МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН Российский патент 2023 года по МПК H01J23/18 

Изобретение относится к электровакуумным микроволновым приборам, а именно к многорезонаторным многолучевым клистронам (далее - МЛК).

Самое важное преимущество МЛК - расширение рабочей полосы, осуществлено в МЛК с компактным расположением лучей. Традиционная конструкция резонатора мощного многолучевого клистрона позволяет увеличивать число лучей и, как следствие, позволяет повысить общий ток и выходную мощность без роста напряжения питания. Однако при увеличении диаметра пространства взаимодействия в традиционном тороидальном резонаторе растет перепад СВЧ поля по пространству взаимодействия, что приводит к понижению мощности и КПД. К основным недостаткам этой конструкции, относится неравномерность электрического поля в радиальном или азимутальном направлении, а также близость высших видов колебаний, при увеличении мощности и (или) рабочей частоты МЛК. В традиционной конструкции тороидальных резонаторов многолучевых клистронов размер области взаимодействия не превышает 0.45Х.

Таким образом, дальнейшее увеличение мощности и КПД в МЛК с тороидальными резонаторами путем увеличения числа лучей связано с проблемой обеспечения радиальной равномерности СВЧ поля в зазоре взаимодействия. Дальнейшее увеличение мощности путем перехода на высшие типы колебаний приводит к росту диаметра катода, возрастанию габаритов магнитной системы, увеличению поперечных компонент поля, что не только ухудшает токопрохождение, но и приводит к значительному увеличению массогабаритных параметров клистрона.

Использование в МЛК кольцевых резонаторов с аксиально-симметричной модой Е₀₁₀ позволяют достаточно точно уравнять поля для каждого луча независимо от радиуса резонатора. Также известен МЛК с кольцевыми резонаторами, работающими на виде колебаний Е0n0 (патент РФ №2623096, приоритет 20.05.2015, принят за прототип). В этом многолучевом клистроне кольцевые резонаторы работают на высшем виде колебаний Е0n0 и содержат n кольцевых емкостных зазоров, между которыми расположены кольцевые индуктивные области, где n=2, 3. Причем, что во всех или некоторых индуктивных областях кольцевых резонаторов содержатся дополнительные кольцевые выступы в областях нулевого электрического поля на рабочем виде колебаний, а выходной резонаторы связаны с внешней нагрузкой аксиально-асимметричными элементами связи, кроме того, входной и выходной резонаторы во всех или некоторых индуктивных областях содержат один или несколько закорачивающих штырей, соединяющих торцевые крышки резонатора.

Недостатком этого технического решения является быстрое (прямо пропорциональное) увеличение радиуса области взаимодействия, а также катода, при росте числа лучей, а также быстрое уменьшение частотного разделения паразитных мод. На практике это не позволяет достичь выходной мощности более 10 МВт.

Задачей изобретения является разработка многолучевого клистрона повышенной мощности при жестких ограничениях на напряжение питания прибора.

Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение выходной мощности многолучевого клистрона, повышение КПД, улучшение массогабаритных характеристик прибора за счет использования конструкции многолучевого клистрона с максимально равномерным распределением электрического поля в области взаимодействия (в рабочем зазоре).

Технический результат достигается тем, что в многолучевом клистроне резонаторы выполнены с дополнительными индуктивными элементами, которые расположены внутри зазора взаимодействия, при этом выполняется соотношение:

где L - общая индуктивность элементов;

С - суммарная емкость зазора области взаимодействия;

f_p - рабочая частота клистрона,

при этом, индуктивные элементы могут быть выполнены в виде прямолинейных перемычек, могут быть выполнены в виде кольца с перемычками, соединяющими кольцо с краями зазора взаимодействия или в виде одно- и многозаходных спиралей, охватывающих области каждого из каналов.

Сущность технического решения заключается в следующем. В традиционном тороидальном резонаторе многолучевого клистрона электрическое поле максимально в центре резонатора и спадает к краям зазора взаимодействия. Дополнительные индуктивные элементы, которые расположены внутри зазора взаимодействия, частично вытесняют электрическое поле из центральной части зазора взаимодействия на его периферию, что приводит к уменьшению неравномерности электрического поля. При правильном выборе количества элементов, их расположения и формы можно обеспечить практически полное выравнивание поля по всем лучам в пространстве взаимодействия. Это достигается при выполнении условия резонанса между каждым индуктивным элементом и удельной емкостью зазора взаимодействия, т.е. той частью емкости зазора, которая приходится на (окружает) данный индуктивный элемент.

Точные значения параметров элементов определяются в процессе проектирования резонатора путем численного моделирования его характеристик или путем измерения макета резонатора и экспериментального подбора индуктивных перемычек.

Диапазон возможных значений произведения LC в формуле (1) объясняется тем, что в конкретной конструкции резонатора в зависимости от взаимного расположения лучей и индуктивных элементов потребуется изменять величины индуктивностей L.

В случае, если рабочая частота клистрона достаточно большая, то, согласно (1) индуктивности элементов должны быть малы, и элементы можно реализовать в виде прямолинейных перемычек, находящихся между лучами (Фиг. 1).

Если рабочая частота клистрона достаточно низкая, то, согласно (1) индуктивности элементов должны быть велики, и элементы можно реализовать в виде спиральных индуктивностей, а для того, чтобы уменьшить занимаемую ими площадь зазора взаимодействия, спирали можно расположить так, чтобы они охватывали каждый из лучей (Фиг. 2).

Если лучи в резонаторе расположены кольцевым образом, то поля в области лучей внутри одного кольца оказываются выравненными, так что необходимо выравнивать поля между кольцами лучей. В этом случае нет необходимости располагать индуктивные элементы у каждого луча, а достаточно их выполнить в виде колец с перемычками, соединяющими кольцо с краями области взаимодействия, и расположить между кольцами лучей (Фиг. 3).

Выравнивание полей между всеми лучами клистрона позволяет повысить КПД прибора, а также увеличить число лучей, не жертвуя равномерностью полей, что дает возможность значительного повышения выходной мощности клистрона.

Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 представлен резонатор 9-лучевого клистрона с прямолинейными индуктивными элементами (а - резонатор с вырезом, вид сбоку с разрезом, б - вид сверху).

На Фиг. 2 представлен резонатор 37-лучевого клистрона S-диапазона с индуктивными элементами в виде в виде спиральных индуктивностей, охватывающих каждый из лучей (а - резонатор с вырезом, б - вид сбоку с разрезом, вид сверху).

Дополнительные индуктивные элементы с повышенной индуктивностью в нем реализованы в виде спиральных индуктивностей, причем спирали выполнены ленточными проводниками, а для того, чтобы уменьшить занимаемую ими площадь зазора взаимодействия, спирали расположены так, чтобы охватывать каждый из лучей.

На Фиг. 3 представлен внешний вид резонатора 47-лучевого клистрона с индуктивными элементами в виде кольца с перемычками, соединяющими кольцо с краями области взаимодействия (а - резонатор с вырезом, б - вид сбоку с разрезом, вид сверху). Дополнительные индуктивные элементы в нем реализованы в виде кольца с перемычками, расположенного между кольцами лучей. Перемычки соединяют кольцо с краями рабочего зазора (области взаимодействия).

На Фиг. 4 представлен внешний вид вакуумной части резонатора миллиметрового клистрона.

На Фиг. 5 представлен профиль амплитуды высокочастотного поля вдоль средней линии резонатора (метками показано расположение лучей).

На Фиг. 6 представлен внешний вид вакуумной части резонатора клистрона S-диапазона (каждый луч снабжен втулками и индуктивным спиральным элементом).

На Фиг. 7 представлен профиль амплитуды высокочастотного поля вдоль диаметра резонатора (метками показано расположение лучей).

На Фиг. 8 представлен внешний вид вакуумной части резонатора клистрона сантиметрового диапазона (кольцевой индуктивный элемент между внешним и внутренним кольцами каналов).

На Фиг. 9 представлен профиль амплитуды высокочастотного поля вдоль диаметра резонатора клистрона с кольцевым расположением лучей (метками показано расположение лучей).

Многолучевой клистрон работает следующим образом. Электронные потоки проходят последовательно через ряд резонаторов. К первому резонатору подключен источник входной мощности, который создает в зазоре электрическое поле, модулирующее пучки по скорости. Благодаря наличию дополнительных индуктивных элементов высокочастотные поля, действующие на каждый из лучей равны даже при большом числе лучей и, соответственно, большом диаметре области взаимодействия. При последующем движении пучков в каналах модуляция по скорости переходит в модуляцию по плотности тока, что, в свою очередь позволяет пучкам возбуждать в резонаторах высокочастотное поле. При этом, благодаря наличию дополнительных индуктивных элементов высокочастотные поля, наводимые в области каждого луча, равны даже при большом числе лучей и, соответственно, большом диаметре зазора взаимодействия. Поля, создаваемые пучками в промежуточных резонаторах, усиливают модуляцию пучков. В выходном резонаторе пучки тормозятся высокочастотным полем, отдавая ему свою кинетическую энергию. При этом, благодаря наличию дополнительных индуктивных элементов высокочастотные поля, тормозящие каждый из лучей равны, что позволяет тормозить электроны в различных лучах в одинаковой степени. Это повышает КПД прибора и его выходную мощность. Кроме того, благодаря выравниванию полей между лучами в выходном резонаторе, появляется возможность поднять общую амплитуду полей в зазоре, не опасаясь того, что в лучах, «видящих» максимальную амплитуду поля электроны могут остановиться и начать возвратное движение, как это происходит в существующих конструкциях клистронов. Таким образом выравнивание полей, обеспечиваемое индуктивными элементами, позволяет повысить КПД клистрона и увеличить число лучей, давая возможность существенного увеличения выходной мощности.

Пример 1. Клистрон Ка диапазона (длина волны 8-миллиметров).

Клистрон с рабочей частотой 37.79 ГГц, содержит 9 лучей и 16 индуктивных элементов в виде прямолинейных проводников (Фиг. 4).

Диаметр каналов 1 мм, толщина индуктивных вставок 0.5 мм, высота резонатора - 0.8 мм.

Размер зазора взаимодействия составляет 7×7 мм (0.88λ). Благодаря наличию индуктивных вставок, удалось увеличить размер области взаимодействия до 0.88λ, и разместить в ней 9 лучей, в то время как в традиционных многолучевых клистронах этот размер не превышает (0.4-0.45)λ. Рассчитанная структура высокочастотного поля показана на Фиг. 5.

Различие полей в разных лучах не превышает 1%. Использование 9 лучей вместо 4 в традиционной конструкции позволило более чем в вдвое повысить выходную мощность без увеличения напряжения источника питания.

Пример 2. Сверхмощный клистрон S-диапазона

Клистрон с рабочей частотой 2.856 ГГц содержит 37 лучей и 37 индуктивных элементов в виде спиральных индуктивностей, охватывающих каждый из лучей (Фиг. 6). Диаметр каналов 7 мм, расстояния между центрами каналов - 14.5 мм.

Размер зазора взаимодействия составляет 94 мм (0.9λ). Благодаря наличию индуктивных вставок, удалось увеличить размер зазора взаимодействия до 0.9λ, и разместить в ней 37 лучей, в то время как в традиционных многолучевых клистронах этот размер не превышает (0.4-0.45)λ.

Рассчитанная структура высокочастотного поля показана на Фиг. 7. Различие полей в разных лучах не превышает 5%. Использование 37 лучей вместо 18 в традиционной конструкции позволило повысить выходную мощность с 7 до 30 МВт при небольшом увеличении напряжения источника питания с 55 до 85 кВ.

Пример 3. Сверхмощный клистрон сантиметрового диапазона

Клистрон с рабочей частотой в Х-диапазоне содержит 47 лучей и индуктивный элемент в виде кольца с перемычками, расположенного между кольцами лучей (Фиг. 7). Диаметр каналов 2.5 мм.

Размер области взаимодействия составляет 33 мм (1.09λ). Благодаря наличию индуктивных вставок, удалось увеличить размер области взаимодействия до 1.09λ, и разместить в ней 47 лучей (фиг.8, в то время как в традиционных многолучевых клистронах этот размер не превышает (0.4-0.45)λ. Рассчитанная структура высокочастотного поля показана на Фиг. 9. Различие полей в разных лучах не превышает 10%. Использование 47 лучей вместо 18 в традиционной конструкции позволило пропорционально повысить ток и выходную мощность с 20 до 44 кВт без увеличения напряжения источника питания.

Все вышесказанное подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к электровакуумным микроволновым приборам, а именно к многорезонаторным многолучевым клистронам. Технический результат - увеличение выходной мощности многолучевого клистрона, повышение КПД, улучшение массогабаритных характеристик прибора за счет использования конструкции многолучевого клистрона с максимально равномерным распределением электрического поля в области взаимодействия. В многолучевом клистроне резонаторы выполнены с дополнительными индуктивными элементами, которые расположены внутри зазора взаимодействия, при этом выполняется соотношение:

где L – общая индуктивность элементов; C – суммарная емкость зазора взаимодействия; f_p – рабочая частота клистрона. Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде прямолинейных перемычек, или в виде кольца с перемычками, соединяющими кольцо с краями области взаимодействия, или в виде одно- и многозаходных спиралей, охватывающих области каждого из каналов. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Многолучевой клистрон, содержащий резонаторы, отличающийся тем, что

резонаторы выполнены с дополнительными индуктивными элементами, которые расположены внутри зазора взаимодействия, при этом выполняется соотношение:

где L – суммарная индуктивность элементов;

C – суммарная емкость области взаимодействия;

f_p – рабочая частота клистрона.

2. Многолучевой клистрон по п.1, отличающийся тем, что индуктивные элементы выполнены в виде прямолинейных перемычек.

3. Многолучевой клистрон по п.1, отличающийся тем, что индуктивные элементы выполнены в виде кольца с перемычками, соединяющими кольцо с краями области взаимодействия.

4. Многолучевой клистрон по п.1, отличающийся тем, что индуктивные элементы выполнены в виде одно- и многозаходных спиралей вокруг каналов.