ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН Российский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам, в частности к пролетным и пролетно-отражательным клистронам повышенной мощности.

Одними из основных требований, предъявляемых к СВЧ-генераторам повышенной мощности (Р_вых ≅10 Вт) коротковолнового участка сантиметрового диапазона длин волн, являются миниатюризация (масса < 250 г), низкие питающие напряжения (< 500 В), повышенная стабильность частоты ( ≥10³). Наиболее оптимально перечисленный комплекс параметров в сочетании с низким уровнем шумов, повышенной надежностью и большой долговечностью реализуют пролетные и пролетно-отражательные клистроны с электростатической фокусировкой электронного луча, которые по сравнению с полупроводниковыми СВЧ-генераторами обеспечивают больший уровень выходной мощности и работают более надежно при интенсивных тепловых и радиационных воздействиях на них. Снижение питающих напряжений (до нескольких сотен-десятков вольт) и уменьшение массы (до нескольких десятков граммов) связано с существенным уменьшением геометрических размеров деталей и межэлектродных расстояний клистронов, при которых затрудняется их изготовление и воспроизводимость параметров в производстве. Традиционные пролетные и пролетно-отражательные клистроны повышенной мощности сантиметрового диапазона длин волн работают при относительно большие массы (> 0,5 кг) и габариты.

Известен клистрон [1] , в котором использована трубка дрейфа с формой на краях, близкой к эллипсоидной, и сетками плоской формы, впаянными в ее торцы. Использование сеток плоской формы не способствует повышению токопрохождения электронов при низких напряжениях резонатора при применении оксидных катодов со сферической формой активной поверхности, характеризующихся повышенной эффективностью.

Известен пролетный двухрезонаторный усилительный клистрон [2] , выбранный в качестве прототипа, у которого часть конструктивных элементов резонатора, входной и выходной выводы энергии расположены вне вакуумной оболочки, а конструктивные элементы, выполняющие функции держателей сеток и трубки дрейфа, впаяны в конструктивный элемент вакуумной оболочки цилиндрической формы. В этом клистроне возможно использование трубок дрейфа и сеток различной формы, в частности сетчатой структуры эллипсоидальной формы в качестве трубки дрейфа, а настройка его на заданный комплекс параметров производится регулировкой параметров внешней резонаторной части.

В клистроне-прототипе, предназначенном для работы в длинноволновом участке сантиметрового диапазона длин волн, предусмотрено использование трубки дрейфа эллипсоидальной формы, состоящей из двух частей: сетки, изготовленной из высокотемпературного материала, и основания, изготовленного из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с коэффициентом теплопроводности материала сетки. Сочленение сетки с ее основанием любым способом (например, с помощью пайки припоем или запрессовки механическим способом) препятствует эффективному отводу тепла от сетки, приводит к механическим напряжениям и деформациям в местах сочленения, ухудшает формоустойчивость сеток и усложняет конструктивно-технологическое использование всего узла, а также воспроизводимость его параметров в производстве. При этом такое конструктивное исполнение трубки дрейфа непригодно для миниатюрных пролетных клистронов, работающих в коротковолновом участке сантиметрового диапазона длин волн при низких напряжениях резонатора и повышенных токах луча, когда в пространстве трубки дрейфа возникает минимум потенциала поля из-за сильного влияния пространственного заряда электронов, приводящий к возбуждению вредных релаксационных колебаний и, как следствие этого, к увеличению шума клистронов.

Целью изобретения является повышение термостабильности частоты, снижение уровня шумов и упрощение конструкции при сохранении низковольтности и миниатюрности.

Цель достигается тем, что в пролетном клистроне, содержащем блок активных резонаторов, по крайней мере одну трубку дрейфа сетчатой структуры эллипсоидальной формы и коллектор, малая ось трубки дрейфа расположена вдоль оси клистрона, а большая совмещена с плоскостью перегородки резонатора, держатели сетки и коллекторы имеют переменную толщину, уменьшающуюся в направлении боковой стенки резонатора, и сочленены с ней под острым углом, торцовая поверхность сплошного коллектора расположена над сетчатой структурой трубки дрейфа и повторяет ее форму, при этом реализуются следующие условия:
L/D= 0,35 - 0,6; α= 45-65; D_ct_c = D_pt_p, где L, D - малая и большая оси эллипсоида, мм;
α - угол наклона держателей сеток к стенке резонатора, град;
D_c, D_p - внутренний и внешний диаметры держателей сетки и коллектора, мм, ;
t_c, t_p - толщина держателей сетки и коллектора, соответствующая внутренним и внешним их диаметрам, мм.

В плоскости расположения большой оси эллипсоида установлены штыри в количестве 3 ≅n < 10 диаметром, равным толщине перемычки сетки, места крепления которых равномерно распределены по окружности, а концы удалены друг от друга на величину, равную шагу сетки.

Сущность изобретения заключается в том, что для реализации оптимальных параметров клистрона-прототипа необходимо устанавливать оптимальные расстояния между сетками с высокой точностью. Как правило, настройка клистронов на заданную частоту (или диапазон частот) производится на "холодных" измерениях путем однонаправленного приближения верхней и нижней сеток резонатора к сеткам трубки дрейфа, припаянной к боковым стенкам резонатора. Такая настройка клистрона затруднена, трудоемка и может привести к перекосам сеток и механическим напряжениям в держателях сеток, приводящим к повышенным температурным уходам частоты и снижению их надежности. Изготовление трубки дрейфа из материала с малым коэффициентом теплопроводности с целью обеспечения малого температурного ухода частоты клистрона и сочленения сеток с торцами трубки дрейфа с помощью припоя затрудняет эффективный отвод тепла от клистрона, а следовательно, и реализацию повышенной его долговечности при высокой надежности.

Проблема изготовления активного резонатора и, в частности, трубки дрейфа с сетками особенно осложняется при миниатюризации клистронов, когда трубка дрейфа оказывается настолько малой, что практически невозможным становится сочленение с ней сеток методом паек.

Для обеспечения эффективного отвода тепла в сочетании с повышенной термостабильностью частоты клистрона, рационально использование материалов трубки дрейфа с повышенным коэффициентом теплопроводности, такой формы и структуры, которые остаются неизменными при изменении ее температуры в широких пределах.

На фиг. 1 представлен клистрон-прототип; на фиг. 2 - предлагаемый клистрон; на фиг. 3 - его трубки дрейфа, вид сверху нижней половинки с четырьмя штырями; на фиг. 4 - зависимость ТКЧ (температурного ухода частоты) и отношения I_k/I от отношения L/D; на фиг. 5 - зависимость коэффициента геометрической прозрачности К штыревой структуры трубки дрейфа от количества штырей n.

Приняты следующие обозначения; 1 - полость резонатора, 2 - щель внутренней связи (входная петля связи для фиг. 1), 3 - держатель трубки дрейфа (перегородка), 4 - трубка дрейфа, 5 - катод, 6 - коллектор, 7 - вывод энергии, 8 - штырь L, D - длина и наружный диаметр трубки дрейфа соответственно; D_c - диаметр сетки; D_p - наружный диаметр резонатора; I, I_k - ток луча и коллектора соответственно;
K= 1- - коэффициент геометрической прозрачности штыревой структуры;
S_ш - площадь поверхности штыря, перехватывающая электроны;
Φ_ш - диаметр штыря мм; Ш_с - шаг сетки, мм; n - количество штырей.

В предлагаемом клистроне активный резонатор образован трубкой 4 дрейфа сетчатой структуры эллипсоидальной формы, в полости которой находится структура, состоящая из четырех штырей, предназначенных для выравнивания потенциала электрического поля, держателем коллектора 6 и держателем нижней сетки, торцом коллектора и нижней сеткой, внутренней боковой стенкой активного резонатора. Трубка дрейфа, держатели коллектора и сетки припаяны к внутренней стенке корпуса активного резонатора, причем последние расположены под острым углом α. Торцовая поверхность коллектора и нижняя сетка повторяют поверхность сетчатой структуры труби дрейфа, образуя вместе с ней входной и выходной ВЧ-зазоры резонатора. Электромагнитная связь между резонаторами осуществляется через щель 2, вывод 7 энергии предназначен для связи клистрона с нагрузкой или со стабилизирующим пассивным резонатором.

Электроны луча, ограниченного штрих-линиями, вылетая из катода 5, форма активной поверхности которого повторяет форму нижней сетки, и модулируясь ВЧ-полем входного зазора резонатора, группируются в полости трубки дрейфа в сгустки, которые затем взаимодействуют с тормозящим ВЧ-полем выходного зазора резонатора и попадают на торцовую поверхность коллектора. В результате в активном резонаторе возбуждаются и поддерживаются СВЧ-колебания, мощность которых отводится в полезную нагрузку через вывод 7 энергии.

Подбор формы трубки дрейфа, ее геометрических размеров, а также формы торцовой поверхности коллектора и нижней сетки производился экспериментально с контролем величины температурного ухода частоты (ТКЧ) и коэффициента токопрохождения (I_k/I ), от которого зависят величины мощности, КПД и другие электрические параметры клистрона. Результаты исследований представлены на фиг. 4. Постепенное уменьшение I_k/I с увеличением отношения L/D объясняется тем, что с возрастанием крутизны поверхности сеточной структуры трубки дрейфа возрастает и перехват электронов луча боковыми поверхностями конструктивных элементов (витков), образующих полотно сетки. Максимально допустимая величина снижения токопрохождения электронов луча через трубку дрейфа, при которой реализуются высокие электрические параметры клистрона, равна 0,8 при напряжении резонатора, меньшем 500 В, и токах луча до 150 мА.

Прежде чем дать анализ зависимости ТКЧ предлагаемого клистрона от отношения осей трубки дрейфа L/D , отметим, что относительная величина ТКЧ клистронов, использующих активные резонаторы тороидального типа, прямо пропорциональна относительному изменению расстояния между сетками, образующими ВЧ-зазоры резонаторов:
TKЧ ~ , где d_cc и Δd_cc - расстояние между сетками и его изменение;
Δ Т - интервал изменения температуры клистрона.

Как следует из фиг. 4, величина ТКЧ клистрона с увеличением L/D сначала уменьшается, а затем, достигнув минимальных значений 0,25˙ 10^-6 1/^oC при L/D = 0,45; 0,5, начинает увеличиваться. При L/D , равных 0,35-0,45 и 0,5-0,6, относительная величина ТКЧ клистрона увеличивается до предельно допустимой величины 1˙10^-5 1/^oC, отмеченной штрих-линией, параллельной оси абсцисс, на которой отложено отношение L/D. Следовательно, наилучшая формоустойчивость трубки дрейфа при изменении ее температуры в широких пределах (а следовательно, и наименьшая величина Δd_cc/d_cc) обеспечивается при L/D= 0,45-0,5, а при L/D= 0,35-0,45 и L/D= 0,5-0,6 изменения Δd_cc/d_cc не настолько большие, чтобы величина ТКЧ клистрона превысила норму, характерную для стабильных СВЧ-генераторов.

Угол наклона держателя сетки и коллектора к боковой стенке резонатора подбирался экспериментально с учетом не только реализации малых величин ТКЧ клистрона, но простоты его конструктивно-технологического исполнения и оптимизации полости активного резонатора. Установлено, что при сохранении достаточной механической жесткости и эффективном отводе тепла от сеток угол наклона, лежащий в пределах 45-65^о, обеспечивает возможность механической подстройки расстояния между сетками на "холодных" измерениях до требуемых величин. При этом с целью обеспечения механического перемещения держателей сеток их толщина равномерно уменьшается от сеток в направлении их сочленения с внутренней стенкой резонатора при обеспечении условий эффективного отвода тепла
D_ct_c = D_pt_p.

Как уже отмечалось, в пролетных клистронах могут возникать вредные релаксационные колебания, связанные с возникновением минимума потенциала в полости трубки дрейфа из-за сильного влияния пространственного заряда электронов луча. С целью предотвращения этого вредного явления при низких напряжениях резонатора и повышенных токах луча, а следовательно, обеспечения низкого уровня шумов клистрона в плоскости расположения большой оси эллипсоида целесообразно размещать конструктивные элементы различной формы, не ухудшая существенно токопрохождение электронов и выравнивая минимум потенциала. Для этого количество таких конструктивных элементов должно быть минимально, а конструкция штыревой структуры наиболее проста и технологична.

На фиг. 5 показана зависимость коэффициента прозрачности штыревой структуры, размещенной в полости трубки дрейфа, от количества штырей n, диаметры которых подбирались, исходя из равенства их величине перемычки сетки. Места крепления металлических штырей, изготовленных из вольфрама или сплава вольфрам-рений, равномерно располагались по окружности, а их концы были удалены друг от друга на величину, равную шагу сетки. В результате исследований установлено, что при такой величине удаления концов штырей друг от друга обеспечивается отсутствие касания их между собою при максимально возможных рабочих температурах клистрона и устраняется минимум потенциала в центре полости трубки дрейфа при максимальных величинах тока луча.

Для предотвращения падения потенциала в пространстве трубки дрейфа в режимах питания, типичных для миниатюрных клистронов повышенной мощности коротковолнового участка сантиметрового диапазона длин волн, достаточно применение структур, состоящих из трех штырей. Дальнейшее увеличение количества штырей, создавая более благоприятные условия для выравнивания потенциала в полости трубки дрейфа, приводит к заметному перехвату электронов луча (фиг. 5) и усложнению структуры штырей. Допустимая величина коэффициента прозрачности штыревой структуры (прямо пропорциональная коэффициенту токопрохождения электронов луча) ограничена штрих-линией, параллельной оси абсцисс, на которой отложено количество штырей n. Исходя из результатов исследования и факторов конструктивно-технологического характера рационально ограничить количество штырей пределами 3 ≅n < 10.

Возможно несколько способов изготовления активного резонатора с трубкой дрейфа сетчатой структуры в виде эллипсоида. Один из них состоит в следующем. В центре медных пластин выдавливаются выступы со слегка плоской вершиной. Затем в этих выступах с помощью электроэрозии изготавливаются сетки с заданными геометрическими параметрами. После отжига сетки формируются с помощью специальных электродов. Расположив выступы сеток в противоположных направлениях и сцентровав ячейки одной половинки относительно ячеек другой половинки, производят сварку пластин, выполняющих функции перегородки резонаторов и держателя трубки дрейфа. После того, как трубка дрейфа сетчатой структуры вмонтирована в корпус активного резонатора, производят центровку ячеек сеток трубки дрейфа и "холодную" настройку расстояний между сетками, образующими ВЧ-зазоры. Таким образом, сетка и основание трубки дрейфа в отличие от трубки дрейфа клистрона-прототипа изготовлены из единого материала с повышенным коэффициентом теплопроводности.

Центральное расположение ячеек всех сеток активного резонатора способствует повышению КПД, долговечности, надежности и снижению температурных уходов параметров клистронов.

Экспериментальные образцы клистронов, изготовленные с применением предложенного активного резонатора, были миниатюрными ( ≈160 г), низковольтными (< 500 В) и обеспечивали в коротковолновом участке сантиметрового диапазона длин волн выходную мощность Р_вых = 2,5 Вт при отсутствии вредных явлений, ухудшающих их шумовые характеристики.

Как показывают исследования, предложенные формы и соотношения геометрических размеров трубки дрейфа, держателей сетки и коллектора и угол их наклона к внутренней стенке резонатора обеспечивают высокое постоянство межэлектродных расстояний активного резонатора, влияющих на его параметры, при изменении температуры в широких пределах, несмотря на изготовление указанных конструктивных элементов из материала с большим коэффициентом теплопроводности (например, меди). При этом сочленение держателей сеток под острым углом с внутренней стенкой активного резонатора и уменьшающаяся их толщина по линейному закону и направлении стенки облегчают установку при изготовлении клистронов межсеточных зазоров, резонаторов с высокой точностью после того, как держатели уже припаяны.

Предложенные форма и структура трубки дрейфа клистрона одновременно с высокой ее формоустойчивостью способствуют высокому токопрохождению через нее электронов луча при низких напряжениях резонатора в случае использования экономичных оксидных катодов со сферической активной поверхностью, непосредственно расположенной под нижней сеткой резонатора. Отметим, что вместо традиционной верхней сетки в предложенном клистроне используется торец коллектора, форма поверхности которого повторяет форму поверхности сетчатой структуры трубки дрейфа.

Таким образом, поставленная задача выполнена, а созданные экспериментальные образцы пролетного двухрезонаторного генераторного клистрона коротковолнового участка сантиметрового диапазона длин волн обеспечивают при низком напряжении резонатора (< 500 В), малой массе (160 г) и повышенной термостабильности частоты (< 1˙10^-3), выходную мощность 2,5 Вт. При этом релаксационные колебания отсутствовали, а частотные шумы не уступали шумам лучших клистронных генераторов аналогичного конструктивного исполнения. (56) 1. Патент США N 2490030, кл. 250-27, 1949.

2. Патент ФРГ N 900480, кл. H 01 J 25/00, 1963.

Использование: в электровакуумной СВЧ-технике. Сущность изобретения: двухрезонаторный пролетный клистрон повышенной мощности с трубкой дрейфа сетчатой структуры эллипсоидальной формы и коллектором, в котором с целью реализации повышенной термостабильности частоты (10^-3-10^-4), низковольтности (500В), миниатюрности (0,25 кг) и простого конструктивного использования малая ось трубки дрейфа расположена вдоль оси клистрона, а большая совмещена с плоскостью перегородки резонатора, держатели сетки и коллектора выполнены переменной толщины, уменьшающейся по линейному закону в направлении боковой стенки резонатора, и сочленены с ней под острым углом, торцовая поверхность сплошного коллектора расположена над сетчатой структурой трубки дрейфа и повторяет ее форму, при этом выполняются условия L / D = 0,35 - 0,6; α=45-65 D_сt_с=D_рt_p, где L и D - малая и большая оси эллипсоида, мм; α - угол наклона держателей сетки к стенке резонатора, град; D_с и D_p - внутренний и внешний диаметры держателей сетки и коллектора, мм; t_с и t_р - толщина держателей сетки и коллектора, соответствующая их внутренним и внешним диаметрам, мм. 5 ил.

ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН , содеpжащий блок pезонатоpов, по кpайней меpе одну тpубку дpейфа сетчатой стpуктуpы элипсоидальной фоpмы и коллектоp, отличающийся тем, что, с целью повышения теpмостабильности частоты, снижения уpовня шумов, упpощения констpукции пpи сохpанении низковольтности и миниатюpности, малая ось тpубки дpейфа pасположена вдоль оси клистpона, а большая совмещена с плоскостью пеpегоpодки pезонатоpа, деpжатели сетки и коллектоpа выполнены пеpеменной толщины, уменьшающейся по линейному закону в напpавлении боковой стенки pезонатоpа, и сочленены с ней под остpым углом, тоpцевая повеpхность сплошного коллектоpа pасположена над сетчатой стpуктуpой тpубки дpейфа и повтоpяет ее фоpму, пpи этом выполняются условия
= 0.35 - 0.6 ; α = 45-65; D_сt_с = D_рt_р,
где L, D - малая и большая оси эллипсоида, мм;
α - угол наклона держателей сеток к стенке резонатора, град;
D_с, D_р - внутренний и внешний диаметры держателей сетки и коллектора, мм;
t_с, t_р - толщина держателей сетки и коллектора, соответствующая внутренним и внешним их диаметрам, мм,
а в плоскости pасположения большой оси эллипсоида установлены штыpи в количестве 3 ≅ n < 10 с диаметpом, pавным толщине пеpемычки сетки, места кpепления котоpых pавномеpно pасположены по окpужности, а концы удалены дpуг от дpуга на величину, pавную шагу сетки.