Пролетный канал электронного потока СВЧ-прибора пролетного типа высокой мощности
ELECTRON FLOW DRIFT TUBE OF A HIGH-POWER DRIFT-TYPE UHF APPLIANCE

Изобретение относится к области конструктивных элементов сверхвысокочастотных (СВЧ-) приборов пролетного типа и может быть использовано для повышения эффективности мощных приборов, например гиротронов.
В СВЧ-приборах пролетного типа, например в гиротронах, предусмотрен участок транспортировки электронного пучка от электронной пушки в зону резонатора, который 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 (микроволновых) излучений. Часть формирующейся микроволновой мощности передается в сторону электронной пушки, 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 пролетный канал потока электронов для СВЧ-прибора, используемый в конструкции гиротронов компании KIT-Thales [Martin Schmid et.al. Technical Developments at the KIT Gyrotron Test Facility / htpp//pubman.mpdl.mpg.de]. Внутренний профиль известного пролетного канала выполнен набором чередующихся колец специальной формы из меди и керамики. Совместная реализация рассеяния микроволн медью и их поглощения керамикой в такой конструкции позволяет уменьшить степень «паразитного» самовозбуждения микроволн в пролетном канале.
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокая эффективность предложенного пролетного канала, связанная с недостаточно высоким уровнем поглощения микроволн керамикой.
Известен пролетный канал потока электронов, 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. Пролетный канал мощного гиротрона состоит из металлического корпуса и закрепленной в нем керамической вставки из карбида кремния. Внутренняя поверхность вставки образует заданный профиль пролетного канала, необходимый для прохождения потока электронов без непосредственного контакта с поверхностью вставки.
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокая эффективность предложенного пролетного канала, связанная с недостаточно высоким уровнем поглощения микроволн карбидом кремния, а также недостаточно высокая теплопроводность карбида кремния, необходимая для предотвращения перегрева внутренней поверхности пролетного канала потока электронов при работе СВЧ-прибора.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы пролетного канала потока электронов и СВЧ-прибора в целом.
Технический результат достигается тем, что пролетный канал потока электронов СВЧ-прибора пролетного типа высокой мощности, например, гиротрона, состоит из металлического корпуса и закрепленной в нем керамической вставки, не контактирующей непосредственно с проходящим через пролетный канал потоком электронов, при этом керамическая вставка или ее отдельные элементы выполнены из алмазокарбидокремниевого материала, имеющего состав: алмаз - 40 - 75% об., карбид кремния -20 - 50% об., кремний - 2 - 15% об.
Материал вставки или ее элементов предлагаемого пролетного канала должен сочетать в себе высокую поглощающую способность по отношению к микроволнам с высокой теплопроводностью. 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 вставка, из алмазокарбидокремниевого материала была выполнена в виде цилиндра или усеченного конуса с внутренним отверстием, образующим внутренний профиль пролетного канала, а толщина стенки вставки составляет 3-20 мм. Такой профиль вставки более предпочтителен при ее изготовлении и закреплении в корпусе, а толщина стенки обеспечивает необходимую, но не чрезмерную прочность вставки.
Предпочтительно, чтобы вставка была выполнена из нескольких колец из алмазокарбидокремниевого материала, сопряженных по кольцевой поверхности так, что сопряженные кольца образуют необходимый внутренний профиль пролетного канала. Разбиение вставки на отдельные кольца упрощает ее изготовление и последующий монтаж в корпусе.
Предпочтительно, чтобы вставка была выполнена из нескольких колец из алмазокарбидокремниевого материала и колец из меди или медного сплава, сопряженных по кольцевой поверхности с чередованием колец из алмазокарбидокремниевого материала и колец из меди или медного сплава так, что образуют необходимый внутренний профиль пролетного канала. Чередование колец из алмазокарбидокремниевого материала и меди предпочтительно для некоторых конструкций СВЧ-приборов, например, в которых необходимо приложение дополнительного электрического потенциала к внутренней поверхности вставки.
Предпочтительно, чтобы на поверхности корпуса, контактирующей со вставкой, выполнены пазы, обеспечивающие охлаждение вставки при подаче в пазы охлаждающей жидкости.
Предлагаемое техническое решение поясняется следующей фигурой.
Фиг. 1. Пролетный канал потока электронов СВЧ-прибора пролетного типа высокой мощности (схематическое изображение).
На фиг. 1 показаны:
1 - металлический корпус;
2 - вставка из алмазокарбидокремниевого материала;
3 - пазы в корпусе.
Предлагаемый пролетный канал потока электронов СВЧ-прибора пролетного типа высокой мощности состоит из металлического корпуса (поз. 1 фиг. 1), внутри которого закреплена вставка из алмазокарбидокремниевого материала. Внутренний профиль канала, образуемый внутренней поверхностью вставки, сформирован таким образом, чтобы обеспечить прохождение по нему потока электронов без контакта с поверхностью вставки. Предпочтительно, чтобы на поверхности корпуса, контактирующей со вставкой, были выполнены пазы, обеспечивающие охлаждение вставки при подаче в пазы охлаждающей жидкости, как это показано на фиг. 1, поз 3.
Вставка из алмазокарбидокремниевого материала может быть выполнена в виде единой детали или разделена на отдельные элементы для удобства изготовления и последующей сборки.
Для некоторых конструкций СВЧ-приборов предпочтительно применение вставки, выполненной из нескольких колец, например, толщиной 4 мм, из алмазокарбидокремниевого материала, сопряженных по кольцевой поверхности так, что сопряженные кольца образуют необходимый внутренний профиль пролетного канала.
Для некоторых конструкций СВЧ-приборов предпочтительно, если вставка выполнена из нескольких колец из алмазокарбидокремниевого материала и колец из меди или медного сплава, сопряженных по кольцевой поверхности с чередованием колец из алмазокарбидокремниевого материала и колец из меди или медного сплава так, что образуют необходимый внутренний профиль пролетного канала.
Алмазокарбидокремниевый материал, из которого изготовлена вставка 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 вставки обеспечивает эффективную теплопередачу тепла, выделяющегося на внутренней поверхности пролетного канала за счет поглощения вставкой микроволн, на корпус пролетного канала, что препятствует перегреву вставки и ее разрушению.
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 пролетный канал потока электронов устанавливают в СВЧ-прибор пролетного типа и закрепляют. При необходимости подают в пазы корпуса охлаждающую жидкость. При работе СВЧ-прибора пролетный канал обеспечивает движение по нему потока электронов от электронной пушки к резонатору. При этом происходит эффективное поглощение «паразитных» микроволн стенками вставки пролетного канала, а выделившееся при этом тепло передается на корпус пролетного канала и рассеивается.
Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать пролетный канал потока электронов СВЧ-прибора пролетного типа высокой мощности, обеспечивающий эффективное поглощение «паразитных» микроволн, возникающих при движении потока электронов через пролетный канал и эффективное охлаждение внутренней поверхности пролетного канала, что важно для повышения эффективности мощных СВЧ-приборов.