КЛИСТРОН
KLYSTRON

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике и может быть использовано при разработке мощных генераторов СВЧ-излучения для целей радиолокации, навигации и ускорителей элементарных частиц.
Для дециметрового диапазона длин волн весьма актуальной задачей является создание мощных высокоэффективных источников радиочастотного излучения с улучшенными габаритными характеристиками. В этом спектральном диапазоне в качестве таких приборов в основном используются пролетные усилительные клистроны. Работа клистронных СВЧ-устройств основана на принципе скоростной модуляции электронного пучка под действием СВЧ-поля входного резонатора. Дальнейшее движение скоростно-модулированного пучка в пространстве без сверхвысокочастотного поля - пространстве дрейфа - ведет к образованию электронных уплотнений и, таким образом, постоянный по плотности электронный поток получает переменную составляющую конвекционного тока. Процесс возникновения переменного тока получил название процесса группировки электронного пучка. Конструктивно, любой клистронный прибор СВЧ содержит электронную пушку, систему транспортировки электронного пучка, резонаторную структуру, элементы которой разделены пространствами дрейфа и устройство вывода излучения. (Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот // М. - Высшая школа. - 1973).
В мощных клистронах вывод излучения в атмосферу осуществляется с помощью волновода, который подключается посредством щели связи к выходному резонатору. В качестве последнего, в основном, используется полый выходной резонатор коаксиального, либо цилиндрическою типа (см., например, Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот // М. - Высшая школа. - 1972). Конструкция первого типа представляет собой отрезок однородной коаксиальной линии, открытый или закороченный на концах. Возбуждение коаксиального резонатора осуществляется на волне ТЕМ. Как правило, связь коаксиального резонатора с нагрузкой - фидерной линией осуществляется с помощью емкостного штыря, либо индуктивной петли, что ограничивает уровень мощности выводимого излучения. Применение волноводного вывода в комплексе с коаксиальным резонатором затруднено из-за относительно низкой эффективности и конструктивной сложности организации связи коаксиального резонатора посредством щели с волноводным выводом излучения. По этой причине в большинстве мощных мегаваттных клистронов в качестве выходного используется цилиндрический резонатор, представляющий собой отрезок радиальной линии. Связь данного резонатора с волноводом в этом случае осуществляется посредством щели, располагаемой на внешней цилиндрической обечайке резонатора. Такая связь обеспечивает эффективное возбуждение волновода и при правильном выборе геометрических характеристик обладает требуемой электрической прочностью. В дальнейшем, волновод, как правило, выводится в направлении, перпендикулярном оси клистрона, либо после поворота под прямым углом - в направлении коллектора электронов. В любом случае, данная схема организации волноводного вывода в комплексе с цилиндрическим резонатором с неизбежностью требует увеличения диаметра (и, как следствие, увеличение энергии питания) соленоида ведущего магнитного поля для транспортировки электронного пучка в случае размещения выходного волновода вдоль оси клистрона, либо появления неоднородности и необходимости компенсации ее в случае расположения волновода перпендикулярно оси прибора. И, если в диапазоне относительно коротких рабочих длин волн 8…10 см данные схемы допускают приемлемые технические решения, то с увеличением рабочей длины волны клистрона и, соответственно, сечения выходного волновода, компенсация неоднородности магнитного поля, либо реализация эффективного магнитного сопровождения пучка в области зазора выходного резонатора и коллектора электронов за счет увеличения внутреннего диаметра соленоида магнитного поля ведет к существенному увеличению массогабаритных и энергетических характеристик последнего.
За прототип, наиболее близкий к заявляемому мощному клистрону по совокупности признаков, выбрана конструкция клистрона с выходным резонатором с волноводным выводом излучения, представленная в патенте РФ №2554106 (Симонов К.Г. Сверхмощный многолучевой СВЧ прибор клистронного типа // Опубл. 27.06.2015 г., бюл. №18).
Прототип (фиг. 1) содержит систему соленоидов ведущего магнитного поля 1 и расположенные в нем по оси клистрона электронную пушку (образованную, анодом 2 и катодом 3, подключенными к источнику высокого напряжения), резонаторную структуру, коллектор 9, устройства, обеспечивающие ввод и вывод СВЧ-энергии, при этом резонаторная структура содержит входной 4, промежуточные 5 и выходной 6 полые резонаторы, каждый из которых имеет рабочий зазор, разделенные пролетными каналами. Вывод СВЧ-энергии осуществляется, по крайней мере, с помощью двух волноводных выводов излучения 8, ориентированных вдоль оси клистрона, каждый из которых электромагнитно связан через щель связи 7 с выходным резонатором 6.
Клистрон, выполненный по схеме прототипа, работает в режиме усилителя. Электронный пучок, формируемый четырьмя термокатодами электронной пушки, в системе ведущего магнитного поля пропускается вдоль резонаторной структуры, взаимодействуя с СВЧ-полем цилиндрических резонаторов. После прохождения пучком зазора первого резонатора при наличии сигнала с задающего генератора происходит модуляция электронов по скорости. При дальнейшем движении вдоль резонаторной структуры модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию по плотности. В последнем выходном резонаторе происходит передача энергии от модулированного электронного пучка СВЧ-полю, которое через щель связи и выходной волновод выводится в атмосферу. В данном клистроне выходной резонатор с волноводными выводами полностью расположены внутри системы соленоидов ведущего магнитного поля.
Недостатком клистрона с описанным выходным резонатором, выбранного в качестве прототипа, являются большие массогабаритные характеристики системы соленоидов ведущего магнитного поля, особенно, в области узла вывода излучения, из-за необходимости размещения внутри него громоздкого и габаритного волноводного вывода излучения и, как следствие, повышенный уровень мощности, необходимой для питания системы соленоидов.
Таким образом, для снижения массогабаритных характеристик мощных клистронных СВЧ-генераторов и, следовательно, снижения необходимой для их питания мощности, целесообразно переходить к другим конструкциям выходного резонатора и волноводного вывода излучения.
Техническая проблема состоит в совершенствовании конструкции выходного резонатора с волноводным выводом мощного клистрона, которая позволяет отбирать энергию от электронного пучка, преобразовывать ее в СВЧ-колебания и выводить излучение в атмосферу без увеличения габаритов и массы соленоидов в зоне выходного резонатора и узла вывода излучения.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение массогабаритных характеристик клистрона и, как следствие, уровня питания системы соленоидов ведущего магнитного поля.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного мощного клистрона, содержащего систему соленоидов ведущего магнитного поля, симметрично окружающую расположенные по оси клистрона, подключенные к источнику высокого напряжения анод и катод, резонаторную структуру, состоящую из входного, по меньшей мере, одного промежуточного и одного выходного полых резонаторов, каждый из которых имеет рабочий зазор, выходной резонатор связан посредством щели связи с волноводным выводом излучения, в предложенном клистроне выходной резонатор выполнен комбинированным в виде соединенных отрезков коаксиальной и радиальной передающих линий, согласованных между собой в месте соединения, причем коаксиальная линия или ее часть с рабочим зазором, активно участвующая в передаче энергии от электронною пучка сверхвысокочастотному полю, расположена внутри системы соленоидов ведущего магнитного поля, а остальная, пассивная часть выходного резонатора в виде отрезка радиальной линии вынесена наружу за пределы системы соленоидов ведущего магнитного поля и состыкована через щель связи во внешней обечайке с волноводным выводом излучения.
Выполнение выходного резонатора комбинированным в виде соединенных отрезков коаксиальной и радиальной передающих линий, связанных заявляемым образом, позволяет реализовать следующий режим распространения электромагнитной волны в клистроне. Функционально выходной резонатор, таким образом, состоит из коаксиальной части, где расположен рабочий зазор, активно участвующей в передаче энергии от электронного пучка сверхвысокочастотному полю, и пассивной радиальной части, не участвующей в процессе передачи энергии СВЧ-полю. С учетом того, что в отрезке коаксиальной линии (коаксиальная часть) электромагнитная СВЧ-волна распространяется вдоль оси клистрона, максимальный диаметр резонатора в этой части может быть выбран минимально допустимым с точки зрения обеспечения электрической прочности промежутка между проводниками в коаксиале. В части же выходного резонатора, соответствующей радиальной линии (радиальная часть), волна распространяется перпендикулярно оси клистрона, этот участок резонатора имеет больший, чем у коаксиальной части внешний диаметр, и он выносится за пределы системы соленоидов ведущего магнитного поля. Суммарная электрическая длина резонатора должна быть кратна четверти рабочей длины клистрона. При этом соотношение длин коаксиальной и радиальной частей резонатора выбирается исходя из требования оптимального ведущего магнитного поля в зазоре коаксиальной части, конструктивных требований размещения коллектора и выходного волновода. Наличия магнитного поля в радиальной части резонатора не требуется.
Щель связи такого комбинированного резонатора с волноводным выводом располагается на внешней обечайке радиальной части.
Такая конструкция выводного резонатора с состыкованным с ним волноводным выводом, по которому излучение выводится из клистрона, позволяет существенным образом уменьшить внутренний диаметр системы соленоидов ведущего магнитного поля в зоне узла вывода излучения, тем самым снизить массогабаритные характеристики клистрона и, соответственно, уровень питания системы соленоидов ведущего магнитного поля, то есть энергетику, требующуюся для обеспечения функционирования устройства в целом.
Для минимизации отражений электромагнитной волны, распространяющейся в предлагаемом выходном резонаторе, необходимо согласовать волновое сопротивление коаксиальной линии с сопротивлением на входе радиальной линии (в месте стыковки). Как известно, сопротивление радиальной линии зависит от радиуса и, в общем случае, дается выражением:
где
h - расстояние между проводниками в радиальной линии;
r - радиус;
ε - диэлектрическая проницаемость.
Из представленного соотношения видно, что, выбирая должным образом радиусы стыковки двух линий, а также расстояние между электродами в радиальной линии, можно в широких пределах варьировать волновое сопротивление последней, обеспечивая тем самым согласование при переходе от одной линии к другой. Для минимизации вероятности пробоев в месте стыка на обоих электродах целесообразно выполнить скругления.
Таким образом, конструирование клистрона с построением его выходного резонатора по предлагаемой схеме позволит достичь технического результата - существенного снижения массогабаритных характеристик системы соленоидов ведущего магнитного поля и, как следствие, снижения затрат на его питание.
На фиг. 1 для наглядности приведен чертеж клистрона с выходным резонатором, выполненным по схеме прототипа, где:
1 - система соленоидов ведущего магнитного поля;
2 - анод;
3 - катод;
4 - входной резонатор;
5 - промежуточный резонатор:
6 - выходной резонатор, образующие резонаторную структуру (4, 5, 6);
7 - щель связи;
8 - волноводный вывод излучения;
9 - коллектор.
На фигуре 2 приведено схематичное изображение заявляемого клистрона с комбинированным выходным резонатором, где;
10 - коаксиальная часть выходного резонатора;
11 - радиальная часть выходного резонатора;
12 - зазор выходного резонатора.
Заявляемый клистрон с комбинированным резонатором работает следующим образом. При приложении между катодом 2 и анодом 3 разности потенциалов от источника высокого напряжения в клистроне происходит формирование электронного пучка. Далее пучок с помощью соленоида 1, либо системы соленоидов, транспортируется в ведущем магнитном поле вдоль резонаторной структуры 4, 5, 6. При этом анод и катод могут, как находиться в магнитном поле, так и быть экранированы от него. При вводе в первый резонатор 4 внешнего задающего СВЧ-сигнала, осуществляется модуляция по скорости электронов пучка. В трубе дрейфа, следующей за первым входным резонатором, модуляция по скорости переходит в модуляцию по плотности (в колебания плотности тока). При прохождении пучка вдоль следующих за входным промежуточных резонаторов 5 и труб дрейфа модуляция нарастает. Достигая зазора 12 выходного резонатора 6, глубоко модулированный электронный пучок возбуждает в данном резонаторе интенсивные колебания СВЧ-полей. Эти колебания устанавливаются и происходят как в коаксиальной 10, так и радиальной части 11, которые выступают единый резонатор. К внешней обечайке радиальной части выходного резонатора пристыкован прямоугольный волновод, связь волновода с резонатором осуществляется с помощью щели, прорезанной в данной обечайке. Таким образом генерируемые в выходном резонаторе СВЧ-колебания выводятся в атмосферу. В данной конструкции клистрона все зазоры резонаторов находятся в ведущем магнитном поле, величина которого выбирается оптимальной с точки зрения максимальной эффективности транспортировки электронного пучка и взаимодействия его с полями резонаторов. При этом внутренний диаметр соленоида в области зазора выходного резонатора определяется диаметром коаксиальной части, что существенно меньше, чем при традиционном исполнении конструкции клистрона, выполненном по схеме прототипа, когда внутри соленоида располагается выходной волновод.