Клистрон



Клистрон
Клистрон
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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сверхвысокочастотной технике, в частности к устройствам генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК), и может быть использовано при создании генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ-приборам клистронного типа, предназначенным для получения СВЧ-мощности на нескольких кратных частотах.

Изобретение относится к области СВЧ техники и предназначено для увеличения функциональных возможностей усилителя СВЧ сигнала - лампы бегущей волны (ЛБВ). .

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ-приборам, предназначенным для получения СВЧ-мощности на двух кратных частотах, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть применено для генерации мощного СВЧ излучения. .

Изобретение относится к области импульсной радиотехники. .

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным приборам СВЧ, предназначенным для генерирования сверхкоротких электрических импульсов напряжения со сверхвысокой частотой повторения, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Изобретение относится к области электронных приборов, в частности к вакуумным усилительным СВЧ приборам, и может быть использовано, например, в лампах бегущей волны (ЛБВ).

Изобретение относится к электронной технике, в частности к излучателям СВЧ-энергии, выполненным на основе электровакуумных СВЧ-приборов, и может быть использовано в системах дальней связи, включая сверхдальнюю космическую связь.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным приборам СВЧ, предназначенным для генерирования сверхкоротких электрических импульсов напряжения со сверхвысокой частотой повторения, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к электровакуумным СВЧ приборам гибридного типа - клистродам. Технический результат - повышение электрической прочности и КПД при высокой выходной мощности (более 20 КВт) в многолучевом электровакуумном приборе гибридного типа, предназначенном для работы во всей полосе частот телевизионного дециметрового диапазона (470÷860 МГц). Электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа содержит катод, выполненный в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих отдельные электронные лучи, управляющую сетку, выполненную в виде совокупности отдельных управляющих сеток, каждая из которых размещена соосно с соответствующей ей эмиттирующей поверхностью, а все вместе они закреплены на едином металлическом сеточном держателе, однозазорный входной резонатор, анод, трубы дрейфа, содержащие совокупность параллельных продольной оси прибора отдельных пролетных каналов для пропускания индивидуальных электронных лучей, каждый из которых соответствует своей эмиттирующей поверхности и управляющей сетке, коллектор, выходной однозазорный активный резонатор и наружный пассивный выходной резонатор, объединенные в систему связанных резонаторов. Связь между выходным активным резонатором и наружным выходным пассивным резонатором осуществляется посредством устройства, представляющего из себя незамкнутую петлю, размещенную в полости активного резонатора и соединенную с цилиндрической втулкой, размещенной в полости пассивного резонатора таким образом, что ее торцевая плоскость параллельна торцевой плоскости ответной втулки, расположенной на узкой стенке пассивного резонатора. Незамкнутый конец петли связи соединен с пластиной, имеющей форму кольцевого сегмента, в точке середины ее длины, таким образом, что плоскость пластины параллельна узкой стенке активного резонатора, при этом размеры пластины подбираются такими, чтобы обеспечить значение резонансной частоты петли на 10% ниже верхней границы рабочего диапазона прибора.1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками. СВЧ-генератор с виртуальным катодом коаксиального типа содержит источник высокого напряжения (1), отрицательный электрод которого соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой (2), высоковольтный изолятор (3), установленный в торце камеры, цилиндрический сеточный анод (7), расположенный вдоль оси камеры, соединенный с положительным электродом (9) источника высокого напряжения (1) через анододержатель (8) и высоковольтный изолятор (3), катодный узел с цилиндрическим катодом (11), расположенный внутри анода (7) на его оси и соединенный с вакуумной камерой (2) через коаксиальную конусную линию (4), широким концом подсоединенную к свободному торцу камеры (2), а узким концом к коаксиально-волноводному переходу (5), к которому подсоединены антенна (6) и согласующий элемент (14). Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение надежности устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях технических средств на воздействие мощных импульсных электромагнитных полей. Технический результат - увеличение эмиссии электронов, что позволяет повысить мощность генератора ЭМИ. Генератор электромагнитных импульсов содержит фотокатод и сетчатый параболоидный анод, подключенные к первому источнику напряжения, и импульсный источник сферической волны излучения, который установлен внутри сетчатого параболоидного анода софокусно ему, дополнительно содержит сетчатый параболоидный динод, соосный и софокусный параболоидному аноду, расположенный между фотокатодом и сетчатым параболоидным анодом, и второй источник напряжения, подключенный к фотокатоду и к сетчатому параболоидному диноду. 1 ил.
Наверх