КОЛЛЕКТОР СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа или клистронах, в которых применяется рекуперация кинетической энергии отработавших электронов.

В большинстве применяемых сегодня конструкций коллекторов электроды имеют форму тела вращения и закрепляются в корпусе с помощью керамических изоляторов в виде осесимметричных втулок или набора стержней одинаковой длины, т.е. также имеющих в совокупности форму тела вращения, аналогичную втулке. Изоляторы используются для передачи тепла от электродов к корпусу коллектора и далее к системе охлаждения (см. Роговин В.И., Семенов С.О. Коллекторы с рекуперацией для ЛБВО и клистронов: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ “Электроника”, 1986. - вып.4 (1167). – 70 с.).

Тепловая нагрузка в осесимметричных конструкциях коллекторов равномерно распределяется в азимутальном направлении и при осесимметричной системе охлаждения температура электродов в азимутальном направлении постоянна.

Коллекторы с неосесимметричными электродами позволяют достигнуть более высоких значений КПД приборов, но при этом за счет действия поперечных электрических и магнитных полей оседание электронов на электроды коллектора становится неравномерным в азимутальном направлении (см. Журавлева В.Д., Роговин В.И., Семенов С.О. Исследование неосесимметричных двухступенчатых коллекторов. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1985, вып.10, с.19-22). Это приводит к повышению максимальной температуры электродов коллектора и, как следствие, снижает надежность прибора и ограничивает его предельную мощность.

Пример коллектора неосесимметричной конструкции, в котором неосесимметричными элементами являются наклоненные выходное отверстие первой и входное отверстие второй ступеней, а изоляторами являются керамические стержни одинаковой длины, образующие в совокупности тело, аналогичное осесимметричной керамической втулке, см. в Henry D., Pelletier A., Strauss R. A triple-power-mode 11 GHz TWT, Proc. European Microwave Conf., Venejia, 1977, p.231-236.

Наиболее близким к заявляемому решению является конструкция многоступенчатого коллектора, описанная в пат.2219518, Франция, МКИ H 01 J 25/36, H 01 J 23/24. Collecteur pour tubes a ondes progressives et tube comportant un tel collecteur. D. Henry; Thomson-CSF. - №7396563; Заявлено 23.02.73; Опубл. 20.09.74. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.

В этой конструкции электроды коллектора содержат неосесимметричные элементы в виде наклоненных к оси входных и выходных отверстий ступеней. Наличие неосесимметричных элементов приводит к неравномерному в азимутальном направлении оседанию электронов на электроды коллектора и, соответственно, неравномерному распределению в том же направлении тепловой нагрузки. Изоляторы электродов выполнены в виде набора керамических стержней одинаковой длины, представляющих в совокупности аналог керамической втулки с торцами, перпендикулярными оси коллектора, т.е. тело вращения.

Недостатком такой конструкции является сочетание несимметричных электродов и осесимметричных изоляторов. В малогабаритных коллекторах из-за малых поперечных и продольных размеров элементов конструкции для обеспечения требуемых пробойных зазоров между элементами коллектора с различными потенциалами изоляторы ступеней не могут выступать в продольном направлении за пределы электродов. Осесимметричные изоляторы из-за указанных ограничений имеют малые продольные размеры, что приводит к значительному повышению температуры электродов в местах повышенного токооседания и, как следствие, ограничению предельной мощности прибора, снижению его надежности и долговечности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение предельной мощности прибора, повышение его надежности и долговечности за счет улучшения теплорассеивающей способности коллектора и уменьшения его температуры.

Поставленная задача решается следующим образом: в коллекторе, содержащем не менее двух закрепленных в корпусе с помощью керамических изоляторов электродов, последовательно расположенных на пути электронного пучка и имеющих полости с отверстиями для пролета электронов, причем плоскость по крайней мере одного выходного отверстия наклонена к оси пучка, хотя бы один изолятор, крепящий электрод с выходным наклоненным отверстием, выполнен в виде втулки, имеющей обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец.

Другим вариантом решения поставленной задачи является использование коллектора, содержащего не менее двух закрепленных в корпусе с помощью изолирующих стержней электродов, последовательно расположенных на пути электронов, выполненных в виде цилиндров, имеющих полости для пролета электронов с отверстиями в торцах цилиндров, причем выходной торец по крайней мере одного цилиндра наклонен к оси пучка, а изолирующие стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом, имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню. Стержни могут быть выполнены в виде единого тела или составными в продольном направлении.

Отличительными признаками предлагаемого коллектора являются: в первом варианте - выполнение хотя бы одного изолятора, крепящего электрод с выходным наклоненным отверстием в виде втулки, имеющей обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец, во втором - изолирующие стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню. Благодаря наличию этих признаков улучшается теплорассеивающая способность коллектора, уменьшается его температура, что, в конечном итоге, приводит к увеличению предельной мощности прибора, повышению его надежности и долговечности.

Изготовление коллекторов предложенной конструкции может быть осуществлено известными методами на стандартном оборудовании.

На фиг.1-3 изображены варианты конструкций коллектора, реализующие предлагаемое техническое решение.

Коллектор содержит корпус 1, электроды 2, 3 с несимметричными элементами 4 и изоляторы, которые представляют из себя керамическую втулку с наклонным торцом 5 (фиг.1), стержни в виде единого тела 6 (фиг.2) или составные стержни 7 (фиг.3).

Вторая ступень двухступенчатого коллектора, как правило, имеет большие размеры, менее теплонагружена и в меньшей степени, по сравнению с первой ступенью, ограничивает предельную мощность прибора. Поэтому в коллекторах на фиг.1-3 вторая ступень может иметь осесимметричное или наклоненное к оси входное отверстие и осесимметричный или неосесимметричный изолятор в виде керамической втулки или набора стержней.

На фиг.4 показана конфигурация двухступенчатого неосесимметричного коллектора и рассчитанные по компьютерной программе (Журавлева В.Д., Роговин В.И., Семенов С.О. Программа анализа коллекторных систем с нарушениями осевой симметрии. Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1983, Вып.12, с.59) траектории электронов. В первой ступени коллектора основное оседание и соответственно тепловая нагрузка сосредоточены в ее нижней части. Распределение тепловой нагрузки по поверхности первой ступени в азимутальном направлении показано на фиг.5. Нулевое значение угла ϕ соответствует положительному направлению оси Х (фиг.6). На фиг.7 приведены рассчитанные по программе (см. Универсальная программа решения двумерной стационарной задачи теплопроводности для узлов электронных приборов./ И.М.Блейвас, А.И.Жбанов, В.С.Кошелев, В.Н.Шевцов // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. - 1980 - Вып.12. - С.61.) распределения температуры по внутренней поверхности первой ступени в зависимости от угла ϕ при одной и той же системе охлаждения в случае применения осесимметричного (I), как в прототипе, и неосесимметричного (II), как в предлагаемом изобретении, изоляторов, которые показывают, что применение неосесимметричных изоляторов в сочетании с неосесимметричными электродами коллектора позволяет существенно уменьшить температуру электродов за счет улучшения теплорассеивающей способности коллектора и, следовательно, повысить предельную мощность прибора, его надежность и долговечность.

При использовании изоляторов в виде наборов стержней положительный эффект от применения стержней различной длины в соответствии с длиной внешней цилиндрической поверхности электродов также сохранится, хотя его количественная величина изменится из-за отличий в теплопроводности набора стержней от теплопроводности керамической втулки.

В рассмотренных примерах конструкции двухступенчатого коллектора показана возможность улучшения теплорассеивающей способности наиболее теплонагруженной - первой - ступени. Аналогичные рассуждения и примеры расчетов могут быть проведены и показан положительный эффект от предлагаемого технического решения в случае применения несимметричной второй, третьей и т.д. ступеней многоступенчатого коллектора.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа или клистронах, в которых применяется рекуперация кинетической энергии отработавших электронов. Коллектор содержит корпус, электроды с несимметричными элементами и крепящие их к корпусу изоляторы, которые представляют из себя керамическую втулку или керамические стержни. Техническим результатом является улучшение теплорассеивающей способности коллектора при неосесимметричном оседании электронов на поверхности электродов и, как следствие, неосесимметричной тепловой нагрузке, для чего хотя бы одна втулка, крепящая электрод с входным наклонным отверстием, имеет обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец. В случае применения стержней в качестве изоляторов стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом, имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню. Стержни могут быть выполнены в виде единого тела или составными в продольном направлении. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Коллектор СВЧ-прибора О-типа, содержащий не менее двух закрепленных в корпусе с помощью керамических изоляторов электродов, последовательно расположенных на пути электронного пучка и имеющих полости с отверстиями для пролета электронов, причем плоскость по крайней мере одного выходного отверстия наклонена к оси пучка, отличающийся тем, что хотя бы один изолятор, крепящий электрод с выходным наклонным отверстием, выполнен в виде втулки, имеющей обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец.2. Коллектор СВЧ-прибора О-типа, содержащий не менее двух закрепленных в корпусе с помощью изолирующих стержней электродов, последовательно расположенных на пути электронов, выполненных в виде цилиндров, имеющих полости для пролета электронов с отверстиями в торцах цилиндров, причем выходной торец по крайней мере одного цилиндра наклонен к оси пучка, отличающийся тем, что изолирующие стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом, имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню.3. Коллектор по п.2, отличающийся тем, что изолирующие стержни выполнены в виде единого тела.4. Коллектор по п.2, отличающийся тем, что по крайней мере часть изолирующих стержней выполнены составными в продольном направлении.