонаторной конструкции в клистроне позволяет увеличить насыщенность сгустка, увеличить плотность электронов в сгустке и, в результате, увеличить эффективность преобразования кинетической энергии в ВЧ-энергию. Однако нелинейный характер поля в промежуточных резонаторах не позволяет собрать в сгусток периферийные частицы электронного потока, что приводит к ограничению КПД величиной 40-50%.
Известен усилительный клистрон (RU, 1764460, С), содержащий входной и выходной резонаторы, промежуточные резонаторы основной частоты и по меньшей мере один резонатор удвоенной частоты, размещенный перед выходным резонатором, при этом с целью повышения КПД в многочастотном режиме работы резонатор удвоенной частоты выполнен в соответствии с выражениями
0
где Q - собственная добротность резонатора удвоенной частоты;
0
F - центральная частота рабочего диапазона частот клистрона, МГц;
p
Δf - ширина рабочего диапазона частот, МГц;
2
f - частота настройки резонатора удвоенной частоты, МГц.
c
c
c
Резонатор второй гармоники, с частотой, отстроенной ниже двойной рабочей частоты клистрона является разгруппирующим для ядра сгустка и для центральной части антисгустка. При этом образуются два новых центра группировки из частиц, пролетающих зазоры в моменты времени t*- π/2 и t*+π/2, где t*=ωt - нормализованное время, t* - время прохождения центра сгустка через центр емкостного зазора одного из промежуточных резонаторов клистрона. При движении вдоль клистрона, часть электронов будет уплотняться в сгусток, а другая часть наоборот будет разрежена, ее можно назвать «антисгустком». На ядро сгустка резонатор 2-й гармоники действует примерно так же, как разгруппирующий пространственный заряд, но при этом дополнительно способствует насыщению сгустка за счет разгруппировки центральной части антисгустка. Комбинация резонаторов первой гармоники, отстроенных выше частоты основного сигнала, и резонаторов второй гармоники, отстроенных ниже двойной частоты основного сигнала, позволяет создать сильное разгруппирующее воздействие на антисгусток и также слабое разгруппирующее воздействие на центральные электроны ядра сгустка. Ядро сгустка остается в состоянии, близком к стабилизации, сохраняя это состояние достаточно долго. В изобретении резонатор удвоенной частоты находится непосредственно перед выходным резонатором, длина трубы дрейфа невелика и не позволяет эффективно периферийные электроны в основной сгусток, поэтому увеличение КПД незначительно, что является основным недостатком аналога.
e
e
o
o
0
0
0
o
o
e
e
Известна идея повышения КПД клистрона с помощью группировки сгустков в условиях колебаний пространственного заряда ядра сгустка (A. Yu. Bajkov, D.M. Petrov «Problems of creation powerfull and super-power klystrons with efficiency up to 90%», International University Conference "Electronics and Radio physics of Ultra-high Frequencies", St. Petersburg, May 24-28, 1999, pp. 5-8). Процесс колебаний возможен, если существуют силы, которые разгруппируют ядро электронного сгустка. Такими силами могут быть силы пространственного заряда самого ядра сгустка. Показано, что при использовании сил пространственного заряда для осуществления колебательных движений ядра сгустка КПД клистрона может быть увеличен до 90%. Метод получил название СОМ (по-английски Core Oscillation Method). Однако при этом длина клистрона возрастает до величины 15-20 электронных длин волн L (электронная длина L - расстояние, которое электрон со скоростью v проходит за период колебаний СВЧ-поля), где ; v - средняя скорость электронов; T=1/f - период колебаний СВЧ-поля и ƒ - частота колебаний СВЧ-поля, U - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона. Основным недостатком этих клистронов является огромная длина пространства взаимодействия в клистроне с колебательными движениями электронов ядра сгустка, осуществляемыми с помощью сил пространственного заряда: например, если f=1 Ггц, U=100 кВ, тогда L=18,8 см, а длина пространства взаимодействия L=15 L=2,8 м, что недопустимо при практическом использовании. Поэтому такие клистроны не нашли применения на практике.
Известен способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном сгустке, образованном источником электронов, в котором формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из ряда СВЧ-полей, осуществлено в пролетном клистроне путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в электронном потоке, в ядрах сгустков электронов с помощью воздействия на электронный поток ряда СВЧ-полей (RU, 2654537, С). Способ является наиболее близким к настоящему изобретению. Сгусток электронов пропускают через каскад СВЧ-полей, содержащий одну многорезонаторную ступень, которая обеспечивает последовательно: образование ядра сгустка, увеличение плотности ядра сгустка, разгруппирование ядра сгустка и окончательное группирование сгустка. Технический результат - достижение высокой плотности тока в сгустке, направляемом на торможение для преобразования его энергии в СВЧ-энергию потребления, уменьшение потребляемой энергии при фиксированной выходной СВЧ-мощности клистрона и повышение КПД пролетных клистронов.
Раскрытие сущности изобретения
Для достижения более высоких значений КПД, процессы группировки и торможения сгустка должны быть рассмотрены на уровне динамики электронного пучка. Используя квазипериодичность движения электронов с СВЧ периодом Т, рассмотрим электронный поток в пределах этого периода Т. При движении вдоль клистрона, часть электронов будет уплотняться в сгусток, а другая часть наоборот будет разрежена, ее можно назвать «антисгустком». В емкостном зазоре выходного резонатора сгусток будет замедляться, а анти-сгусток ускоряться (так как попадает в ускоряющую фазу СВЧ поля). Внутри сгустка можно также выделить центральную часть (ядро) и периферические электроны - те, которые расположены близко к границе с антисгустком. Для того чтобы гарантировать полное извлечение энергии из электронного потока, необходимо выполнить следующие условия:
На входе в емкостной зазор выходного резонатора все электроны должны находиться внутри сгустка, таким образом оставляя антисгусток пустым. Назовем такой сгусток "полностью насыщенным сгустком". Во время торможения в выходном резонаторе сгусток будет удлиняться за счет внутренних сил пространственного заряда. При этом важно, чтобы периферийные электроны сгустка не мигрировали в антисгусток.
Для длинного сгустка это может быть выполнено, если существует определенная дисперсия скорости вдоль пучка до того, как он попадет на выходной резонатор: голова сгустка должна быть медленнее, чем его хвост. В этом случае все электроны будут иметь относительную продольную скорость компонент, направленный к центру сгустка; такой сгусток можно называть "слетающимся сгустком". Оптимальный разброс скоростей зависит от фактического длины сгустка и для очень короткого сгустка близок к нулю. Концепция оптимального распределения скоростей (слетающийся сгусток) позволяет ослабить требование к силе группировки (то есть к минимизации длины сгустка), которое традиционно считалось основным способом увеличить КПД клистрона. Условие полного торможения требует, чтобы все электроны после прохождения выходного резонатора имели очень малую скорость, близкую к нулю. В итоге по мере взаимодействия с СВЧ полем выходного резонатора слетающийся сгусток постепенно превращается в моноскоростной. Это может быть возможно, если при движении в зазоре выходного резонатора отсутствует обгон одними электронами других. Ключевыми условием достижения предельных значений КПД являются насыщенность сгустка, то есть отношение числа частиц в сгустке к числу частиц в антисгустке, а также наличие определенного распределения скоростей в его ядре - постепенное увеличение скорости электронов от головы сгустка к хвосту.
c
c
c
c
c
c
c
c
c
Рассмотрим группировку электронов внутри сгустка. Для удобства нормализуем время к периоду колебаний СВЧ поля t*=ωt. Пусть t* - время прохождения центра сгустка через центр емкостного зазора одного из промежуточных резонаторов клистрона. Сила воздействия со стороны поля на частицы пучка в силу синусоидальной зависимости поля от времени растет при удалении от центра сгустка только в пределах времени t* от t*-π/2 до t*+π/2. Для промежутков времени от от t*-π до t*-π/2 и от от t*+π/2 до t*+π сила воздействия, наоборот, уменьшается при удалении от центра сгустка. Сила воздействия на частицы, пролетающие в моменты времени от t*-π и t*+π близка к нулю. Но это как раз те частицы, наиболее удаленные от центра сгустка, смещение которых должно быть максимальным для получения максимальной насыщенности сгустка. Т.е. смещение частиц сгустка, подвергающихся достаточно сильному воздействию, должно быть ограниченным, а смещение периферийных частиц, подвергающихся слабому воздействию, должно быть максимальным.
Выполнение таких противоречивых условий возможно только в случае немонотонного характера группировки. Движение частиц ядра должно носить колебательный характер (частицы то приближаются к центру сгустка, то удаляются от него). Периферийные частицы должны при этом монотонно приближаться к центру сгустка. Для обеспечения такого группирования в ядре сгустка должны действовать разгруппирующие силы. Этими силами могут быть силы пространственного заряда, а также силы СВЧ воздействия со стороны разгруппирующих резонаторов, отстроенных ниже относительно рабочей частоты клистрона. Для увеличения эффективности необходимо увеличить длину пространства взаимодействия и дать возможность периферийным электронам присоединиться к сгустку, в то время как центральные электроны сгустка совершают колебательные движения.
Проведенные исследования показали, что недостатком известного способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном сгустке (RU, 2654537, С) является то, что с целью повышения КПД используется только один триплет резонаторов (ВАС резонаторов по терминологии статьи И.А. Гузилова "ВАС method of increasing the efficiency in klystrons", Proc. 10th Int. Vacuum Electron Sources Conference, (IVESC-2014), Saint Petersburg, Russia, July, 2014, pp 101-102), ядро сгустка совершает только одно колебательное движение, что приводит к повышению КПД на эксперименте не более 64%.
Ступень формирования сгустков высокой плотности в способе (RU, 2654537, С) содержит триплет резонаторов (ВАС ступень), обеспечивающий последовательно:
- образование ядра сгустка за счет группирования электронов в центральной части потока под воздействием по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;
- увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала;
- разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре сгустка и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей.
ВАС ступень удовлетворяет всем новейшим требованиям к увеличению насыщенности сгустка - придает дополнительный толчок в движении периферийных электронов в направлении ядра сгустка и обеспечивает колебательное движение ядра сгустка. При этом пространство взаимодействия получается достаточно коротким - не более 5 электронных длин волн.
o
Как показано на Фиг. 1 фазовых траекторий электронов в пролетных каналах указанной выше трубки (RU, 2654537, С), где Т - время, T - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, зоны 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 по продольной координате - емкостные зазоры резонаторов, при движении в пролетных каналах трубки электроны подвергаются синусоидальному воздействию электрического поля в зазорах зон 2-8 промежуточных резонаторов. При этом из-за синусоидальности воздействия электроны ядра сгустка группируются быстрее, чем периферийные электроны «е», для которых электрическое поле в зазорах меньше. Чтобы увеличить КПД, необходимо собрать как можно большее количество электронов в сгусток, включая периферийные электроны «е». В зазорах резонаторов 2 и 3 происходит подготовка плотности ядра сгустка, в зазорах резонаторов 4, 5 и 6 производится вынужденное колебание плотности пространственного заряда ядра сгустка, в зазорах резонаторов 7 и 8 - повышение плотности пространственного заряда сгустка. Таким образом, с помощью способа (RU, 2654537, С) формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетного клистрона были обеспечены процессы вынужденных колебаний электронов ядра сгустка, что позволило увеличить плотность пространственного заряда сгустка, наиболее полно собрать электроны потока в сгусток, уменьшить количество «вредных» (с точки зрения взаимодействия с ВЧ-полем выходного резонатора) электронов «антисгустка» и таким образом повысить эффективность преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном устройстве пролетного клистрона.
Однако одного колебания плотности пространственного заряда ядра сгустка явно недостаточно для существенного прорыва в увеличении КПД, хотя использование способа (RU, 2654537, С) позволило увеличить КПД по сравнению с клистроном КИУ-168 производства ФГУП «НПП «Торий», содержащего один резонатор второй гармоники (аналогично патенту US, 3811065, А) с 42% до 64,5%.
Для увеличения КПД до 75-80% необходимо добавить по крайней мере еще одно колебание плотности пространственного заряда ядра, во время которого периферийные электроны смогут монотонно приблизиться к центру сгустка. Это колебание можно осуществить с помощью еще одного ВАС триплета, либо использовать собственное колебание пространственного заряда ядра сгустка, аналогично методу СОМ. Во втором случае при группировке используется сочетание методов ВАС и СОМ - начальное уплотнение сгустка проводится на коротком участке с помощью ВАС триплета, а затем, когда пространственный заряд сгустка увеличивается не менее чем в 2 раза, для дальнейшего уплотнения сгустка используются собственные колебания пространственного заряда ядра. При этом не требуется значительного увеличения длины клистрона.
Целью создания настоящего изобретения являлось создание высокоэффективного способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов, приемлемого для реализации в пролетном клистроне, имеющем при его малых габаритах и массе высокую выходную мощность при уменьшенном количестве потребляемой им энергии.
При создании настоящего изобретения была поставлена техническая задача разработки способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов путем введения дополнительных ступеней формирования ядра электронных сгустков и повышения плотности пространственного заряда ядра электронных сгустков с помощью изменения скорости движения электронов в условиях колебаний пространственного заряда ядра сгустка, и создание пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию такого способа.
При этом ожидаемым техническим результатом использования изобретения являлось достижение высокой плотности тока в сгустке, направляемом на торможение для преобразования его энергии в СВЧ-энергию потребления, уменьшении потребляемой энергии при фиксированной выходной СВЧ-мощности клистрона и повышение КПД пролетных клистронов.
Поставленная задача была решена разработкой способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, в котором с помощью последовательного воздействия на электронный поток ряда СВЧ-полей, расположенных по направлению потока и разделенных между собой пространствами дрейфа, осуществляют:
- формирование первоначальных сгустков электронов в потоке путем модулирования скорости электронов в потоке под воздействием входного СВЧ-поля указанного ряда СВЧ-полей;
- формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей, путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных сгустках и в ядрах сгустков с помощью пропускания потока, содержащего сгустки электронов, через каскад СВЧ-полей, размещенный в указанном ряду СВЧ-полей перед полями окончательного группирования сгустков, содержащий по меньшей мере одну многорезонаторную ВАС ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, включающую СВЧ-поля ВАС триплета;
- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей,
отличающегося тем, что:
- формирование сгустков осуществляют путем комбинированного ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных сгустках и в ядрах сгустков с помощью пропускания потока, содержащего сгустки электронов, через каскад СВЧ-полей, содержащий одну многорезонаторную ступень (ВАС триплет) формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующуюся вынужденным колебанием пространственного заряда их ядра и одну многорезонаторную СОМ ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующуюся собственными колебаниями пространственного заряда их ядра, включающую СВЧ-поля, обеспечивающие последовательно:
(в части ВАС ступени)
- образование ядра сгустка за счет группирования электронов в центральной части потока под воздействием по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;
- увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала;
- разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре сгустка и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;
(в части СОМ ступени)
- колебательный процесс плотности пространственного заряда в ядре сгустка под воздействием сил собственного пространственного заряда в совокупности с монотонным движением периферийных электронов к ядру сгустка в пространствах дрейфа резонаторов СОМ ступени, имеющих частоту выше частоты основного сигнала;
- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей осуществляют за счет повышения плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, под воздействием на сгустки по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала.
0
0
1
0
При этом согласно изобретению в СОМ ступени возможно использовать каскад СВЧ-полей, содержащий от одного до трех СВЧ-полей, имеющих частоту выше частоты ƒ основного сигнала. Частоту этих СВЧ-полей целесообразно выбирать в диапазоне 1,02 ƒ<ƒ<1,2 ƒ.
i
При этом согласно изобретению в СОМ ступени длины труб дрейфа L после каждого из СВЧ-полей ступени, где i - порядковый номер СОМ резонатора, целесообразно выбирать в следующих диапазонах:
e
1
e
e
- в случае использования одного СОМ СВЧ-поля 0,8 L<L<1,2 L, где L - электронная длина волны,
o
0
0
0
; v - средняя скорость электронов; T=1/f - период колебаний СВЧ-поля и ƒ - частота колебаний СВЧ-поля, U - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона;
- в случае использования двух СОМ СВЧ-полей
e
1
e
для трубы дрейфа после первого СВЧ-поля 0,75 L<L<1,2 L,
e
2
e
для трубы дрейфа после второго СВЧ-поля 0,65 L<L<1,l L;
- в случае использования трех СОМ СВЧ-полей
e
1
e
для трубы дрейфа после первого СВЧ-поля 0,7 L<L<1,2 L,
e
2
e
для трубы дрейфа после второго СВЧ-поля 0,6 L<L<1,1 L,
e
3
e
для трубы дрейфа после третьего СВЧ-поля 0,5 L<L<1,0 L.
Поставленная задача была также решена созданием пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию указанного выше способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке и содержащего:
- источник электронов, обеспечивающий формирование потока электронов;
- ряд резонаторов СВЧ-полей, последовательно расположенных по направлению потока электронов и разделенных между собой пространствами дрейфа, включающий:
- входной резонатор, настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков электронов в электронном потоке;
- многорезонаторную систему в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, обеспечивающих формирование электронных сгустков высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных электронных сгустках и в ядрах сгустков, размещенного в указанном ряду резонаторов СВЧ-полей перед предвыходной резонаторной системой и включающего одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся вынужденными колебаниями пространственного заряда их ядра (ВАС триплет) и содержащую:
- по меньшей мере один резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;
- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;
- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов;
- предвыходную резонаторную систему, обеспечивающую окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей,
- выходной резонатор, обеспечивающий торможение электронных сгустков, сформированных в многорезонаторной системе формирования электронных сгустков, и содержащий систему преобразования их энергии в СВЧ-энергию;
- коллектор для сбора электронов после их выхода из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей, отличающегося тем, что:
0
0
1
0
- многорезонаторная система выполнена в виде двух каскадов резонаторов СВЧ-полей, обеспечивающих формирование электронных сгустков высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных электронных сгустках и в ядрах сгустков, размещенного в указанном ряду резонаторов СВЧ-полей перед предвыходной резонаторной системой и включающего одну многорезонаторную ВАС ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся вынужденными колебаниями пространственного заряда их ядра (с помощью полей в емкостных зазорах ВАС триплета) и одну многорезонаторную СОМ ступень, формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующуюся собственными колебаниями пространственного заряда их ядра, содержащую от одного до трех резонаторов, имеющих частоту выше частоты ƒ основного сигнала. Частоту этих резонаторов целесообразно выбирать в диапазоне 1,02 ƒ<ƒ<1,2 ƒ.
i
При этом согласно изобретению в СОМ ступени длины труб дрейфа L после емкостных зазоров резонаторов ступени, где i - порядковый номер СОМ резонатора, целесообразно выбирать в следующих диапазонах:
e
1
e
e
- в случае использования одного СОМ резонатора 0,8 L<L<1,2 L, где L - электронная длина волны,
o
0
0
0
; v - средняя скорость электронов; T=1/f - период колебаний СВЧ-поля и ƒ - частота колебаний СВЧ-поля, U - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона;
- в случае использования двух СОМ резонаторов
e
1
e
для трубы дрейфа после первого резонатора 0,75 L<L<1,2 L,
e
2
e
для трубы дрейфа после второго резонатора 0,65 L<L<1,l L;
- в случае использования трех СОМ резонаторов
e
1
e
для трубы дрейфа после первого резонатора 0,7 L<L<1,2 L,
e
2
e
для трубы дрейфа после второго резонатора 0,6 L<L<1,1 L,
e
3
e
для трубы дрейфа после второго резонатора 0,5 L<L<1,0 L;
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется примерами осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению, реализованному в пролетном клистроне согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - изображение фазовых траекторий электронов в каналах микроволновой трубки с одной многорезонаторной ступенью формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся вынужденными колебаниями пространственного заряда их ядра (ВАС триплетом) согласно прототипу;
Фиг. 2, 3 - конструктивные схемы пролетного клистрона согласно изобретению, содержащего каскад резонаторов СВЧ-полей, включающий две многорезонаторных ступени формирования электронных сгустков (ВАС и СОМ) согласно изобретению с разным количеством резонаторов в СОМ ступени;
Фиг. 4 - изображение фазовых траекторий электронов по тракту пролетного клистрона согласно изобретению.
Фиг. 5 - график зависимости первой гармоники тока от продольной координаты в пролетном клистроне согласно изобретению.
При этом приведенные примеры осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению и пролетного клистрона согласно изобретению не являются исчерпывающими, не выходят за рамки формулы изобретения и не ограничивают возможности реализации изобретения.
Осуществление изобретения
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, выполненных в различных конструктивных вариантах, содержащих различные варианты многорезонаторных рядов с различными вариантами каскадов и многорезонаторных ступеней в зависимости от первеанса луча клистрона и требуемой длины пространства взаимодействия и эффективности.
Авторами были подвергнуты исследованиям способы формирования сгустков высокой плотности энергии, реализованные в пролетных клистронах S-диапазона с выходной импульсной мощностью 16 МВт в вариантах их выполнения с одним и тремя СОМ резонаторами согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.
Как показано на Фиг. 2, 3, пролетные клистроны 1 и 1а согласно изобретению содержали размещенные последовательно: источник 2 электронов, обеспечивающий формирование потока 3 электронов; многорезонаторный ряд 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3), содержащие разделенные между собой пространствами дрейфа 5 резонаторы СВЧ-полей, последовательно расположенные по направлению потока 3 электронов и обеспечивающие формирование электронных сгустков 3с высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, и их торможение с преобразованием их энергии в СВЧ-энергию, и коллектор 6 для сбора электронов после их выхода из указанного многорезонаторного ряда 4 или 4а.
При этом многорезонаторные ряды 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) содержали:
- входной резонатор 7 (Фиг. 2, 3), настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, обеспечивающий подвод энергии и начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков 3а электронов в электронном потоке 3;
- промежуточный резонатор 8, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала и предназначенный для предварительной группировки электронного потока 3;
- одну многорезонаторную систему СВЧ-полей (ВАС триплет), выполненную в виде одного каскада 9 (Фиг. 2, 3) резонаторов СВЧ-полей, размещенных, соответственно, в указанном ряду 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) для формирования электронных сгустков 3b промежуточной плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, перед системой СОМ СВЧ-полей;
- одну систему СВЧ-полей, включающую от одного СОМ резонатора СВЧ-полей 10 (Фиг. 2) до трех СОМ резонаторов СВЧ-полей 10а (Фиг. 3), размещенных, соответственно, в указанном ряду 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) для формирования электронных сгустков 3с высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра в количестве от одного колебания (Фиг. 2) до трех колебаний (Фиг. 3), перед предвыходной резонаторной системой;
- предвыходное СВЧ-поле, содержащее один резонатор 11 СВЧ-поля (Фиг. 2, 3), настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, обеспечивающее повышение плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков 3с высокой плотности энергии, сформированных в указанной системе СВЧ-полей резонаторов 10 перед СВЧ-полем выходного резонатора 12;
- выходное СВЧ-поле выходного резонатора 12 (Фиг. 2, 3), обеспечивающее торможение указанных электронных сгустков 3с высокой плотности энергии, полученных из предвыходной резонаторной системы 11, и имеющий систему отвода и преобразования энергии указанных сгустков в СВЧ-энергию.
При этом СОМ резонаторы СВЧ-полей 10 (Фиг. 2) и 10а (Фиг. 3) настраиваются на частоту выше частоты основного сигнала и каждый из них обеспечивает одно колебание плотности пространственного заряда ядра сгустка и монотонное движение периферийных электронов в направлении ядра сгустка. В совокупности система СОМ СВЧ-полей обеспечивает от одного (Фиг. 2) до трех (Фиг. 3) колебаний плотности пространственного заряда ядра дополнительно к колебанию ядра предварительного ВАС триплета.
Автором был исследован способ формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению, реализованный в пролетных клистронах 1 и 1а согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетных клистронов 1 (Фиг. 2) и 1а (Фиг. 3) согласно изобретению был осуществлен следующим образом.
С помощью источника 2 электронов, в качестве которого использовали термоэлектронный катод, генерировали электронный поток 3 и направляли его во входной резонатор 7 СВЧ-поля многорезонаторного ряда 4 или 4а.
При поступлении входного сигнала СВЧ-поля через ввод энергии во входной резонатор 7 взаимодействие электронного потока 3 с СВЧ-полем приводило к модуляции потока 3 электронов по скорости, в результате которой в пространстве дрейфа 5 после входного резонатора 7 происходила первоначальная группировка электронов потока 3 в электронные сгустки 3а по плотности, появлялась высокочастотная переменная составляющая конвекционного тока электронов.
Затем электронный поток 3а поступал в промежуточный резонатор 8, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала, в котором проводилась предварительная группировка электронного потока 3;
После этого электронный поток 3а поступал в многорезонаторную ступень 9 формирования электронных сгустков (Фиг. 2, 3), в которой происходило предварительное ступенчатое повышение плотности пространственного заряда электронных сгустков 3а с помощью воздействия резонаторов СВЧ-полей (ВАС триплета), вызывающих вынужденное колебание пространственного заряда их ядра, одновременно с монотонным движением периферийных электронов в образующиеся сгустки 3b.
По мере продвижения электронов и первоначальных сгустков 3а в многорезонаторной ступени 9, через каналы последовательно размещенных резонатора 13, группирующего ядро сгустка, резонатора 14, собирающего периферийные электроны в ядро, развивались колебательные процессы в ядрах сгустков, и в резонаторе 15, разгруппирующем ядро сгустков, выравнивалась неоднородность группировки центральных и периферийных электронов сгустка, связанная с синусоидальным воздействием на электроны СВЧ-полей в резонаторах 13 и 14.
В связи с тем, что электроны ядра сгустков в резонаторе 15 под воздействием сил обратного знака, и ускоренные в группирующих резонаторах 13 электроны попадали в тормозящую фазу СВЧ-поля резонатора 15, а замедленные электроны попадали в ускоряющую фазу СВЧ-поля резонатора 15, то при прохождении через резонатор 15 электроны ядра сгустка совершали колебательные движения, сначала приближаясь к центру сгустка, а потом удаляясь от него.
После обеспечения колебательного процесса ядра в резонаторах 13, 14, 15 (ВАС триплете) со сбором периферийных электронов предварительно сгруппированные сгустки электронов 3в попадали в СОМ резонаторы 10 (Фиг. 2, 3), в которых колебательный процесс в ядрах сгустках был ступенчато продолжен с целью дальнейшего увеличения насыщенности сгустков. Колебания заряда ядер сгустков происходили благодаря увеличенной более чем в 2 раза в ВАС триплете плотности пространственного заряда сгустков и, соответственно, увеличению продольных сил пространственного заряда внутри сгустков. Местом колебаний была труба дрейфа после каждого из СОМ резонаторов 10. При начальном движении в СОМ трубах дрейфа под воздействием сил в емкостных зазорах резонаторов происходила дополнительная группировка электронов в сгусток. Затем, по мере движения в трубах дрейфа, влияние собственных сил пространственного заряда сгустков приводило к тому, что замедленные электроны, находящиеся в голове сгустка, получали ускорение и увеличивали свою скорость, при этом ускоренные электроны, находящиеся в хвосте сгустка замедлялись полем пространственного заряда и уменьшали свою скорость. Происходило выравнивание скоростей электронов ядер сгустков. В целом в каждой СОМ трубе дрейфа электроны ядра сгустка совершали колебательные движения, сначала приближаясь к центру сгустка, а потом удаляясь от него. Количество дополнительных к полученному в ВАС триплете колебаний ядра равно количеству СОМ резонаторов, т.е. от одного до трех. Одновременно периферийные электроны монотонно приближались к ядру сгустков, увеличивая тем самым их насыщенность. Оба этих процесса приводили к выравниванию неоднородности группировки центральных и периферийных электронов сгустка, связанной с синусоидальным воздействием на электроны СВЧ-полей в СОМ резонаторах 10.
Далее сформированные ступенчатым воздействием СВЧ полей ВАС и СОМ резонаторов сгустки попадали в предвыходной резонатор 11 СВЧ-поля (Фиг. 2, 3), настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, после которого происходило окончательное повышение плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков 3с высокой плотности энергии перед воздействием СВЧ-поля выходного резонатора 12. После группировки сгустки попадали в тормозящее поле выходного резонатора 12, где отдавали свою энергию.
Возможность достижения заявленного технического результата была подтверждена экспериментальными данными работы пролетных клистронов S-диапазона NS16 с выходной импульсной мощностью 16,0 МВт, содержащих в многорезонаторном ряду согласно изобретению восемь резонаторов, схема расположения которых представлена на Фиг. 2: входной резонатор 7 начальной модуляции электронов; один промежуточный резонатор 8, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала, для предварительной группировки электронного потока, резонаторы многорезонаторной ВАС ступени 9, обеспечивающие вынужденное ВАС колебание ядра сгустка: резонатор 13 образования ядра сгустка, резонатор 14 сбора периферийных электронов в ядро сгустка, резонатор 15 разгруппирования ядра сгустка, после которых образуется сгусток 3b с промежуточным значением насыщенности электронами; один СОМ резонатор 10 после которого в пространстве дрейфа происходит колебание плотности тока под действием собственных сил пространственного заряда ядра сгустка с дальнейшим увеличением насыщенности, предвыходной резонатор 11, после которого происходит окончательное повышение плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков 3с и выходной резонатор 12, обеспечивающий торможение указанных электронных сгустков 3с высокой плотности энергии.
o
1
0
Работа пролетного клистрона 1, содержащего каскад 8 с СОМ ступенью 10, проиллюстрирована изображением на Фиг. 4 фазовых траекторий электронов в каналах резонаторного блока 4, где Т - время, T - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, а также изображением зависимости первой гармоники конвекционного тока I/I при этом показаны области траекторий электронов (Фиг. 5):
0
- емкостной зазор А входного резонатора 7, настроенного на частоту, близкую к частоте ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1, в котором происходит начальная модуляция электронов;
1
0
- емкостной зазор В промежуточного резонатора 8, настроенного на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, обеспечивающих предварительную группировку электронного потока;
- емкостные зазоры С трех резонаторов ВАС триплета 14, 15 и 16, обеспечивающие вынужденное ВАС колебание плотности пространственного заряда ядра сгустка J и монотонное движение периферийных электронов е в направлении ядра сгустка, настроенные последовательно на частоты:
резонатор 14 на частоту выше частоты основного сигнала и предназначенный для предварительной группировки электронного потока 3;
2
0
0
0
4
0
резонатор 15 на частоту ƒ ниже двойной частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1, но выше частоты ƒ основного сигнала: ƒ<ƒ<2,0 ƒ;
3
0
резонатор 16 на частоту ƒ ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1;
4
0
- емкостной зазор D СОМ резонатора 10, настроенный на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1, обеспечивающий СОМ колебание плотности тока ядра сгустка K под действием сил со стороны собственных сил пространственного заряда ядра и монотонное движение периферийных электронов е в направлении ядра сгустка, что приводит к выравниванию неоднородности группировки центральных и периферийных электронов сгустка, связанной с синусоидальным воздействием на электроны СВЧ-полей в резонаторе 10;
5
0
- емкостной зазор Е предвыходного резонатора 11, настроенного на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1, обеспечивающий повышение плотности пространственного заряда ядер электронного сгустка высокой плотности энергии, сформированных в СОМ резонаторе 10 перед торможением в СВЧ-поле выходного резонатора 12;
6
0
- емкостной зазор F выходного резонатора 12, настроенного на частоту ƒ ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1, обеспечивающий торможение электронных сгустков высокой плотности энергии, полученных из предвыходной резонаторной системы 11.
При этом на Фиг. 5 показана область J ядра сгустка при колебательном процессе в ВАС триплете резонаторов и область K ядра сгустка при колебательном процессе в пространстве дрейфа после СОМ резонатора. Анализ распределения первой гармоники тока вдоль каналов клистрона показывает, что в областях ВАС и СОМ колебаний плотности пространственного заряда ядра J и K соответственно наблюдается ступенчатая, с выходом на полку, форма зависимости, что также является характерной чертой колебательного процесса.
Таким образом, с помощью способа согласно изобретению формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетного клистрона согласно изобретению были обеспечены процессы вынужденных (ВАС) и собственных (СОМ) колебаний электронов ядра сгустка, что позволило увеличить насыщенность электронов в сгустке за счет более полного сбора периферийных электронов в сгусток и таким образом повысить эффективность преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном резонаторе пролетного клистрона до 77% в случае одного СОМ колебания (Фиг. 2) и 85% в случае трех СОМ колебаний (Фиг. 3).
В результате проведенных исследований автором были также найдены предпочтительные диапазоны частот настройки резонаторов СВЧ-полей и длин труб дрейфа, используемых в пролетных клистронах согласно изобретению, а именно:
0
1
0
- частота СОМ резонаторов 10 СВЧ-поля выбирается в диапазоне 1,02 ƒ<ƒ<1,2 ƒ;
1
e
1
e
e
- в случае использования одного СОМ резонатора длина трубы дрейфа L после емкостного зазора этого резонатора выбирается в диапазоне 0,8 L<L<1,2 L, где L - электронная длина волны,
o
0
0
0
; v - средняя скорость электронов; T=1/f - период колебаний СВЧ-поля и ƒ - частота колебаний СВЧ-поля, U - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона;
1
2
e
1
e
e
2
e
- в случае использования двух СОМ резонаторов длины труб дрейфа L и L после емкостных зазоров этого резонаторов выбираются в диапазонах 0,75 L<L<1,2 L и 0,65 L<L<1,1 L;
1
2
3
e
1
e
e
e
e
e
- в случае использования трех СОМ резонаторов длины труб дрейфа L, L и L после емкостных зазоров этого резонаторов выбираются в диапазонах 0,7 L<L<1,2 L и 0,6 L<L2<1,1 L и 0,5 L<L3<1,0 L.
На примере работы известного клистрона марки ВТ258 производства ООО «Базовые технологии вакуумных приборов» по конструкции наиболее близкого к прототипу - микроволновой трубке, использующей для повышения КПД ВАС триплет резонаторов с одним колебанием плотности пространственного заряда ядра сгустка (RU, 2654537, С), и содержащего девять резонаторов: семь резонаторов первой гармоники и два резонатора второй гармоники, причем один из резонаторов первой гармоники настроен на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, и работы пролетного клистрона согласно изобретению было установлено, что в пролетном клистроне согласно изобретению, содержащем многорезонаторную систему в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, включающего многорезонаторную ступень согласно изобретению, содержащую ВАС триплет 9 и один СОМ резонатор 10 (Фиг. 2), которые обеспечивают 2 колебания ядра КПД увеличивается с 64,5% до 77%.
Повышение КПД по сравнению с клистроном марки ВТ258 (близкого к прототипу) позволяет сократить количество потребляемой энергии на 20%.
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, согласно изобретению, может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, с использованием известных технологических приемов, материалов и оборудования, и может найти широкое применение в сфере источников СВЧ-энергии в ускорителях медицинского применения, в ускорителях для карго сканнеров, мощных радарах, устройствах для передачи энергии.