СУПЕР-РЕЛТРОН Российский патент 2004 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники н может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в импульсно-периодическом режиме Практическое использование генераторов СВЧ-излучения предъявляет требование разработки приборов с высоким кпд, с большой частотой повторения импульсов, с малыми весогабаритными показателями.

Известно устройство – двухрезонаторный пролетный клистрон [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - Высшая школа, 1972, т.2, 375 с.]. состоящий из электронной пушки, двух резонаторов и коллектора электронов. Электронная пушка представляет собой систему из двух электродов: термоэмиссионного катода и сеточного анода. На катод подается постоянное или импульсное напряжение отрицательной полярности. Анод, резонаторы, коллектор находятся под земляным потенциалом. Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется группирователем, второй выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка, имеющего модуляцию по плотности. Выходной резонатор снабжен либо волноводным выводом СВЧ-мощности, либо петлей связи. Металлическая труба дрейфа, расположенная между двумя резонаторами, экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. При транспортировке электронов внутри этой трубы происходит преобразование скоростной модуляции электронного пучка в модуляцию по плотности. В выходном резонаторе кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-излучения. Коллектор электронов служит для осаждения пучка электронов после прохождения выходного резонатора.

Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потере эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу клистрона из строя.

Известно также устройство - супер-релтрон (релятивистский клистрон), состоящий из последовательно расположенных друг за другом электронной пушки, группирователя, трубчатого высоковольтного анодного электрода, выходного резонатора, коллектора электронов, а также источника питания [Miller R.В. et al. Super-reltron theory and experiments. IEEE Transactions on Plasma Science. 1992, v.20, N3, p.332-343]. Электронная пушка представляет собой систему из двух электродов: взрывоэмиссионного катода и сеточного анода. Катод находится под земляным потенциалом. Сеточный анод выполнен из металлической сетки и установлен на входе группирователя (первого резонатора). Первый резонатор супер-релтрона (как и клистрона) служит для модуляции электронного пучка по скорости, второй выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка, который в области ускорения группирователь - трубчатый высоковольтный анодный электрод приобретает модуляцию по плотности. Выходной резонатор снабжен волноводным выводом СВЧ-мощности. Металлическая труба дрейфа между двумя резонаторами экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. При транспортировке электронов в этой области происходит дополнительное преобразование скоростной модуляции электронного пучка в модуляцию по плотности. В качестве источников питания супер-релтрона используются генераторы импульсных напряжений, причем полное выходное напряжение источника питания прикладывается к трубчатому высоковольтному анодному электроду, и частичное выходное напряжение (20-30% от полного) прикладывается к группирователю. Катод прибора заземлен.

Устройство работает следующим образом. На сеточный анод и группирователь подается импульсное напряжение амплитудой 150-200 кВ положительной полярности. Расстояние между катодом и сеточным анодом выбирается из условия получения рабочего тока прибора необходимой величины. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В продольном электрическом поле между катодом и сеточным анодом под действием электрического поля высокой напряженности осуществляется формирование электронного пучка. Проходя сеточный анод, электроны поступают в группирователь, в котором модулируются по плотности. В пространстве между группирователем и трубчатым высоковольтным электродом электроны ускоряются до полной энергии источника питания (на трубчатый высоковольтный электрод от источника питания подается импульсное напряжение положительной полярности 500-700 кВ). В процессе транспортировки внутри трубчатого высоковольтного анодного электрода электронный пучок модулируется по плотности. Образовавшиеся сгустки электронов попадают в выходной резонатор, отдавая кинетическую энергию в энергию СВЧ-колебаний. Прошедшие выходной резонатор электроны осаждаются на коллектор, рассеивая оставшуюся кинетическую энергию. Уровень генерируемой СВЧ-мощности таким прибором может составлять 200-300 МВт при электронном кпд до 40%.

Недостатком подобного устройства является одиночный режим работы прибора, связанный с использованием источника питания - генератора импульсных напряжений. Генератор импульсных напряжений состоит из набора конденсаторов, заряжаемых последовательно от источников относительно низкого напряжения (40-100 кВ). Разряд конденсаторов на нагрузку осуществляется при их последовательном включении с помощью искровых разрядников, установленных между наборами конденсаторов. Напряжение на сеточный анод подается при подключении промежуточных конденсаторов генератора импульсных напряжений, а напряжение на трубчатый высоковольтный анодный электрод при его подключении к выходу генератора импульсных напряжений. Однократный режим работы генератора импульсных напряжений связан с медленным процессом зарядки конденсаторов, использованием многочисленных искровых разрядников. Кроме того, подобный источник питания имеет большие весогабаритные показатели, его работа сопровождается высоким уровнем электромагнитных помех, периодически необходима ревизия разрядником, поскольку происходит эрозия электродов разрядников под действием больших разрядных токов.

Кроме того, следует отметить, что напряжение на элементы супер-релтрона поступает не одновременно. Сначала появляется напряжение на группирователе, появляется электронный ток и только через время пробега волны напряжения по оставшемуся набору конденсаторов появляется напряжение на трубчатом высоковольтном анодном электроде. Таким образом, в начальный интервал времени прибор не генерирует СВЧ-колебания, что снижает полный (по энергии) кпд устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение частоты следования СВЧ импульсов, повышение полного кпд устройства. Техническим результатом - сокращение весогабаритных показателей устройства за счет конструктивного объединения элементов источника питания и супер-релтрона.

Указанная задача может быть решена при использовании в качестве источника питания супер-релтрона линейного индукционного ускорителя (ЛИУ). Такие источники напряжения имеют высокий кпд преобразования энергии из первичного накопителя в нагрузку, способны работать с высокой частотой следования импульсов, обладают большим темпом ускорения электронов, малыми весогабаритными показателями [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с. 111-119]. Однако применить для питания супер-релтрона ЛИУ, выполненного по традиционной схеме, невозможно, поскольку на различные элементы прибора необходимо подавать напряжение разной величины. Поэтому требуется оригинальное техническое решение, описываемое в данной заявке.

Как и прототип, супер-релтрон содержит установленные последовательно на общей оси взрывоэмиссионный катод, сеточный анод, расположенный на входном торце группирователя, трубчатый высоковольтный анодный электрод, выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения, коллектор. В отличие от прототипа для питания супер-релтрона использован линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему, формирующую линию, многоканальный искровой разрядник. Индукционная система линейного индукционного ускорителя выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца, формирующая линия имеет два комплекта электродов. Витки намагничивания первого набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами первого комплекта формирующей линии, и витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами второго комплекта формирующей линии. Противоположные концы электродов обоих комплектов формирующей линии связаны попарно между собой и соединены с электродами многоканального искрового разрядника. На оси и внутри первого набора ферромагнитных сердечников расположен взрывоэмиссионный катод. На оси и внутри второго набора ферромагнитных сердечников расположен трубчатый высоковольтный анодный электрод. Группирователь механически и электрически связан с заземленным фланцем. Выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения и коллектор электронов находятся снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя.

Устройство изображено на чертеже и содержит взрывоэмиссионный катод 1, сеточный анод 2, расположенный на входном (обращенном к катоду 1) торце группирователя 3, группирователь 3, трубчатый высоковольтный анодный электрод 4, выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6, коллектор 7. Конструкция супер-релтрона аналогична рассмотренной выше для прибора-прототипа. Отличия заключаются в том, что указанные элементы размещены внутри на оси линейного индукционного ускорителя, используемого в качестве источника питания. Линейный индукционный ускоритель, в свою очередь, содержит индукционную систему 8, формирующую линию 9, многоканальный искровой разрядник 10 и отличается от известных конструкций тем, что индукционная система 8 выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца 11, и формирующая линия 9 выполнена из двух комплектов электродов 12. Формирующая линия 9 может быть изготовлена в виде полосковой формирующей линии. В этом случае достигаются минимальные весогабаритные показатели устройства. Полосковая формирующая линия состоит из двух комплектов электродов, разделенных изолирующим слоем. Витки намагничивания 13 первого набора ферромагнитных сердечников индукционной системы 8 связаны с электродами первого комплекта формирующей линии. Витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников индукционной системы связаны с электродами второго комплекта формирующей линии. Комплекты формирующей линии могут состоять из земляных и потенциальных обкладок, образуя одинарную полосковую формирующую линию, а также могут состоять из земляных, потенциальных и свободных обкладок, образуя двойную полосковую формирующую линию. Для питания супер-релтрона возможно применение как одного, так и другого типа полосковой формирующей линии.

Для одинарной полосковой формирующей линии 9 (изображена на чертеже) земляные обкладки обоих комплектов соединены одними концами с витками намагничивания 13 сердечников обоих наборов. Противоположные концы земляных обкладок соединены с катодами многоканального искрового разрядника 10, электрически связанного с заземленным фланцем 11 устройства. Потенциальные обкладки обоих комплектов одинарной полосковой формирующей линии с одного конца соединены с другими (противоположными) выводами витков намагничивания 13 обоих наборов сердечников индукционной системы 8. С противоположной стороны потенциальные обкладки соединены с анодами многоканального искрового разрядника 10 и источником зарядного напряжения.

В случае использования двойной полосковой формирующей линии подключение земляных обкладок аналогично случаю одинарной формирующей линии. Свободные обкладки обоих комплектов двойной полосковой формирующей линии 9 с одного конца соединены с другими (противоположными) выводами витков намагничивания 13 обоих наборов сердечников индукционной системы 8. Потенциальные обкладки двойной полосковой формирующей линии соединены с анодами многоканального искрового разрядника 10 и источником зарядного напряжения. Расположение обкладок комплекта электродов 12 и их подключение в виткам намагничивания сердечников, электродам многоканального разрядника 10 и источнику зарядного напряжения для одинарной и двойной формирующих линий производится так же, как и для обычных ЛИУ, разрабатываемых в НИИ ЯФ при ТПУ, и описаны в [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, c.111-119].

Взрывоэмиссионный катод 1 установлен на оси и внутри первого набора ферромагнитных сердечников индукционной системы 8. Трубчатый высоковольтный анодный электрод 4 установлен на оси и внутри второго набора ферромагнитных сердечников. Сеточный анод 2, расположенный на входном торце группирователя 3, механически и электрически связан с заземленным фланцем 11 линейного индукционного ускорителя. Выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6 и коллектор 7 заземлены и расположены снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя.

Для заряда формирующих линий линейного индукционного ускорителя используется источник зарядного напряжения (не показан). Источник зарядного напряжения с выходным напряжением порядка 60 кВ может быть выполнен на основе первичного конденсаторного накопителя, разряжаемого на повышающий импульсный трансформатор при коммутации тиристорным узлом. Конденсаторный накопитель заряжается от трехфазной сети переменного тока через выпрямитель и сетевой фильтр до напряжения 300 В.

Устройство супер-релтрон с источником питания - линейным индукционным ускорителем работает следующим образом. Два набора электродов 12 формирующей линии 9 заряжаются от источника зарядного напряжения при подаче напряжения на потенциальные обкладки. При срабатывании многоканального разрядника 10 потенциальные обкладки одинарной полосковой формирующей линии замыкаются на землю, и через витки намагничивания 13 ферромагнитных сердечников индукционной системы 8 начинает протекать разрядный ток формирующей линии длительностью, равной времени двойного пробега волны по линии. В случае двойной полосковой формирующей линии на землю замыкаются свободные обкладки формирующей линии. На оси индукционной системы 8 возбуждается вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле, индуцированное первым набором сердечников, суммируется взрывоэмиссионным катодом 1, а вихревое электрическое поле второго набора ферромагнитных сердечников суммируется трубчатым высоковольтным анодным электродом 4. В случае использования двойной формирующей линии величины напряжений на катоде 1 и трубчатом высоковольтном анодном электроде 4 равны величине зарядного напряжения формирующей линии, умноженной на количество сердечников соответственно первого и второго наборов сердечников. При использовании одинарной формирующей линии величины напряжений на катоде и трубчатом высоковольтном анодном электроде в два раза меньше. Таким образом, в отличие от прототипа напряжение на элементах супер-релтрона появляется одновременно на катоде 1 и трубчатом высоковольтном анодном электроде 4, что позволяет использовать для генерации СВЧ-излучения импульс тока полной длительности.

Индуцированное напряжение на катоде 1 отрицательной полярности прикладывается между катодом и заземленным сеточным анодом 2. Расстояние между катодом 1 и анодом 2 выбирается из условия образования взрывоэмиссионной катодной плазмы (напряженность электрического поля должна превышать 60 кВ/см) и формирования тока необходимой величины. Величина тока определяется по закону Чайльд-Ленгмюра, т.е. зависит от величины напряжения, площади катода и расстояния катод - анод. Сформированный в катод-анодном промежутке немодулированный электронный пучок поступает в группирователь 3, возбуждает в резонаторе сверхвысокочастотное поле. СВЧ-поле группирователя 3 производит скоростную модуляцию электронного потока. В пространстве дрейфа между группирователем 3 и трубчатым высоковольтным анодным электродом 4 электроны увеличивают свою энергию, и в этой области электронный пучок начинает модулироваться по плотности. Внутри трубчатого высоковольтного анодного электрода 4 образуются электронные сгустки, которые поступают в выходной резонатор 5 с частотой, равной частоте группирователя 3. Электронные сгустки наводят ток, протекающий по внутренней поверхности стенок выходного резонатора 5. Появляющееся СВЧ-поле выходного резонатора 5 тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, полученная ими в катод-анодном промежутке и промежутке группирователь - трубчатый высоковольтный анодный электрод, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний и поступает через устройство вывода СВЧ-излучения 6 в нагрузку или излучается в свободное пространство. Прошедшие выходной резонатор 5 электроны оседают на коллектор 7 и рассеивают на нем в виде тепла оставшуюся кинетическую энергию. Длительность импульса тока электронного пучка определяется временем двойного пробега электромагнитной волны по формирующей линии 9. Частота повторения импульсов определяется мощностью источника зарядного напряжения и частотными свойствами многоканального искрового разрядника 10. Разработанные в НИИ ЯФ при ТПУ многоканальные искровые разрядники имеют верхний предел по частоте срабатывания порядка 200 Гц [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с.111-119]. Многоканальная коммутация применена для уменьшения индуктивности разрядника, снижения величины тока через один канал, увеличения ресурса электродов разрядника.

Примером конкретного выполнения супер-релтрона с источником питания - линейным индукционным ускорителем является разработанный прибор 10 см-диапазона длин волн. Размеры элементов супер-релтрона соответствуют размерам элементов устройства-прототипа. Заземленный катод 1 имеет наружный диаметр 30 мм, длину 100 мм. Торец катода расположен на расстоянии 33 мм от сеточного анода 2. Группирователь 3 имеет наружный диаметр 76,4 мм, длину 40 мм, внутреннее отверстие диаметром 36-40 мм и возбуждается на частоте 3000 МГц. Трубчатый высоковольтный анодный электрод 4 имеет длину 300 мм, расположен на расстоянии 150 мм от выходного торца группирователя 3. Выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6 и коллектор 7 расположены снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя. Выходной резонатор выполнен из отрезка стандартного прямоугольного волновода с отверстием диаметром 36-40 мм для прохождения электронного пучка. Устройство вывода СВЧ-излучения 6 изготовлено из стандартного волновода сечением 72×34 мм². Коллектор электронов 7 представляет собой металлическую трубу, по центру которой расположен конусообразный графитовый поглотитель. Линейный индукционный ускоритель имеет индукционную систему 8, состоящую из двух наборов сердечников. Первый набор содержит 3 ферромагнитных сердечника, второй набор содержит 10 ферромагнитных сердечников. В конструкцию линейного индукционного ускорителя входит также формирующая линия 9. Формирующая линия 9 состоит из двух комплектов электродов 12, образующих две двойные полосковые формирующие линии. Электроды первого комплекта формирующей линии соединены через витки намагничивания 13 с первым набором ферромагнитных сердечников индукционной системы, корпусом ускорителя и электродами многоканального искрового разрядника 10. Электроды второго комплекта формирующей линии соединены через витки намагничивания со вторым набором ферромагнитных сердечников индукционной системы, корпусом ускорителя и электродами многоканального искрового разрядника. Электроды (обкладки) формирующей линии сделаны по технологии, описанной в [Фурман Э.Г. Низкоимпедансные полосковые формирующие линии линейных индукционных ускорителей ПТЭ, 1987, №5, с. 26-31]. Комплекты полосковой формирующей линии намотаны по спирали Архимеда вокруг двух наборов ферромагнитных сердечников индукционной системы 8. Длина электродов 12 комплектов полосковой формирующей линии определяет длительность импульса тока по виткам намагничивания 13 сердечников индукционной системы 8, а значит, длительность импульса катод-анодного напряжения и тока электронного пучка. В частности, электроды длиной 5 м и изоляцией из пленкосинтокартона толщиной 1,3 мм формируют импульс напряжения длительностью 100 нс. Сердечники индукционной системы 8 имеют размеры: внешний диаметр 360 мм, внутренний диаметр 150 мм, толщина 25 мм, изготовлены из стали 50 НГТ (пермаллой) толщиной проката 0,01 мм. Элементы супер-релтрона располагаются внутри и на оси ферромагнитных сердечников. Витки намагничивания 13 ферромагнитных сердечников выполнены сплошными из нержавеющей стали. Между витками намагничивания соседних сердечников установлены полиэтиленовые изоляторы, отделяющие вакуумный объем супер-релтрона от объема линейного индукционного ускорителя, заполненного трансформаторным маслом. Толщина намотки полосковой формирующей линии при длине электродов 5 м составляет 40 мм. (Формулы для расчета приведены в [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4. Приложение, с. 111-119]). Таким образом, внешний диаметр устройства с учетом необходимой дополнительной изоляции не превышает 500 мм. Общая длина устройства равна сумме длин наборов ферромагнитных сердечников (100 и 300 мм) и длины выходного резонатора с коллектором (200 мм), т.е. не более 700 мм с учетом необходимой дополнительной изоляции и толщины фланцев корпуса ускорителя. Многоканальный (24 канала) искровой разрядник 10 кольцевого типа может быть расположен на внешней поверхности корпуса или непосредственно в корпусе линейного индукционного ускорителя. Принцип работы многоканального разрядника описан в статье [Фурман Э.Г., Васильев В.В. Многоканальные искровые разрядники для коммутации низкоимпедансных полосковых формирующих линий. - ПТЭ, 1988, №1, с.111-116].

От источника зарядного напряжения одинарная полосковая формирующая линия заряжается до напряжения 120 кВ. При разряде одинарной полосковой формирующей линии на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы при срабатывании многоканального искрового разрядника на группирователе индуцируется напряжение 180 кВ (60 кВ×3 сердечника), на трубчатом высоковольтном анодном электроде 600 кВ (60 кВ×10 сердечников). В катод-анодном промежутке супер-релтрона формируется импульс тока амплитудой 750 А.

Для предварительного расчета геометрические размеры супер-релтрона выбраны аналогичными, как в приборе-прототипе, и параметры импульса напряжения источника равны соответствующим выходным параметрам генератора импульсных напряжений прибора-прототипа. Поэтому будем предполагать аналогичные выходные параметры супер-релтрона (СВЧ-мощность 235 МВт при электронном кпд 40%). При этом частота повторения импульсов предлагаемого устройства может достигать 200 Гц. Размеры устройства по сравнению с прототипом сокращаются примерно в 8 раз. (Размеры генератора импульсных напряжений устройства-прототипа составляют 1240×1240×1550 мм³). Повышается также полный кпд устройства за счет подачи напряжения одновременно на все элементы супер-релтрона и использования для генерации СВЧ-излучения электронного пучка полной длительности.

Таким образом, применение для питания супер-релтрона линейного индукционного ускорителя оригинальной конструкции позволяет осуществить импульсно-периодический режим работы при значительном сокращении весогабаритных показателей устройства в целом. Указанные обстоятельства открывают широкие возможности практического применения подобных СВЧ-генераторов.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в импульсно-периодическом режиме. Релятивистский клистрон содержит взрывоэмиссионный катод, сеточный анод, расположенный на входном торце группирователя, трубчатый высоковольтный анодный электрод, выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения и коллектор, размещенные последовательно на оси линейного индукционного ускорителя, индукционная система которого выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца, формирующая линия имеет два комплекта электродов. Витки намагничивания первого набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами первого комплекта формирующей линии, и витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами второго комплекта формирующей линии. На оси и внутри первого набора ферромагнитных сердечников расположен взрывоэмиссионный катод, на оси и внутри второго набора ферромагнитных сердечников расположен трубчатый высоковольтный анодный электрод, группирователь механически и электрически связан с заземленным фланцем. Технический результат - сокращение весогабаритных показателей устройства. 1 ил.

Релятивистский клистрон, содержащий источник питания и последовательно расположенные взрывоэмиссионный катод, сеточный анод, установленный на входном торце группирователя, трубчатый высоковольтный анодный электрод, выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения, коллектор электронов, отличающийся тем, что в качестве источника питания использован линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему, формирующую линию и многоканальный разрядник, индукционная система линейного индукционного ускорителя выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца, на оси внутри первого набора ферромагнитных сердечников установлен взрывоэмиссионный катод, на оси внутри второго набора ферромагнитных сердечников установлен трубчатый высоковольтный анодный электрод, группирователь механически и электрически связан с заземленным фланцем, формирующая линия линейного индукционного ускорителя имеет два комплекта электродов, причем витки намагничивания первого набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами первого комплекта формирующей линии и витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами второго комплекта формирующей линии, электроды обоих комплектов формирующей линии связаны попарно между собой и соединены с электродами многоканального искрового разрядника, электрически и механически связанного с заземленным фланцем.