КОЛЛЕКТОР СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА Российский патент 1995 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к технике СВЧ электронных приборов, а именно к устройству усилителей и генераторов СВЧ О-типа, и может быть использовано в радиолокации, связи и других областях техники для усиления и генерации сигналов СВЧ.

Наиболее близким к изобретению является коллектор вакуумного электронного прибора, включающий проводящую токовоспринимающую поверхность из материала, выдерживающего высокие импульсные тепловые нагрузки, образованную тонкой конусной бериллиевой мембраной и расположенную на пути движения электронного потока. Снаружи бериллиевая мембрана в форме цилиндра, переходящего в конус, охлаждается жидкостью с большим атомным весом непосредственно или через массивный медный корпус. Применение такой конструкции в клистроне позволило рассеять импульсную мощность примерно 160 кВт/см² при коэффициенте заполнения 0,001.

Однако для создания современных мощных импульсных приборов миллиметрового диапазона длин волн необходима устойчивость к нагрузкам в 5-10 раз превышающим вышеприведенные. Конструктивным недостатком прибора с коллектором, имеющим конусную токовоспринимающую поверхность, является то, что конусная поверхность, снижающая рассеиваемую на единицу поверхности конуса мощность, не исключает более быстрого разрушения коллектора в вершине конуса, где токовоспринимающая поверхность остается перпендикулярной направлению движения электронного потока. Кроме того, использование в качестве теплоустойчивого материала бериллия менее эффективно, чем использование молибдена или вольфрама, которые позволяют рассеивать на единице поверхности примерно в 1,5-2 раза большую импульсную мощность. К недостаткам конструкции следует отнести сложность, значительные габариты и невысокую надежность крепления и охлаждения бериллиевой мембраны, тем более, что, в ряде случаев не требуется рассеивать высокую среднюю мощность, а на стойкости коллектора к импульсным нагрузкам жидкостное охлаждение коллектора практически не сказывается.

Низкая устойчивость указанного прибора к импульсным тепловым нагрузкам приводит к снижению его долговечности и надежности.

Таким образом, остается актуальной задача увеличения надежности и долговечности усилителей и генераторов СВЧ О-типа, уменьшения их габаритов и массы и обеспечения возможной простоты и надежности конструкции.

Целью изобретения является создание коллектора для СВЧ прибора О-типа с увеличенной надежностью и долговечностью, уменьшение габаритов и массы и упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что в коллекторе СВЧ прибора О-типа, содержащем на пути движения электронов проводящую поверхность из материала, выдерживающего высокие импульсные тепловые нагрузки, проводящая поверхность имеет такую форму и расположение, что угол падения электронов на поверхность α не превышает 30^о во всей области непосредственного контакта поверхности с электронным потоком. Величина угла α может выбираться в соответствии со следующим соотношением:
K˙P_уд.потsin α ≅ P_доп, где Р_уд.пот удельная мощность электронного потока, Вт/см²;
Р_доп предельно допустимая для данного материала и режима работы удельная тепловая нагрузка, Вт/см²;
k коэффициент запаса по тепловой нагрузке (K > 1).

Предложенное изменение конструкции позволяет, благодаря увеличению площади, непосредственно воспринимающей электронный поток, существенно уменьшать импульсную тепловую нагрузку на единицу площади в любой точке токовоспринимающей поверхности. Это позволяет исключить разрушение коллектора и благодаря этому повысить надежность и долговечность прибора.

Простота предложенной конструкции и ее малые габариты и масса позволяют создавать мощные импульсные приборы с уменьшенными габаритами и массой.

Кроме того, важным достоинством предложенной конструкции является то, что отраженные от токовоспринимающей поверхности электроны продолжают удаляться от пространства взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем благодаря малому углу между направлением движения электронного потока и токовоспринимающей поверхностью, что практически исключает возврат отраженных электронов в пространство взаимодействия.

На чертеже изображен один из возможных вариантов коллектора СВЧ-прибора О типа с проложенным коллектором.

Коллектор СВЧ-прибора О-типа содержит катод (не показан), фокусирующую электронный поток систему 1, в данном случае магнитную периодическую фокусирующую систему, и коллектор 2, содержащий проводящую, непосредственно воспринимающую электронный поток поверхность 3.

В данном случае коллектор состоит из трубки 4, образующей канал, через который проходит электронный поток, и расположенного внутри этой трубки стержня 5. Стержень изготавливается из материала, выдерживающего высокие импульсные тепловые нагрузки, например вольфрама, молибдена, бериллия, меди и других.

В данном случае стержень изготовлен из молибдена. Выбор материала определяется конструкцией и технологией изготовления коллектора и мощностью электронного потока. Обращенная к электронному потоку торцевая поверхность стержня может иметь любую форму и расположение, обеспечивающие угол не более 30^о между направлением движения электронного потока и плоскостью 3, например, форму слабовогнутой, в соответствии с расфокусировкой электронного потока поверхности. В этом случае угол падения электронов на поверхность 3 остается постоянным во всем сечении электронного потока. Поверхность, как в данном случае, может иметь форму плоскости, расположенной под углом не более 30^о к направлению движения электронного потока. В данном случае угол α 12^о.

Другая сторона стержня может быть запаяна в керамическую втулку 6, если коллектор изолированный (как в данном случае), и затем через трубку 7 крепится к корпусу усилителя. Рассмотренная конструкция коллектора является лишь одним из возможных вариантов. В частности, при неизолированном коллекторе керамическая втулка не требуется и стержень может быть непосредственно припаян к трубке 7.

Приведенная конструкция проста, технологична в изготовлении и имеет малую массу и габариты.

При работе предлагаемого коллектора электронный поток попадает на проводящую, токовоспринимающую поверхность коллектора 2 под малым углом α. Плотность тепловой нагрузки на токовоспринимающую поверхность пропорциональна мощности электронного потока и синусу угла α. На практике целесообразно выбирать такой угол α, чтобы импульсные тепловые нагрузки на поверхность 3 были в 1,5-3 раза ниже допустимых для используемого материала коллектора. Дальнейшее уменьшение угла дополнительных преимуществ не дает, но требует некоторого увеличения габаритов коллектора.

В данном случае угол α 12^о, следовательно, импульсная нагрузка на поверхность коллектора снижается примерно в 5 раз. При угле α 30^оэффективность предложенного коллектора становится сравнимой с результатом, получаемым за счет расфокусировки электронного потока в конусном коллекторе.

Отраженные от токовоспринимающей поверхности электроны двигаются под углом 2 α к первоначальному направлению движения электронного потока и, следовательно, при угле α ≅ 30^о будут продолжать удаляться от пространства взаимодействия, ударяясь последовательно о внутреннюю поверхность трубки 4 и торцовую поверхность 3 стержня 5. При угле α ≅ 30^о требуется не менее 5 отражений электрона от стенок коллектора, чтобы он мог снова попасть в пространство взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем коллектора, что практически обеспечивает отсутствие в этом пространстве отраженных электронов и связанных с этим явлением (увеличение шумов, падение КПД и т.д.).

Предлагаемая конструкция коллектора СВЧ-прибора О-типа была успешно реализована в малогабаритном усилителе О-типа (ЛБВо) с плотностью импульсной мощности электронного потока 3000 кВт/см² при коэффициенте заполнения 0,002 и длительности импульса 0,8 мкс. При этом важно отметить, что при попытке использовать при таких импульсных нагрузках молибденовый коллектор, имеющий форму цилиндра, переходящего в конус (см. прототип), коллектор начинал разрушаться в области вершины корпуса уже при работе в течение 1 ч.

Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет:
создавать усилители и генераторы СВЧ О-типа с повышенными импульсными мощностями электронного потока, что особенно важно при создании коротковолновых, например, миллиметрового диапазона длин волн приборов;
существенно повысить надежность и долговечность усилителей и генераторов СВЧ О-типа с большими удельными импульсными тепловыми нагрузками;
уменьшить габариты и массу и упростить конструкцию мощных импульсных усилителей и генераторов СВЧ О-типа.

Кроме того, предложенное техническое решение не исключает одновременного использования воздушного или жидкостного охлаждения или использования покрытий, например, графитом с целью улучшить охлаждение коллектора за счет теплового излучения. Эти дополнительные меры могут позволить в необходимых случаях увеличить не только импульсную, но и среднюю мощность электронного потока.

Использование: в усилителях и генераторах СВЧ О-типа. Сущность изобретения: коллектор прибора содержит проводящую, непосредственно воспринимающую электронный поток поверхность из выдерживающего высокие импульсные нагрузки материала и имеющие такую форму и расположение, что образует с направлением движения электронного потока угол не более 30° во всей области непосредственного контакта с электронным потоком. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. КОЛЛЕКТОР СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА, содержащий проводящую поверхность из материала, выдерживающего высокие импульсные тепловые нагрузки, расположенную на пути движения электронов, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности и долговечности, уменьшения массы и габаритов и упрощения конструкции, проводящая поверхность имеет такие форму и расположение, что угол α падения электронов на поверхность не превышает 30^o во всей области контакта поверхности с электронным потоком. 2. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что величина угла a выбирается из соотношения
K·P_уд.пот·sinα≅ P_доп,
где P_уд.пот удельная мощность электронного потока, Вт/см²;
P_доп предельно допустимая для данного материала коллектора и режима работы удельная тепловая нагрузка, Вт/см²;
K > 1 коэффициент запаса по тепловой нагрузке.