Многолучевой клистрон с плоскосимметричной магнитной фокусирующей системой на постоянных магнитах Российский патент 2023 года по МПК H01J23/20 

Настоящее изобретение относится к области электровакуумных СВЧ приборов, а конкретно к многолучевым клистронам (МЛК), использующим для фокусировки электронных лучей магнитные фокусирующие системы (МФС) на постоянных магнитах.

Прототипом предлагаемого изобретения является полезная модель к патенту RU №78986U1. Многолучевой клистрон содержит МФС, показанную на фиг. 1. МФС включает в себя два или несколько магнитных полюсных наконечников ПН 1, в которых выполнены отверстия пролетных каналов 2 для прохождения электронных лучей. В поперечном сечении ПН имеют форму прямоугольников, на противоположных сторонах которых установлены магнитные скобы 3. Каждая скоба 3 включает в себя два радиально намагниченных постоянных магнита 4, имеющих форму параллелепипеда. Намагниченность магнитов на каждой скобе противоположна, так что поле одного магнита направлено к оси прибора, а второго от оси, см. фиг. 1, обозначение B_r. Магниты одной скобы соединены магнитопроводом 5. Скобы 3 установлены так, что два магнита с однонаправленной намагниченностью расположены на противоположных гранях каждого из ПН. Таким образом, МФС имеет плоскосимметричное построение. На соседнем ПН оказываются магниты, намагниченные в обратном направлении. Между параллельными торцевыми поверхностями соседних ПН располагается область фокусировки, в которой сформировано фокусирующее продольное магнитное поле B_z, силовые линии которого направлены параллельно оси клистрона и осям электронных лучей.

Магнитное поле может быть неравномерно по длине пространства фокусировки. Для выравнивания поля, магнитные скобы располагаются так, что края 6 магнитов выступают за торцевые поверхности ПН. Изменяя расстояние между краями 6 магнитов, можно выравнивать величину продольного фокусирующего магнитного поля B_z по длине пространства фокусировки.

Такая конструкция МФС обеспечивает компактность МЛК и возможность удобного расположения ввода и вывода энергии.

Однако, поскольку магниты расположены в плоскости YZ, то выравнивающее воздействие краев 6 магнитов максимально проявляется в области пролетных каналов, расположенных вблизи плоскости YZ, и минимально в области пролетных каналов, расположенных вблизи плоскости XZ.

На фиг. 2 представлены результаты трехмерного расчета распределения продольной составляющей фокусирующего магнитного поля B_z в пространстве фокусировки. Сплошными линиями показано распределение поля для электронных лучей, расположенных в плоскости расположения магнитов (плоскость YZ). Верхняя сплошная линия соответствует большему расстоянию между краями 6 магнитов по оси Z, нижняя сплошная линия соответствует меньшему расстоянию между краями 6 магнитов. Таким образом, изменяя длину выступающих за ПН краев 6 магнитов в пространство фокусировки магнитного поля, можно выравнивать распределение фокусирующей составляющей поля по длине пространства фокусировки. Пунктирной линией показано распределение фокусирующего поля в перпендикулярной плоскости XZ. Из этого графика видно, что выравнивающее воздействие выступающих краев 6 магнитов в плоскости XZ существенно слабее, чем в плоскости YZ.

Следует отметить, что неравномерность продольного магнитного поля обуславливает значительное поперечное магнитное поле, особенно для электронных лучей, расположенных во внешнем ряду пролетных каналов, расположенных дальше от оси клистрона.

Неравномерность фокусирующего поля по длине фокусировки и его неодинаковость для различных электронных лучей приводят к существенному ухудшению токопрохождения в клистроне.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в увеличении КПД клистрона.

Технический результат, получаемый в изобретении, заключается в улучшении токопрохождения в каналах клистрона.

Технический результат достигается тем, что в многолучевом клистроне с плоскосимметричной магнитной фокусирующей системой на постоянных магнитах, состоящей из двух магнитных скоб, установленных на противоположных сторонах магнитных полюсных наконечников прямоугольной формы, причем каждая из скоб содержит два радиально намагниченных постоянных магнита в форме параллелепипеда, соединенных магнитопроводом, намагниченных в противоположных направлениях и установленных таким образом, что края магнитов выдвинуты в пространство фокусировки магнитного поля за торцевые поверхности полюсных наконечников, в краях магнитов, обращенных к пространству фокусировки и выступающих за торцевые поверхности полюсных наконечников, сделаны выборки таким образом, что глубина выборки в осевом направлении не превосходит расстояние от края магнита до торцевой поверхности полюсного наконечника, высота выборки от плоскости магнита, контактирующей с полюсным наконечником, в радиальном направлении составляет 0,5-0,6 высоты магнита, а ширина выборки составляет 0,40-0,55 ширины магнита, кроме этого на поверхности магнитов, контактирующих с поверхностями полюсных наконечников, установлены вставки из листов магнитомягкой стали толщиной 0,3-0,6 мм.

На фиг. 1 показана магнитная фокусирующая система прототипа в продольном сечении.

На фиг. 2 показано распределение продольного фокусирующего магнитного поля B_z по длине пространства фокусировки для различных электронных лучей внешнего ряда при различном расстоянии между краями магнитов прототипа.

На фиг. 3 показана магнитная фокусирующая система в разрезе с выборками в выступающих частях магнитов и стальными вставками на поверхностях магнитов, контактирующих с полюсными наконечниками, согласно изобретению.

На фиг. 4 показаны результаты расчета распределения продольной фокусирующей составляющей магнитного поля B_z в МФС с выборками и вставками согласно изобретению.

На фиг. 3 обозначены следующие позиции: 1 - постоянные магниты, 2 - выборки, 3 - вставки из листов магнитомягкой стали, 4 - магнитная скоба, 5 - магнитные полюсные наконечники, 6 - магнитопровод, 7- края магнитов, выступающие в пространство фокусировки магнитного поля, 8 - торцевые поверхности магнитных полюсных наконечников, 9 - отверстия пролетных каналов.

МФС состоит из двух магнитных скоб 4, установленных на противоположных сторонах магнитных полюсных наконечников прямоугольной формы 5. Каждая из скоб 4 содержит два радиально намагниченных постоянных магнита 1 в форме параллелепипеда, соединенных магнитопроводом 6, намагниченных в противоположных направлениях и установленных таким образом, что края 7 магнитов 1 выдвинуты в пространство фокусировки за торцевые поверхности 8 полюсных наконечников 5.

Клистрон работает следующим образом. Электронные пучки попадают в пролетные каналы 9, где под воздействием фокусирующего продольного магнитного поля B_z, создаваемого магнитной фокусирующей системой, проходят по всей длине каналов 9. Магнитная фокусирующая система создает фокусирующее магнитное поле, силовые линии которого параллельны осям пролетных каналов. Это поле не дает электронным пучкам расфокусироваться и оседать на стенках каналов. Проходя через резонаторную систему клистрона электронные лучи группируются по плотности и отдают свою энергию, замедляясь в зазоре взаимодействия выходного резонатора. Усиленный СВЧ сигнал поступает в вывод энергии клистрона, а отработавшие электронные лучи оседают в коллекторе.

Физический смысл нашего технического предложения заключается в следующем. Если магниты 1 имеют выборку 2, то для выравнивания фокусирующего магнитного поля, воздействующего на электронные лучи в плоскости YZ, расстояние между магнитами 1 должно быть меньше, чем с магнитами без выборок. При этом части магнитов, расположенные сбоку от выборок, оказывают выравнивающее воздействие на фокусирующее магнитное поле, воздействующее на электронные лучи, расположенные в плоскости XZ.

Варьируя глубину выборки L, ширину выборки W, высоту выборки Н и расстояние между краями 7 магнитов, можно выровнять распределение фокусирующего магнитного поля в обеих плоскостях YZ и XZ для всего пространства фокусировки. При этом поля выравниваются и для всех остальных лучей. Как показывают результаты трехмерных электронно-оптических расчетов, границы выбора величин глубины, ширины, высоты выборки и расстояния между краями магнитов следует выбирать в следующих пределах:

- глубина выборки L в осевом направлении не более расстояния от края 7 магнита до торцевой поверхности 8 полюсного наконечника;

- высота Н выборки составляет 0,5-0,6 высоты магнитов 1, т.е. расстояния от плоскости магнита 1, контактирующей с полюсным наконечником 5, до плоскости магнита 1, контактирующей с магнитопроводом 6;

- ширина W выборки составляет 0,40-0,55 ширины магнита по оси X.

Дальнейшая настройка МФС осуществляется непосредственно в процессе настройки отдельных образцов МЛК в процессе производства.

Вторым фактором, влияющим на неоднородность поля вдоль пространства взаимодействия и неодинаковость поля для различных лучей, является неоднородная намагниченность магнитов по посадочным поверхностям, т.е. по плоскостям, контактирующим с гранями полюсных наконечников 5. Для устранения влияния неоднородной намагниченности предложено на посадочных поверхностях магнитов 1 установить вставки 3 из листа магнитомягкой стали толщиной 0.3-0.6 мм. Эти вставки улучшают характеристики магнитного фокусирующего поля, а также повышают прочность и стойкость МФС к ударным и вибрационным нагрузкам, что имеет важное значение, поскольку сплавы редкоземельных элементов, из которых сделаны магниты, очень хрупки.

На фиг. 4 представлены результаты расчета распределения продольной фокусирующей составляющей магнитного поля B_z в МФС с магнитами, в которых сделаны вышеописанные выборки и стальные вставки. Как следует из результата расчета, неравномерность фокусирующего поля для электронных лучей, расположенных в плоскости XZ существенно снижена и не превышает долей процента. Распределение фокусирующего поля в плоскости YZ практически идентично плоскости XZ. Поперечная составляющая магнитного поля в области фокусировки снижена с 36 до 16-18 Гс.

Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют выровнять фокусирующие поля по длине пространства фокусировки, устранить различие фокусирующего поля для различных электронных лучей и, как следствие, увеличить токопрохождение в клистроне и его КПД.

Кроме того, предлагаемые технические решения увеличивают стойкость МФС и клистрона в целом к ударным и вибрационным нагрузкам.

Проверка предлагаемых решений в образцах многолучевых клистронов показала повышение токопрохождения примерно на 5-10%, что, в свою очередь повышает КПД и долговечность МЛК.

Изобретение относится к области электровакуумных СВЧ приборов, конкретно к многолучевым клистронам (МЛК), использующим для фокусировки электронных лучей магнитные фокусирующие системы (МФС) на постоянных магнитах. Технический результат - улучшение токопрохождения в каналах клистрона. МФС клистрона содержит две магнитные скобы, установленные на противоположных сторонах магнитных полюсных наконечников прямоугольной формы. Каждая из скоб содержит два радиально намагниченных постоянных магнита в форме параллелепипеда, соединенных магнитопроводом, намагниченных в противоположных направлениях и установленных таким образом, что края магнитов выдвинуты в пространство фокусировки магнитного поля за торцевые поверхности полюсных наконечников. В краях магнитов, обращенных к пространству фокусировки и выступающих за торцевые поверхности полюсных наконечников, сделаны выборки. Глубина выборки в осевом направлении не превосходит расстояние от края магнита до торцевой поверхности полюсного наконечника, высота выборки от плоскости магнита, контактирующей с полюсным наконечником, в радиальном направлении составляет 0,5-0,6 высоты магнита, а ширина выборки составляет 0,40-0,55 ширины магнита. На поверхностях магнитов, контактирующих с поверхностями полюсных наконечников, установлены вставки из листов магнитомягкой стали толщиной 0,3-0,6 мм. 4 ил.

Многолучевой клистрон с плоскосимметричной магнитной фокусирующей системой на постоянных магнитах, состоящей из двух магнитных скоб, установленных на противоположных сторонах магнитных полюсных наконечников прямоугольной формы, причем каждая из скоб содержит два радиально намагниченных постоянных магнита в форме параллелепипеда, соединенных магнитопроводом, намагниченных в противоположных направлениях и установленных таким образом, что края магнитов выдвинуты в пространство фокусировки магнитного поля за торцевые поверхности полюсных наконечников, отличающийся тем, что в краях магнитов, обращенных к пространству фокусировки и выступающих за торцевые поверхности полюсных наконечников, сделаны выборки таким образом, что глубина выборки в осевом направлении не превосходит расстояние от края магнита до торцевой поверхности полюсного наконечника, высота выборки от плоскости магнита, контактирующей с полюсным наконечником, в радиальном направлении составляет 0,5-0,6 высоты магнита, а ширина выборки составляет 0,40-0,55 ширины магнита, кроме этого на поверхности магнитов, контактирующих с поверхностями полюсных наконечников, установлены вставки из листов магнитомягкой стали толщиной 0,3-0,6 мм.