СЕКЦИОНИРОВАННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ И ЕЕ ВАРИАНТ Российский патент 2004 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к конструкции электровакуумных приборов типа -О и может быть использовано в мощных лампах бегущей волны (ЛБВ) и в гибридных приборах.

Известны секционированные ЛБВ с замедляющими системами (ЭС) типа цепочки связанных резонаторов [1-3].

В [1] описана ЛБВ, в которой межсекционные нагрузки представляют собой отрезки волновода с помещенным в них клиновидным поглотителем. Эти нагрузки установлены перпендикулярно оси лампы и поэтому увеличивают ее поперечные размеры, а при использовании совмещенной магнитной периодической фокусирующей системы вызывают трудности в удержании электронного пучка, т.к. нарушают однородность в распределении магнитного поля.

В [2] между секциями прибора расположена проводящая прокладка, по длине равная одному резонатору ЭС, в которой друг над другом выполнены изолированные полукруглые резонаторы со вставленными в них поглотителями в форме пуговки. Сложность формы резонаторов и поглотителей затрудняет изготовление прибора, малые размеры поглотителей не позволяют обеспечить большое ослабление и высокий уровень рассеиваемой мощности, а отсутствие средств вне поглощающих резонаторов для согласования их с ЗС не дает возможности получить низкий уровень коэффициента отражения.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является секционированная ЛБВ, предложенная в патенте [3].

В этом приборе между секциями ЗС типа цепочки связанных резонаторов установлены сплошные проводящие диски, к которым с обеих сторон примыкают резонаторы ЗС со вставленными в них поглощающими кольцами. Кольца примыкают к межсекционным дискам, за счет чего в основном от них и осуществляется теплоотвод. Этот теплоотвод невелик, т.к. материал поглотителя, алюмооксидная пористая керамика, пропитанная углеродом, имеет малую теплопроводность.

В конструкции [3] поглощающие кольца удалены от щелей связи, около которых находятся интенсивные электрические поля, что приводит к малому затуханию и, кроме того, в ней, как и в [2], отсутствуют средства согласования поглощающих резонаторов с секциями ЗС после их сборки.

Таким образом задачей изобретения является повышение уровня средней мощности секционированной ЛБВ, увеличение поглощения нагрузок на концах ее секций, улучшение их согласования с секциями.

Указанная задача в первом варианте решается тем, что секции цепочек связанных резонаторов выполнены из ферромагнитных дисков и установленных между ними немагнитных диафрагм с азимутальными щелями связи. Щели в диафрагмах повернуты относительно щелей в дисках на угол π радиан, а на оси дисков и диафрагм выполнены трубки дрейфа, разделяющие секции проводящие диски выполнены из ферромагнитного металла, кольцеобразный поглотитель выполнен с внутренним диаметром d_пв, заключенным в пределах 2r_щв≥_{dпв≥dтв, где rщв - внутренний радиус щели связи, dтв - внутренний диаметр трубки дрейфа, и по наружному диаметру впаян в продольную часть диафрагмы, причем со стороны поглотителя поперечная часть диафрагмы выполнена плоской, зазор между плоской поверхностью поперечной части диафрагмы и кольцеобразным поглотителем hз относительно диаметра резонатора dр установлен в интервале от 0,01 до 0,05, а его толщина hп относительно высоты резонатора hр в пределах от 0,3 до 0,7; на трубке дрейфа ферромагнитного диска цепочки связанных резонаторов, со стороны диафрагмы с поглотителем, установлен кольцеобразный немагнитный проводящий элемент с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа, причем угол β между серединами щелей в диафрагме с поглотителем и в примыкающем к ней ферромагнитном диске цепочки связанных резонаторов выполнен в пределах 2π - α ≥ β ≥ α , где α - угол раствора щели связи в секции цепочки связанных резонаторов.}

Во втором варианте решение поставленной задачи требует дополнительной установки на поверхности ферромагнитного диска цепочки связанных резонаторов со стороны диафрагмы с поглотителя одного-двух немагнитных проводящих элементов.

Использование двух вариантов конструкции для решения поставленной задачи связано с тем, что в процессе производства приборов возникают погрешности изготовления деталей, сборки и пайки секций цепочек связанных резонаторов. Компенсация этих погрешностей и требует применения двух вариантов предложенной конструкции.

На фиг.1 показан предложенный прибор частично в продольном сечении.

На фиг.2 изображен в увеличенном масштабе фрагмент F продольного сечения прибора.

На фиг.3 показан вид слева фрагмента F прибора.

На фиг.1-3: 1 - электронная пушка, 2 - ввод, 3 - вывод энергии, 4 - патрубок ввода, 5 - патрубок вывода охлаждающей жидкости, 6 - постоянный магнит, 7 - ферромагнитные диски секций цепочки связанных резонаторов, 8 - немагнитные диафрагмы секций цепочек связанных резонаторов, 9 - ферромагнитные диски, разделяющие секции прибора, 10 - немагнитные кольца, ограничивающие каналы охлаждения, 11 - трубки дрейфа, 12 - азимутальные щели связи, 13 - кольцеобразный поглотитель, 14 - немагнитная диафрагма с плоской поверхностью со стороны кольцеобразного поглотителя, 15 - немагнитный бандаж (например, молибденовый), 16 - кольцеобразный немагнитный проводящий элемент, установленный на трубке дрейфа, 17 - немагнитный проводящий элемент, установленный на поверхности ферромагнитного диска секции цепочки связанных резонаторов, 18 - каналы для протекания охлаждающей жидкости, 19 - электронный пучок, 20 - коллектор электронов.

Заявленная лампа бегущей волны содержит электронную пушку 1, создающую электронный поток 19, коллектор электронов 20, ввод 2 и вывод 3 энергии, секции цепочек связанных резонаторов, образованные ферромагнитными дисками 7 и немагнитными диафрагмами 8 с азимутальными щелями связи 12 и трубками дрейфа 11, постоянные магниты 6, установленные между ферромагнитными дисками 7, ферромагнитные диски 9 с трубками дрейфа 11, разделяющие секции цепочек связанных резонаторов, немагнитные диафрагмы 14 с впаянными в их продольные части кольцеобразными поглотителями 13, немагнитный (например, молибденовый) бандаж 15, установленный на диафрагме 14 напротив кольцеобразного поглотителя 13, кольцеобразный немагнитный проводящий элемент 16 с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа 11, установленный на трубке дрейфа ферромагнитного диска 7 со стороны диафрагмы 14, один-два немагнитный проводящий элемент 17, установленный на поверхности ферромагнитного диска 7, обращенной к диафрагме 14, патрубок 4 для ввода охлаждающей жидкости, каналы 18 для ее протекания, ограничивающие каналы 18 немагнитные кольца 10 и патрубок 5 для вывода охлаждающей жидкости.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Электронная пушка 1 создает пучок 19, который движется вдоль оси прибора, удерживаемый периодическим магнитным полем, созданным постоянными магнитами 6 между трубками дрейфа ферромагнитных дисков. На вход 2 прибора подается электромагнитная волна, которая замедляется в секциях цепочек связанных резонаторов, образованных ферромагнитными дисками 7 и немагнитными диафрагмами 8 со щелями связи 12 и трубками дрейфа 11, до скорости меньшей скорости электронного пучка. При торможении пучка в поле волны ее мощность усиливается.

Электромагнитная волна, усиленная в секции прибора, попадает в резонатор, в котором установлен кольцеобразный поглотитель 13. Отразившись от диска 9, разделяющего секции, прибора она возвращается ослабленной в секцию цепочки связанных резонаторов. Это ослабление тем больше, чем сильнее электрическое поле, в котором находится поглощающая керамика. Выполнение поперечной части диафрагмы 14, обращенной к кольцеобразному поглотителю, плоской и приближение к ней поглотителя увеличивает электрическое поле, в котором находится поглотитель, что позволяет в 1,3-1,4 раза увеличить ослабление. Коэффициент отражения электромагнитной волны в секции цепочки связанных резонаторов, соответствующий ослаблению, вносимому поглотителем, достигается с помощью установки на трубке дрейфа ферромагнитного диска в одном из вариантов конструкции только кольцеобразного немагнитного проводящего элемента 16, а в другом дополнительно еще одного-двух немагнитных проводящих элементов 17 на его поверхности.

Таким образом, как усиленная, так и отраженная мощность в первой и промежуточных секциях прибора практически полностью рассеивается в поглотителях 13 на их смежных концах. От секции к секции передается модуляция электронного пучка 19 и в последнюю секцию прибора поступает хорошо промодулированный пучок. Электромагнитная волна, возбужденная в выходной секции электронными сгустками, усиливается вдоль ее длины и проходит через вывод энергии 3 во внешний волноводный тракт (не показан). Отработанный электронный пучок 19 рассеивается в коллекторе 20. Тепло, выделяемое в кольцеобразных поглотителях 13, спай которых с поперечной частью диафрагмы 14 предохраняется от растрескивания молибденовым бандажом 15, и тепло, выделяемое в других деталях прибора из-за токооседания и поглощения энергии электромагнитной волны, отводится охлаждающей жидкостью (не показана), поступающей в патрубок 4, проходящей через каналы 18, ограниченные снаружи немагнитными кольцами 10, и выходящей через патрубок 5.

Согласующие элементы (немагнитные проводящие кольца и диски) устанавливаются на ферромагнитном диске, т.к. материал диска (железо) и материал согласующих элементов (немагнитная нержавеющая сталь) хорошо соединяются контактной и лазерной сваркой.

Интервалы изменения аксиальных h_к, h_э, h_п, h_з, радиальных d_к, d_э, d_пв и азимутального β размеров (см. фиг.3 и 4) были получены на основе обработки большого количества экспериментальных данных. Эти интервалы имеют следующие границы:

2π - α ≥ β ≥ α .

Довольно широкие интервалы изменения размеров согласующих элементов и угла между серединами щелей связи в ферромагнитном диске и примыкающей к нему диафрагме с поглотителем показывают, что даже при отклонении размеров секций приборов от номинальных, вызванных неточностями изготовления деталей, сборки и пайки секций, предложенное устройство позволяет достичь коэффициента отражения от поглощающего резонатора, близкого к идеальному (0,001).

Примером конкретного выполнения предложенного устройства может служить ЛБВ, разработанная для бортовой радиолокационной системы. Кольцеобразный поглотитель изготовлен из керамики, содержащий 70% окиси бериллия и 30% окиси титана, которая обладает высокой теплопроводностью и большим поглощением.

Поглотитель впаян в продольную часть медной диафрагмы, толщина которой составляла 0,5 мм на расстоянии 0,5 мм от ее поперечной части. Наружный диаметр поглотителя равен 15 мм, внутренний 6 мм, а толщина 1,9 мм. На диафрагме напротив поглотителя установлен молибденовый бандаж.

Выполнение поперечной части диафрагмы, обращенной к поглотителю, плоской и приближение его к ней позволили увеличить затухание нагрузки в 1,35 раза.

Коэффициент отражения от резонатора с поглотителя, близкий к нулю, был получен за счет установки на трубке дрейфа ферромагнитного диска, примыкающего к диафрагме с поглотителем, немагнитного кольца с наружным диаметром 7 мм, высотой 1 мм и установки на радиусе 6 мм немагнитного диска диаметром 3 мм и высотой 2 мм. Угол между серединой щели в ферромагнитном диске и осью немагнитного диска равнялся 80° , а угол между серединой щели в диафрагме с поглотителем и серединой щели в ферромагнитном диске равнялся 109° .

Использование предложенной конструкции позволяет в несколько раз увеличить теплорассеивающую способность поглотителей ламп бегущей волны. Кольцеобразный поглотитель выполнен из керамического материала, теплопроводность которого в 5 раз выше материала, использовавшегося ранее (алюмооксидная керамика, пропитанная углеродом). Он впаян по наружному диаметру в немагнитную диафрагму (обычно выполняется из меди), а известно, что тепловое сопротивление паяного контакта в несколько раз ниже теплового сопротивления прижимного.

Выполнение стороны диафрагмы, обращенной к кольцеобразному поглотителю, плоской и его приближение к этой стороне существенно, на 30-40%, увеличивает поглощение в нагрузочном резонаторе. Это означает, что если поглощение в нагрузке прототипа было 10 дБ, что соответствует при идеальном согласовании коэффициенту отражения 0,01, то при увеличении его до 13 дБ при идеальном согласовании коэффициент отражения уже составит 0,0014, что позволяет существенно повысить устойчивость к самовозбуждению секций прибора или увеличить его усиление.

Установка на ферромагнитном диске, примыкающая к диафрагме с кольцеобразным поглотителем, согласующих элементов и установка угла β между серединами щелей связи в диске и диафрагме в пределах 2π - α ≥ β ≥ α , позволяет получить близкое к идеальному согласование цепочек связанных резонаторов с нагрузками.

Рассмотренная конструкция представляет один из вариантов заявленного изобретения. Лампы с бегущей волной, создаваемые в соответствии с ним, могут иметь не только жидкостное охлаждение, как было выше описано, но также и воздушное.

Литература

1. W.Hant et al. US Pat №3181023, March 29, 1962, Cl 315/3.5.

2. D.J. Bates et al. US Pat №2985791, Oct. 2, 1958, Cl 315/3.5.

3. K.E. Zubkin et al. US Pat №2939993, Jan. 7, 1957, Cl 315/3.5.

Изобретение относится к области СВЧ-техники, а более конкретно, к разработкам ламп бегущей волны (ЛБВ) и их гибридов.

Техническим результатом изобретения является обеспечение рассеяния в поглотителе большой мощности и обеспечение возможности согласовывания поглощающего резонатора с замедляющей системой с малым коэффициентом отражения. Технический результат достигается в первом варианте выполнением секций цепочки связанных резонаторов из ферромагнитных дисков и установленных между ними немагнитных диафрагм с азимутальными щелями связи, поворотом щелей в дисках относительно щелей в диафрагмах на π радиан, выполнением на оси дисков и диафрагм трубок дрейфа, выполнением дисков, разделяющих секции, из ферромагнитного металла, выполнением кольцеобразного поглотителя с внутренним диаметром d_пв в пределах 2r_щв≥_{dпв≥dтв, где rщв - внутренний радиус щели связи, dтв - внутренний диаметр трубки дрейфа, впаиванием по наружному диаметру в продольную часть диафрагмы, выполнением со стороны поглотителя поперечной части диафрагмы плоской, выбором зазора между поперечной частью диафрагмы и поглотителем hз относительно диаметра резонатора dр в интервале а его толщины hп относительно высоты резонатора hр в пределах установкой на выступе трубки дрейфа ферромагнитного диска секции цепочки связанных резонаторов со стороны диафрагмы с поглотителем кольцеобразного немагнитного проводящего элемента с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа, выполнением угла β между серединами щелей в диафрагме с поглотителем и в примыкающем к ней ферромагнитном диске секции цепочки связанных резонаторов в интервале 2π - α ≥ β ≥ α , где α - угол раствора щели связи в секции цепочки связанных резонаторов. Во втором варианте изобретения на поверхности ферромагнитного диска, примыкающего к диафрагме с поглотителем, установлен еще один или два проводящих элемента. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.}

1. Секционированная лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, коллектор электронов и цепочку связанных резонаторов, на смежных концах секций которой установлены резонаторы с кольцеобразным поглотителем, разделяющие секции проводящие диски с трубками дрейфа, а также постоянные магниты и ввод и вывод энергии, отличающаяся тем, что секции цепочки связанных резонаторов выполнены из ферромагнитных дисков и установленных между ними немагнитных диафрагм с азимутальными щелями связи, щели в немагнитных диафрагмах повернуты относительно щелей в ферромагнитных дисках на угол π радиан, а вдоль оси ферромагнитных и немагнитных диафрагм выполнены трубки дрейфа, разделяющие секции проводящие диски выполнены из ферромагнитного металла, кольцеобразный поглотитель выполнен с внутренним диаметром d_пв, заключенным в пределах 2r_щв≥_{dпв≥dтв, где rщв - внутренний радиус щели связи, dтв - внутренний диаметр трубки дрейфа, и по наружному диаметру впаян в продольную часть диафрагмы, причем со стороны поглотителя поперечная часть диафрагмы выполнена плоской, зазор между поперечной частью диафрагмы и кольцеобразным поглотителем hз относительно диаметра резонатора dр установлен в интервале а его толщина hп относительно высоты резонатора hр в пределах на трубке дрейфа ферромагнитного диска цепочки связанных резонаторов со стороны диафрагмы с поглотителем установлен кольцеобразный немагнитный проводящий элемент с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа, причем угол β между серединами азимутальных щелей связи в диафрагме с поглотителем и в примыкающем к ней ферромагнитном диске секции цепочки связанных резонаторов выполнен в интервале 2π - α ≥ β ≥ α , где α - угол раствора щели связи в секции цепочки связанных резонаторов.}2. Секционированная лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, коллектор электронов и цепочку связанных резонаторов, на смежных концах секций которой установлены резонаторы с кольцеобразным поглотителем, разделяющие секции проводящие диски с трубками дрейфа, а также ввод и вывод энергии и постоянные магниты, отличающаяся тем, что секции цепочки связанных резонаторов выполнены из ферромагнитных дисков и установленных между ними немагнитных диафрагм с азимутальными щелями связи, щели в немагнитных диафрагмах повернуты относительно щелей в ферромагнитных дисках на угол π радиан, а вдоль оси ферромагнитных дисков и немагнитных диафрагм выполнены трубки дрейфа, разделяющие секции проводящие диски выполнены из ферромагнитного металла, кольцеобразный поглотитель выполнен с внутренним диаметром d_пв, заключенным в пределах 2r_щв≥_{dпв≥dтв, где rщв - внутренний радиус щели связи, dтв - внутренний диаметр трубки дрейфа, и по наружному диаметру впаян в продольную часть диафрагмы, причем со стороны поглотителя поперечная часть диафрагмы выполнена плоской, зазор между поперечной частью диафрагмы и кольцеобразным поглотителем hз относительно диаметра резонатора dр установлен в интервале а его толщина hп относительно высоты резонатора hр в пределах на трубке дрейфа ферромагнитного диска секции цепочки связанных резонаторов со стороны диафрагмы с поглотителем установлен кольцеобразный немагнитный элемент с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа, а на его поверхности установлен один или два немагнитных проводящих элемента, причем угол β между серединами щелей связи в диафрагме с поглотителем и в примыкающем к ней ферромагнитном диске секции цепочки связанных резонаторов выполнен в интервале 2π - α ≥ β ≥ α , где α - угол раствора щели связи в секции цепочки связанных резонаторов.}