СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА
KLYSTRON-TYPE MICROWAVE DEVICE

Изобретение относится к электровакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ) приборам, в частности, к мощным импульсным СВЧ-генераторам типа релятивистских клистронов и виркаторов. Для практического использования указанных приборов предъявляются требования по снижению их габаритов, массы и энергопотребления при сохранении высокой мощности генерируемого излучения, либо по повышению мощности излучения при неизменных габаритах и энергопотреблении.
Известно устройство - классический двухрезонаторный пролетный клистрон [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - Высшая школа, 1972, т.2, 375 с.], состоящий из последовательно расположенных термоэмиссионного катода, сеточного анода, модулирующего резонатора, трубы дрейфа, выходного резонатора и коллектора электронов. Все элементы клистрона размещены на оси магнитной системы, формирующей продольное магнитное поле. На катод подается отрицательное напряжение. Анод, резонаторы, труба дрейфа и коллектор находятся под потенциалом земли. Модулирующий резонатор обеспечивает модуляцию электронного пучка по скорости, в трубе дрейфа происходит модуляция электронного пучка по плотности, выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка через средство вывода излучения, коллектор собирает прошедшие выходной резонатор электроны пучка. Магнитная система обеспечивает продольное движение электронного пучка.
Недостатками данного устройства являются малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока электронного пучка, причем увеличение напряжения между катодом и анодом приводит к пробою и разрушению термоэмиссионного катода.
За прототип, наиболее близкий к заявляемому СВЧ-прибору клистронного типа по совокупности существенных признаков, выбран клистронный генератор [Алехин Б.В., Воронин В.В., Виноградов С.А. и др. Клистронный генератор // Патент Российской Федерации №2396632, опубликован 10.08.2010, бюл. №22].
Генератор состоит из последовательно расположенных взрывоэмиссионного катода, анода, образующих высокоимпедансный диод, разделенной трубами дрейфа системы модулирующих резонаторов, выходного резонатора, связанного со средством вывода излучения, и коллектора электронов. Все элементы клистрона размещены на оси магнитной системы, формирующей продольное магнитное поле. На катод подается отрицательное напряжение. Анод, резонаторы, трубы дрейфа и коллектор находятся под потенциалом земли. Первый высокодобротный модулирующий резонатор и первая труба дрейфа обеспечивают предварительную модуляцию электронного пучка по скорости и плотности соответственно, последующие модулирующие резонаторы и трубы дрейфа обеспечивают окончательную модуляцию электронного пучка по скорости и плотности соответственно, выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от модулированного по плотности электронного пучка через средство вывода излучения, коллектор собирает прошедшие выходной резонатор электроны пучка. Магнитная система обеспечивает продольное движение электронного пучка.
Устройство работает следующим образом. Магнитная система формирует продольное магнитное поле относительно оси устройства. Величина магнитной индукции выбирается из условия обеспечения эффективной транспортировки электронного пучка по оси устройства. На катод подается импульсное высоковольтное напряжение отрицательной полярности. В электрическом поле между катодом и анодом формируется электронный пучок. Геометрические размеры катода и его положение относительно анода выбираются таким образом, чтобы получить величину тока электронного пучка не превышающую величину предельного тока, допустимого в данной электродинамической конструкции. Электроны пучка, попадая в первый резонатор, взаимодействуют с высокочастотным полем резонатора, что приводит к предварительной модуляции электронного пучка по скорости. Степень модуляции зависит от добротности резонатора и амплитуды возбуждаемых в резонаторе высокочастотных полей. В первой трубе дрейфа электронный пучок предварительно (слабо) модулируется по плотности. Для увеличения степени модуляции электронный пучок поступает в последующие модулирующие резонаторы и трубы дрейфа, где обеспечивается его окончательная (сильная) модуляция по скорости и плотности. Сильно модулированный по плотности электронный пучок представляет собой цуг электронных сгустков, двигающихся вдоль оси устройства друг за другом с равными промежутками времени. Электронные сгустки поступают в выходной резонатор, отдавая свою кинетическую энергию в энергию СВЧ - излучения. СВЧ-излучение выводится из выходного резонатора через волновод или специальное средство вывода излучения. Для обеспечения работоспособности прибора в генераторном режиме используется цепь обратной связи по электронному пучку в виде колебаний плотности объемного заряда.
Недостатками прототипа являются большие габаритные размеры, масса и большое энергопотребление устройства. Это связано с наличием продольной клистронной структуры, состоящей из нескольких резонаторов и труб дрейфа, а также наличием магнитной системы, состоящей из соленоидов и их системы питания.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение габаритов, массы и энергопотребления при сохранении высокого электронного КПД.
Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования СВЧ излучения без трубы дрейфа, промежуточных резонаторов и магнитной системы, которые характерны для классического клистрона, путем усовершенствования конструкции электродинамической структуры прибора.
Данный результат достигается тем, что в отличие от известного СВЧ-прибора клистронного типа, содержащего подключенные к импульсному источнику высокого напряжения взрывоэмиссионный катод и анод, резонансную структуру в виде высокодобротного модулирующего резонатора и выходного резонатора, коллектора электронов, цепь обратной связи по электронному пучку и средство вывода излучения, в предложенном приборе катод и анод объединены с образованием низкоимпедансного диода, причем модулирующий резонатор согласован с выходным резонатором с обеспечением возможности формирования виртуального катода (ВК) в выходном резонаторе.
Сверхвысокочастотный прибор клистронного типа в конкретном воплощении может отличаться тем, что согласование резонаторов обеспечено посредством выполнения модулирующего резонатора в виде цилиндрического резонатора, образованного двумя анодными сетками и цилиндрической поверхностью анода, а выходного резонатора в виде тороидального резонатора с зазором, образованным между второй анодной сеткой и коллекторной сеткой, установленной на коллекторе электронов.
Указанная задача может быть решена при использовании в схеме клистрона низкоимпедансного диода, аналогичного диоду в виркаторе [Селемир В.Д., Алехин Б.В., Ватрунин В.Е. и др. Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ-приборов с виртуальным катодом // Физика плазмы. 1994. Т.20, №7-8. С.689-708.]. В этом случае в диоде формируется сильноточный электронный пучок. Геометрию катода, анода, первого резонатора и первой трубы дрейфа необходимо подобрать такую, чтобы электронный пучок беспрепятственно проходил зазор первого резонатора и формировал виртуальный катод (ВК) в первой трубе дрейфа. То есть, ток электронного пучка должен превышать величину предельного тока для первой трубы дрейфа. Для прототипа такой режим работы неприемлем, так как электронный пучок не будет транспортироваться вдоль электродинамической структуры и не будет возбуждать выводной резонатор. Таким образом, в заявляемом СВЧ-приборе клистронного типа создана возможность исключить все промежуточные резонаторы и трубы дрейфа путем выбора режима работы диода и обеспечения согласования электрофизических параметров модулирующего резонатора с выходным резонатором так, чтобы формирование ВК происходило в выходном резонаторе.
Схема СВЧ-прибора клистронного типа изображена на фиг.1, где 1 - цилиндрический анод, 2 - катод, 3 - первая анодная сетка, 4 - вторая анодная сетка, 5 - виртуальный катод (ВК), 6 - коллекторная сетка, 7 - коллектор электронов, 8 - средство вывода излучения из тороидального резонатора, 9 - тороидальный резонатор (выходной резонатор), 10 - цилиндрический резонатор (модулирующий резонатор), образованный первой и второй анодными сетками и цилиндрической поверхностью анода. На фиг.2 приведены результаты численного расчета СВЧ-прибора клистронного типа: а) - расчетная геометрия; б) - зависимость мощности излучения от времени.
Прибор состоит из последовательно расположенных, подключенных к импульсному источнику высокого напряжения взрывоэмиссионного катода 2 и анода 1, образующих низкоимпедансный диод, а также резонансной структуры в виде высокодобротного модулирующего цилиндрического резонатора 10 (ЦР), образованного первой 3 и второй 4 анодными сетками и цилиндрической поверхностью анода, и выходного низкодобротного тороидального резонатора 9 (TP), связанного со средством вывода излучения 8, а также коллектора электронов 7 с коллекторной сеткой 6. Пролетная база электронного пучка по сравнению с прототипом практически отсутствует, что позволяет отказаться от магнитной системы и ее системы питания.
За счет выбора типа диода и согласования модулирующего резонатора с выходным резонатором прибор работает следующим образом. Электронный пучок эмитируется с торцевой поверхности катода 2 при подаче высоковольтного импульса между катодом и анодом 1. Распространяясь в продольном направлении вдоль силовых линий электрического поля, электронный пучок оказывается в высокодобротном цилиндрическом резонаторе 10, образованном торцевыми анодными сетками 3 и 4 и цилиндрической поверхностью анода. На сетки наложены требования полной прозрачности для электронов и непрозрачности для электромагнитного поля. Расстояние между сетками 3 и 4 выбрано таким образом, чтобы в цилиндрическом резонаторе не образовывался виртуальный катод.
Пучок электронов, прошедший цилиндрический резонатор 10, попадает в низкодобротный тороидальный резонатор 9, в частности, в его зазор, образованный второй анодной сеткой 4 и коллекторной сеткой 6. Геометрия тороидального резонатора такова, что величина предельного тока для него много меньше, чем величина тока электронного пучка. В зазоре тороидального резонатора формируется виртуальный катод 5 (ВК). Часть электронного пучка в виде пролетного тока попадает на коллектор 7, другая часть тока пучка отражается от ВК и возвращается в цилиндрический резонатор.
01
Частота колебаний электронов в потенциальной яме между катодом и ВК и частота колебаний ВК как целого - одинаковы [А.Н.Диденко, Б.В.Зверев. СВЧ-энергетика. М. Наука, 2000]. Для эффективной модуляции электронного пучка резонансная частота ЦР на моде колебаний E должна быть подобрана равной частоте колебаний ВК. Выходной резонатор возбуждается колеблющимся ВК и электронами пучка, отраженными от потенциала ВК. Коллекторная сетка 6 используется для регулирования угла пролета модулированного пучка в зазоре TP и усиливает эффект за счет повышения коэффициента связи между пучком и выводным резонатором. СВЧ-излучение выводится из TP с помощью волновода 8 или другого средства вывода излучения.
Проведен численный расчет предложенной конструкции СВЧ-прибора клистронного типа с помощью 2,5-мерной программы КАРАТ на основе алгоритма «частица-в-ячейке». Исходными данными на расчет были напряжение в диоде 170 кВ, диодный ток 7 кА, форма импульса - колоколообразная, фронт и спад 10 нс, длительность импульса - 50 нс. Ведущее магнитное поле отсутствует. Результат расчета мощности излучения, выведенной из TP, представлен на фиг.2. Пиковая мощность составила величину около 300 МВт, что соответствует величине электронного КПД 25%. Численный расчет показывает возможность создания СВЧ генератора с эффективным преобразованием энергии электронного пучка в поле СВЧ-излучения.
Таким образом, снижение габаритов, массы и энергопотребления по сравнению с клистронным генератором-прототипом достигается за счет низкоимпедансного диода и согласования высокодобротного первого модулирующего резонатора и выходного резонатора с обеспечением формирования ВК в выводном резонаторе, что позволяет отказаться от магнитной системы, промежуточных резонаторов и труб дрейфа.