Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке и пролетный клистрон
METHOD FOR FORMING HIGH ENERGY DENSITY CLUMPS IN ELECTRON FLOW AND A DRIFT KLYSTRON

Область техники
Изобретение относится к области электронной СВЧ-техники, в частности к мощным СВЧ- приборам О-типа - пролетным клистронам, к способам повышения их КПД, в частности к способам формирования электронных сгустков высокой плотности энергии в потоке электронов в пролетных клистронах и пролетным клистронам для реализации таких способов.
Уровень техники
Высокоэффективные клистроны являются очень привлекательными устройствами для большого количества приложений, таких, как ускорители, радары, устройства для передачи энергии, играют решающую роль для следующего поколения ускорителей.
Создание СВЧ-приборов различного типа стало возможным в результате использования метода динамического управления электронным потоком путем модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и в передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе. При этом время пролета имеет решающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.
Известны проблемы повышения эффективности, пролетных клистронов, основанных на использовании времени пролета электронов при их кратковременном взаимодействии с высокочастотным электрическим полем многорезонаторного ряда внутри пролетной трубки.
Все электроны, приходящие к первой сетке входного резонатора, имеют одинаковую скорость. При подаче сигнала между сетками входного резонатора существует переменное электрическое поле. В один полупериод поле между сетками дополнительно ускоряет электроны, в другой - тормозит их. Поэтому возникает модуляция скорости электронов с частотой сигнала. При дальнейшем движении по инерции внутри пролетной трубки электроны разных скоростей группируются в сгустки, при этом частота следования сгустков равна частоте сигнала. Поэтому область между двумя резонаторами называют пространством группирования, или дрейфа. Таким образом, скоростная модуляция превращается в модуляцию электронного потока по плотности. Пролетая между сетками выходного резонатора, сгустки вызывают в нем наведенный ток той же частоты. Если собственная частота выходного резонатора равна частоте сигнала, то наведенный ток создает наибольшее напряжение между сетками резонатора.
В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим полем и передачи энергии от модулированного по плотности электронного потока выходному резонатору, связанному с нагрузкой. Электроны, отдавшие часть своей кинетической энергии выходному резонатору, попадают на коллектор и рассеивают остальную часть кинетической энергии в виде тепла.
Специалистам в области создания электронных приборов известно, что в пространстве группирования при традиционной группировке электронных сгустков в основном в центральной части электронного потока всегда существует группа периферийных частиц - так называемых «аутсайдеров», которые подвергаются воздействию слабого электрического поля в зазорах резонаторов и имеют маленькую модуляцию скоростей. По этой причине, чтобы достичь сгустка, им необходимо время большее, чем электронам ядра сгустка. КПД клистрона непосредственно зависит от того, какую часть этих электронов удается сгруппировать в сгусток. Ту часть периферийных электронов, которая приходит в выходной резонатор в ускоряющей фазе и «отбирает» у СВЧ-поля энергию, вместо того, чтобы ее отдавать, называют еще «антисгусток». Влияние этой части электронов на эффективность пролетных клистронов значительно, так как эти электроны «портят» КПД. Для увеличения эффективности необходимо увеличить длину пространства взаимодействия и ждать, пока аутсайдеры присоединятся к сгустку.
Обычно в большинстве клистронов электроны ядра сгустка подвергаются воздействию мощных сил в зазорах резонаторов и имеют достаточно большой разброс по скоростям (до 30-40%). При попытке увеличить КПД и собрать основную часть периферийных электронов в сгусток с помощью увеличения группирующих сил быстрые частицы ядра сгустка начинают обгонять медленные, сгусток разрушается, КПД взаимодействия с выходным резонатором падает.
Таким образом, чтобы получить высокую эффективность в клистроне, следует собрать главную часть электронов в сгустки с короткой фазовой длиной.
Как правило, ядро сгустка состоит из группы медленных электронов во главе и быстрых электронов в хвостовой части. Электроны ядра подвергаются воздействию сильных полей в зазорах резонаторов и имеют достаточно большое различие по скоростям.
Существует другая часть электронов, которая находится далеко от ядра, на расстоянии, приблизительно равном половине электронной длины волны.
В настоящее время для повышения КПД и коэффициента усиления в широкой полосе частот в современных усилительных клистронах используются многорезонаторные устройства группирования сгустков электронов, которые включают в себя все электродинамические системы клистрона, кроме выходной системы.
Известна электрическая преобразующая система (US, 2.242.275, А), выполненная в виде клистрона, содержащего два резонирующих устройства, и при этом одно из резонирующих устройств настраиваемое, и содержащего также:
- средство генерации электронного луча и создания электронного потока с практически одинаковой скоростью;
- закрытую проводящую часть, имеющую проницаемые для электронов стенки, через которую электронный луч подают для целей управления, и представляющую собой камеру с расположенным в ней резонирующим устройством, внешняя поверхность которого свободна от переменного напряжения рабочей частоты клистрона;
- средство подачи энергии к одному из резонирующих устройств;
- средство создания ограниченного стоячего электромагнитного поля в резонирующем устройстве, имеющем часть электронного поля в предшествующей области;
- средство направления электронного потока через переменное электрическое поле резонирующего устройства для создания условий предполагаемого периодического варьирования скоростей в течение действия внутреннего поля в нем и прохождения поля для создания условий группирования электронов в группы;
- полый резонатор для поглощения энергии из электронов;
- средство экранирования поля от энергопоглощающего средства.
Система работает следующим образом.
o
Электроны в пучке, генерированном в средстве генерации и ускоренном постоянным напряжением U в проводящей части, попадают в зазор входного резонатора, в емкостном зазоре которого сигнал, подводимый через входной тракт, возбуждает переменное ВЧ-напряжение. Пройдя зазор, пучок электронов получает модуляцию по скорости: электроны, прошедшие зазор в ускоряющей фазе ВЧ-поля, увеличивают свою скорость, а электроны, прошедшие зазор в тормозящей фазе ВЧ-поля, уменьшают свою скорость. В свободном от электрического ВЧ-поля пространстве дрейфа между входным и выходным резонаторами скоростная модуляция приводит к модуляции пучка по плотности электронов. Электроны (назовем эти электроны центральными) группируются с образованием сгустка вокруг частиц, прошедших зазор входного резонатора в момент времени, когда величина ВЧ-поля равна нулю, а само ВЧ-поле при этом нарастает. Частицы, идущие сзади центральных, влетевшие в зазор входного резонатора позднее, догоняют их, а частицы, идущие впереди, влетевшие в зазор входного резонатора ранее, наоборот, притормаживают, также приближаясь к центральным. При этом происходит повышение плотности конвекционного тока вокруг центральных электронов, появляется высокочастотная составляющая тока, которая растет по мере удаления от зазора входного резонатора, достигая максимума на некотором расстоянии от него, которое тем больше, чем меньше амплитуда входного ВЧ-напряжения. Затем быстрые электроны сгустка обгоняют центральные, а медленные начинают от него отставать, что приводит к разрушению сгустка. Емкостной зазор выходного резонатора располагают на пути электронов, в месте, где находится максимум первой гармоники конвекционного тока электронов. Высокочастотный ток индуцирует ВЧ-напряжение в выходном резонаторе, энергия модулированного по плотности электронного потока преобразуется в ВЧ-энергию, которая передается затем в выходной тракт. Эффективность преобразования кинетической энергии электронов модулированного потока в ВЧ-энергию зависит от качества сгустка - его фазовой протяженности, количества электронов потока, находящихся в сгустке, распределения их скоростей. Недостатком описанного выше клистрона является низкая эффективность преобразования кинетической энергии в ВЧ-энергию в выходном устройстве (не более 30%) из-за низкого качества сгустка из-за малого количества электронов, собранных в него. Неиспользованная энергия выделяется в виде тепла в коллекторе.
Известно, что для улучшения качества сгустка используются многорезонаторные конструкции клистрона (Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-е. М., «Высшая школа», 1972, т. 2, стр. 154), при этом между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные промежуточные резонаторы, настроенные на частоты, близкие к частоте основного сигнала. Известно, что ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, поэтому даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на промежуточном резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку электронного потока в пространстве дрейфа после выхода потока из этого промежуточного резонатора. В результате, распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться промежуточными резонаторами. Для группировки электронов промежуточные резонаторы настраивают на частоты, более высокие по сравнению с частотой основного сигнала. Использование многорезонаторной конструкции в клистроне позволяет уменьшить фазовую протяженность, увеличить плотность электронов в сгустке и, в результате, увеличить эффективность преобразования кинетической энергии в ВЧ-энергию. При этом значительно увеличивается коэффициент усиления, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору.
Известен усилительный клистрон (RU, 1764460, С), содержащий входной и выходной резонаторы, промежуточные резонаторы основной частоты и по меньшей мере один резонатор удвоенной частоты, размещенный перед выходным резонатором, при этом с целью повышения КПД в многочастотном режиме работы резонатор удвоенной частоты выполнен в соответствии с выражениями
; ,
0
где Q - собственная добротность резонатора удвоенной частоты;
0
F - центральная частота рабочего диапазона частот клистрона, МГц;
p
Δf - ширина рабочего диапазона частот, МГц;
2
f - частота настройки резонатора удвоенной частоты, МГц.
o
2
Резонатор удвоенной частоты, расположенный перед выходным резонатором, при оптимальных значениях собственной добротности Q и резонансной частоты f воздействует на формируемые электронные сгустки таким образом, что меняется фаза и уменьшается амплитуда второй гармоники конвекционного тока и происходит уменьшение относительного уровня комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала. При этом затухание резонатора удвоенной частоты практически не сказывается на амплитудах сигналов основных частот.
Однако в связи с тем, что резонатор удвоенной частоты находится перед выходным резонатором, длины трубы дрейфа после него составляет не более одной электронной длины волны и недостаточна, чтобы сгруппировать периферийные электроны в основной сгусток, поэтому увеличение КПД незначительно.
Известны клистроны, содержащие входную электродинамическую систему, содержащую как минимум активный (пронизываемый потоком) резонатор и, в общем случае, связанные с ним пассивные резонаторы, и промежуточные электродинамические системы (также в общем случае содержащие и пассивные резонаторы), образующие усилитель-группирователь.
Известен мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным КПД (RU, 1075860, С), в котором вместо предвыходного резонатора используют одна система из двух резонаторов, настроенных на кратные частоты, с расположенными последовательно зазорами взаимодействия, причем один из резонаторов настроен на основную частоту усиливаемого сигнала, а другой - на удвоенную частоту. Величины зазоров взаимодействии и расстояния между зазорами в резонаторах предвыходной системы выбирают из условия оптимального группирования электронного потока после системы и получения максимальной амплитуды первой гармоники конвекционного тока в выходном резонаторе. Величину оптимального соотношения между амплитудами и фазами высокочастотного напряжения на зазорах резонаторов системы корректируют путем соответствующей расстройки этих резонаторов по частоте с помощью узлов настройки. Допускается такое расположение предвыходной системы клистрона, при котором ближе к выходному резонатору находится резонатор, настроенный на удвоенную частоту сигнала. Кроме того, с целью повышения КПД клистрона за выходным резонатором может быть установлен второй дополнительный резонатор, настроенный на ту же частоту, что и первый, и связанный с ним по высокой частоте. При этом в указанном клистроне резонатор второй гармоники позволяет усилить воздействие на группировку периферийных электронов, увеличить степень группировки в сгусток и повысить КПД.
Однако при попытке усилить группировку возможен обгон электронов ядра сгустка или пересечение фазовых траекторий электронов. Это приводит к ограничению КПД не более 65%.
e
e
o
o
0
0
0
o
o
e
e
Известна идея повышения КПД клистрона с помощью группировки сгустков в условиях колебаний пространственного заряда ядра сгустка (A.Yu. Bajkov, D.M. Petrov «Problems of creation powerfull and super-power klystrons with efficiency up to 90%», International University Conference "Electronics and Radio physics of Ultra-high Frequencies", St. Petersburg, May 24-28, 1999, pp. 5-8). Процесс колебаний возможен, если существуют силы, которые разгруппируют ядро электронного сгустка. Такими силами могут быть силы пространственного заряда самого ядра сгустка. Показано, что при использовании сил пространственного заряда для осуществления колебательных движений ядра сгустка КПД клистрона может быть увеличен до 90%. Метод получил название СОМ (по-английски Core Oscillation Method). Однако при этом длина клистрона возрастает до величины 15-20 электронных длин волн L (электронная длина L - расстояние, которое электрон со скоростью v проходит за период колебаний СВЧ-поля), где ; v - средняя скорость электронов; Т=1/f - период колебаний СВЧ-поля и ƒ - частота колебаний СВЧ-поля, U - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона. Основным недостатком этих клистронов является огромная длина пространства взаимодействия в клистроне с колебательными движениями электронов ядра сгустка, осуществляемыми с помощью сил пространственного заряда: например, если f=1 Ггц, U=100 кВ, тогда L=18,8 см, а длина пространства взаимодействия L=15 L=2,8 м, что недопустимо при практическом использовании. Поэтому такие клистроны не нашли применения на практике.
Известна микроволновая трубка с модуляцией скоростей, использующая для повышения КПД гармонический предгруппирователь (US, 3811065, А) и являющаяся наиболее близкой к настоящему изобретению. Трубка включает в себя электронную пушку с протяженными каналами для проведения потоков электронов от катода до коллектора. Входной контур и выходной контур расположены на начальном и конечном участках потока электронов, через входной контур СВЧ-сигнал поступает в трубку, в выходном контуре усиленная энергия извлекается из потока электронов. Предпоследний резонансный контур, резонансная частота которого близка к полосе пропускания трубки, является предгруппирователем и обеспечивает непосредственно перед выходным контуром группировку электронов с ростом плотности электронов в сгустке, который затем поступает в выходной контур. Между входным резонатором и предпоследним резонатором размещен резонатор второй гармоники с переменной частотой. Резонатор второй гармоники настроен на частоту выше гармоники частоты низкочастотного края полосы пропускания трубки. Резонатор второй гармоники необходим для предварительной группировки электронов сгустка перед их окончательной группировкой в пространстве после предпоследнего резонатора. Комбинированное действие предварительного группирователя, настроенного на гармонику основного сигнала, и следующего за ним группирователя на резонаторах основной гармоники способствует дополнительному воздействию на периферийные электроны и частичному сбору их в сгусток.
Однако более высокая плотность тока в ядре сгустка и короткая общая длина пространства дрейфа после резонатора второй гармоники и после предпоследнего резонатора приводят к уменьшению КПД преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном тракте до величин не более 70%.
Раскрытие сущности изобретения
Специалистам в области электронной СВЧ-техники известно, что при реализации динамического управления электронным потоком путем модуляции электронов по скорости и превращения модуляции по скорости в модуляцию по плотности во время перемещения электронного потока в каналах многорезонаторного блока СВЧ-устройства всегда существует группа периферийных электронов, которые подвергаются воздействию слабого электрического поля в зазорах резонаторов, и, по этой причине, чтобы достичь сгустка, им необходимо время большее, чем электронам ядра сгустка. Причем КПД клистрона непосредственно зависит от того, какую часть этих электронов удается сгруппировать в сгусток. Ту часть периферийных электронов, которые приходят в выходной резонатор в ускоряющей фазе и отбирают у СВЧ-поля энергию, вместо того, чтобы ее отдавать, называют еще «антисгусток», так как эти электроны уменьшают КПД клистрона.
Проведенные исследования показали, что недостатком известной микроволновой трубки с модуляцией скоростей, использующей для повышения КПД гармонический предгруппирователь (US, 3811065, А) в виде предпоследнего резонансного контура, резонансная частота которого близка к полосе пропускания трубки, и при этом между входным резонатором и предпоследним резонатором размещен резонатор второй гармоники с переменной частотой выше гармоники частоты низкочастотного края полосы пропускания трубки, является неоднородность группировки электронов ядра сгустка и периферийных электронов.
o
Как показано на Фиг. 1 фазовых траекторий электронов в пролетных каналах указанной выше трубки (US, 3811065, А), где Т - время, Т - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, зоны 1, 2, 3, 4, 5 по продольной координате - емкостные зазоры резонаторов, при движении в пролетных каналах трубки электроны подвергаются синусоидальному воздействию электрического поля в зазорах зон 2-4 промежуточных резонаторов. При этом, из-за синусоидальности воздействия, электроны ядра сгустка группируются быстрее, чем периферийные электроны «е», для которых электрическое поле в зазорах меньше. Чтобы получить высокий КПД, необходимо собрать как можно большее количество электронов в сгусток, включая периферийные электроны «е». При увеличении группирующих сил в зазорах зон 2-4 промежуточных резонаторов с целью сбора в сгусток периферийных электронов, электроны ядра сгустка приобретают значительный разброс по скоростям (до 30-40%), что приводит к разрушению ядра сгустка. Быстрые частицы ядра сгустка обгоняют медленные (этому соответствует пересечение электронных траекторий на фиг. 1), и ядро сгустка разрушается (область «Q» между зазорами зон 3 и 4). При этом уменьшается КПД взаимодействия электронов сгустка с зоной 5 выходного резонатора.
Целью создания настоящего изобретения являлось создание высокоэффективного способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов, приемлемого для реализации в пролетном клистроне, имеющем при его малых габаритах и массе высокую выходную мощность при уменьшенном количестве потребляемой им энергии.
При создании настоящего изобретения была поставлена техническая задача разработки способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов путем поэтапного последовательного формирования ядра электронных сгустков и ступенчатого повышения плотности пространственного заряда ядра электронных сгустков с помощью изменения скорости движения электронов в условиях колебания пространственного заряда ядра сгустка, и создание пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию такого способа.
При этом ожидаемым техническим результатом использования изобретения являлось достижение высокой плотности тока в сгустке, направляемом на торможение для преобразования его энергии в СВЧ-энергию потребления, уменьшении потребляемой энергии при фиксированной выходной СВЧ-мощности клистрона и повышение КПД пролетных клистронов.
Поставленная задача была решена разработкой способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, в котором с помощью последовательного воздействия на электронный поток ряда СВЧ-полей, расположенных по направлению потока и разделенных между собой пространствами дрейфа, осуществляют:
- формирование первоначальных сгустков электронов в потоке путем модулирования скорости электронов в потоке под воздействием входного СВЧ-поля указанного ряда СВЧ-полей;
- формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей для их последующего торможения с преобразованием энергии сгустков в СВЧ-энергию, путем последовательного модулирования плотности распределения электронов в сгустках под воздействием последующих после входного СВЧ-полей указанного ряда СВЧ-полей;
- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей,
отличающегося тем, что:
- формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей, осуществляют путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных сгустках и в ядрах сгустков с помощью пропускания потока, содержащего сгустки электронов, через каскад СВЧ-полей, размещенный в указанном ряду СВЧ-полей перед полями окончательного группирования сгустков, содержащий по меньшей мере одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, включающую СВЧ-поля, обеспечивающие последовательно:
- образование ядра сгустка за счет группирования электронов в центральной части потока под воздействием по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;
- увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала;
- разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре сгустка и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;
- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей осуществляют за счет повышения плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, под воздействием на сгустки по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей.
При этом согласно изобретению возможно использовать каскад СВЧ-полей, содержащий по меньшей мере в одной многорезонаторной ступени формирования сгустков перед выходом из нее дополнительное СВЧ-поле, обеспечивающее дополнительное увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка и имеющее частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала.
При этом согласно изобретению целесообразно в многорезонаторной ступени формирования сгустка частоты СВЧ-полей выбирать в следующих диапазонах:
1
0
0
1
0
- частоты ƒ СВЧ-полей выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей выбирать в диапазоне 0,95 ƒ<ƒ<1,3 ƒ;
2
0
0
2
0
- частоту ƒ СВЧ-полей ниже двойной частоты 2,0 ƒ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала выбирать в диапазоне 1,5 ƒ<ƒ<2,0 ƒ;
3
0
0
3
0
- частоту ƒ СВЧ-поля ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей выбирать в диапазоне 0,7 f<ƒ<f.
Поставленная задача была также решена созданием пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию указанного выше способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке и содержащего:
- источник электронов, обеспечивающий формирование потока электронов;
- ряд резонаторов СВЧ-полей, последовательно расположенных по направлению потока электронов и разделенных между собой пространствами дрейфа, включающий:
- входной резонатор, настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков электронов в электронном потоке;
- многорезонаторную систему формирования электронных сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей;
- предвыходную резонаторную систему, обеспечивающую окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей,
- выходной резонатор, обеспечивающий торможение электронных сгустков, сформированных в многорезонаторной системе формирования электронных сгустков, и содержащий систему преобразования их энергии в СВЧ-энергию;
- коллектор для сбора электронов после их выхода из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей, отличающегося тем, что:
- многорезонаторная система выполнена в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, обеспечивающих формирование электронных сгустков высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных электронных сгустках и в ядрах сгустков, размещенного в указанном ряду резонаторов СВЧ-полей перед предвыходной резонаторной системой и включающего по меньшей мере одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, содержащую:
- по меньшей мере один резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;
- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;
- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов;
- предвыходная резонаторная система содержит по меньшей мере один резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.
При этом согласно изобретению в указанном каскаде резонаторов СВЧ-полей по меньшей мере одна многорезонаторная ступень формирования сгустков может содержать перед выходом из ступени дополнительный резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, и обеспечивающий дополнительное увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы многорезонаторная ступень формирования сгустка содержала резонаторы СВЧ-полей, настроенные на частоты, выбранные в следующих диапазонах:
1
0
0
1
0
- частоту ƒ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту выше_частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, в диапазоне 0,95 ƒ<ƒ<1,3 ƒ;
2
0
0
2
0
- частоту ƒ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту ниже двойной частоты 2,0 ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, в диапазоне 1,5 ƒ<ƒ<2,0 ƒ;
3
0
0
3
0
- частоту ƒ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, выбирают в диапазоне 0,7 ƒ<ƒ<ƒ.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется примерами осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению, реализованному в пролетном клистроне согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1 - изображение фазовых траекторий электронов в каналах микроволновой трубки с модуляцией скоростей предгруппирователем и резонатором второй гармоники согласно прототипу;
Фиг. 2, 3 - конструктивные схемы пролетного клистрона согласно изобретению, содержащего каскад резонаторов СВЧ-полей, включающий одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков согласно изобретению в двух вариантах ее выполнения;
Фиг. 4 - изображение фазовых траекторий электронов по тракту пролетного клистрона согласно изобретению.
При этом приведенные примеры осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению и пролетного клистрона согласно изобретению не являются исчерпывающими, не выходят за рамки формулы изобретения и не ограничивают возможности реализации изобретения.
Осуществление изобретения
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, выполненных в различных конструктивных вариантах, содержащих различные варианты многорезонаторных рядов с различными вариантами каскадов и многорезонаторных ступеней в зависимости от первеанса луча клистрона и требуемой длины пространства взаимодействия и эффективности.
Авторами были подвергнуты исследованиям способы формирования сгустков высокой плотности энергии, реализованные в пролетных клистронах S-диапазона с выходной импульсной мощностью 6 МВт в вариантах их выполнения 1 и 1а согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.
Как показано на Фиг. 2, 3, пролетные клистроны 1 и 1а согласно изобретению содержали размещенные последовательно: источник 2 электронов, обеспечивающий формирование потока 3 электронов; многорезонаторный ряд 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3), содержащие разделенные между собой пространствами дрейфа 5 резонаторы СВЧ-полей, последовательно расположенные по направлению потока 3 электронов и обеспечивающие формирование электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, и их торможение с преобразованием их энергии в СВЧ-энергию, и коллектор 6 для сбора электронов после их выхода из указанного многорезонаторного ряда 4 или 4а.
При этом многорезонаторные ряды 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) содержали:
- входной резонатор 7 (Фиг. 2, 3), настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, обеспечивающий подвод энергии и начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков 3а электронов в электронном потоке 3;
- одну многорезонаторную систему СВЧ-полей, выполненную в виде одного каскада 8 (Фиг. 2) или в виде одного каскада 8а (Фиг. 3) резонаторов СВЧ-полей, размещенных, соответственно, в указанном ряду 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) для формирования электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, перед предвыходной резонаторной системой;
- предвыходные резонаторные системы 9 (Фиг. 2) или 9а (Фиг. 3), содержащие, один резонатор 10 СВЧ-поля (Фиг. 2) или два резонатора 10 СВЧ-поля (Фиг. 3), настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, соответственно, обеспечивающую повышение плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде 8 или 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, путем окончательного группирования электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, полученных из указанного каскада 8 или 8а перед их выходом, соответственно, из указанного многорезонаторного ряда 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) резонаторов СВЧ-полей;
- выходной резонатор 11 (Фиг. 2, 3), обеспечивающий торможение указанных электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, полученных из предвыходной резонаторной системы 9, и имеющий систему отвода и преобразования энергии указанных сгустков в СВЧ-энергию.
При этом указанный каскад 8 (Фиг. 2) включал в себя одну многорезонаторную ступень 12 формирования сгустков электронов 3b высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке 3, в образованных электронных сгустках 3b и в их ядрах, которая содержала:
- один резонатор 13 СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;
- резонатор 14 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;
- резонатор 15 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов.
Согласно изобретению, указанный каскад 8а (Фиг. 3) включал в себя одну многорезонаторную ступень 12а формирования сгустков электронов 3b высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке 3, в образованных электронных сгустках 3b и в их ядрах, которая содержала:
- два резонатора 13 СВЧ-поля, настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающих образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;
- резонатор 14 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;
- резонатор 15 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов.
Многорезонаторная ступень 12а (Фиг. 3) также содержала дополнительный резонатор 16 СВЧ-поля, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков 3b, сформированных в каскаде 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.
При этом многорезонаторный ряд 4 (Фиг. 2) клистрона 1 содержал предвыходную резонаторную систему 9 (Фиг. 2), включающую один указанный резонатор 10, а многорезонаторный ряд 4а (Фиг. 3) клистрона 1а содержал предвыходную резонаторную систему 9а (Фиг. 3), включающую два указанных резонатора 10 СВЧ-поля, настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а.
Авторами был исследован способ формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению, реализованный в пролетных клистронах 1 и 1а согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетных клистронов 1 (Фиг. 2) и 1а (Фиг. 3) согласно изобретению был осуществлен следующим образом.
С помощью источника 2 электронов, в качестве которого использовали термоэлектронный катод, генерировали электронный поток 3 и направляли его во входной резонатор 7 СВЧ-поля многорезонаторного ряда 4 или 4а.
При поступлении входного сигнала СВЧ-поля через ввод энергии во входной резонатор 7 взаимодействие электронного потока 3 с СВЧ-полем приводило к модуляции потока 3 электронов по скорости, в результате которой в пространстве дрейфа 5 после входного резонатора 7 происходила первоначальная группировка электронов потока 3 в электронные сгустки 3а по плотности, появлялась высокочастотная переменная составляющая конвекционного тока электронов.
Затем электронный поток 3а поступал в многорезонаторную ступень 12 формирования электронных сгустков (Фиг. 2) указанного каскада 8 или в многорезонаторную ступень 12а каскаде 8а (Фиг. 3), в которых обеспечивали ступенчатое повышение плотности пространственного заряда электронных сгустков 3а с помощью воздействия резонаторов СВЧ-полей указанных каскадов 8 или 8а СВЧ-полей, вызывающих колебания пространственного заряда их ядра, с постепенным сбором периферийных электронов в образующиеся сгустки 3b.
По мере продвижения электронов и первоначальных сгустков 3а в многорезонаторной ступени 12 или 12а, через каналы последовательно размещенных резонаторов 13, группирующих ядро сгустка, резонатора 14, собирающего периферийные электроны в ядро, развивались колебательные процессы в ядрах сгустков, и в резонаторе 15, разгруппирующем ядро сгустков, выравнивалась неоднородность группировки центральных и периферийных электронов сгустка, связанная с синусоидальным воздействием на электроны СВЧ-полей в резонаторах 13 и 14.
В связи с тем, что электроны ядра сгустков в резонаторе 15 под воздействием сил обратного знака, и ускоренные в группирующих резонаторах 13 электроны попадали в тормозящую фазу СВЧ-поля резонатора 15, а замедленные электроны попадали в ускоряющую фазу СВЧ-поля резонатора 15, то при прохождении через резонатор 15 электроны ядра сгустка совершали колебательные движения, сначала приближаясь к центру сгустка, а потом удаляясь от него.
Для получения эффекта изменения фазы СВЧ-поля тормозящей фазы вначале, до появления центра сгустка в резонаторе 15, и последующей ускоряющей фазы - фазы обратного знака, выходной резонатор 11 настраивали на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистронов.
5
0
После обеспечения колебательного процесса ядра в емкостных зазорах резонаторов 13, 14, 15 со сбором периферийных электронов проводили окончательную группировку электронов в двух группирующих резонаторах 10, настроенных на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала.
Так осуществляли вынужденное с помощью внешних сил колебание ядра сгустка, что позволило на короткой длине тракта ступеней 12 и 12а собрать периферийные электроны в сгусток, не разрушив при этом само ядро сгустка. Во время этого колебательного процесса периферийные электроны монотонно приближались к центру сгустка.
При наличии в многорезонаторной ступени 12а дополнительного резонатора 16 СВЧ-поля, обеспечили повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков 3b, сформированных в каскаде 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.
Возможность достижения заявленного технического результата была подтверждена экспериментальными данными работы пролетных клистронов S-диапазона ВТ258 с выходной импульсной мощностью 6,0 МВт, содержащих в многорезонаторном ряду согласно изобретению девять резонаторов, схема расположения которых представлена на Фиг. 3: входной резонатор 7 начальной модуляции электронов; резонаторы многорезонаторной ступени согласно изобретению, обеспечивающие колебания ядра сгустка: два резонатора 13 образования ядра сгустка, резонатор 14 сбора электронов в ядро сгустка, резонатор 15 разгруппирования ядра сгустка, резонатор 16 повышения плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков; два резонатора 10 повышения плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, выходной резонатор 11, обеспечивающий торможение указанных электронных сгустков 3b высокой плотности энергии.
o
Работа пролетного клистрона 1а, содержащего каскад 8а со ступенью 12а, проиллюстрирована изображением на Фиг. 4 фазовых траекторий электронов в каналах резонаторного блока ступени 12а, где Т - время, Т - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, при этом показаны области траекторий электронов:
0
- емкостной зазор А входного резонатора 7, настроенного на частоту, близкую к частоте ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, в котором происходит начальная модуляция электронов;
1
0
- емкостной зазор В двух резонаторов 13, настроенных на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, обеспечивающих образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов, сопровождающееся ростом пространственного заряда ядра сгустка;
2
0
0
0
4
0
- емкостной зазор С резонатора 14, настроенного на частоту ƒ ниже двойной частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 а, но выше частоты ƒ основного сигнала: ƒ<ƒ<2,0 ƒ, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;
3
0
- емкостной зазор D резонатора 15, настроенного на частоту ƒ ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов;
4
0
0
4
0
- емкостной зазор F дополнительного резонатора 16 СВЧ-поля, настроенного на частоту ƒ ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, но выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона: ƒ<ƒ<2,0 ƒ, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков за счет увеличение количества электронов в ядре сгустка при направлении периферийных электронов к ядру сгустка;
5
0
- емкостной зазор Е двух резонаторов 10 предвыходной резонаторной системы 9а, настроенных на частоту ƒ выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а.
При этом на Фиг. 4 показана область К ядра сгустка.
Из Фиг. 4 фазовых траекторий электронов следует, что в зазорах резонаторов 13 (зазор В на Фиг. 4) происходит подготовка плотности ядра сгустка, в зазорах резонаторов 14, 15 и 16 (зазоры С, D, F на Фиг. 4) производится вынужденное колебание плотности пространственного заряда ядра сгустка, в зазорах резонаторов 10 (Е на фиг. 4) - повышение плотности пространственного заряда сгустка.
Таким образом, с помощью способа согласно изобретению формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетного клистрона согласно изобретению были обеспечены процессы вынужденных колебаний электронов ядра сгустка, что позволило увеличить плотность пространственного заряда сгустка, наиболее полно собрать электроны потока в сгусток, уменьшить количество «вредных» (с точки зрения взаимодействия с ВЧ-полем выходного резонатора) электронов «антисгустка» и таким образом повысить эффективность преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном устройстве пролетного клистрона.
В результате проведенных исследований авторами были также найдены предпочтительные диапазоны частот настройки резонаторов СВЧ-полей, используемых в пролетных клистронах согласно изобретению, а именно:
0
- частота входных резонаторов 7 СВЧ-поля - близкая к частоте ƒ основного сигнала полосы пропускания указанного клистрона;
1
0
0
1
0
- частота ƒ настройки резонаторов 13 СВЧ-полей, имеющих частоту выше частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, - в диапазоне 0,95 ƒ<ƒ<1,3 ƒ;
2
0
0
2
0
- частота ƒ настройки резонаторов 14 и 16 СВЧ-полей, имеющих частоту ниже двойной частоты 2,0 ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, - в диапазоне 1,5 ƒ<ƒ<2,0 ƒ;
3
0
0
3
0
- частота ƒ настройки резонаторов 15 СВЧ-полей, имеющих частоту ниже частоты ƒ основного сигнала полосы пропускания клистрона, - в диапазоне 0,7 ƒ<ƒ<ƒ.
На примере работы известного клистрона марки КИУ-168 производства ФГУП «НПП «Торий», по конструкции близкого к прототипу - микроволновой трубке, использующей для повышения КПД гармонический предгруппирователь, содержащий один резонатор второй гармоники (US, 3811065, А), и содержащего 6 резонаторов: 5 резонаторов первой гармоники и один резонатор второй гармоники, причем все резонаторы первой гармоники настроены на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, и работы пролетного клистрона согласно изобретению было установлено, что в пролетном клистроне согласно изобретению, содержащем многорезонаторную систему в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, включающего многорезонаторную ступень согласно изобретению, содержащую два резонатора 13 и резонаторы 14-16 (Фиг. 3), КПД был увеличен с 42% до 64,5%.
Повышение КПД по сравнению с клистроном марки КИУ-168 (близкого к прототипу) позволило в 1,5 раза снизить рабочий ток прибора (с 300 до 200 А) и при сохранении рабочего напряжения 50 кВ сократить в 1,5 раза количество потребляемой энергии.
Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, согласно изобретению, может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, с использованием известных технологических приемов, материалов и оборудования, и может найти широкое применение в сфере источников СВЧ-энергии в ускорителях медицинского применения, в ускорителях для карго сканнеров, мощных радарах, устройствах для передачи энергии.