КОЛЛЕКТОР С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ СВЧ ПРИБОРА Российский патент 2019 года по МПК H01J23/27 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к коллекторам сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов О-типа с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка.

В СВЧ приборах О-типа кинетическая энергия электронного пучка, сформированного электронно-оптической системой, в области взаимодействия преобразуется в энергию СВЧ-поля. Энергия отработанного электронного пучка рассеивается в коллекторе, который представляет собой отдельный узел, изолированный по постоянному току от области взаимодействия. Конструктивно он выполнен, как правило, в виде металлического цилиндрического корпуса с сочетанием цилиндрических и конических внутренних токовосприцимающих поверхностей. Для реализации процесса рекуперации энергии с целью повышения эффективности СВЧ прибора используется принцип подачи на коллектор потенциала ниже потенциала области взаимодействия. При этом между системой взаимодействия и коллектором создается постоянное тормозящее электрическое поле, что приводит к снижению скорости электронов, оседающих на токовоспринимающую поверхность, и снижению мощности, рассеиваемой электронами в виде тепла в коллекторе.

В мощных СВЧ приборах используются высокопервеансные пучки, для которых характерны высокая плотность тока и большой разброс электронов по кинетической энергии. Для получения равномерного распределения электронов высокопервеансного пучка с целью исключения локального перегрева коллектора необходимо сводить цилиндрическую токовоспринимающую поверхность в конце на конус.

Известна конструкция коллектора СВЧ прибора с одноступенчатой рекуперацией энергии (см. Сандалов А.Н., Родякин В.Е. Коллекторные системы приборов СВЧ с продольным взаимодействием. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, Вып. 9, с. 66, рис. 4.), содержащая металлический цилиндрический корпус с внутренней токовоспринимающей поверхностью в виде цилиндра, сходящуюся в конце на конус. При такой конструкции пучок электронов, попадая в коллектор, под влиянием сил пространственного заряда распределяется по внутренней токовоспринимающей поверхности. Возможность возвращения отраженных электронов обратно в область взаимодействия с переменным электромагнитным полем достаточно мала.

Вышеуказанная конструкция коллектора СВЧ прибора является наиболее близкой по технической сущности к заявляемому коллектору с рекуперацией энергии СВЧ прибора и поэтому выбрана в качестве прототипа.

Недостатком указанного коллектора СВЧ прибора является невозможность обеспечения равномерного распределения тепловой нагрузки на внутренней токовоспринимающей поверхности при использовании высокопервеансных пучков. Кроме того, конструктивным недостатком коллектора с токовоспринимающей поверхностью, сходящейся в конце на конус, является то, что разрушение коллектора происходит в вершине конуса, где внутренняя токовоспринимающая поверхность рассеивает кинетическую энергию быстрых электронов пучка и, следовательно, является наиболее теплонагруженным участком. К недостаткам конструкции также следует отнести значительные габариты и массу коллектора.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание коллектора с рекуперацией энергии СВЧ прибора, способного выдерживать высокие тепловые нагрузки при малых габаритах и массе.

Достигаемый технический результат заключается в снижении суммарной кинетической энергии соударения электронов с токовоспринимающей поверхностью коллектора, равномерное распределение тепловой нагрузки по токовоспринимающей поверхности и повышение эффективности процесса рекуперации энергии.

Для достижения технического результата в коллекторе с рекуперацией энергии СВЧ прибора, содержащем металлический цилиндрический корпус с закрытым торцом, внутренняя поверхность которого является токовоспринимающей, новым является то, что на внутренней боковой токовоспринимающей поверхности корпуса выполнены одинаковые равномерно расположенные продольные выступы, высота каждого из которых со стороны входа в коллектор меньше высоты с его противоположной стороны.

За счет введения равномерно расположенных на внутренней боковой поверхности корпуса продольных выступов увеличивается площадь поверхности, непосредственно воспринимающей электронный пучок, что приводит к существенному уменьшению суммарной кинетической энергии электронов, приходящей на единицу площади токовоспринимающей поверхности. Количеством выступов, их длиной и изменением высоты каждого выступа обеспечивается оптимальная сортировка электронов по скоростям, компенсация сил пространственного заряда и, как следствие, равномерное распределение тепловой нагрузки по токовоспринимающей поверхности при меньших габаритах и массе коллектора.

Кроме того, важным достоинством заявляемого коллектора с рекуперацией энергии СВЧ прибора является то, что отраженные от токовоспринимающей поверхности электроны дополнительно совершают многократные отражения от продольных выступов, что практически исключает возврат отраженных электронов в пространство взаимодействия. Это приводит к значительному повышению эффективности процесса рекуперации энергии и выходных характеристик СВЧ прибора в целом.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен в разрезе продольный вид конструкции коллектора с рекуперацией энергии СВЧ прибора, а на фиг. 2 - поперечное сечение коллектора.

Коллектор с рекуперацией энергии СВЧ прибора состоит из металлического цилиндрического корпуса 1, внутренней токовоспринимающей поверхности 2. На внутренней боковой токовоспринимающей поверхности выполнены одинаковые равномерно расположенные продольные выступы 3, высота каждого из которых со стороны входа в коллектор меньше его высоты с противоположной стороны. Расстояние между продольными выступами 3, их длина и высота выбираются так, чтобы угол падения электронов на внутреннюю токовоспринимающую поверхность 2 оставался постоянным во всем сечении электронного пучка. Это приводит к существенному уменьшению суммарной кинетической энергии электронов, приходящей на единицу площади токовоспринимающей поверхности, т.е. к равномерному распределению тепловой нагрузки.

Коллектор с рекуперацией энергии СВЧ прибора работает следующим образом. После подачи требуемых потенциалов на СВЧ прибор формируется электронный пучок, который после взаимодействия с электромагнитной волной модулируется и попадает в коллектор, изолированный от СВЧ-части диэлектрической вставкой (на фиг. 1, и 2 не показано). Продольные выступы 3 формируют требуемое распределение электрического поля в коллекторе, которое равномерно распределяет электронный пучок по внутренней токовоспринимающей поверхности 2.

Был изготовлен опытный образец коллектора с рекуперацией энергии СВЧ, испытания которого проводились в составе мощного резонансного генератора О-типа метрового диапазона. При испытаниях было реализовано равномерное распределение тепловой нагрузки по токовоспринимающей поверхности при малых габаритах и массе коллектора, за счет отсутствия отраженных электронов повышена эффективность генерации выходных колебаний, что подтвердило достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к коллекторам сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов О-типа с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка. Коллектор с рекуперацией энергии СВЧ прибора содержит металлический цилиндрический корпус с закрытым торцом, внутренняя поверхность которого является токовоспринимающей. На внутренней боковой токовоспринимающей поверхности корпуса выполнены одинаковые равномерно расположенные продольные выступы, высота каждого из которых со стороны входа в коллектор меньше его высоты с противоположной стороны. Технический результат - снижение суммарной кинетической энергии соударения электронов с токовоспринимающей поверхностью коллектора, равномерное распределение тепловой нагрузки и повышение эффективности процесса рекуперации энергии. 2 ил.

Коллектор с рекуперацией энергии СВЧ прибора, содержащий металлический цилиндрический корпус с закрытым торцом, внутренняя поверхность которого является токовоспринимающей, отличающийся тем, что на внутренней боковой токовоспринимающей поверхности корпуса выполнены одинаковые равномерно расположенные продольные выступы, высота каждого из которых со стороны входа в коллектор меньше его высоты с противоположной стороны.