КЛИСТРОН
KLYSTRON

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно к области генерации электромагнитного излучения, и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения.
В качестве аналога рассмотрим клистрон, описанный в [1] (Лебедев И.В., под ред. Девяткова Н.Д. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-ое. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы», М.: «Высшая школа», 1972, с.129). В данном устройстве немодулированный электронный поток, выходящий из катода, поступает в первый резонатор, между сетками которого имеется продольное электрическое поле сверхвысокой частоты. Это поле производит скоростную модуляцию электронного потока. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки. Эти сгустки поступают во второй резонатор с частотой, равной частоте входного сигнала, и наводят ток, протекающий по внутренней поверхности стенок второго резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое поле тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, полученная ими от источника ускоряющего напряжения, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний и поступает через вывод энергии в выходную нагрузку.
Недостатком данной конструкции является малый КПД генерации излучения.
Более близким по техническому решению к предлагаемому устройству является релятивистский многорезонаторный клистрон, описанный в [2] (IEEE Transactions on Plasma Science, vol.22, №5, October 1994, p.692). В двухрезонаторном клистроне препятствием для дальнейшего повышения КПД является ограничение по максимальной модуляции пучка. В многорезонаторном клистроне электронный поток, поступающий из катода в первый резонатор, модулируется по скорости, при этом, если модулирующее напряжение мало, то во второй резонатор поступают лишь слабо сформированные сгустки. На зазоре второго резонатора наводится напряжение, значительно превышающее напряжение на первом зазоре. Это напряжение, в свою очередь, производит скоростную модуляцию электронного потока. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона. Таким образом, амплитудная модуляция электронного пучка значительно увеличивается, благодаря чему увеличивается КПД генератора. Однако в релятивистском клистроне невозможно применять сетки в зазорах резонаторов, так как из-за высокой энергии электронного пучка они будут очень быстро сгорать. В связи с этим линии электрического поля имеют максимальную плотность непосредственно в зазоре, и эта плотность уменьшается ближе к оси резонатора. Поэтому нужно провести пучок максимально близко к поверхности резонатора, чтобы взаимодействие пучка и электрического поля было максимальным, однако слишком близко провести не удается, так как пучок садится на стенки резонатора.
Таким образом, основной недостаток данного генератора заключается в малом КПД генерации излучения, обусловленном низкой эффективностью преобразования энергии пучка электронов в СВЧ-излучение.
Задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с целью повышения КПД генерации излучения.
Техническим результатом данного решения является увеличение эффективности использования энергии пучка электронов.
Технический результат в заявляемом устройстве достигается за счет того, что в отличие от известного клистрона, содержащего установленный в вакуумной камере и подключенный к внешнему источнику питания катод, анод, систему резонаторов, коллектор, средство вывода излучения, а также устройство для создания ведущего магнитного поля, в предлагаемом клистроне устройство для создания ведущего магнитного поля состоит из последовательно включенных соленоидов двух типов, имеющих разную индуктивность, установленных таким образом, что соленоиды с меньшей индуктивностью расположены напротив зазоров резонаторов.
За счет этого улучшается взаимодействие пучка электронов с электрическим полем резонаторов, что позволяет увеличить эффективность преобразования энергии электронного пучка в СВЧ-излучение.
Посредством сравнения прототипа с заявляемым устанавливаем, что принцип действия устройства основан на следующем. Диаметр катода выбирается с таким расчетом, чтобы электроны пучка не осаждались на стенки трубы дрейфа, поэтому при обычной конфигурации магнитного поля пучок проходит на значительном расстоянии от резонаторов, из-за чего электроны неэффективно взаимодействуют с электрическим полем резонаторов. В заявляемом генераторе за счет уменьшения магнитного поля в районе зазоров резонаторов, обеспечиваемого определенной последовательностью размещения соленоидов различного типа, траектория движения электронов изгибается и проходит вблизи зазоров, что повышает эффективность их взаимодействия с электрическим полем резонаторов.
Таким образом, за счет применения соленоидов с разной индуктивностью и особенностью их размещения более эффективно используется энергия пучка электронов и поэтому повышается КПД генерации СВЧ-излучения.
На фиг.1 схематически изображен клистрон и подключение питания к устройству, на фиг.2 более детально изображена траектория движения пучка электронов в электрическом поле зазора резонатора.
Заявляемый генератор представляет собой расположенный в вакуумной камере 4 катод 2, анод 3, резонаторы 6 и коллектор для сбора электронов 10. Траектория движения пучка электронов 5 совпадает с силовыми линиями магнитного поля, создаваемого последовательностью соленоидов двух типов 7 и 8, имеющих разную индуктивность. При этом индуктивность соленоидов 7 больше, чем индуктивность соленоидов 8, которые расположены в местах установки резонаторов, благодаря чему пучок эффективней взаимодействует с электрическим полем 11 резонаторов. Энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-колебаний и поступает через вывод энергии 9 в атмосферу. К диоду прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 1.
В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [2] (Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов", М.: Атомиздат, 1972).
Устройство работает следующим образом. При подаче импульсного напряжения от внешнего источника питания 1 на катод 2 с поверхности катода инжектируется пучок электронов. С целью транспортировки пучка вдоль резонаторов до коллектора используется продольное магнитное поле. Соленоиды 8 имеют меньшую индуктивность по сравнению с соленоидами 7 и, соответственно, создают меньшее магнитное поле, при этом соленоиды 8 расположены напротив зазоров резонаторов. Благодаря этому траектория движения пучка электронов 5 изгибается в районе зазоров, электроны проходят ближе к зазорам, там, где сильнее электрическое поле (фиг.2). Таким образом, взаимодействие электронного пучка с электрическим полем зазора резонатора увеличивается, электроны отдают больше энергии резонатору для преобразования ее в высокочастотную электромагнитную энергию. Таким образом, увеличивается эффективность преобразования энергии пучка электронов в СВЧ-излучение. Излучение выводится в атмосферу через вывод энергии 9.
-5
В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора катод выполнен из тонкостенной нержавеющей стали, резонаторы изготовлены из меди. Коллектор, предназначенный для сбора электронов, прошедших зазор последнего резонатора, и рассеивания в виде тепла оставшейся кинетической энергии пучка, представляет собой толстостенный медный цилиндр. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа ~10 Тор.
Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет улучшения условий взаимодействия пучка с электрическим полем зазоров резонаторов КПД генератора увеличен.