Конструктивный элемент для поглощения микроволн
MICROWAVE ABSORPTION STRUCTURAL ELEMENT

Изобретение относится к области конструктивных элементов высокочастотных приборов и может быть использовано для повышения эффективности мощных приборов, например гиротронов.
В некоторых узлах высокочастотных приборов требуется поглощение микроволн специальными элементами конструкции. При этом, в связи с использованием в приборе сильных магнитных полей, элементы-поглотители могут быть изготовлены только из парамагнитных (или диамагнитных) материалов. Поглощение микроволн конструктивными элементами-поглотителями сопровождается их нагревом, поэтому предпочтительно использование элементов из материала, имеющего высокую теплопроводность, обеспечивающую эффективную передачу тепла к системам охлаждения прибора. Кроме того, желательно, чтобы такие элементы обладали электропроводностью для снятия накапливаемого ими в ходе работы электрического заряда.
Примером узлов, в которых требуется использование элементов, поглощающих микроволны, является участок транспортировки электронного пучка от электронной пушки в зону резонатора в СВЧ-приборах пролетного типа, например, в гиротронах. Такой участок называют пролетным каналом потока электронов (используют также термины - beam tunnel, канал дрейфа). При движении электронов по пролетному каналу в СВЧ-приборах возможно самовозбуждение «паразитных» высокочастотных излучений. Часть формирующейся волновой мощности передается в сторону электронной пушки прибора, что приводит к ухудшению качества электронного пучка, снижению коэффициента полезного действия прибора, а также может привести к электрическим пробоям и даже повреждению катода электронной пушки. Такие негативные явления проявляются в большей степени в СВЧ-приборах высокой мощности и требуют подавления, т.е. поглощения «паразитных» излучений, для повышения эффективности СВЧ-прибора. Аналогичные проблемы возникают в пролетных каналах (каналах дрейфа) между резонаторами в других СВЧ-приборах пролетного типа, например, гироклистронах.
Известен конструктивный элемент для поглощения микроволн, описанный в публикации Н. Shoyama et.al. High-efficiency oscillation of 170 GHz high-power gyrotron at ТЕ31,8 mode using depressed collector / Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40 (2001) pp. L906 - L908, который авторы выбрали в качестве ближайшего аналога. Для поглощения микроволн в известном техническом решении использован конструктивный элемент, изготовленный из карбида кремния. Такой элемент применен авторами известного технического решения в пролетном канале мощного гиротрона.
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокий уровень поглощения микроволн элементом из карбида кремния, а также недостаточно высокая теплопроводность карбида кремния, необходимая для предотвращения перегрева элемента и узла, в котором он используется, в целом.
Задачей изобретения является создание конструктивного элемента, эффективно поглощающего микроволны в сочетании с его высокой теплопроводностью.
Технический результат достигается тем, что конструктивный элемент для поглощения микроволн выполнен из алмазокарбидокремниевого материала, имеющего состав: алмаз - 40-75% об., карбид кремния - 20-50% об., кремний - 2-15% об.
При содержании в алмазокарбидокремниевом материале алмаза менее 40% об. и содержании кремния более 15% об. коэффициент теплопроводности материала ниже 300 Вт/(м⋅К), что снижает эффективность его применения. Получение материала с содержанием алмаза более 75% об. и с содержанием кремния менее 2% об. технологически сложно.
Предпочтительно, чтобы конструктивный элемент был выполнен в виде пластины толщиной 2-20 мм. Такая толщина элемента хорошо сочетает конструкционную прочность и тепловое сопротивление элемента.
Предпочтительно, чтобы конструктивный элемент был выполнен в виде тела вращения с толщиной стенки 2-20 мм. Такая толщина элемента хорошо сочетает конструкционную прочность и тепловое сопротивление элемента.
Предлагаемый конструктивный элемент для поглощения микроволн может быть использован в различных высокочастотных приборах, в том числе в приборах высокой мощности. Конкретные размеры и форма заявляемого конструктивного элемента для поглощения микроволн в этом случае зависят от соответствующих конструктивных особенностей устройств, в которых использован. Например, конструкционный элемент в виде усеченного конуса с внутренним сквозным отверстием по оси конуса может быть использован в качестве вставки в корпус пролетного канала гиротрона.
Алмазокарбидокремниевый материал, из которого изготовлен конструктивный элемент для поглощения микроволн в предлагаемом техническом решении, обладает высокой поглощающей способностью по отношению к микроволнам и имеет коэффициент теплопроводности от 400 до 600 Вт/(м⋅К). Большой коэффициент теплопроводности материала элемента обеспечивает эффективную теплопередачу тепла, выделяющегося на облучаемой микроволнами поверхности элемента, на корпус устройства в котором закреплен элемент, что препятствует перегреву элемента и его разрушению.
Алмазокарбидокремниевый материал, из которого изготовлен конструктивный элемент для поглощения микроволн в предлагаемом техническом решении, обладает парамагнитными свойствами и имеет удельное электрическое сопротивление 0,01-10 Ом⋅м. Предлагаемый конструктивный элемент обладает конструкционной прочностью - алмазокарбидокремниевый материал характеризуется пределом прочности при изгибе 200-300 МПа и модулем упругости 550-800 ГПа.
Высокая поглощающая способность по отношению к микроволнам алмазокарбидокремниевого материала обусловлена его структурой, которая сформирована из алмазных зерен, связанных матрицей из карбида кремния и кремния. Сочетание в материале диэлектрических алмазных частиц и двух типов полупроводников (карбида кремния и кремния), как показывают эксперименты, обеспечивает высокую эффективность при поглощении микроволн, которая в 1,5-2 раза выше, чем у карбида кремния, не содержащего зерна алмаза и описанного в ближайшем аналоге.
При использовании конструктивный элемент устанавливают в корпус высокочастотного прибора и закрепляют. При необходимости подают в пазы корпуса охлаждающую жидкость, которая может контактировать с конструктивным элементом для повышения теплоотдачи от элемента к охлаждающей жидкости. При работе прибора элемент обеспечивает эффективное поглощение микроволн, а выделившееся при этом тепло передается на корпус прибора или непосредственно к охлаждающей жидкости и рассеивается.
Следующие примеры поясняют сущность предлагаемого изобретения.
Пример 1. Конструктивный элемент в виде пластины размером 62×62×2 мм, выполненный из алмазокарбидокремниевого материала состава: алмаз - 70% об., карбид кремния - 25% об., кремний - 5% об. Материал конструктивного элемента имеет коэффициент теплопроводности 600 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,16, а при частотах 110 ГГц и 210 ГГц 0,14 и 0,18, соответственно.
Пример 2. Конструктивный элемент в виде пластины диаметром 60 мм и толщиной 2 мм, выполненный из алмазокарбидокремниевого материала состава: алмаз - 40% об., карбид кремния - 48% об., кремний - 12% об. Материал конструктивного элемента имеет коэффициент теплопроводности 450 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,13, а при частотах 110 ГГц и 210 ГГц 0,11 и 0,14, соответственно.
Пример 3. Элемент в виде пластины размером 50×50×3 мм, выполнен из спеченного карбида кремния. Материал элемента имеет коэффициент теплопроводности 150 Вт/(м⋅К). Измерение поглощения микроволн конструктивным элементом осуществлен резонаторным спектрометром на основе квазиоптического резонатора Фабри - Перо. Потери на поглощение при частоте микроволн 170 ГГц составили 0,08.
Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать конструктивный элемент для поглощения микроволн, эффективно поглощающего микроволны в сочетании с его высокой теплопроводностью. Предлагаемый элемент обладает конструкционной прочность, парамагнитными свойствами и электропроводностью.