Клистрон
Владельцы патента RU 2507625:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" (RU)
Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно к области генерации электромагнитного излучения, и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения. Клистрон содержит установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру с выходным резонатором, состоящим из двух, внутренней и наружной относительно траектории пучка электронов, полостей. Резонансная структура окружена устройством для формирования ведущего магнитного поля. В выходном резонаторе помимо внутренней полости внешняя также снабжена средством вывода излучения, при этом обе полости настроены на одинаковую частоту. Технический результат - повышение эффективности использования энергии пучка электронов. 2 ил.
Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно: к области генерации электромагнитного излучения и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения.
В качестве аналога рассмотрим клистрон, описанный в [1] (IEEE Transactions on Plasma Science, vol.22, №5, October 1994, p.692). Клистрон содержит установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру с выходным резонатором, состоящим из одной полости, внешней по отношению к пучку электронов, средство вывода излучения, а также устройство для формирования ведущего магнитного поля. В данном устройстве немодулированный электронный поток, выходящий из катода, поступает в первый резонатор, в зазоре которого имеется продольное электрическое поле сверхвысокой частоты. Это поле производит скоростную модуляцию электронного потока. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки. В выходном резонаторе происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ с последующим выводом энергии в выходную нагрузку.
Недостатком данной конструкции является малый КПД генерации излучения.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является триаксиальный клистрон, описанный также в [1] (p.698). Как и в аналоге, данное устройство содержит установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру, средство вывода излучения, а также устройство для формирования ведущего магнитного поля. Резонансная структура данного клистрона отличается от структуры аналога выходным резонатором, который образован не одной полостью, а двумя, внутренней и наружной относительно траектории пучка электронов, причем вывод энергии в выходную нагрузку осуществляется только посредством внутренней полости.
Недостатком данного генератора является малый КПД генерации излучения, обусловленный низкой эффективностью преобразования энергии пучка электронов в СВЧ-излучение.
Задачей предлагаемого изобретения является создание усовершенствованного СВЧ-генератора с целью повышения КПД генерации излучения.
Техническим результатом данного решения является увеличение эффективности использования энергии пучка электронов.
Технический результат в заявляемом устройстве достигается за счет того, что в отличие от известного клистрона, содержащего установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру с выходным резонатором, состоящим из двух, внутренней и наружной относительно траектории пучка электронов полостей, из которых внутренняя имеет средство вывода излучения, резонансная структура окружена устройством для формирования ведущего магнитного поля, в предлагаемом клистроне в выходном резонаторе помимо внутренней полости, внешняя также снабжена средством вывода излучения, при этом обе полости настроены на одинаковую частоту.
За счет организации в прототипе по сравнению с аналогом дополнительной, внутренней полости, настроенной на такую же частоту, что и внешняя, значительно уменьшается пространство взаимодействия 11 (см. фиг.2а и 2б) и тем самым уменьшается угол пролета , где
ω - круговая частота;
d - величина пространства взаимодействия;
ϑ0 - скорость электронного потока.
В свою очередь, уменьшение угла пролета приводит к увеличению коэффициента связи электронного потока m с резонатором 
и, как следствие, к увеличению электронного КПД, который пропорционален m.
Посредством сравнения прототипа с заявляемым, устанавливаем, что принцип действия устройства основан на следующем. Если внешняя полость резонатора не имеет узла вывода энергии (средства вывода излучения), как это организовано в прототипе, то в ней непрерывно нарастает электрическое поле, что непременно приводит к пробою резонатора. После пробоя скачкообразно возрастает угол пролета, и пока во внешней полости резонатора электрическое поле не достигло величины, равной величине поля во внутренней полости, угол пролета остается не оптимальным и, как следствие этого, КПД клистрона низок. В заявляемом устройстве и во внутренней, и во внешней полостях выходного резонатора происходит отбор кинетической энергии электронов и преобразование ее в энергию СВЧ с последующим выводом энергии в выходную нагрузку. За счет отбора энергии в выходную нагрузку, пробоя резонатора не происходит, и угол пролета остается оптимальным. Вторым важным фактором увеличения КПД является наличие двух каналов в средстве вывода излучения, что значительно уменьшает пробойные явления в трактах вывода излучения.
Таким образом, за счет организации и использования заявляемым образом выводного резонатора с внутренней и внешней полостями, снабженными средством вывода излучения, более эффективно используется энергия пучка электронов и повышается КПД генерации СВЧ-излучения.
На фиг.1 схематически изображен клистрон и подключение питания к устройству. На фиг.2 подробно изображена область взаимодействия электронного пучка с электрическим полем резонатора; 2а - аналог, 2б - прототип и заявляемое устройство.
Заявляемый генератор представляет собой расположенные в вакуумной камере 4 катод 2, анод 3, модулирующие резонаторы 6. Траектория движения пучка электронов 5 проходит между внутренней 8 и внешней 9 полостями выходного резонатора, настроенными на одну частоту. Энергия пучка электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний и посредством двух каналов системы вывода излучения 10 поступает из внутренней и наружной полостей выходного резонатора в атмосферу. Устройство для формирования ведущего магнитного поля 7 обеспечивает прохождение пучка электронов вдоль оси резонаторов. К катоду прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 1.
В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [2] (Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов" М.: Атомиздат, 1972).
Устройство работает следующим образом. При подаче импульсного напряжения от внешнего источника питания 1 на катод 2, с поверхности катода инжектируется пучок электронов 5, который транспортируется вдоль оси резонаторов 6 с помощью магнитного поля, создаваемого устройством для формирования ведущего магнитного поля 7. Далее, промодулированный резонаторами 6 пучок пролетает между внутренней 8 и внешней 9 полостями выходного резонатора. В пространстве взаимодействия 11 происходит контакт пучка электронов с электрическим полем полостей резонатора, создавая в них СВЧ излучение (эквипотенциальные поверхности электрического поля изображены на фиг.2, позиция 12). Излучение из внутренней и наружной полостей выходного резонатора выводится в атмосферу через два канала системы вывода излучения 10. Таким образом, электронный пучок отдает дополнительную энергию внешней полости выходного резонатора для преобразования ее в высокочастотную электромагнитную энергию. То есть, увеличивается эффективность преобразования энергии пучка в СВЧ-излучение.
В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора катод выполнен из тонкостенной нержавеющей стали, анод и резонаторы изготовлены из меди. Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа ~10-5 Top.
Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-излучения за счет усовершенствования резонансной структуры, КПД генератора увеличен.
Клистрон, содержащий установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру с выходным резонатором, состоящим из двух, внутренней и наружной относительно траектории пучка электронов полостей, из которых внутренняя имеет средство вывода излучения, резонансная структура окружена устройством для формирования ведущего магнитного поля, отличающийся тем, что в выходном резонаторе помимо внутренней полости внешняя также снабжена средством вывода излучения, при этом обе полости настроены на одинаковую частоту.
