СВЕРХМОЩНЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЧ ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА
KLYSTRON-TYPE SUPERPOWER MULTIBEAM UHF INSTRUMENT

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ приборам, предназначенным для получения сверхбольших импульсных и средних мощностей, и может быть использовано в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, ускорителях заряженных частиц и других областях техники.
В настоящее время получение сверхбольших СВЧ мощностей традиционно осуществляется несколькими путями. Один из них - использование сверхмощных СВЧ устройств различных конструкций, объединяющих в себе несколько мощных клистронов, при этом получение сверхбольших мощностей достигается путем суммирования их мощностей. Другой - это создание сверхмощных однолучевых электровакуумных СВЧ приборов.
Известно СВЧ устройство, содержащее соленоид, в котором на заданном диаметре расположены несколько однолучевых многорезонаторных клистронов, оси которых параллельны оси соленоида (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.). 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, предназначенные 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 данном СВЧ устройстве 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. Кроме того, данное устройство имеет значительные габариты.
Известен сверхмощный однолучевой многорезонаторный клистрон для ускорителя частиц (прототип), выполненный с магнитной фокусирующей системой в виде соленоида (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). 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).
В прототипе используется торцевой катод. 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
<mrow><msub><mi>U</mi><mmultiscripts><mi>a</mi><mprescripts /><none /><mo>‵</mo></mmultiscripts></msub></mrow>
где
- анодное напряжение в вольтах.
Таким образом, в прототипе для получения больших импульсных мощностей требуется высокое анодное напряжение, что ведет к значительному увеличению опасности пробоев, а также существенное увеличение как поперечных, так и продольных размеров клистрона, что делает его громоздким. При этом растет вес и мощность питания соленоида.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сверхмощного СВЧ прибора клистронного типа, обладающего существенно пониженным анодным напряжением, высокими показателями импульсной и средней выходной мощности, высокой электропрочностью, улучшенными массогабаритными характеристиками.
Технический результат достигается тем, что предлагается сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа, содержащий соленоид, и расположенные в нем электронную пушку, резонаторную систему, коллектор, ввод и вывод СВЧ энергии, при этом электронная пушка прибора содержит несколько катодов, эмитирующая поверхность каждого из которых имеет форму боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида, при этом соленоид также окружает эмитирующие поверхности катодов и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторной системы и эмитирующих поверхностей катодов, резонаторная система содержит входной, выходной и промежуточные резонаторы, а также пролетные каналы, каждый для своего электронного луча, ввод СВЧ энергии выполнен в виде проводника, размещенного вдоль оси прибора в центре входного резонатора и электрически соединенного с коаксиальной линией СВЧ ввода, вывод СВЧ энергии выполнен в виде по крайней мере двух волноводных выводов, расположенных симметрично относительно оси прибора, при этом каждый из волноводных выводов электромагнитно связан через щель связи с выходным резонатором, а коллектор выполнен в виде совокупности индивидуальных коллекторов, каждый для своего электронного луча.
Предлагаемый сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа может содержать один или несколько волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии прибора, при этом выходные плечи волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии прибора.
В предлагаемом изобретении эмитирующая поверхность каждого катода многолучевой электронной пушки имеет форму боковой поверхности усеченного конуса. При использовании такой конструкции катод имеет протяженную эмитирующую поверхность в продольном направлении клистрона при сравнительно небольшом наружном диаметре катода, что позволяет уменьшить диаметр электронной пушки в целом, таким образом, удается получить большую площадь эмитирующей поверхности катодов при сравнительно небольших поперечных габаритах прибора.
-6
3/2
-6
3/2
Применение данной конструкции электронной пушки обеспечивает в клистроне высокопервеансный полый электронный пучок. Если в клистронах со сплошным электронным лучом первеанс составляет (1,5-2)·10 А/В, то в клистронах с полым электронным лучом величина первеанса может быть увеличена до величины 3·10 А/В и более. Увеличение первеанса позволяет при заданном анодном напряжении увеличить выходную мощность клистрона примерно в 1,5 раза, либо существенно снизить величину анодного напряжения при заданной выходной мощности.
Применение в предлагаемом изобретении электронной пушки, обеспечивающей получение полых цилиндрических электронных лучей, позволяет:
- расширить полосу пропускания СВЧ прибора клистронного типа;
- повысить КПД;
- снизить анодное напряжение и, следовательно, повысить электрическую прочность прибора;
- уменьшить габариты прибора.
Для функционирования такой электронной пушки с полым электронным лучом требуется в области эмитирующей поверхности катода создать 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 резонаторную систему прибора, так и эмитирующие поверхности всех катодов электронной пушки, и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторной системы и эмитирующих поверхностей катодов. При этом из-за минимальных поперечных размеров электронной пушки и применения многолучевой конструкции в предлагаемом сверхмощном многолучевом СВЧ приборе удается достичь существенного выигрыша в массогабаритных характеристиках по сравнению с техническими решениями, использующими совокупность нескольких приборов для получения сверхвысоких СВЧ мощностей.
В предлагаемом изобретении ввод СВЧ энергии выполнен в виде проводника, размещенного вдоль оси прибора в центре входного резонатора и электрически соединенного с коаксиальной линией СВЧ ввода.
Такая конструкция ввода СВЧ энергии обеспечивает равномерное взаимодействие СВЧ поля входного резонатора с многолучевым электронным потоком, формируемым электронной пушкой. Это позволяет осуществить однородную группировку электронного потока, что является важным в многолучевом приборе для получения высоких значений КПД и, как следствие, высокой выходной мощности.
Использование многолучевой конструкции прибора дает значительное преимущество перед конструкциями, которые объединяют несколько клистронов с последующим суммированием их выходных мощностей. Это обусловлено тем, что СВЧ-колебания подаются на вводы СВЧ энергии нескольких отдельных клистронов независимо друг от друга, и соответственно на выходе этих клистронов СВЧ-колебания могут быть не сфазированы между собой. В этом случае полученная на выходе такого СВЧ устройства мощность будет значительно меньше суммарной мощности всех использованных в устройстве клистронов. Для устранения этого недостатка требуется введение дополнительных элементов - фазовращателей. В предлагаемом изобретении вышеописанный эффект исключен, что позволяет получить на выходе СВЧ прибора сверхбольшие СВЧ мощности.
В предлагаемом изобретении вывод энергии выполнен в виде по крайней мере двух волноводных выводов, расположенных симметрично относительно оси прибора, при этом каждый из волноводных выводов электромагнитно связан с выходным резонатором через щель связи. Применение такой конструкции вывода энергии позволяет равномерно нагрузить выходной резонатор прибора, что позволяет получить высокие значения КПД прибора. При этом следует учитывать, что предельная мощность, которую возможно получить на выходе единичного волноводного вывода, ограничена его максимальной пропускной способностью, что является ограничивающим фактором при получении сверхбольших мощностей. В предлагаемом изобретении влияние этого фактора значительно снижено.
Оптимальными вариантами выполнения предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа является использование конструкций, где количество лучей прибора кратно количеству волноводных выводов энергии СВЧ. Например три вывода и три луча, либо три вывода и шесть лучей и т.д.
Таким образом, получение в предлагаемом сверхмощном многолучевом СВЧ приборе клистронного типа сверхбольшой мощности при относительно низких анодных напряжениях достигается за счет выполнения следующих условий:
- применение многолучевой конструкции,
- применение электронной пушки с катодами, эмитирующая поверхность которых выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, что позволяет получить высокопервеансный полый электронный пучок,
- применение ввода СВЧ энергии, позволяющего равномерно нагрузить входной резонатор и осуществить однородную группировку многолучевого электронного потока формируемого электронной пушкой,
- применение вывода СВЧ энергии, выполненного в виде, по крайней мере двух волноводных выводов, расположенных симметрично относительно оси прибора, что позволяет равномерно нагрузить выходной резонатор прибора и, как следствие, получить более высокие показатели КПД и выходной мощности, а также обойти ограничения, которые накладывает максимальная пропускная способность единичного волноводного вывода энергии.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан предлагаемый сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа, выполненный в четырехлучевом варианте исполнения, с четырьмя волноводными выводами.
На фиг.2 показан выходной резонатор предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа с волноводными выводами и коллектором.
На фиг.2а показан поперечный разрез выходного резонатора предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа.
На фиг.3 показан входной резонатор предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа.
На фиг.3а показан поперечный разрез входного резонатора предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа.
Показанный на фиг.1 предлагаемый сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа содержит соленоид 1, в котором расположена многолучевая электронная пушка 2 с катодами 3, эмитирующая поверхность которых выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида 1, при этом катоды 3 окружены полым анодом 14, резонаторную систему 6, содержащую входной резонатор 4, выходной резонатор 8, промежуточные резонаторы и пролетные каналы 7, коаксиальный ввод СВЧ энергии 5, коллектор 10 с системой жидкостного охлаждения 13 и волноводные выводы СВЧ энергии 11 с волноводным керамическим окном 12, каждый из которых электромагнитно связан с выходным резонатором 8 через щель связи 9. При этом суммирование мощностей клистронов может осуществляться либо в пространстве, либо в каналах системы волноводных сумматоров мощности.
Соленоид 1 может быть реализован на основе конструкций, предназначенных для создания продольного однородного магнитного поля на большой протяженности. В этом случае соленоид 1 выполняется в виде системы катушек, состоящей из основной катушки и расположенных с ее противоположных торцов дополнительных компенсирующих катушек. Соленоид 1 окружает резонаторную систему 6 и эмитирующие поверхности катодов 3 электронной пушки 2 и создает в области этих элементов единое продольное однородное магнитное поле. В показанном на фиг.1 варианте выполнения конструкции предлагаемого СВЧ прибора соленоид 1 окружает также коллектор 10.
Каждый из волноводных выводов СВЧ энергии 11 позволяет выводить из выходного резонатора 8 предлагаемого СВЧ прибора большую СВЧ мощность, и таким образом получить суммарно сверхбольшие мощности на выходе.
На фиг.2 показан выходной резонатор 8 предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа с волноводными выводами 11 и коллектором 10 с системой жидкостного охлаждения 13.
На фиг.2а показан выходной резонатор 8 предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа в поперечном разрезе. Четыре волноводных вывода СВЧ энергии 11 электромагнитно связаны через щели связи 9 с выходным резонатором 8.
На фиг.3 показана электронная пушка 3 предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа, а также входной резонатор 4, содержащий ввод СВЧ энергии 5, выполненный в виде проводника, размещенного вдоль оси прибора в центре входного резонатора 4 и электрически соединенного с коаксиальной линией СВЧ ввода.
На фиг.3а показан поперечный разрез входного резонатора 4 предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа, который содержит ввод СВЧ энергии 5, выполненный в виде проводника, размещенного вдоль оси прибора в центре входного резонатора 4 и электрически соединенного с коаксиальной линией СВЧ ввода.
Показанный на фиг.1 предлагаемый сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа работает следующим образом. При приложении заданного анодного напряжения к аноду 14 под воздействием создаваемого соленоидом 1 продольного однородного магнитного поля на выходе каждого из катодов 3 формируется полый электронный пучок, который движется вдоль резонаторной системы 6 клистрона по пролетному каналу 7 к коллектору 10. При прохождении высокочастотного зазора входного резонатора 4, 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 прибора 8 электронные сгустки отдают часть энергии СВЧ электрическому полю выходного резонатора и оседают в коллекторе 10. Усиленная таким образом СВЧ мощность из выходного резонатора 8 попадает через щели связи 9 в волноводные выводы СВЧ энергии 11. Далее суммирование мощностей волноводных выводов СВЧ энергии 11 осуществляется либо в пространстве, либо СВЧ мощность из выводов СВЧ энергии прибора поступает во входные плечи волноводных сумматоры мощности, с помощью которых осуществляется суммирование выходных мощностей прибора.
-6
3/2
В качестве примера рассмотрим сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа, работающий в диапазоне длин волн 16,5 см и размещенный в соленоиде с однородным магнитным полем. Рассматриваемый прибор является четырехлучевым, с четырьмя волноводными выводами СВЧ энергии, резонаторная система прибора содержит входной, выходной и два промежуточных коаксиальных резонатора. В таком СВЧ приборе при анодном напряжении 260 кВ первеансе луча равным 2,8·10 А/В и КПД равным 40%, обеспечивается выходная импульсная мощность ≈150 МВт. В то же время, как указывалась ранее, в самом мощном известном однолучевом клистроне со сплошным электронным лучом (прототип) получена импульсная мощность 150 МВт при анодном напряжении 535 кВ. Таким образом, предлагаемая конструкция СВЧ прибора позволяет получить сверхбольшие импульсные мощности 150 МВт при анодном напряжении 260 кВ, то есть при анодном напряжении, которое в 2 раза меньше анодного напряжения указанного известного однолучевого клистрона.
Таким образом при применении предлагаемого сверхмощного многолучевого СВЧ прибора клистронного типа удается получить сверхбольшие мощности при резком снижении анодного напряжения по сравнению с прототипом, что позволяет повысить электропрочность и тем самым надежность работы прибора и источника питания. При этом применение предлагаемого изобретения позволяет получить прибор, обладающий при сравнимых выходных мощностях гораздо меньшими габаритами и массой.