МОЩНЫЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР МОНОТРОННОГО ТИПА
POWERFUL MICROWAVE GENERATOR OF MONOTRON TYPE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электровакуумным генераторным устройствам пролетного типа, а именно к монотронам, в которых взаимодействие электронного потока с СВЧ-полем и отбор энергии совмещены в одном резонаторе.
Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе и сведениями, приведенными ниже.
e
Известна конструкция однолучевого монотрона (Müller J.J. Un générateur à temps de transit utilisant un seul résonateur de volume / J.J.Müller, E.Rostas // Helv. Phys. Acta. 1940. Vol.13. №3. P.435-450), пространство взаимодействия которого представляет собой плоский сеточный зазор с однородным распределением электрического поля по направлению движения электронного потока от пушки до коллектора. Для работы такого прибора необходимо, чтобы активная составляющая электронной проводимости G была отрицательной. Это реализуется при условии, что
,
0
где ω - циклическая частота колебаний; d - расстояние между сетками; е - заряд электрона; m - масса электрона; U - ускоряющее напряжение.
Однако такое устройство несмотря на простоту конструкции не нашло применения в виду низкого значения КПД (1-2%).
Известна конструкция однолучевого СВЧ-генератора - монотрона (Патент US №2269456, опубл. 13.01.1942), состоящего из электронной пушки, одного резонатора с переменным поперечным сечением и двумя сетками, коллектора, коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой. Резонатор такого прибора выполнен с переменным поперечным сечением, увеличивающимся по направлению к коллектору. Это обеспечивает неравномерное распределение электрического поля в пространстве взаимодействия резонатора монотрона и улучшает эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора.
Однако распределение поля в резонаторе остается неоптимальным, что также не позволяет значительно повысить КПД. Кроме того, в приборе сложно получить большие уровни выходной мощности из-за возможного перегрева сеток резонатора.
Известна конструкция однолучевого СВЧ-генератора монотронного типа, содержащего полуволновой коаксиальный резонатор, работающий на ТЕМ виде колебаний (Патент US №5714913, опубл. 03.02.1998). Резонатор образован внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии. Во внутреннем проводнике коаксиальной линии расположены модулирующий и выходной бессеточные зазоры, которые обеспечивают взаимодействие электромагнитного поля в резонаторе с электронным потоком. Резонатор отдает СВЧ-энергию в отражающую секцию, которая представляет собой отражатель Брэгга, образованный гофрированным волноводом. Такая конструкция двухзазорного резонатора приводит к неоднородному распределению электрического поля в его зазорах и, соответственно, к увеличению электронного КПД прибора (теоретически до 57%).
1
0
1
о
Однако эта конструкция также является однолучевой с невысокой эффективностью группировки электронов в сгустки, характеризуемой отношением первой гармоники конвекционного тока (I) к постоянной составляющей (I):I/I<1.3. Поэтому для получения большой выходной мощности требуются высокие ускоряющие напряжения.
1
о
Известна конструкция СВЧ-генератора монотронного типа с открытой электродинамической системой, работающего в коротковолновой части микроволнового диапазона (Патент РФ №2118869, опубл. 10.09.1998). Пространство взаимодействия представляет собой прямоугольную канавку на плоском зеркале, ограниченную входной и выходной диафрагмами. В пространстве взаимодействия расположены дополнительные металлические диафрагмы с отверстиями для электронов, ориентированные параллельно диафрагмам. Электронный поток, испускаемый катодом, пройдя через диафрагмы, попадает в коллектор. В пространстве взаимодействия электронов и поля открытой электродинамической системы на пути электронного потока перпендикулярно направлению Е электромагнитного поля расположены одна или несколько дополнительных модулирующих диафрагм с отверстиями для электронного потока. Электрическое поле в открытой электродинамической системе нарастает от ее края к центру. Распределенное взаимодействие в многозазорной электродинамической системе позволяет сформировать в тормозящей фазе поля на выходной диафрагме более совершенный электронный сгусток (I/I>1.6), и таким образом, создать условия для повышения эффективности отбора энергии от электронного потока, а также снизить стартовый ток монотрона.
0
1
0
1
Однако данное устройство может использоваться в качестве источника электромагнитного излучения субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн и не предназначено для работы в дециметровом или сантиметровом диапазонах. Кроме того, как и для всех описанных выше однолучевых конструкций монотрона, получение большой выходной мощности требует высокого ускоряющего напряжения U. При этом затруднительно выполнение условия, необходимого для эффективного торможения электронного потока в выходной части пространства взаимодействия U=U, где U - амплитуда первой гармоники высокочастотного напряжения. Для уменьшения ускоряющего напряжения при той же выходной мощности необходимо переходить к многолучевой конструкции прибора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является мощный многолучевой СВЧ-генератор монотронного типа (Патент РФ №2391739, опубл. 10.06.2010), включающий катодную систему, объемный резонатор, коллектор и устройство связи с внешней нагрузкой. Объемный резонатор прибора выполнен однозазорным и имеет корпус в виде отрезка прямоугольного волновода или полого цилиндра с многоканальной пролетной трубой, установленной на одной из боковых крышек резонатора, примыкающей к коллектору. В другой боковой крышке выполнены отверстия для прохождения многолучевого электронного потока. Эта конструкция обеспечивает неоднородное распределение высокочастотного электрического поля в протяженном зазоре резонатора монотрона, что несколько улучшает эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора по сравнению с классическим монотроном на основе однозазорного многолучевого резонатора с однородным высокочастотным полем в зазоре.
Во втором варианте конструкции прибора для получения большей неравномерности распределения высокочастотного поля в зазоре предлагается в объемном резонаторе в промежутке между пролетными трубами параллельно торцевым стенкам объемного резонатора установить диафрагму с центральным отверстием для прохождения многолучевого электронного потока.
1
0
Однако в таком устройстве трудно получить хорошую группировку электронов в сгустки (I/I<1.3), как из-за неоднородности поля по радиусу в разных пролетных каналах, так и за счет неоптимального распределения этого поля вдоль пространства взаимодействия и, поэтому, в такой конструкции прибора сложно получить электронный КПД более 40%. Кроме того, характеристическое сопротивление резонатора невелико и составляет величину менее 50 Ом. Все это не позволяет добиться при большом уровне выходной мощности величины амплитуды высокочастотного поля в зазоре резонатора, сравнимой с величиной ускоряющего напряжения, что необходимо для эффективного отбора энергии от многолучевого потока.
Задачей заявляемого технического решения является повышение КПД и выходной мощности СВЧ-генератора монотронного типа.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в мощном СВЧ-генераторе монотронного типа, содержащем катодную систему, последовательно расположенные объемный резонатор цилиндрической формы с отверстиями в боковых крышках для пролета электронного потока, коллекторную систему, коаксиальное устройство связи с внешней нагрузкой, магнитную фокусирующую систему, расположенную по окружности объемного резонатора, согласно заявляемому техническому решению боковые крышки объемного резонатора, снабженные пролетными трубами с пролетными отверстиями, соединены между собой дополнительно введенным центральным опорным стержнем, расположенным по продольной оси объемного резонатора, на котором на равном расстоянии от боковых крышек закреплены две боковые диафрагмы, снабженные пролетными втулками с пролетными отверстиями, коаксиально расположенными относительно центрального опорного стержня. Между этими двумя диафрагмами установлена центральная диафрагма, закрепленная на внешней цилиндрической поверхности объемного резонатора, также снабженная пролетными втулками с пролетными отверстиями, так что между торцами этих втулок и торцами пролетных труб образованы четыре, равных по длине, высокочастотных зазора.
Кроме этого, центральный опорный стержень в области, непосредственно примыкающей к боковой крышке резонатора, находящейся около коллекторной системы, выполнен полым и является частью внешнего проводника коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой, расположенного симметрично оси прибора. В этой части внешний проводник коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой имеет несколько равноудаленных друг от друга отверстий для пропускания индуктивных элементов связи. Индуктивные элементы связи закреплены одним концом на боковой крышке объемного резонатора, находящейся около коллекторной системы, а другим концом соединены с внутренним проводником коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой.
Изобретение поясняется чертежами: фиг.1-6.
На фиг.1 показан продольный разрез конструкции мощного СВЧ-генератора монотронного типа.
На фиг.2 показана конструкция индуктивных элементов связи заявляемого устройства.
e
0
На фиг.3 показаны зависимости относительной электронной проводимости (G/G) от угла пролета (θ, рад) в резонаторе для разного числа зазоров (n=1, 2, 4).
На фиг.4 представлена картина силовых линий напряженности электрического поля в объемном резонаторе.
zm
m
zm1
zm2
zm3
zm4
m
На фиг.5 приведены относительные зависимости величины напряженности электрического поля (Е/Е) в зазорах четырехзазорного резонатора от продольной координаты z, где E - максимальная амплитуда напряженности электрического поля во входном зазоре объемного резонатора; Е, Е - максимальные амплитуды напряженностей электрического поля в промежуточных зазорах объемного резонатора; E - максимальная амплитуда напряженности электрического поля в выходном зазоре объемного резонатора, Е - максимальная амплитуда напряженности электрического поля в объемном резонаторе.
э
0
На фиг.6 приведена расчетная зависимость электронного КПД (η) мощного СВЧ-генератора монотронного типа с четырехзазорным объемным резонатором от величины ускоряющего напряжения (U, кВ).
Позициями на чертежах обозначены:
1 - катодная система, 2 - основание фокусирующего электрода, 3, 4 - керамический изолятор, 5 - анодное основание, 6, 7 - магнитный экран, 8 - объемный резонатор, 9 - боковые крышки, 10 - пролетные трубы, 11 - центральный опорный стержень, 12, 13 - боковые диафрагмы, 14, 15, 17 - пролетные втулки, 16 - центральная диафрагма, 18 - высокочастотные зазоры, 19 - внешний проводник, 20 - коаксиальное устройство связи с внешней нагрузкой, 21 - отверстия, 22 - индуктивные элементы связи, 23 - внутренний проводник, 24 - коллекторная система, 25 - магнитная фокусирующая система.
Мощный СВЧ-генератор монотронного типа включает в себя (фиг.1) катодную систему 1, состоящую из N катодов. Эта система связана с основанием фокусирующего электрода 2, в котором выполнены отверстия для формирования отдельных электронных пучков. Основание фокусирующего электрода 2 посредством керамического изолятора 3 соединено с анодным основанием 5. На анодном основании 5 соосно центрам N катодов закреплены N анодов с отверстиями для пролета отдельных электронных пучков. Анодное основание 5 соединено с магнитным экраном 6, например, посредством пайки. Другой магнитный экран 7 расположен в выходной части прибора.
Электродинамическая система представляет единый четырехзазорный объемный резонатор 8 цилиндрической формы. Боковые крышки 9 объемного резонатора 8, снабженные пролетными трубами 10 с пролетными отверстиями, соединены между собой дополнительно введенным центральным опорным стержнем 11, расположенным по продольной оси объемного резонатора 8. Центральный опорный стержень 11 закорачивает боковые крышки 9 корпуса объемного резонатора 8. На равном расстоянии от боковых крышек 9 на центральном опорном стержне 11 закреплены две боковые диафрагмы 12, 13, снабженные пролетными втулками 14, 15 с пролетными отверстиями, коаксиально расположенными относительно центрального опорного стержня 11. Между боковыми диафрагмами 12, 13 установлена центральная диафрагма 16, закрепленная на внешней цилиндрической поверхности объемного резонатора 8, также снабженная пролетными втулками 17 с пролетными отверстиями. Пролетные втулки 14, 15, 17 и пролетные трубы 10 расположены на одном равноудаленном расстоянии от оси прибора, соосно катодной системе 1 и коллекторной системе 24. Между торцами пролетных втулок 14, 15, 17 и торцами пролетных труб 10 образованы четыре, равных по длине, высокочастотных зазора 18.
Центральный опорный стержень 11 в области, непосредственно примыкающей к боковой крышке 9 объемного резонатора 8, находящейся около коллекторной системы 24, выполнен полым и является частью внешнего проводника 19 коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой 20, расположенного симметрично оси прибора. В этой части внешний проводник 19 коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой 20 имеет несколько равноудаленных друг от друга отверстий 21 для пропускания индуктивных элементов связи 22 (фиг.2). Индуктивные элементы связи 22 закреплены одним концом на боковой крышке 9 объемного резонатора 8, находящейся около коллекторной системы 24, а другим концом соединены с внутренним проводником 23 коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой 20.
Магнитный экран 7 отделяет корпус объемного резонатора 8 от коллекторной системы 24. Для электрической изоляции коллекторная система 24 соединена с магнитным экраном 7 через керамический изолятор 4. Коллекторная система 24 соосна с катодной системой 1.
Магнитная фокусирующая система 25, расположенная по окружности объемного резонатора 8, может быть выполнена в виде соленоида.
Прибор работает следующим образом.
За счет термоэлектронной эмиссии катодной системы 1 возникает электронный поток, который ускоряется анодами, расположенными на анодном основании 5, за счет приложения ускоряющего напряжения между катодной системой 1 и анодным основанием 5. Фокусирующие электроды, выполненные в виде отверстий в основании фокусирующего электрода 2, определяют начальную форму отдельных электронных потоков. Устройство работает по принципу автогенератора, то есть начальное возбуждение объемного резонатора 8 электронным потоком на 2π-виде колебаний осуществляется за счет хаотических автоколебаний электронов, возбуждающих объемный резонатор 8 на его рабочей частоте. Для работы монотрона в качестве автогенератора необходимо выполнение амплитудного условия самовозбуждения:
в
кон
е
G+G+G=0,
в
в
где G - проводимость нагрузки, внесенная в объемный резонатор, через идеальный трансформатор, не имеющий потерь, G>0;
кон
кон
С - проводимость объемного резонатора, определяемая собственными потерями, G>0;
e
e
G - электронная проводимость, вносимая модулированным электронным потоком в объемный резонатор, G<0.
e
При G<0 энергия, поглощаемая электронным потоком, становится отрицательной и этому соответствует отдача энергии от электронного потока во внешнюю цепь зазора. В этом режиме объемный резонатор, пронизываемый немодулированным электронным потоком, может быть использован в качестве генератора СВЧ-колебаний.
0
0
0
0
Относительная активная составляющая электронной проводимости Ge/G для четырехзазорного объемного резонатора (фиг.3) на синфазном виде колебаний имеет отрицательное значение, что способствует возникновению СВЧ-колебаний в СВЧ-генераторе. Для четырехзазорного объемного резонатора величина Ge/G по модулю больше по сравнению с Ge/G для одно- и двухзазорного объемного резонатора, что значительно облегчает условия самовозбуждения. Причем величина угла пролета θ, соответствующего максимуму отрицательного значения Ge/G, примерно такая же, как и для однозазорного объемного резонатора.
Пространство взаимодействия объемного резонатора 8 представляет собой четыре равных по длине высокочастотных зазора 18.
При указанных выше условиях возбуждения в объемном резонаторе 8 возможно взаимодействие электрического высокочастотного поля объемного резонатора с электронным потоком на 2π-виде колебаний при относительной длине резонатора равной L/λ≈1.0 (L - длина резонатора, м; λ - длина волны, м), при которой максимальные амплитуды напряженностей электрического поля в соответствующих высокочастотных зазорах 18, которые разделены пролетными втулками 14, 15, 17, увеличиваются от входного зазора к выходному (фиг.4), причем отношения этих амплитуд (фиг.5) и отношение амплитуды высокочастотного напряжения в выходном зазоре к ускоряющему напряжению удовлетворяют следующим условиям:
zm1
zm2
zm3
zm4
m
m4
0
где E - максимальная амплитуда напряженности электрического поля во входном зазоре объемного резонатора; E, Е - максимальные амплитуды напряженностей электрического поля в промежуточных зазорах объемного резонатора; Е - максимальная амплитуда напряженности электрического поля в выходном зазоре объемного резонатора, Е - максимальная амплитуда напряженности электрического поля в объемном резонаторе; U - амплитуда высокочастотного напряжения в выходном зазоре, U - ускоряющее напряжение.
1
0
Использование четырехзазорного объемного резонатора 8, обладающего, к тому же, высоким характеристическим сопротивлением (около 100 Ом), обеспечивает получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с высокочастотным электрическим полем и его однородность во всех пролетных отверстиях анодного основания 5. Такое распределенное взаимодействие в предлагаемой конструкции мощного СВЧ-генератора монотронного типа позволяет сформировать в тормозящей фазе поля при условии  эффективную группировку электронного потока (I/I>1.5) и, таким образом, создать условия для улучшения эффективности отбора энергии от электронного потока в выходном зазоре без нарушения его электрической прочности.
Применение коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой 20, расположенного симметрично оси прибора, а также симметричное расположение индуктивных элементов связи 22, которые закреплены одним концом на боковой крышке 9 объемного резонатора 8, а другим концом соединены с внутренним проводником 23 коаксиального устройства связи с внешней нагрузкой 20, обеспечивает отбор СВЧ-энергии из объемного резонатора и однородность высокочастотного поля в высокочастотных зазорах, и, следовательно, способствует повышению электронного КПД, примерно до 60% (фиг.6).
После прохождения объемного резонатора «отработанный» электронный поток осаждается на коллекторной системе 24.
Пример. Произведен расчет выходных параметров мощного СВЧ-генератора монотронного типа на частоту 2450 МГц.
0
0
э
На фиг.6 представлены результаты расчета КПД от величины ускоряющего напряжения U. Видно, что оптимальная величина U, соответствующая η=0.58 составила примерно 13 кВ.
3/2
k
Электродинамические расчеты показали, что при диаметре одного пролетного канала 3.6 мм можно разместить N=14 таких каналов на одинаковом радиусе относительно оси прибора. Микропервеанс одного луча выбран равным 0.3 мкА/В. Контурный КПД η принят равным 0.95.
Выходную мощность рассчитали по известной формуле
,
вых
∧
∧
Р=0.58·0.95·14·0.3(10-6)·13(5/2)=44.5 кВт.
Для выбранных оптимальных параметров электродинамической системы и электронного потока СВЧ-генератора монотронного типа возможно получение высокого уровня мощности, что позволит использовать такой прибор в качестве источника электромагнитных колебаний в СВЧ-энергетике и ускорительной технике.