ВЫХОДНАЯ СИСТЕМА СВЕРХМОЩНОГО КЛИСТРОНА Российский патент 2023 года по МПК H01J25/02 H01J23/36 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при создании сверхмощных клистронов.

Известно техническое решение, в котором выходная электродинамическая система усилительного клистрона содержит активный резонатор, выходной тракт и пассивные резонаторы (Патент РФ № 1419405 на изобретение «Выходная электродинамическая система усилительного клистрона», МПК H01J 25/00). Однако, подобная конструкция не удовлетворяет требованиям, предъявляемым при проектировании сверхмощных клистронов.

Традиционная выходная система мощного клистрона, например, клистронов, выпускаемых фирмой THOMSON (Faillon G.J. THOMSON high peak power klystrons / Ps Klystron Modulator Technical Meeting October 7th And 5th 1991 - Cern. P. 239.), принятая за прототип, не может обеспечить электропрочность при импульсной мощности, превышающей 25 МВт.

Предложена новая конструкция выходной системы сверхмощного клистрона, которая не имеет недостатков аналога и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение электропрочности выходной системы, повышение выходной мощности прибора, увеличение надежности прибора и увеличение КПД.

Технический результат достигается тем, что в выходной системе сверхмощного клистрона, содержащей выходной резонатор, соединенный через щель связи с выходным волноводом, дополнительно содержится, по крайней мере, один закороченный отрезок прямоугольного волновода, связанный с выходным резонатором через индуктивную щель связи, расположенную на боковой стенке резонатора, причем, щели расположены на равном расстоянии друг от друга, при этом нормированный размер прямоугольного волновода определяется как:

и ,

где - длина волны в центре рабочего диапазона выходной системы,

, - ширина и высота прямоугольных волноводов;

длина отрезка закороченного отрезка прямоугольного волновода определяется соотношением:

;

а угол раскрыва щели связи выбирается из интервала:

.

Сущность изобретения состоит в следующем. Наличие дополнительно, по крайней мере, одного закороченного отрезка прямоугольного волновода, соединённого с выходным резонатором через дополнительную щель связи, за счёт отражения части мощности позволяет обеспечить азимутальную однородность продольной компоненты электрического поля в области взаимодействия с электронным потоком, что приводит к улучшению взаимодействия и, следовательно, к повышению КПД прибора.

Количество дополнительных закороченных отрезков прямоугольного волновода, связанных через щель с выходным резонатором, определяется размерами элементов выходной системы (резонатора и прямоугольных волноводов), при этом, щели должны быть расположены на равном расстоянии друг от друга на боковой стенке резонатора для обеспечения азимутальной однородности продольной компоненты электрического поля в области взаимодействия с электронным потоком.

Нормированные ширина и высота прямоугольных волноводов, длина закороченного отрезка прямоугольного волновода, зависящие от длины волны в центре рабочего диапазона выходной системы, а также нормированный угол раскрыва щели, определяют нагруженную добротность выходной системы и, тем самым, влияют на величины электрического поля в полости и токов на поверхностях выходной системы. Выбор величин этих параметров из указанных интервалов позволяет минимизировать вероятность появления СВЧ пробоев и перегревов, что повышает электропрочность и надёжность при высоких выходных СВЧ мощностях.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена выходная система сверхмощного клистрона, где 1 - выходной резонатор; 2 - выходной прямоугольный волновод; 3 - щель связи; 4 - индуктивная щель связи; 5 - закороченный отрезок прямоугольного волновода.

На фиг. 2 приведены рассчитанный и измеренный коэффициенты передачи мощности выходной системы сверхмощного клистрона.

На фиг. 3 представлено распределение электрического поля в центре щели связи.

Устройство работает следующим образом. В выходном резонаторе 1 формируется переменное электромагнитное поле (с рабочей частотой f0). Отбор СВЧ мощности из выходного резонатора (1) в выходной прямоугольный волновод (2) осуществляется через щель связи (3). Часть мощности через индуктивную щель связи (4) попадает в закороченный отрезок прямоугольного волновода (5). Закорачивающая стенка отражает попавшую в этот отрезок СВЧ мощность и возвращает в выходной резонатор (1), из которого СВЧ мощность выводится через щель связи (3) в выходной прямоугольный волновод (2).

Пример исполнения. Было проведено математическое моделирование выходной системы сверхмощного клистрона методом конечных элементов и проведены измерения электродинамических характеристик на опытном образце.

Выходная система сверхмощного клистрона изготовлена из меди марки МВ (вакуумная). Пайка выходного прямоугольного волновода (2) и закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) к выходному резонатору (1) реализована с помощью припоя ПСр72.

Выходная система сверхмощного клистрона по предложенному техническому решению содержит один дополнительный закороченный отрезок (5) прямоугольного волновода, соединённый с выходным резонатором (1) через индуктивную щель связи (4).

Элементы выходной системы имеют следующие размеры: ширина и высота выходного прямоугольного волновода (2) и закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) - 90×45 мм, длина закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) - 30.4 мм, радиус выходного резонатора (1) - 34.1 мм, высота выходного резонатора (1) - 26 мм, зазор выходного резонатора - 18 мм, угол раскрыва щелей связи (3, 4) - 720 (1.26 рад).

На фиг. 2 представлены результаты моделирования и измерений на опытном образце коэффициента передачи мощности выходной системы СМК. Результаты испытаний имеют хорошее совпадение с результатами моделирования, что позволяет использовать результаты моделирования для оценки напряжённости электрических полей в критических областях выходной системы сверхмощного клистрона при высоких мощностях.

На фиг. 3 представлено распределение электрического поля в центре щели связи на рабочей частоте при выходной мощности 20 МВт, где 1 - прототип, 2 - предложенная конструкция, 3 - уровень СВЧ пробоя в вакууме. Очевидно наличие большего запаса до уровня СВЧ пробоя по сравнению с прототипом, что говорит о повышении электропрочности конструкции.

В таблице 1 представлены результаты расчёта характеристического сопротивления нагруженного выходного резонатора и предельной величины выходной мощности.

Таблица 1 Тип выходной системы Характеристическое сопротивление, Ом Предельная мощность, МВт Прототип 64,6 25,2 Предложенная конструкция 78,1 52,4

Повышение характеристического сопротивления ведёт к увеличению КПД прибора в целом.

Таким образом, можно утверждать, что предложенное техническое решение позволяет достигнуть заявленного технического результата.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при создании сверхмощных клистронов. Технический результат - повышение электропрочности выходной системы, выходной мощности прибора, надежности прибора и увеличение КПД. В выходной системе сверхмощного клистрона, содержащей выходной резонатор, соединенный через щель связи с выходным волноводом, дополнительно содержится по крайней мере один закороченный отрезок прямоугольного волновода, связанный с выходным резонатором через индуктивную щель связи, расположенную на боковой стенке резонатора, причем, щели расположены на равном расстоянии друг от друга. 3 ил., 1 табл.

Выходная система сверхмощного клистрона, содержащая выходной резонатор, соединенный через щель связи с выходным волноводом, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по крайней мере один закороченный отрезок прямоугольного волновода, связанный с выходным резонатором через индуктивную щель связи, расположенную на боковой стенке резонатора, причем щели расположены на равном расстоянии друг от друга, при этом нормированный размер прямоугольного волновода определяется как:

и ,

где - длина волны в центре рабочего диапазона выходной системы, , - ширина и высота прямоугольных волноводов;

длина отрезка закороченного отрезка прямоугольного волновода определяется соотношением:

;

а угол раскрыва щели связи выбирается из интервала:

.