Коллектор для СВЧ-прибора Российский патент 2020 года по МПК H01J23/24 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к коллекторам электронов, и может найти широкое применение в многолучевых электронных приборах СВЧ типа О в качестве коллектора-рекуператора.

Известен коллектор с рекуперацией энергии для СВЧ-прибора, содержащий входную секцию, оконечную секцию с выступом и ребрами, а также изолированный от нее отражатель вторичных электронов в виде стержня, расположенного на оси коллектора. Магнитный полюс соединен с входной секцией высоковольтным изолятором. Вторичные электроны, возникающие на любом участке принимающей поверхности, практически не имеют выхода из коллектора, следовательно, повышается КПД прибора и увеличивается срок службы. [Авторское свидетельство №1295955, МПК H01J 23/027].

В известном коллекторе с рекуперацией недостатком является высокая тепловая нагрузка на ребра выступа, которые перехватывают часть электронного потока. Расположение нескольких электродов с разными потенциалами, усложняет настройку прибора и ее стоимость.

Известна также конструкция рекуператора энергии, содержащая цилиндрический коллектор, магнит, цилиндрические экраны и дополнительный экран в виде стакана из магнитомягкого материала. Внутренняя цилиндрическая поверхность коллектора снабжена кольцевым выступом, который позволяет уменьшить тепловую нагрузку на электродинамическую систему за счет перехвата поверхностью выступа вторичных электронов. [Авторское свидетельство №1301222, МПК H01J 23/027].

Эта конструкция может быть использована для приборов средней мощности. В мощных многолучевых ЛБВ использование данного рекуператора затруднительно. Из-за общего входного отверстия в коллектор значительное количество электронов будет оседать до кольцевого выступа и на торцевой поверхности выступа, создавая дополнительную тепловую нагрузку на входную часть коллектора. При этом все вторичные и отраженные электроны будут образовываться на кольцевом выступе, создавая тепловую нагрузку на электродинамическую систему.

Известна конструкция коллектора для многолучевого электронного СВЧ-прибора О-типа, состоящая из плоского магнитного полюса, дополнительно введенного полюса, выполненного из магнитомягкого материала в форме поверхности вращения, выпуклой частью обращенной к коллектору, с отверстиями по числу лучей. Оси отверстий образуют с осью прибора угол, определяющий угол поворота электронных лучей. [Авторское свидетельство №1040966, МПК H01J 25/00].

В известном коллекторе для многолучевого СВЧ-прибора недостатком являются сложности обеспечения хорошего теплового режима для каждого парциального коллектора и высокого токопрохождения электронного потока через дополнительный полюс.

Наиболее близкой к предлагаемому коллектору для СВЧ-прибора является конструкция коллектора электронного прибора СВЧ (прототип) [Авторское свидетельство №1240263, МПК H01J 23/027].

Коллектор электронного прибора СВЧ, содержащий соосно расположенные два разнопотенциальных полых электрода, магнит, магнитный полюс и магнитопроводящие экраны. Второй по направлению движения электронного потока электрод размещен за торцом магнита, а между двумя полыми электродами расположен кольцевой высоковольтный изолятор. Коллектор позволяет увеличить КПД прибора за счет улучшения рекуперации энергии электронов.

Недостатком такой системы является наличие двух полых разнопотенциальных электрода, между которыми нужно обеспечить электрическую прочность для надежной работы прибора. Увеличить токопрохождение и повысить напряжение рекуперации энергии электронов невозможно. Для обеспечения допустимой удельной нагрузки продольный размер коллектора сильно увеличен, что влияет на массогабаритные параметры всего прибора.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение токопрохождения и КПД прибора, в том числе и для многолучевых приборов, за счет повышения напряжения рекуперации энергии электронов в коллекторе и уменьшения тепловой нагрузки на коллектор и за счет уменьшения обратного тока снижается тепловая нагрузка на электродинамическую систему.

Технический результат достигается тем, что коллектор для СВЧ-прибора, содержит соосно расположенные полый электрод, магнит, магнитопроводящий экран, магнитный полюс с пролетными отверстиями. Магнитный полюс выполнен из двух частей, центральная часть выполнена в виде стакана, донышко которого с пролетными отверстиями соединено с основанием полого электрода, а боковая часть выполнена в виде стакана, в дно которого вставлен центральный стакан, причем между поверхностями центральной и боковой частей образован магнитный зазор толщиной L, площадь поперечного сечения зазора S и L, определяются из условий: U/E<L, S≥L/ (R_мз×μ₀), где U - потенциал полого электрода, Е - допустимая напряженность электрического поля в области магнитного зазора, R_мз - допустимое магнитное сопротивление, μ₀ - магнитная проницаемость.

Для коллектора характерны два режима работы: статический, когда скорости электронов на входе в коллектор примерно одинаковы, и динамический, когда скорости электронов существенно отличаются.

Центральная часть магнитного полюса соединена с основанием полого электрода, что позволяет каждому лучу идти вдоль силовых линий магнитного поля через парциальное отверстие в магнитном полюсе, обеспечивая высокое токопрохождение, и за ним рассеиваться в общем коллекторе. Практически все вторичные и отраженные электроны, возникающие на внутренней поверхности полого электрода, не выходят из него, это позволяет существенно уменьшить обратный ток, следовательно, уменьшить тепловую нагрузку на поверхность электродинамической системы в двух режимах работы коллектора. Такая конструкция позволяет расширить первичный электронный поток при увеличении поверхности, принимающей электроны, и дополнительно повысить напряжение рекуперации энергии электронов в коллекторе, что существенно снижает тепловую нагрузку на коллектор и повышает КПД прибора.

Боковая и центральная части магнитного полюса соединены между собой через магнитный зазор, толщина L которого обеспечивает допустимую электрическую прочность, т.к. центральная часть находится под потенциалом полого электрода, а площадь поперечного сечения зазора S - минимальное сопротивление магнитного потока.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен предлагаемый одноступенчатый коллектор для СВЧ-прибора, где:

- полый электрод 1,

- магнит 2,

- магнитопроводящий экран 3,

- центральный стакан магнитного полюса 4,

- боковой стакан магнитного полюса 5,

- пролетные отверстия 6,

- магнитный зазор 7.

Пример

Коллектор содержит цилиндр полого электрода 1 с внутренним диаметром 12 мм выполнен из немагнитного материала - из меди. Кольцевой магнит 2, имеющий внутренний диаметр 53 мм и внешний - 93 мм. Кольцевой магнит 2 намагничен радиально. Магнитопроводящий экран 3 выполнен в виде полого цилиндра толщиной 6 мм из стали. Магнитопроводящий экран 3 обхватывает кольцевой магнит 2. Магнитный полюс из двух частей 4, 5 выполнен из магнитомягкого материала. В донышке центрального стакана 4 для пропускания пучков многолучевого потока выполнены 18 пролетных отверстий 6 диаметром 1 мм. Донышко центрального стакана 4 спаяно с основанием полого электрода 1. Центральный стакан 4 магнитного полюса находится под потенциалом U=18 кВ полого электрода 1. Толщина центрального стакана 4 1 мм, диаметр донышка 28 мм. Боковой стакан 5 магнитного полюса имеет внутренний диаметр 38 мм и толщину 7.5 мм. В дне стакана 5 выполнено отверстие диаметром 30 мм. Центральный стакан 4 вставлен в дно бокового стакана 5. Магнитный зазор 7 между поверхностями центральной 4 и боковой 5 частями магнитного полюса имеет толщину L=2.5 мм и площадь поперечного сечения S=615.5 мм², при этом допустимая напряженность электрического поля Е=7.2 кВ/мм обеспечивает надежный режим работы прибора без пробоев, а магнитное сопротивление R_мз=3.2×10⁶ 1/Гн слабо влияет на магнитные потоки, создаваемые магнитом 2, которые замыкаются через боковой стакан 5 и центральный стакан 4 на магнитопроводящий экран 3.

Предлагаемый коллектор работает следующим образом.

На полый электрод 1 подают потенциал меньше потенциала катода. Модулированный по скорости электронный поток после прохождения через пролетные отверстия 6 центральной части магнитного полюса 4 попадает в полый электрод 1. Электронные пучки расширяются под действием пространственного заряда и оседают на внутреннюю поверхность полого электрода 1. Вторичные электроны, возникающие на любом участке принимающей поверхности полого электрода 1 практически не имеют выхода из него. Существует только небольшая группа (1-2%) приосевых электронов, которые могут осесть на электродинамическую систему, при этом удельная тепловая нагрузка на электродинамическую систему будет небольшой. Магнитные потоки, создаваемые магнитом 2, замыкаются через боковой стакан 5 и центральный стакан 4 на магнитопроводящий экран 3 через магнитный зазор 7, обеспечивая высокое токопрохождение в приборе.

Предлагаемая конструкция коллектора для СВЧ-прибора позволяет по сравнению с прототипом уменьшить ток обратных электронов в 2.7 раза, следовательно значительно уменьшается тепловая нагрузка на электродинамическую систему. Повышение напряжения рекуперации энергии электронов в коллекторе как минимум в 1.5 раза позволяет существенно уменьшить тепловую нагрузку на коллектор. Мощность источников питания снижается и уменьшается потребляемая прибором мощность. Предлагаемое техническое решение позволяет достичь высокого (98-100%) токопрохождения в многолучевых СВЧ-приборах О-типа в двух режимах работы коллектора. Это в свою очередь приводит к увеличению коллекторного КПД до 65% и к увеличению технического КПД прибора до 40%.

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к коллекторам электронов, и может найти широкое применение в многолучевых электронных приборах СВЧ типа О в качестве коллектора-рекуператора. Технический результат - увеличение токопрохождения и КПД прибора, в том числе и для многолучевых приборов, за счет повышения напряжения рекуперации энергии электронов в коллекторе и уменьшения тепловой нагрузки на коллектор и за счет уменьшения обратного тока снижается тепловая нагрузка на электродинамическую систему. Коллектор для СВЧ-прибора содержит соосно расположенные полый электрод, магнит, магнитопроводящий экран, магнитный полюс с пролетными отверстиями. Магнитный полюс выполнен из двух частей, центральная часть выполнена в виде стакана, донышко которого с пролетными отверстиями соединено с основанием полого электрода, а боковая часть выполнена в виде стакана, в дно которого вставлен центральный стакан, причем между поверхностями центральной и боковой частей образован магнитный зазор толщиной L, площадь поперечного сечения зазора S и L, определяются из условий: U/E<L, S≥L/(R_мз×μ₀), где U - потенциал полого электрода, Е - допустимая напряженность электрического поля в области магнитного зазора, R_мз - допустимое магнитное сопротивление, μ₀ - магнитная проницаемость. 1 ил.

Коллектор для СВЧ-прибора, содержащий соосно расположенные полый электрод, магнит, магнитопроводящий экран, магнитный полюс с пролетными отверстиями, отличающийся тем, что магнитный полюс выполнен из двух частей, центральная часть выполнена в виде стакана, донышко которого с пролетными отверстиями соединено с основанием полого электрода, а боковая часть выполнена в виде стакана, в дно которого вставлен центральный стакан, причем между поверхностями центральной и боковой частей образован магнитный зазор толщиной L, площадь поперечного сечения зазора S и L, определяются из условий: U/E<L, S≥L/(R_мз×μ₀),

где U - потенциал полого электрода, Е - допустимая напряженность электрического поля в области магнитного зазора, R_мз - магнитное сопротивление, μ₀ - магнитная проницаемость.