СВЧ-ПРИБОР О-ТИПА Российский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к СВЧ-электронике и более конкретно к мощным электровакуумным приборам "0" типа с магнитной фокусировкой электронных потоков.

Наличие магнитных полей рассеяния в приборах, использующих для фокусировки постоянные магниты, является причиной возникновения значительных пульсаций электронов в предколлекторной части, и, следовательно, приводит к неравномерному токооседанию на внутренней поверхности коллектора.

Известен СВЧ-прибор "0" типа с магнитной фокусировкой, в котором для предотвращения значительных пульсаций электронов предколлекторной области используют вспомогательные магниты или магнитные экраны, охватывающие коллекторную часть прибора.

Недостатком такой конструкции является большие габариты и вес системы и, следовательно, прибора в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является СВЧ-прибор "0" типа, содержащий магнитную фокусирующую систему с полюсными наконечниками, коллекторную систему, устройство преобразования магнитного поля рассеяния. Устройство преобразования выполнено в виде двух профилированных коаксиальных цилиндров из магнитомягкого материала. При этом толщины стенок наружного d₁ и внутреннего d₂ цилиндров выбраны в соответствии с соотношением d₁d₂ = 7-15. Это устройство дает возможность изменять исходное колоколообразное распределение магнитного поля с плавным нарастанием и спадом его величины на значительно изрезанное распределение поля с двумя узкими зонами "всплесками" магнитного поля составляющим по величине 15-30% поля в рабочей области в начале и в конце области поля рассеяния. Ширина зон "всплесков" поля составляет 10-30%, между которыми расположена широкая зона с малым уровнем поля, составляющим 5-15% от значения рабочего поля в области взаимодействия. Такое распределение магнитного поля позволяет обеспечивать равновесное движение электронов и следовательно, предотвратить возникновение резких пульсаций пучка в коллекторной системе прибора с последующим равномерным растиранием в полости коллектора.

Недостатком этого устройства является то, что распределение магнитного поля, получаемое при определенной конфигурации коаксиальных экранов, обеспечивает требуемую фокусировку электронного пучка в коллекторной системе только для заданных его электрических параметров или относительно небольших отклонениях от заданных.

Однако в ряде мощных СВЧ-приборов "0" типа, работающих в различных режимах, параметры электронных пучков могут значительно различаться. Например, величина тока в двух режимах ЛБВ может отличаться в несколько раз в разных режимах. Более того, в приборах (например клистроны и "прозрачные" ЛБВ) с большими значениями электронного КПД на выходе из области взаимодействия в одном и том же пучке имеются группы электронов значительно различающихся по величине скорости. В таких приборах устройство преобразования магнитного поля не может одновременно обеспечить фокусировку всех групп электронов. Если параметры первого "всплеска" поля выбраны так, что электроны, обладающие наибольшей скоростью по выходе из линзы, движутся параллельно оси или под небольшим углом к оси, а во втором "всплеске" поля (расположенном ближе к коллектору) дополнительно фокусируются, то в этой группе электронов предотвращаются резкие пульсации пучка. В то же время на группу более медленных электронов первый "всплеск" поля оказывает сильное фокусирующее воздействие так, что на выходе из него пучок резко сжимается до малого диаметра, не дойдя до второго "всплеска" поля, снова резко расширяется (в области малых магнитных полей). Во втором "всплеске" происходит повторная значительная фокусировка пучка. В пучке возникают резкие пульсации, приводящие к неравномерному токооседанию в предколлекторной части и в коллекторе прибора. Таким образом, устройство не обеспечивает достаточную фокусировку электронных пучков в коллекторной системе, за счет чего ухудшаются эксплуатационные параметры прибора.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных параметров приборов с высоким электронным КПД путем повышения степени фокусировки электронных пучков в коллекторной области.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-приборе "0" типа, содержащем электронную пушку, электродинамическую систему магнитно-фокусирующую систему с полюсными наконечниками, коллекторную систему, устройство преобразования магнитного поля рассеяния, расположенное на участке между коллектором и коллекторным полюсным наконечником, устройство преобразования выполнено в виде двух профилированных аксиальных конусно-цилиндрических экранов, расположенных последовательно друг за другом вдоль оси прибора и отделенных друг от друга, от коллектора и коллекторного полюсного наконечника немагнитными зазорами, при этом вершины конусных частей профилированных экранов направлены в сторону коллекторного полюсного наконечника, а геометрические размеры профилированных экранов и немагнитных зазоров выбраны в соответствии с соотношениями
2l_э + l_з>0,5L_м, <0,80,8, где l_э - осевая длина профилированного экрана;
l_з - осевая длина немагнитного зазора между экранами;
L_м - осевая длина радиально намагниченного магнита, расположенного на коллекторном полюсном наконечнике;
d_э - наружный диаметр цилиндрической части профилированного экрана;
D_м - внутренний диаметр радиально намагниченного магнита.

Кроме того, между коллекторным полюсным наконечником и ближайшим к нему профилированным экраном и соосно им установлен аксиально намагниченный кольцевой магнит, полярность которого по отношению к полюсному наконечнику совпадает с полярностью магнита, расположенного на коллекторном полюсном наконечнике радиально-намагниченного магнита.

Выполнение устройства преобразования магнитного поля рассеяния в виде двух профилированных аксиальных конусно-цилиндрических экранов, расположенных последовательно друг за другом вдоль оси прибора и отделенных друг от друга, от коллекторного полюсного наконечника и от коллектора немагнитными зазорами, расположение экранов так, что вершины конусных частей экранов направлены в сторону коллекторного полюсного наконечника, а также выполнение геометрических размеров экранов и немагнитных зазоров между ними в соответствии с соотношениями
2l_э + l_p ≥ 0,5L_м, <0,8 0,8 позволяет преобразовать исходное колоколообразное распределение магнитного поля рассеяния на участке между коллекторным полюсным наконечником и коллектором в значительно изрезанное вдоль оси прибора с двумя узкими зонами повышенного уровня поля, расположенными ближе к полюсному наконечнику, и третьей широкой зоной повышенного уровня поля, расположенной ближе к коллектору, причем зоны повышенного уровня поля разделены между собой зонами малого уровня поля.

Указанное выполнение устройства преобразования магнитного поля увеличивает его эффективность по предотвращению возникновения в предколлекторной и коллекторной частях прибора резких пульсаций электронных пучков и обеспечению равномерного токооседания на внутренней поверхности коллектора. Это позволяет расширить область применения устройства преобразования на СВЧ-приборах "0" типа с более высокими выходными и эксплуатационными параметрами, например, на приборы с более высокими значениями электронного и технического КПД и на двухрежимные ЛБВ.

На фиг.1 и 2 изображен СВЧ-прибор "0" типа (продольное сечение).

СВЧ-прибор содержит электронную пушку 1, электродинамическую систему 2 с выводами энергии, помещенную в оболочку 3 из немагнитного материала, к торцам которой вакуумно плотно подсоединен пушечный 4 и коллекторный 5 полюсные наконечники из магнитомягкого материала. На наконечниках 4 и 5 установлены радиально намагниченные магнитные блоки 6 и 7, соединенные между собой магнитопроводом 8. Полюсные наконечники с радиально намагниченными блоками и магнитопроводом образуют магнитную фокусирующую систему, создающую однородное магнитное поле величиной 0,6-0,8 Тл в рабочем пространстве прибора (в межполюсном зазоре), а также колоколообразное поле рассеяния в предколлекторной и коллекторной частях прибора. Устройство преобразования магнитного поля рассеяния, расположенное между наконечником 5 и коллектором 9 и выполненое в виде двух профилированных аксиальных конусно-цилиндрических экранов 10, установленных последовательно друг за другом вдоль оси прибора и отделенных друг от друга, от коллекторного полюсного наконечника 5 и от коллектора 9 немагнитными зазорами. При этом вершины конусных частей экранов 10 направлены в сторону наконечника 5. Наконечник 5 соединен с ближайшим к нему профилированным экраном 10 через посредство немагнитной втулки 11, на которой установлен аксиально намагниченный кольцевой магнит 12. Экраны 10 вакуумно плотно скреплены между собой немагнитной втулкой 13, а через посредство немагнитной втулки 14 и керамической втулки 15 с коллектором 9. На втулке 14 закреплен торцовой магнитный экран 16 из магнитомягкого материала. Устройство позволяет осуществлять преобразование исходного колоколообразного плавно нарастающего и спадающего магнитного поля рассеяния в значительно изрезанное (с тремя зонами повышенного уровня поля) "всплесками" поля (распределение поля). При этом первый "всплеск" поля образуется на участке между наконечником 5 и ближайшим к нему экраном 10, а второй "всплеск" поля - соответственно на участке между экранами 10. На участке между коллектором 9 и ближайшим к нему экраном 10 образуется третья зона повышенного уровня поля на протяженности более широкая, чем первый или второй "всплески".

Выбором размеров профилированных экранов 10, осевого положения их относительно друг друга и наконечника 5 определяется осевое положение первого и второго "всплесков" поля и уровня поля в них, осевая протяженность "всплеска" поля, а также уровень и протяженность зон малого уровня поля, расположенных между первыми и вторыми "всплесками" поля. Выбор геометрических размеров профилированных экранов и немагнитных зазоров определяется конкретными параметрами электронного пучка и магнитной системы. При этом должны соблюдаться следующие соотношения:
2l_э + l_з ≥ 0,5Lм, <0,8 0,8, где l_э - осевая длина профилированного экрана;
l_з - осевая длина немагнитного зазора между экранами;
L_м - осевая длина радиально намагниченного магнита;
d_э - наружный диаметр цилиндрической части профилированного экрана;
D_м - внутренний диаметр радиально намагниченного магнита 2. Выбирать размеры в соответствии с соотношением 2l_э + l_з < 0,5L_м нецелесообразно, так как при этом не удается одновременно выполнить требование на осевое положение первого и второго "всплесков" поля относительно коллекторного полюсного наконечника 5 и на протяженность и уровень поля во "всплесках". Для того, чтобы приблизить "всплески" поля к наконечнику 5 необходимо уменьшить расстояние между ними и экранами 10. Однако при этом значительно уменьшается уровень поля в зоне "всплесков" поля. Нецелесообразно также выбирать отношение диаметров d_э/D_м>0,8, так как при этом снижается уровень магнитного фокусирующего поля в рабочей области прибора и, в особенности, вблизи к наконечнику 5 и, следовательно, нарушаются условия фокусировки электронного пучка в области взаимодействия с высокочастотным полем СВЧ-прибора.

Дополнительная корректировка распределения магнитного поля обеспечивается кольцевым магнитом 12 и торцовым дисковым экраном 16. Магнит 12 расположен соосно между наконечником 5 и ближайшим к нему экраном 10. Полярность дополнительного магнита 12 по отношению к наконечнику 5 совпадает с полярностью основного блока 7. Такое расположение дополнительного магнита 12 позволяет увеличить уровень поля не только в первом "всплеске" поля, но также и в рабочей области прибора вблизи наконечника 5. При незначительной массе по сравнению с массой основного магнита 7 (менее 5%) дополнительный магнит позволяет обеспечивать корректировку (увеличение) уровня поля в первом "всплеске" до 30% и боле. Торцевой дисковый экран 16 позволяет уменьшать ширину третьей зоны повышенного уровня поля. При этом заметно уменьшается уровень магнитного поля во входной части коллектора, что дает возможность применять коллекторы 9 меньшей длины и, следовательно, меньшего веса.

Работа СВЧ-прибора "0" типа, содержащего предлагаемое устройство преобразования магнитного поля рассеяния коллекторной части прибора, заключается в следующем.

Электронный пучок 17, сформированный электронной пушкой 1, проходит через пролетный канал электродинамической системы 2, где взаимодействует с СВЧ-полем прибора. После выхода из области взаимодействия с СВЧ-полем электродинамической системы прибора пучок интенсивно расширяется в пролетном канале коллекторного полюсного наконечника 5. Диаметр пучка при этом увеличивается в десять раз и более раз по сравнению с его диаметром в рабочей области прибора. Затем снова фокусируется в первом и втором "всплесках" магнитного поля и попадает в третью зону повышенного уровня поля, где совершая одну - две небольших пульсаций, плавно расширяется и равномерно оседает на внутренней поверхности коллектора 9. Распределение поля, создаваемое СВЧ-прибором, позволяет обеспечить фокусировку пучков с большим разбросом электронов по скоростям, который неизбежно возникает в приборах с большими значениями электронного КПД. При этом требуется фокусировка наиболее медленных групп электронов, обеспечивается первым "всплеском" магнитного поля, расположенным между наконечником 5 и ближайшим к нему экраном 10, а фокусировка более быстрых групп электронов соответственно вторым "всплеском" поля, находящимся между экранами 10.

Таким образом, устройство преобразования магнитного поля рассеяния позволяет повысить степень фокусировки электронных пучков в коллекторной области СВЧ-приборов "0" типа с высоким электронным КПД, предотвратить возникновение резких пульсаций пучков в предколлекторной части прибора и обеспечить равномерное токооседание на внутренней поверхности коллектора, что дает возможность повысить техническое КПД прибора за счет рекуперации энергии, снизить тепловую нагрузку на коллектор и уменьшить энергозатраты на охлаждение коллектора, что улучшает эксплуатационные параметры прибора.

Кроме того, указанное устройство позволяет улучшить фокусировку электронных пучков в коллекторной области СВЧ-приборов "0" типа, работающих в разных режимах, например в двух режимных ЛБВ. В таких приборах при работе в режиме малых токов фокусиpовка пучков в коллекторной области обеспечивается в основном во втором "всплеске" поля, а в режиме больших токов - в первом и втором "всплесках" магнитного поля рассеяния.

Использование: мощные электровакуумные приборы "О" типа с магнитной фокусировкой электронных потоков. Цель: обеспечение требуемой степени фокусировки электронных пучков с различными параметрами. Сущность: СВЧ прибор "О" типа содержит электронную пушку, электродинамическую систему, магнитно - фокусирующую систему с полюсными наконечниками, коллекторную систему, блок преобразования магнитного поля рассеяния, расположенный соосно с электронным пучком на участке между коллектором и коллекторным полюсным наконечником и выполненный в виде двух профилированных конусно-цилиндрических аксиальных экранов, расположенных последовательно друг за другом вдоль оси прибора и отделенных друг от друга, от коллектора и от коллекторного полюсного наконечника немагнитными втулками, при этом вершины конусных частей профилированных экранов направлены в сторону коллекторного полюсного наконечника, а геометрические размеры экранов и немагнитных зазоров выбраны по определенным соотношениям. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ-ПРИБОР О-ТИПА, содержащий электронную пушку, электродинамическую систему, магнитно-фокусирующую систему с полюсными наконечниками, коллекторную систему и блок преобразования магнитного поля рассеяния в виде двух профилированных экранов, расположенных соосно с электронным пучком на участке между коллектором и коллекторным полюсным наконечником, отличающийся тем, что, с целью обеспечения требуемой степени фокусировки электронных пучков с различными параметрами, профилированные экраны блока преобразования выполнены конусно-цилиндрическими, расположены последовательно вдоль оси прибора, при этом вершины конусных частей профилированных экранов направлены в сторону коллекторного полюсного наконечника, между коллектором, профилированными экранами и коллекторным полюсным наконечником размещены немагнитные втулки, а геометрические размеры профилированных экранов и немагнитных втулок выбраны в соответствии с соотношениями
2l_э+l_з ≥ 0,5L_N , < 0,8 ,
где l_э - осевая длина профилированного экрана;
l_з - осевая длина немагнитной втулки между профилированными экранами;
L_м - осевая длина основного радиально намагниченного магнитного блока, установленного на коллекторном полюсном наконечнике магнитно-фокусирующей системы прибора;
d_э - величина наружного диаметра цилиндрической части профилированного экрана;
D_м - величина внутреннего диаметра основного радиально намагниченного магнитного блока. 2. СВЧ-прибор по п.1, отличающийся тем, что между коллекторным полюсным наконечником и ближайшим к нему профилированным экраном соосно с ними размещен аксиально намагниченный кольцевой магнит, полярность которого по отношению к коллекторному полюсному наконечнику совпадает с полярностью радиально намагниченного магнита, расположенного на коллекторном полюсном наконечнике.