БАНОЧНОЕ ОКНО ВВОДА И/ИЛИ ВЫВОДА СВЧ-ЭНЕРГИИ
JAR WINDOW FOR INPUT AND/OR OUTPUT OF MICROWAVE ENERGY

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к баночным окнам ввода и/или вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей. В частности, оно может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов и мощных современных линейных СВЧ-ускорителей.
Известно волноводное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии, выполненное в виде отрезка прямоугольного волновода, в который вакуумно-плотно впаяна диэлектрическая перегородка, установленная перпендикулярно его стенкам [1]. В волноводном окне с одной стороны диэлектрической перегородки вплотную к ней установлены два вертикальных металлических штыря, перпендикулярных широкой стенке волновода, а с другой стороны диэлектрической перегородки вплотную к ней установлен один горизонтальный металлический штырь, параллельный стенке волновода. Введение в волноводное окно горизонтального и двух вертикальных штырей позволяет обеспечить сдвиг резонансных длин волн паразитных колебаний в коротковолновую область и, следовательно, расширить рабочую полосу частот, то есть обеспечить хорошее согласование волноводного окна в более широкой полосе частот. При больших уровнях мощности металлические штыри заменяют металлическими трубками с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью. Однако волноводное окно такой конструкции имеет ограничения по величине передаваемой через него непрерывной мощности СВЧ. Это объясняется тем, что внешняя поверхность каждой металлической трубки соприкасается с плоской поверхностью диэлектрической перегородки только вдоль образующей этой трубки, то есть площадь соприкосновения (контактирования) внешней поверхности металлической трубки с диэлектрической перегородкой мала, что приводит к низкой эффективности охлаждения диэлектрической перегородки.
Известно волноводное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии, выполненное на основе отрезка прямоугольного волновода, в котором размещены диэлектрическая пластина, расположенная в поперечном сечении волновода и вакуумно-плотно спаянная с его стенками, и согласующие индуктивные диафрагмы в виде расположенных перпендикулярно широким стенкам волновода металлических трубок, установленных в сквозных отверстиях в диэлектрической пластине [2]. Металлические трубки предназначены для подавления паразитных колебаний волноводного окна и расширения его рабочей полосы частот, то есть для улучшения его согласования. Кроме того, металлические трубки предназначены для пропускания по ним охлаждающей жидкости и охлаждения диэлектрической пластины при повышенных уровнях мощности СВЧ. В таком волноводном окне площадь соприкосновения внешней поверхности каждой металлической трубки с диэлектрической пластиной значительно больше, чем в вышеописанном волноводном окне [1], что обеспечивает более эффективное охлаждение диэлектрической пластины и возможность передачи через волноводное окно большей по величине непрерывной мощности СВЧ. Однако при изготовлении такой конструкции возникает ряд технологических трудностей, заключающихся в следующем:
Во-первых, довольно трудно выполнить (например, механическим путем) в хрупкой диэлектрической пластине сквозные отверстия небольшого диаметра с сохранением высокого качества внутренней поверхности этих отверстий.
Во-вторых, для обеспечения последующей пайки металлических трубок с диэлектрической пластиной на внутреннюю поверхность сквозных отверстий в этой пластине по всей ее толщине необходимо нанести равномерный слой металлизации, что трудно выполнить из-за малого внутреннего диаметра отверстий.
В-третьих, в результате вышеперечисленных причин при последующей пайке возможно получение непропаев и образование пустот между металлической трубкой и отверстием в диэлектрической пластине, что снижает площадь их соприкосновения и возможность эффективного отвода тепла от диэлектрической пластины, может вызвать нарушение вакуумной плотности волноводного окна, а также появление нежелательных паразитных резонансов и возникновение пробоев при использовании волноводного окна в СВЧ-приборе. Кроме того, в процессе пайки из-за разности термических коэффициентов расширения (ТКР) металлических трубок и диэлектрической пластины возможно механическое разрушение диэлектрической пластины, что препятствует сохранению вакуумной плотности волноводного окна и СВЧ-прибора или ускорителя, в котором оно использовано.
11
11
Известно баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее два соосно расположенных отрезка прямоугольных волноводов и размещенный между ними отрезок круглого волновода, в который вакуумно-плотно впаян диэлектрический диск [3]. Передача мощности СВЧ осуществляется на основной волне отрезка круглого волновода Н. Баночное окно имеет существенные недостатки. Наибольший нагрев окна за счет диэлектрических потерь происходит в центральной части диэлектрического диска, где компонента электрического поля, направленная вдоль поверхности диэлектрического диска, имеет максимальную величину. Таким образом, область наибольшего нагрева диэлектрического диска удалена от места спая диска со стенкой отрезка круглого волновода, а толщина диэлектрического диска (определяемая условиями согласования) весьма мала. Все это существенно затрудняет передачу тепла от центральной части диэлектрического диска к стенкам отрезка круглого волновода, что ограничивает величину передаваемой через окно непрерывной мощности СВЧ. Кроме того, структура электрического поля волны Н в отрезке круглого волновода существенно снижает электрическую прочность из-за возможности возникновения пробоя по поверхности диэлектрического диска, что также ограничивает величину импульсной мощности, передаваемой через баночное окно. Незначительная величина расстояния от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода существенно снижает термостойкость баночного окна и ограничивает уровень передаваемых через него импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.
Известны конструкции баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, в которых в промежутке между отрезком круглого волновода (с перегородкой в виде диэлектрического диска) и цилиндрическим корпусом баночного окна, расположенным с внешней стороны отрезка круглого волновода, выполнен канал охлаждения, по которому циркулирует охлаждающая жидкость [4, 5]. Канал охлаждения окружает отрезок круглого волновода, что способствует отводу тепла от этого волновода и периферийной части диэлектрического диска, при этом отвод тепла от наиболее нагреваемой центральной части диэлектрического диска перегородки незначителен, что приводит к его перегреву и ограничивает уровень передаваемой через баночное окно непрерывной мощности СВЧ.
11
11
11
Наиболее близким к изобретению (прототипом изобретения) является баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно соединенный (спаянный) со стенкой отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены отрезки прямоугольных волноводов, при этом размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска связаны заданными соотношениями, обеспечивающими передачу мощности СВЧ через баночное окно на волне E [6]. В баночном окне-прототипе толщина диэлектрического диска и длина отрезка круглого волновода в несколько раз больше, чем в известном баночном окне [3], предназначенном для передачи мощности СВЧ на основной волне отрезка круглого волновода H, что повышает надежность спая диэлектрического диска с металлической стенкой отрезка круглого волновода и увеличивает термостойкость баночного окна. Электрическое поле в баночном окне-прототипе направлено перпендикулярно диэлектрическому диску, что снижает вероятность пробоев через толщину диэлектрического диска и обеспечивает возможность передачи через баночное окно больших величин импульсной мощности СВЧ. В центральной части диэлектрического диска поперечная составляющая напряженности электрического поля волны Е близка нулю, следовательно, выделение тепла в центре диэлектрического диска незначительно, особенно при небольших уровнях передаваемых средних мощностей СВЧ. Пучности электрического поля смещены к краю диэлектрического диска, ближе к спаю его с отрезком круглого волновода, что повышает эффективность теплопередачи к стенкам отрезка круглого волновода, облегчает отвод тепла и позволяет увеличить уровень передаваемых через баночное окно импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.
Однако при передаче через баночное окно-прототип больших уровней средней мощности СВЧ выделение тепла в центре диэлектрического диска существенно увеличивается. Эффективность отвода этого тепла к краю диэлектрического диска ограничивается конструктивными возможностями баночного окна, в частности размерами диэлектрического диска и свойствами его материала, вследствие чего может произойти перегрев баночного окна, вплоть до его механического разрушения, что делает невозможным применение такой конструкции баночного окна при передаче больших уровней средней мощности СВЧ.
11
Задачей изобретения является создание баночного окна ввода и/или вывода энергии, предназначенного для передачи через него больших уровней средней мощности СВЧ на волне Е.
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотвода от диэлектрического диска баночного окна и повышение, вследствие этого, уровня средней мощности СВЧ, передаваемой через баночное окно.
11
Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно отрезку круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов, при этом баночное окно дополнительно содержит первую металлическую трубку для охлаждающей жидкости, которая размещена в первом пазе, выполненном в диэлектрическом диске вдоль его диаметра с первой стороны диэлектрического диска, первая металлическая трубка расположена вдоль первого паза и спаяна со стенками этого паза по всей его длине, а каждый из концов первой металлической трубки вакуумно-плотно спаян со стенкой отрезка круглого волновода, при этом продольная ось первой металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов.
Предлагаемое баночное окно содержит вторую металлическую трубку для охлаждающей жидкости, размещенную во втором пазе, выполненном с второй стороны диэлектрического диска симметрично первому пазу, вторая металлическая трубка спаяна со стенками второго паза по всей его длине, а каждый из концов второй металлической трубки вакуумно-плотно спаян со стенкой отрезка круглого волновода, при этом оси первой и второй металлических трубок лежат в одной плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода.
В предлагаемом баночном окне металлическая трубка имеет круглое поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении форму полуокружности или части полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки.
В предлагаемом баночном окне металлическая трубка имеет прямоугольное поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении П-образную форму, причем ширина паза равна ширине размещенной в нем металлической трубки.
11
В предлагаемом изобретении в конструкцию баночного окна, предназначенного для передачи мощности СВЧ на волне Е, дополнительно введены одна или две металлические трубки для охлаждающей жидкости, которые за счет соприкосновения их с диэлектрическим диском обеспечивают отвод тепла от него. Для повышения эффективности передачи тепла от диэлектрического диска металлической трубке каждая металлическая трубка размещена в выполненном с одной из сторон диэлектрического диска пазе (профиль паза соответствует профилю металлической трубки) и жестко скреплена со стенками паза по всей его длине с помощью пайки, что обеспечивает значительную площадь соприкосновения металлической трубки с диэлектрическим диском, их надежный контакт при использовании баночного окна и, как следствие, улучшение теплоотвода от диэлектрического диска. При этом противоположные концы металлической трубки вакуумно-плотно спаяны со стенкой круглого волновода, что обеспечивает надежное крепление металлических трубок в баночном окне и сохранение его вакуумной плотности.
Продольная ось металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения (в средней плоскости продольного сечения) отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов. Вследствие этого металлическая трубка расположена перпендикулярно электрическим силовым линиям отрезка круглого волновода и не вносит искажений в электрическое поле.
11
Размещенная в пазе металлическая трубка соприкасается с диэлектрическим диском по всей длине паза, выполненного вдоль диаметра диэлектрического диска, что обеспечивает эффективное охлаждение всего диэлектрического диска, включая его центральную часть, и позволяет использовать такую конструкцию баночного окна для передачи через него больших уровней средней мощности СВЧ на волне E.
При изготовлении предлагаемого баночного окна отсутствуют многие технологические трудности, имеющие место при изготовлении, например, известного волноводного окна, в котором металлические трубки впаивают в сквозные отверстия в диэлектрической пластине [2]. В частности, выполнить в диэлектрическом диске пазы с сохранением высокого качества их поверхностей гораздо легче, чем выполнить в нем сквозные отверстия, а также нанести (перед пайкой) на открытые поверхности стенок паза равномерного слоя металлизации значительно легче, чем на внутренние стенки сквозного отверстия. В предлагаемом баночном окне при пайке металлической трубки с диэлектрическим диском непропаи и пустоты между металлической трубкой и стенками паза диэлектрического диска практически отсутствуют, в отличие от конструкции [2], в которой металлическая трубка впаивается в металлизированное сквозное отверстие диэлектрической перегородки. При этом также мала вероятность механического разрушения вакуумно-плотного спая между металлической трубкой с диэлектрическим диском и самого диэлектрического диска. В совокупности это приводит к улучшению отвода тепла от диэлектрического диска, сохранению вакуумной плотности баночного окна и снижению возможности появления нежелательных паразитных резонансов при использовании баночного окна в СВЧ-приборе.
11
Таким образом, предлагаемая конструкция баночного окна обеспечивает улучшение теплоотвода от всех частей диэлектрического диска и, вследствие этого, повышение уровня средней мощности СВЧ, передаваемой через баночное окно на волне Е. Предлагаемая конструкция баночного окна проста, надежна и технологична в изготовлении.
Изобретение поясняется чертежами.
11
На фиг.1 показано предлагаемое в изобретении баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е.
На фиг.2 показана экспериментально снятая характеристика согласования баночного окна.
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, показанное на фиг.1, содержит отрезок круглого волновода 1, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск 2, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода 1, и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4, присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его торцов. Отрезок круглого волновода 1 снабжен торцевыми крышками 5, 6, расположенными в плоскостях стыка его с отрезками прямоугольных волноводов 3, 4. Отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 снабжены на свободных концах присоединительными фланцами 7, 8 соответственно. При этом отрезок прямоугольного волновода 3 соединен с вакуумной областью СВЧ-прибора или ускорителя, а отрезок прямоугольного волновода 4 соединен с областью, находящейся под избыточным давлением газовой среды.
Баночное окно также содержит металлические трубки 9, 10 для охлаждающей жидкости. Продольные оси металлических трубок 9, 10 лежат в одной плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода 1. Металлические трубки 9, 10 размещены в пазах 11, 12, выполненных в диэлектрическом диске 2 вдоль его диаметра с противоположных сторон этого диска. Каждая металлическая трубка (9 или 10) расположена вдоль соответствующего паза (11 или 12) и спаяна с предварительно металлизированными стенками этого паза по всей его длине. В показанном на фиг.1 баночном окне металлические трубки 9, 10 для охлаждающей жидкости выполнены с круглым поперечным сечением, а каждый из пазов имеет в поперечном сечении форму полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки. Однако возможны и другие варианты выполнения металлических трубок и пазов, например, металлическая трубка имеет прямоугольное поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении П-образную форму (не показано на чертеже), при этом ширина паза равна ширине размещенной в нем металлической трубки, а выбор глубины паза ограничен механической прочностью утонченной части керамического диска в области расположения этого паза.
Противоположные концы 13, 14 металлической трубки 9 введены в диаметрально расположенные сквозные отверстия 15, 16 в стенке отрезка круглого волновода 1, а противоположные концы 17, 18 металлической трубки 10 введены в диаметрально расположенные сквозные отверстия 19, 20 в стенке отрезка круглого волновода 1, при этом диаметр каждого сквозного отверстия равен внешнему диаметру введенной в него металлической трубки. Концы 13, 14 металлической трубки 9 и концы 17, 18 металлической трубки 10 вакуумно-плотно спаяны со стенкой круглого волновода 1. Отрезок круглого волновода 1 с внешней стороны окружен рубашкой охлаждения 21, снабженной штуцерами 22, 23. Перемычки 24, 25 впаяны в кольцевой канал охлаждения, образованный между стенкой отрезка круглого волновода 1 и окружающей его рубашкой охлаждения 21, перпендикулярно их стенкам, причем высота и ширина перемычек 24, 25 совпадает с высотой и шириной кольцевого канала охлаждения.
11
Для осуществления передачи СВЧ-мощности на волне Е в предлагаемом баночном окне (так же как в баночном окне-прототипе) размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска должны быть выбраны из соотношений:
;
;
,
где D - диаметр отрезка круглого волновода;
0
λ - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования;
L - расстояние от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода;
ε
L - толщина диэлектрического диска;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического диска.
ε
11
Толщина диэлектрического диска L в такой конструкции баночного окна в несколько раз больше, чем в баночном окне, передающем мощность СВЧ на основной волне отрезка круглого волновода Н [3], что не только повышает эффективность передачи тепла к стенке этого отрезка круглого волновода, но и позволяет выполнить в диэлектрическом диске без ослабления его механической прочности паз (с одной из сторон диэлектрического диска) или два паза (с противоположных сторон диэлектрического диска) для размещения в каждом из них металлической трубки для охлаждающей жидкости. Каждый паз расположен вдоль диаметра диэлектрического диска, при этом продольная ось размещенной вдоль него металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов, в результате чего размещенная в пазе металлическая трубка расположена перпендикулярно электрическим силовым линиям отрезка круглого волновода и не вносит искажений в электрическое поле баночного окна.
11
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е работает следующим образом.
10
11
11
10
СВЧ-мощность, поступившая на вход одного из отрезков прямоугольных волноводов, например отрезка прямоугольного волновода 3, переносится волной Н, которая преобразуется на стыке отрезков прямоугольного волновода 3 и отрезка круглого волновода 1 в волну Е круглого волновода при указанных соотношениях размеров отрезков круглого волновода 1 и диэлектрического диска 2. Прошедшая через диэлектрический диск 2 СВЧ-мощность на волне Е преобразуется на стыке отрезка круглого волновода 1 и отрезка прямоугольного волновода 4 в волну H и передается в нагрузку.
Охлаждение баночного окна в процессе его работы осуществляется следующим образом. Через штуцер 22 охлаждающая жидкость подается в кольцевой канал охлаждения, образованный между стенкой отрезка круглого волновода 1 и окружающей его рубашкой охлаждения 21. Охлаждающая жидкость из кольцевого канала охлаждения проходит через расположенные с противоположных сторон диэлектрического диска 2 металлические трубки 9, 10, обеспечивая улучшение теплоотвода от всех его участков. Затем охлаждающая жидкость поступает в кольцевой канал охлаждения между рубашкой охлаждения 21 и стенкой отрезка круглого волновода 1 и выходит из него через штуцер 23.
11
2
2
Изготовлено баночное окно ввода/вывода СВЧ-энергии на волне Е, работающее в диапазоне 2,8 ГГц, конструкция которого показана на фиг.1. Баночное окно содержит два отрезка волновода нестандартного прямоугольного сечения 56,5×34 мм длиной 41 мм, между которыми расположен отрезок круглого волновода длиной 70 мм и внутренним диаметром 103 мм с впаянным в него диэлектрическим диском диаметром 103 мм и толщиной 13,1 мм, изготовленным из керамики ВК94-1. Размер внутреннего сечения присоединительных фланцев - 72×34 мм.
Охлаждение баночного окна осуществляется с помощью кольцевого канала охлаждения между стенкой отрезка круглого волновода и окружающей его рубашкой охлаждения. Для охлаждения диэлектрического диска, в том числе его центральной части, на обеих его сторонах вдоль диаметра выполнены пазы, имеющие в поперечном сечении форму полуокружности, к стенкам которых припаяны круглые медные трубки диаметром 8 мм. Концы трубок вакуумно-плотно впаяны в стенки круглого волновода. Охлаждающая жидкость из кольцевого канала охлаждения проходит последовательно через трубки с обеих сторон диэлектрического диска, обеспечивая улучшение теплоотвода от всех его частей.
11
10
Для обеспечения максимального контакта такой металлической трубки с поверхностью диэлектрического диска, оптимальная глубина паза должна быть равной половине внешнего диаметра металлической трубки, то есть паз должен иметь в поперечном сечении форму полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки. При меньшей глубине паза (когда паз в поперечном сечении имеет форму части полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу металлической трубки) поверхность соприкосновения с металлических трубок со стенками уменьшается, что приводит к ухудшению охлаждения диэлектрического диска. Увеличение глубины пазов ограничено механической прочностью утонченной части диэлектрического диска в области расположения пазов. По результатам выполненных экспериментальных работ установлено, что при диаметре диэлектрического диска, равном 100-130 мм, минимальная толщина керамики между пазами в диске должна быть не менее 4 мм. Конструктивные размеры элементов баночного окна, включающие диаметр металлических трубок для охлаждающей жидкости, размер поперечного сечения и длину отрезков прямоугольных волноводов, расстояния от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода выбирались из условия оптимальной связи между полями волны Е в круглом волноводе и волны Н в волноводах прямоугольного сечения.
На фиг.2 показана экспериментально снятая зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты СВЧ-сигнала (F) баночного окна, изображенного на фиг.1. Из графика следует, что на центральной точке полосы согласования КСВн имеет значение 1,02, что соответствует практически полной передаче СВЧ-энергии через баночное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии предложенной конструкции.
Предложенное в изобретении баночное окно ввода/вывода СВЧ-энергии может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ (например, клистронов), а также современных мощных СВЧ-ускорителей, обеспечивая надежную передачу больших мощностей от СВЧ-прибора к ускоряющей системе.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №230906, В.П.Сазонов и B.C.Шатилов. Волноводное окно, МПК Н01Р 1/08, пр. 27.06.67 г., опубл. 15.11.68 г.
2. Патент США №3439296, Т.М. Buorkley. Microwave window employing a half-wave window structure with internal inductive matching structure, НКИ: 333-98, пр. 20.04.67 г., опубл. 15.04.67 г.
3. Патент США 2958834, R.S. Symons et al. Sealed wave guide window, НКИ 333-98, пр. 13.06.56 г., опубл.01.11.60 г.
4. Патент США 3753171, R.J. Butwell. Composite microwave window and waveguide transform, НКИ 333-98 P, пр. 05.04.71 г., опубл. 14.08.73 г.
5. Патент США 4458223, W.Schmidt. Microwave window assembly having cooling means, НКИ 333-252, пр. 23.09.83 г., опубл.03.07.84 г.
6. Патент РФ №2207655, В.С.Галкин, Королев А.Н., Кутепов Ю.А., Лямзин В.М., Прокофьев Б.В., Симонов К.Г. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, МПК H0J23/36, Н01Р 1/08, пр. 10.04.02, опубл. 27.06.03 г.