МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН С КОЛЬЦЕВЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ, РАБОТАЮЩИМИ НА ВИДЕ КОЛЕБАНИЙ E Российский патент 2017 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к сверхмощной радиоэлектронике, в частности к клистронам с выходной мощностью мегаваттного уровня.

Традиционной для клистронов является однолучевая конструкция с тороидальными резонаторами [1]. Однако серьезным недостатком однолучевых клистронов с выходной мощностью мегаваттного уровня является высокое напряжение, порядка 100 кВ и более. Такая конструкция требует крупногабаритной массивной защиты персонала от жесткого рентгеновского излучения, а также применения масляной изоляции наружных поверхностей электронной пушки клистрона. Все это затрудняет использование мощных клистронов в мобильных и перемещаемых конструкциях аппаратуры. Эффективным способом снижения напряжения клистрона в несколько раз, а также повышения его КПД и рабочей полосы частот, является применение многолучевой конструкции с количеством лучей 6-50.

Однако применение тороидальных резонаторов в сверхмощных многолучевых клистронах (МЛК) связано с проблемой обеспечения радиальной равномерности СВЧ поля в зазоре взаимодействия [2]. Обычно центры пролетных каналов в МЛК располагаются на нескольких концентрических окружностях. В случае, когда диаметр зазора взаимодействия тороидального резонатора превышает 0,2-0,25λ₀, где λ₀ - длина рабочей волны в свободном пространстве, в зазоре возникает значительная радиальная неравномерность поля по различным рядам пролетных каналов, что резко снижает КПД клистронов. Таким образом, в сверхмощных МЛК с большой суммарной площадью катодов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн, и особенно высокочастотной его части, применение тороидальных резонаторов невозможно.

Чтобы увеличить число каналов, было предложено перейти на МЛК (прототип) с резонаторами кольцевого типа, работающими на низшем виде колебаний E_0n0 [2]. Пролетные каналы при этом могут располагаться по центральной линии емкостного зазора, соответствующей максимуму электрического СВЧ поля. При этом обеспечивается максимальная радиальная равномерность поля по сечениям пролетных каналов. Однако при увеличении числа пролетных каналов и соответственно длины емкостного зазора к рабочему (основному) виду колебаний приближаются ближайшие паразитные виды, имеющие азимутальные вариации поля, согласно формуле

где λ_в - длина волны в волноводе;

λ₀ - длина волны в свободном пространстве;

λ_кр - критическая длина волны.

Для паразитного вида колебаний Е₀₁₂ условием резонанса будет λ_в=πD, где D - диаметр кольцевого зазора. - длина волны в свободном пространстве для вида колебаний E_012. При этом - критическая длина волны волновода, равная длине волны основного (рабочего) вида колебаний Е₀₁₀. Простыми преобразованиями получаем

.

Из приведенной формулы очевидно, что разница по частоте между рабочим и паразитным видами колебаний падает как с ростом диаметра емкостного зазора, так и с ростом рабочей частоты, что делает неприменимым такой тип резонаторов при дальнейшем повышении рабочей частоты и (или) мощности [3].

Другим вариантом является расположение пролетных каналов на нескольких концентрических рядах по обе стороны от центральной линии емкостного зазора, что существенно уменьшает диаметр кольца. Однако при этом поле в пролетных каналах при дальнейшем увеличении мощности и (или) частоты МЛК становится неравномерным в радиальном направлении.

К основным недостаткам этой конструкции, как показано выше, относится неравномерность электрического поля в радиальном или азимутальном направлении, а также близость высших видов колебаний, при увеличении мощности и (или) рабочей частоты МЛК.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено изобретение является получение конструкции многолучевого клистрона с кольцевыми резонаторами, обеспечивающими с наибольшей равномерностью распределения электрического поля по сечениям пролетных каналов, и наибольшим удалением по частоте рабочего вида колебаний от паразитных видов колебаний.

Данная задача может быть решена в МЛК путем использования кольцевых резонаторов, работающих на высшем виде колебаний E_0n0, где n=2, 3 и т.д. (фиг. 1). При этом в кольцевом резонаторе в радиальном направлении электрическое поле образует несколько (n) полуволн. Соответственно в резонаторе имеются n концентрических кольцевых зазоров взаимодействия, между которыми находятся дополнительные индуктивные области. Оси электронных лучей лежат на концентрических окружностях, которые одновременно являются центральными линиями зазоров взаимодействия и расположены в максимумах электрического поля. Такая конструкция клистрона имеет два преимущества:

1. Обеспечивается максимальная радиальная равномерность электрического СВЧ поля по сечению всех рядов электронных лучей;

2. Обеспечивается значительный разнос частоты рабочего вида колебаний от частот паразитных видов, поскольку рабочий вид колебаний не является основным и может располагаться в значительном отдалении от паразитных вне зависимости от диаметра резонатора и величины рабочей частоты.

Дополнительное разнесение частот рабочего и паразитных видов колебаний может быть достигнуто путем введения дополнительных кольцевых емкостных выступов, установленных в областях нулевого электрического поля рабочего вида колебаний (фиг. 2). Такие выступы влияют на частоту рабочего вида сильнее, чем на частоты паразитных колебаний низшего вида, так как магнитное поле на рабочем виде колебаний в этой области максимально.

В случае связи входного и выходного резонаторов с нагрузкой элементами без аксиальной симметрии, азимутальная неравномерность поля может быть устранена при помощи аксиально-асимметричных емкостных выступов, расположенных в области нулевого электрического поля на рабочем виде колебаний.

В индуктивных областях входного и выходного резонаторов могут располагаться закорачивающие штыри, соединяющие торцевые крышки резонатора, что также позволяет выровнять поля в азимутальном направлении.

Техническим результатом изобретения является конструкция МЛК с максимально равномерным распределением электрического поля по сечению пролетного канала и достаточно большим разнесением частоты рабочего вида колебаний резонатора от частот ближайших паразитных видов. Обеспечение равномерности полей, воздействующих на все электронные лучи, приводит к повышению КПД и коэффициента усиления МЛК. Обеспечение максимального разнесения частот рабочего и паразитных видов колебаний в резонаторах клистрона увеличивает стабильность выходного сигнала и предотвращает генерацию паразитных излучений.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 - сечение промежуточного резонатора простейшего многолучевого клистрона, работающего на виде колебаний E_0n0, где n=2. Цифрой 1 обозначены кольцевые зазоры взаимодействия, цифрой 2 - крайние индуктивные области, цифрой 3 - центральная индуктивная область

На фиг. 2 - сечение промежуточного резонатора, работающего на виде колебаний Е₀₂₀ с дополнительным индуктивным выступом в центральной индуктивной области. Цифрой 4 обозначен дополнительный кольцевой емкостной выступ, позволяющий дополнительно разнести рабочий вид с паразитными.

На фиг. 3 - сечение входного/выходного резонатора, работающего на виде колебаний Е₀₂₀ с аксиально-асимметричным кольцевым емкостным выступом. Цифрой 5 обозначен аксиально-ассиметричный емкостной выступ, позволяющий компенсировать перекос полей, связанный с подключением аксиально-асимметричной нагрузки.

На фиг. 4 - разрез входного/выходного резонатора, работающего на виде колебаний Е₀₂₀ с закорачивающими штырями, соединяющими торцевые крышки резонатора. Цифрой 6 отмечены закорачивающие штыри, соединяющие торцевые стенки резонатора.

Многолучевой клистрон на виде колебаний E_0n0 работает следующим образом. Электронные пучки, созданные многокатодной электронной пушкой и сфокусированные магнитной системой, пролетают через пролетные каналы, расположенные в n концентрических кольцевых рядах. Пролетные каналы пересекают резонаторы, работающие на виде колебаний E_0n0 в области емкостных зазоров. Электронные пучки проходят через активный кольцевой резонатор, запитанный через ввод энергии СВЧ-полем на резонансной частоте вида колебаний E_0n0, модулируясь по скорости. Модулированный пучок группируется в промежуточных резонаторах на виде E_0n0 и отдает свою энергию в выходном резонаторе. СВЧ сигнал большой мощности поступает на нагрузку.

Литература

1. Лебедев В.Л. Техника и приборы СВЧ, Часть 2. – М.: Высшая школа, 1972.

2. Фрейдович И.А. Воробьев М.Ю. Особенности характеристик кольцевых резонаторов многолучевых клистронов, «ЭЛЕКТРОНИКА, Наука, Технология, Бизнес», 2/98.

3. Назаров С.Н., Пасманик В.И. Изменение полей и амлитудно-частотных характеристик по углу в нагруженных кольцевых резонаторах. Электронная техника, Сер. 1, Электроника СВЧ, 1983. Вып. 4.

Изобретение относится к многолучевым клистронам мегаваттного уровня мощности. Полые резонаторы многолучевого клистрона работают на высшем виде колебаний E_0n0. Многолучевой клистрон содержит кольцевые резонаторы, которые работают на высшем виде колебаний E_0n0, и n кольцевых емкостных зазоров, между которыми расположены кольцевые индуктивные области, где n=2, 3. Во всех или некоторых индуктивных областях кольцевых резонаторов содержатся дополнительные кольцевые выступы в областях нулевого электрического поля на рабочем виде колебаний. Входной и выходной резонаторы связаны с внешней нагрузкой с помощью аксиально-асимметричными элементами связи и содержат один или несколько закорачивающих штырей, соединяющих торцевые крышки резонатора. многолучевого клистрона, работающего на виде колебаний E_0n0. Технический результат - повышение равномерности распределения электрического поля по сечениям пролетных каналов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многолучевой клистрон, использующий кольцевые резонаторы, отличающийся тем, что кольцевые резонаторы работают на высшем виде колебаний E_0n0 и содержат n кольцевых емкостных зазоров, между которыми расположены кольцевые индуктивные области, где n=2, 3.

2. Многолучевой клистрон по п. 1, отличающийся тем, что во всех или некоторых индуктивных областях кольцевых резонаторов содержатся дополнительные кольцевые выступы в областях нулевого электрического поля на рабочем виде колебаний.

3. Многолучевой клистрон по п. 1 или 2, отличающийся тем, что его входной и выходной резонаторы связаны с внешней нагрузкой аксиально-асимметричными элементами связи.

4. Многолучевой клистрон по п. 1 или 2, отличающийся тем, что его входной и выходной резонаторы во всех или некоторых индуктивных областях содержат один или несколько закорачивающих штырей, соединяющих торцевые крышки резонатора.