МОЩНЫЙ СВЧ-ПРИБОР М-ТИПА Советский патент 2007 года по МПК H01J25/50 

Предлагаемое изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в мощных импульсных СВЧ-приборах М-типа.

Известно, что в импульсных приборах СВЧ М-типа анод образован системой ламелей, рабочие поверхности которых обращены к катоду и образуют с ним пространство взаимодействия. Постоянное магнитное поле в пространстве взаимодействия, направленное вдоль оси катода, создается магнитной системой. В процессе работы СВЧ прибора рабочие поверхности ламелей подвергаются электронной бомбардировке, под действием которой с течением времени разрушаются, что является одной из основных причин снижения долговечности СВЧ-приборов.

Известны конструкции СВЧ-приборов, в которых увеличение долговечности достигается путем снижения средней температуры ламелей за счет приближения охлаждающей жидкости к их рабочим поверхностям (например, лестничные замедляющие системы, выполненные в виде трубки с накладками, формирующими пространство взаимодействия, см. пат. США №3.219.882 по кл. 315-39.3). В других конструкциях рабочие поверхности защищаются тугоплавкими материалами, которые в меньшей степени, чем медь, подвержены электронной эрозии.

Тугоплавкие материалы наносятся либо в виде тонких пластин, либо путем напыления слоя материала в вакууме.

В современных СВЧ-приборах очень часто одновременно используются оба этих конструктивных приема. Однако в приборах с высокими значениями средней и импульсной мощности эти меры являются недостаточными для обеспечения требуемых в настоящее время значений долговечности.

Причины ограничения долговечности в таких приборах могут быть выявлены из анализа схемы фиг.1, на которой представлено поперечное сечение участка пространства взаимодействия с анодной системой, выполненной из трубок, охлаждаемых проточной жидкостью с ламелями, обращенными к катоду. Движение электронов в пространстве взаимодействия приборов М-типа имеет как нормальную, так и тангенциальную составляющую к плоскости А-А, в которой расположены рабочие поверхности ламелей. Поэтому электроны на ламель падают под определенным углом, что на фиг.1 обозначено стрелками. В этом случае ребро ламели, образованное ее рабочей и боковой поверхностями и расположенное со стороны дрейфа электронного потока, оказывается нагруженным существенно больше, чем другое. Разрушения ламелей такого типа и наблюдается во вскрытых приборах после их длительной работы в динамическом режиме в зоне наиболее нагруженного ребра.

В том случае, когда рабочая поверхность ламели защищена тугоплавким металлом, часть электронов бомбардирует боковую незащищенную поверхность ламели, т.к. слой тугоплавкого металла обычно невелик и не превышает 0,5 мм. Это вызывает разрушение меди под слоем защитного материала.

Целью изобретения является увеличение долговечности мощных импульсных СВЧ-приборов М-типа.

Эта цель достигается тем, что в мощных СВЧ-приборах М-типа ребра каждой ламели, образованные рабочей и боковыми поверхностями, удалены от оси катода на различные расстояния так, что в проекции со стороны северного полюса магнитной системы расстояние от оси катода до левого ребра больше, чем до правого.

Рабочая поверхность каждой ламели выполнена из двух граней, параллельных оси катода и расположенных под углом друг относительно друга. При этом грани могут быть выполнены как в виде плоскостей, так и цилиндрических поверхностей.

Такая конструкция позволяет рабочую поверхность каждой ламели (или часть ее) расположить так, чтобы основная часть электронов осаждалась не на ребро, а на плоскость, расположенную под большим углом к электронному потоку. Тем самым увеличивается поверхность, на которую осаждается электронный поток, а следовательно уменьшаются удельные нагрузки на ламели анода, что способствует повышению долговечности СВЧ-приборов.

На фиг.2 и 3 представлена конструкция СВЧ-прибора М-типа, а на фиг.4 и фиг.5 - различные конструктивные варианты ламелей предлагаемой конструкции.

Прибор М-типа 1 (фиг.3) имеет катод 2 и концентричный ему анод 3, образованный системой ламелей 4. Катод 2 и анод 3 образуют пространство взаимодействия 5, постоянное магнитное поле в котором, направленное вдоль оси катода 2, создается при помощи магнитов 6 и 7 (фиг.2). Ламель 4 имеет рабочую поверхность. 8, обращенную к катоду 2 и ограниченную параллельными его оси ребрами 9 (фиг.4), полученными от пересечения этой поверхности с боковыми гранями 10. Следует иметь в виду, что в пространстве взаимодействия 5 приборов М-типа направление тангенциального движения электронов зависит от выбора направления постоянного магнитного поля. Поэтому выбор формы ламелей, точнее направление скоса рабочей поверхности 8, определяется выбором направления постоянного магнитного поля. Ребра 9 рабочей поверхности 8 каждой ламели 4 находятся на разном расстоянии от оси катода 2, причем в проекции со стороны полюса 6 левое ребро 9 удалено от оси катода на большее расстояние, чем правое ребро 9 (ао>a'o), т.е. расстояние между рабочей поверхностью и катодом уменьшается в направлении дрейфа электронов. При построении различных вариантов выполнения ламелей, изображенных на фиг.4 и 5, полагалось, что северный полюс магнитной системы расположен над плоскостью чертежа. Практическое осуществление таких конструкций не связано с технологическими трудностями и ясно из приведенных чертежей.

Угол наклона рабочих поверхностей 8 ламелей 4 к поверхности катода 2 в конкретных приборах выбирается из условия осаждения на них основной части электронного потока и зависит от геометрических параметров пространства взаимодействия и режима работы прибора. Так, если щель между соседними ламелями невелика, угол скоса также можно делать малым, в более мощных приборах - угол скоса больше.

При сравнении форм ламелей, изображенных на фиг.4 и 5, по всей видимости, следует отдать предпочтение последним, рабочая поверхность которых имеет две грани с углом преломления в точке "b". Приборы с такими ламелями должны иметь большее значение КПД. Уменьшение КПД в приборах с ламелями, изображенными на фиг.4, обусловлено фактом осаждения электронов вблизи ребра, выступающего в пространство взаимодействия тех электронов, которые не полностью провзаимодействовали с высокочастотным полем анодной системы.

В ряде случаев оптимальной формой ламелей может быть ламель, одна или обе грани рабочей поверхности которой представляют собой часть тела вращения.

Например, в приборах цилиндрической конструкции часть рабочей поверхности ламели а, b (см. фиг.5) целесообразно изготовить в виде поверхности цилиндра, концентричного катоду. Это должно уменьшить искажения в распределении постоянного электрического поля вблизи анода.

На предприятии были опробованы мощные импульсные амплитроны сантиметрового диапазона с ламелями, изображенными на фиг.5а. Амплитроны имели выходную импульсную мощность несколько меговатт, среднюю мощность до 35 кВт и длительностью импульса 50 мкс. При использовании обычной конструкции ламелей в приборе, где отношение импульсной мощности, рассеиваемой на аноде, к площади анода равно уже после 15-20 часов работы выявились заметные разрушения ребер ламелей вследствие электронной эрозии. В макетах с ламелями предложенной формы (с углом поворота накладки относительно радиального направления на 12°) следов электронной эрозии после работы в течение 20 часов обнаружено не было. Это позволяет сделать вывод о возможности увеличить долговечность приборов М-типа при использовании ламелей предлагаемой формы. Кроме того, как показало обследование, введение накладок с профилями, приведенными на фиг.5а и 5б, практически не изменили электрического режима, в частности, величины КПД не изменились.

Изобретение относится к технике СВЧ. Технический результат заключается в увеличении долговечности. Сущность изобретения состоит в том, что ламели анода выполнены так, что в проекции поперечного сечения прибора со стороны северного полюса магнитной системы соблюдено соотношения l>р, где l - расстояние между осью прибора и линией пересечения поверхности ламели, обращенной к катоду, и левой боковой поверхностью ламели, р - расстояние между осью прибора и линией пересечения поверхности ламели, обращенной к катоду, и правой боковой поверхностью ламели. Кроме того, поверхность ламели, обращенная к катоду, может состоять из двух граней, параллельных оси прибора и расположенных друг относительно друга под углом, меньшим 180°. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Мощный СВЧ-прибор М-типа, содержащий катод, расположенный коаксиально ему анод с системой ламелей, расположенных со стороны катода, и магнитную систему, создающую постоянное магнитное поле в направлении оси прибора, отличающийся тем, что, с целью увеличения долговечности прибора, ламели выполнены так, что в проекции поперечного сечения прибора со стороны северного полюса магнитной системы соблюдены следующие соотношения:

l>p, где

l - расстояние между осью прибора и линией пересечения поверхности ламели, обращенной к катоду, и левой боковой поверхностью ламели;

р - расстояние между осью прибора и пинией пересечения поверхности ламели, обращенной к катоду, и правой боковой поверхностью ламели.