Результат интеллектуальной деятельности: КОЛЛЕКТОР ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА СВЧ О-ТИПА

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа, многолучевых клистронах и клистродах, в которых используется рекуперация кинетической энергии электронов, выходящих из электродинамической системы прибора.

Известна конструкция многоступенчатого коллектора, в которой электроды коллектора, предназначенные для сбора электронов, представляют собой набор полуцилиндров, изолированных друг от друга и расположенных на противоположных сторонах оси прибора. В объеме между полуцилиндрами создаются скрещенные поперечные оси прибора электрическое и магнитное поля, при этом силы, действующие на электроны со стороны этих полей, компенсируют друг друга для электронов прямого направления и отклоняют обратные электроны, что препятствует их выходу из коллектора (см. патент US №3202863, C1. 315-5.38, Crossed field collector, D.A.Dunn, P.A.Sturrock, опубл. 24.08.1965 г.).

Недостатками данной конструкции является то, что недостаточная теплорассеивающая способность полуцилиндров не позволяет использовать коллектор в мощных приборах, при этом равенство электрической и магнитной сил, действующих на прямые электроны, будет иметь место только для электронов с определенной энергией, а в мощных приборах энергетический спектр электронов, поступающих в коллектор, весьма широк, причем конструкция не может быть использована в многолучевых приборах и приборах с полыми цилиндрическими электронными потоками.

Известен коллектор электронного прибора СВЧ, который использован в многолучевом приборе, содержащий соосно расположенные два разнопотенциальных электрода и магнит, при этом второй по направлению движения электронного потока электрод размещен за торцом магнита, а величина расстояния L между плоскостями выходного торца магнита и входного отверстия второго электрода определяется выражением 1<L/D<3, где D - диаметр входного отверстия второго электрода (см. патент РФ №1240263, МПК⁹ H01J 23/027, опубл. 27.03. 1996 г.).

Недостатками данного электронного прибора является то, что кольцевой магнит, установленный коаксиально снаружи коллектора в случае мощного прибора, имеет большие габариты и вес, а также использование всего двух разнопотенциальных электродов не позволяет достигнуть значений КПД коллектора, близких к 100%.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является многоэлектродный коллектор электровакуумного СВЧ прибора О-типа, содержащий корпус, изолятор, устройство для создания поперечного электрического поля и электроды (см. патент РФ №2291514, МПК⁹ H01J 23/027, опубл. 10.01.2007 г.).

Недостатками прототипа является то, что существующее в коллекторном пространстве продольное фокусирующее магнитное поле компенсирует действие поперечного отклоняющего электрического поля, снижая эффективность сортировки электронов по энергиям. Использование первого электрода с пониженным относительно корпуса потенциалом ведет к отражению медленных электронов пучка и их возврату в пролетный канал электродинамической системы прибора.

Задачей технического решения является повышение КПД прибора за счет увеличения эффективности рекуперации энергии электронов и повышение срока службы прибора за счет снижения тепловой нагрузки на электроды коллектора и ее равномерного распределения между электродами.

Решение технической задачи достигается тем, что в коллекторе электровакуумного прибора СВЧ O-типа, содержащем корпус, изолятор, устройство для создания поперечного электрического поля и электроды, согласно изобретению корпус снабжен многоштырьковой ножкой, выполненной в виде керамического диска, а устройство для создания поперечного электрического поля размещено перед электродами и выполнено в виде соосно расположенных кольца и цилиндрического стакана, при этом электроды образуют двухрядную многосекционную систему, каждая секция которой содержит внешний и внутренний электроды с плоскими торцевыми и цилиндрическими боковыми поверхностями, причем коллектор снабжен дополнительным электродом, который выполнен в виде диска и размещен за электродами последней секции, внешними и внутренними дополнительными изоляторами, выполненными в виде шайб и размещенными по обе стороны каждого внутреннего и внешнего электрода, диэлектрическими трубками и проводниками, при этом все электроды и изоляторы, а также многоштырьковая ножка расположены соосно, а размеры наружных диаметров внешних электродов, внешних дополнительных изоляторов, кольца и дополнительного электрода одинаковы, причем внешние цилиндрические поверхности дополнительного электрода и кольца соединены с внутренней поверхностью изолятора, а в электродах и дополнительных изоляторах выполнены отверстия, образующие цилиндрические полости, в которых размещены диэлектрические трубки, внутри которых расположены проводники, соединяющие кольцо, цилиндрический стакан и каждый из электродов с соответствующим штырьком многоштырьковой ножки.

Поперечное сечение кольца устройства для создания поперечного электрического поля выполнено П-образным, а внутренние боковые поверхности внешних электродов коническими, причем коллектор снабжен штифтами, каждый из которых одной стороной соединен с внутренней поверхностью диэлектрической трубки, а другой стороной половина штифтов соединена с дополнительным электродом, а остальные с кольцом и с цилиндрическим стаканом.

Данная конструкция позволит повысить КПД и срок службы прибора. Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид коллектора в разрезе, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 представлен график зависимости электронного КПД многолучевого пролетного клистрона от диаметра парциальных электронных пучков на входе в коллекторное пространство.

Коллектор электровакуумного прибора СВЧ O-типа содержит корпус 1, снабженный многоштырьковой керамической ножкой 2, изолятор 3, устройство для создания поперечного электрического поля, состоящее из аксиально-симметричных кольца 4 и расположенного внутри него цилиндрического стакана 5, двухрядную многосекционную систему, включающую внешние электроды 6, внутренние электроды 7 и дополнительные внешние 8 и внутренние 9 изоляторы, расположенные по обе стороны каждого электрода 7, дополнительный электрод 10. В электродах 6,7 и дополнительных изоляторах 8,9 выполнены отверстия, образующие цилиндрические полости, в которых размещены направляющие диэлектрические трубки 11, обеспечивающие соосность всех перечисленных выше элементов коллектора, и диэлектрические трубки 12, внутри которых размещены проводники 13, соединяющие кольцо 4, цилиндрический стакан 5 и каждый из электродов 6,7 с соответствующим штырьком многоштырьковой ножки 2. Штифты 14, впаянные в отверстия направляющих диэлектрических трубок 12, обеспечивают соединение электродов 6, 7 и дополнительных изоляторов 8, 9 каждого ряда в пакеты и присоединение этих пакетов с одной стороны к дополнительному электроду 10, а с другой стороны к кольцу 4 и к цилиндрическому стакану 5. Коллекторное пространство 15 для пролета электронов полого цилиндрического или многолучевого электронного потока 16 состоит из полости между кольцом 4 и цилиндрическим стаканом 5 и полости между внешними электродами 6 и внутренними электродами 7. Траектории электронов, обладающих на входе в коллекторное пространство различными энергиями, показаны пунктирными линиями 17.

Коллектор электровакуумного прибора СВЧ O-типа работает следующим образом.

В полости коллекторного пространства 15 протяженностью Li между кольцом 4 и цилиндрическим стаканом 5 создавали поперечное электрическое поле, напряженность которого Е_r направлена к оси коллектора (см. фиг.1, 2). Потенциал кольца 4 выбирали более высоким, чем потенциал корпуса 1, равным потенциалу электродов выходного устройства U_o, а разность потенциалов между кольцом 4 и цилиндрическим стаканом 5 выбирали таким образом, чтобы потенциал пространства на расстояниях от оси коллектора, равных среднему радиусу полого цилиндрического потока электронов или расстоянию между осью коллектора и осями парциальных пучков многолучевого потока 16, был равен U_o. Все электроны, инжектируемые в коллекторное пространство 15, двигаясь в пределах полости протяженностью L₁, отклонялись поперечным полем тем сильнее, чем меньше их начальная энергия, наиболее медленные электроны оседали на внутреннюю поверхность кольца 4.

Потенциал внешнего электрода 6 первой по направлению движения электронов секции выбирали равным U_o или близким к нему, потенциал внешних электродов 6 каждой следующей секции понижали на величину, равную (U_o-|U_min|)/n, где U_min - потенциал наиболее отрицательного дополнительного электрода 10, n - число секций. Потенциал внутреннего электрода 7 каждой секции выбирали равным потенциалу внешнего электрода 6 этой секции или больше этого значения. При одинаковых значениях разности потенциалов электродов 6 соседних секций среднее значение напряженности E_z продольного тормозящего электрического поля в полости между внутренними 7 и внешними 8 электродами двухрядной многосекционной системы не изменялось вдоль продольной оси.

Если в полости между электродами 6, 7 создавалось только продольное электрическое поле, траектории электронов в пределах этой полости прямолинейны, а продольная координата точки соударения электрона с внешним электродом 6, как показывает анализ, пропорциональна его начальной энергии, благодаря чему обеспечивалось равномерное распределение тепловой нагрузки между электродами 6.

На внешних электродах 6, расположенных в пределах участка протяженностью L_2, оседали электроны, начальная энергия которых меньше eU_o (e - заряд электрона), электроны с более высокой начальной энергией оседали на более удаленные электроды 6, наиболее энергетичные электроны оседали на поверхности наиболее отрицательного дополнительного электрода 10.

Проведенный анализ показал, что при выполнении условий E_z=const и Δr_oЕ_r=L₁E_z (1+L₁/4 L₂), где Δr_{0 -} расстояние от точки ветрела электронов до поверхности кольца, скорость каждого электрона в точке соударения с соответствующим внешним электродом коллектора может быть сделана близкой к нулю (см. фиг.3). Это означает, что в случае кольцевого электронного потока малой толщины или многолучевого электронного потока, в котором парциальные пучки имеют малый радиус, а их оси равноудалены от оси коллектора, КПД коллектора, содержащего достаточно большое число секций (без учета вторичной эмиссии с электродов), может быть достигнут близким к 100%.

Расчет величин максимально достижимых значений электронного КПД многолучевого пролетного клистрона с рекуперацией энергии в коллекторе предлагаемой конструкции (см. фиг.3) был проведен для двух распределений электронов по энергиям, соответствующих различным значениям электронного КПД без рекуперации: 0,615 (кривая 1) и 0,41 (кривая 2). Расчеты проведены для предельного случая бесконечно большого числа электродов, при котором напряженность продольного тормозящего электрического поля в пространстве между электродами является постоянной. Влияние пространственного заряда, разброса электронов по углам влета в коллекторное пространство 15 и потери энергии за счет вторичной эмиссии не учитывались.

Увеличение толщины кольцевого потока или радиуса парциальных пучков многолучевого потока приводит к снижению КПД. Как видно из фиг.3, максимально достижимые (при выполнении условия E_z=const) значения электронного КПД прибора при использовании предлагаемого коллектора с рекуперацией энергии при реальных значениях размеров поперечного сечения электронного потока на входе в коллекторное пространство 15 (3…4 мм) остаются достаточно высокими (не менее 90%). Достигнутое увеличение КПД, а также равномерное распределение тепловой нагрузки между электродами способствует увеличению срока службы прибора.

К снижению КПД коллектора и электронного КПД прибора в сравнении со значениями, приведенными на фиг.3, приводит вторичная эмиссия с электродов коллектора. Выполнение внутренних боковых поверхностей внешних электродов 6 многосекционной системы повышает вероятность оседания медленных вторичных электронов с любого электрода 6 на соседний внешний электрод 6 или на близлежащие внутренние электроды 7, потенциалы которого мало отличаются от потенциала электрода 6, с которого выбиваются вторичные электроны, благодаря чему снижение КПД за счет вторичной эмиссии незначительно. Создание такого поля, а также наличие отклоняющего электрического поля в пространстве между кольцом 4 и стаканом 5 препятствует выходу вторичных и отраженных электронов из коллекторного пространства и их попаданию в пролетный канал электродинамической системы.

Использование предлагаемого коллектора позволит по сравнению с прототипом создавать и регулировать поперечное электрическое поле в пределах отдельных или всех секций многосекционной системы с повышением КПД и срока службы прибора.