[1]Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодно-подогревательным узлам для мощных приборов СВЧ, в частности клистронов.
[2]Одной из основных задач сегодня является создание мощных и сверхмощных многотрубных клистронов.
[3]Различают однолучевые и многолучевые клистроны.
[4]Многолучевые усилительные клистроны (клистроны) являются основой передатчиков современных перспективных бортовых, морских и наземных радиоэлектронных систем.
[5]В последнее время известность получили многотрубные клистроны, представляющие собой два и более парциальных многолучевых клистрона, объединенных единой вакуумной оболочкой и едиными вводом и выводом энергии.
[6]Катодный узел, эмитирующий электроны, является одним из основных элементов клистрона любого типа.
[7]Одной из основных характеристик катодного узла для мощных многолучевых клистронов является высокий однородный уровень эмиссии всех эмитирующих поверхностей, обеспечивающих высокие и стабильные параметры клистрона.
[8]Известны мощные либо сверхмощные клистроны на основе многолучевых электронно-оптических систем, реализованные суммированием многолучевого клистрона, состоящего из восьми групп по восемь лучей в каждой, в которых использованы восемь отдельных катодно-подогревательных узлов, размещенных на общем основании [1].
[9]Указанные клистроны являются мощными (до 100 кВт) либо сверхмощными (более 100 кВт).
[10]Однако данные клистроны отличаются не высокой долговечностью и нестабильностью из-за
[11]во-первых, неидентичности геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов,
[12]во-вторых, неидентичности геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов и системы элементов - сетка, анод, резонаторный блок клистрона, элементы которой выполнены монолитно,
[13]в-третьих, разброса рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов.
[14]Это определяет невысокую долговечность и невысокую стабильность отдельных катодно-подогревательных узлов и, соответственно, клистрона.
[15]Более того данная конструкция клистрона трудно реализуема.
[16]Известен катодно-подогревательный узел для мощного клистрона, содержащий два отдельных катодных модуля, каждый из которых состоит из катодного блока элементарных катодов, подогревателя, держателя и которые торцами, противоположными торцам с рабочей - эмитирующей - поверхностью расположены на одном отдельном основании, выполненном из тугоплавкого материала и при этом соосно пролетным трубам клистрона [2] - прототип.
[17]Данная конструкция благодаря указанной компановке элементов (двухтрубной) позволила значительно увеличить количество лучей клистрона и соответственно его выходную мощность в импульсном режиме.
[18]Однако указанные выше недостатки аналога в целом сохранились, а именно неидентичность геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов, неидентичность геометрических размеров отдельных оснований отдельных катодно-подогревательных узлов и системы элементов - сетка, анод, резонаторный блок клистрона, элементы которой выполнены монолитно, разброс рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов.
[19]Более того, наличие торцевых сварочных швов на значительном линейном расстоянии от рабочей - эмитирующей - поверхности при разогреве катода до рабочей температуры (~1100°C) приводит дополнительно к изменению первоначально установленных геометрических размеров.
[20]Это определяет, как и в аналоге, невысокую долговечность катодно-подогревательного узла и, соответственно, ограничения по выходной мощности в импульсном режиме и коэффициенту полезного действия мощного клистрона.
[21]Техническим результатом заявленного изобретения является повышение долговечности катодно-подогревательного узла путем повышения идентичности геометрических размеров его элементов и снижения разброса рабочей температуры отдельных катодно-подогревательных узлов, уменьшение массогабаритных характеристик и, соответственно, повышение выходной мощности, коэффициента полезного действия, расширение функциональных возможностей мощного клистрона.
[22]Технический результат достигается катодно-подогревательным узлом для мощного клистрона, содержащим несколько отдельных катодных модулей заданного размера, каждый из которых состоит из катодного блока элементарных катодов, подогревателя, держателя, экрана и которые расположены соосно пролетным трубам клистрона, в котором
[23]катодно-подогревательный узел содержит отдельные катодные модули, кратные четырем,
[24]часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту (0,2-2,0) мм с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, выполнена диаметром, превышающим диаметр катодного модуля на (0,2-10,0) мм,
[25]катодно-подогревательный узел дополнительно снабжен двумя цилиндрами - внешним и внутренним, с заданными диаметрами соответственно, высотой - внешний, равной высоте отдельного катодного модуля либо не более двух его высот, внутренний - равной высоте катодного модуля либо не менее 0,5 его высоты, каждый с толщиной стенки (0,3-0,8) мм, при этом цилиндры соосно расположены один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей - поверхности катодных модулей,
[26]каждый отдельный катодный модуль дополнительно снабжен отдельным цилиндром, размещен в нем с зазором и закреплен посредством упомянутой части держателя, при этом отдельный цилиндр выполнен диаметром, обеспечивающим сопряжение всех катодных модулей, высотой, меньшей высоты катодного модуля на (1,0-5,0) мм, с толщиной стенки, равной (0,2-0,6) мм, на внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой (4,0-8,0) от толщины стенки отдельного цилиндра, в количестве, кратном четырем,
[27]а отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями расположены между внешним и внутренним цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра с отдельными катодными модулями с элементами крепления и торцов внешнего и внутреннего цилиндров и закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем, заданные диаметры внешнего и внутреннего цилиндров, диаметр превышающей части держателя определяются из выражений соответственно
[28]Dвнеш.ц=Dц.пр.труб+Dотд.цилиндр.к.м.
[29]Dвнутр.ц=Dц.пр.труб-Dотд.цилиндр.к.м.
[30]Dпр.ч.д.=Dотд.цилиндр.к.м.-2×S, где
[31]Dц.пр.труб - диаметр расположения центров пролетных труб клистрона, мм,
[32]Dотд.цилиндр.к.м - диаметр отдельного цилиндра катодного модуля, мм,
[33]S - толщина стенки отдельного цилиндра катодного модуля, мм, причем все упомянутые элементы выполнены из тугоплавкого материала.
[34]Заданные размеры отдельных катодных модулей определяются техническими характеристиками клистрона.
[35]Отдельный цилиндр каждого отдельного катодного модуля монолитно с элементами крепления на внешней поверхности торца в плане плоскости расположения его рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены, например, методом штамповки и методом электроискровой обработки соответственно.
[36]Отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями, расположенные между внешним и внутренним цилиндрами, закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем, например, методом сварки.
[37]Тугоплавким материалом может быть молибден, тантал.
[38]Внешний и внутренний цилиндры могут быть выполнены с ребрами жесткости.
[39]Раскрытие сущности изобретения
[40]Совокупность существенных признаков заявленного катодно-подогревательного узла для мощного клистрона, а именно когда:
[41]часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту (0,2-2,0) мм с торца противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности выполнена диаметром, превышающим диаметр катодного модуля на (0,2-10,0) мм,
[42]катодно-подогревательный узел дополнительно снабжен двумя цилиндрами - внешним и внутренним, с заданными диаметрами, высотой - внешний, равной высоте отдельного катодного модуля либо не более двух его высот, внутренний - равной высоте катодного модуля либо не менее 0,5 его высоты, каждый с толщиной стенки (0,3-0,8) мм, при этом цилиндры соосно расположены один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей - поверхности катодных модулей,
[43]каждый отдельный катодный модуль дополнительно снабжен отдельным цилиндром, размещен в нем с зазором и закреплен посредством упомянутой части держателя, при этом отдельный цилиндр выполнен диаметром, обеспечивающим сопряжение всех катодных модулей, высотой, меньшей высоты катодного модуля на (1,0-5,0) мм, с толщиной стенки, равной (0,2-0,6) мм,
[44]на внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой (4,0-8,0) от толщины стенки отдельного цилиндра, в количестве, кратном четырем,
[45]а отдельные цилиндры с отдельными катодными модулями расположены между внешним и внутренним цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра с отдельными катодными модулями с элементами крепления и торцов внешнего и внутреннего цилиндров и закреплены между собой посредством элементов крепления в точках контакта, кратных четырем.
[47]жесткость без зазоров посадки элементов катодно-подогревательного узла как в самом отдельном цилиндре, так и при последующей их посадке в катодный модуль, и тем самым стабильность их геометрических размеров, и тем самым максимальную соосность расположения отдельных цилиндров с отдельными катодными модулями относительно пролетных труб клистрона,
[48]надежное монолитное соединение без зазоров элементов катодно-подогревательного узла и тем самым максимально достаточную прочность всех его элементов,
[49]практически полное исключение перепада температур между рабочей - эмитирующей - поверхностью и внешним и внутренними цилиндрами и тем самым - максимальную стабилизацию теплового поля в области рабочей - эмитирующей - поверхности.
[50]возможность экранировки нерабочих - эмитирующих участков поверхности и тем самым дальнейшую стабилизацию теплового поля в области рабочей - эмитирующей поверхности,
[51]возможность значительного увеличения компановки эмитирующих элементов клистрона вплоть до 64-лучевого клистрона и более,
[52]возможность работы как в импульсном, так и непрерывном режиме.
[54]во-первых, повышение долговечности катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
[55]во-вторых, значительное повышение выходной мощности и коэффициента полезного действия клистрона,
[56]в-третьих, снижение массогабаритных характеристик катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
[57]в-четвертых, расширение функциональных возможностей мощного клистрона.
[58]Определение заданных диаметров внешнего и внутреннего цилиндров согласно указанным математическим выражениям обеспечивает оптимальные размеры элементов конструкции катодно-подогревательного узла и тем самым максимальную фазовую синхронизацию клистрона и, как следствие, - повышение выходной мощности и коэффициента полезного действия мощного клистрона.
[59]Выполнение части держателя каждого отдельного катодного модуля с превышающим диаметром на указанной высоте является оптимальным для последующего соединения с отдельным цилиндром с точки зрения оптимального конструкционного исполнения.
[60]Выполнение катодного модуля с превышением диаметра с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, как менее 0,2 мм, так и более 10,0 мм недопустимо из-за нарушения теплового баланса.
[61]Выполнение внешнего цилиндра высотой менее высоты отдельного катодного модуля недопустимо из-за ухудшения его экранировки, а более двух его высот не имеет смысла.
[62]Выполнение внутреннего цилиндра высотой менее 0,5 высоты катодного модуля не желательно из-за снижения жесткости конструкции, а более - его высоты не имеет смысла.
[63]Выполнение внешнего и внутреннего цилиндров каждого с толщиной стенки менее 0,3 мм недопустимо из-за нарушения жесткости и надежности конструкции, а более 0,8 мм - не имеет смысла.
[64]Выполнение отдельного цилиндра высотой, меньшей высоты катодного модуля как на 1,0 мм, так и на 5,0 мм, недопустимо, в первом случае из-за возникновения электрического пробоя, во втором - из-за нарушения теплового баланса.
[65]Выполнение отдельного цилиндра с толщиной стенки как менее 0,2, так более 0,6 мм не желательно, в первом случае из-за нарушения жесткости, во втором из-за нарушения пластичности элементов крепления и, соответственно, затруднения последующего соединения.
[66]Выполнение элементов крепления в количестве, меньшем кратного четырем, в виде кругового сегмента, с длиной его кривой как менее 4,0, так более 8,0 от толщины стенки отдельного цилиндра недопустимо,
[67]в первом случае из-за недостаточности точек контакта, во втором из-за возможного нарушения конструкции элементов крепления.
[68]Изобретение поясняется чертежом.
[69]На фиг. дан частный случай выполнения заявленного катодно-подогревательного узла для мощного 64-лучевого клистрона, общий вид с выровом (фиг. 1а), общий вид в разрезе (фиг. 1б), вид сверху (фиг. 1в) и где:
[70]- отдельный катодный модуль - 1,
[71]- катодный блок элементарных катодов - 2,
[75]- расположение центров пролетных труб клистрона - 6,
[76]- два цилиндра, внешний - 7, внутренний - 8,
[77]- отдельный цилиндр каждого отдельного модуля - 9 с монолитно выполненными элементами крепления 10.
[78]Примеры конкретного выполнения заявленного модуля катодного-подогревательного узла для мощных клистронов.
[79]Пример 1. Рассмотрен частный случай выполнения заявленного катодно-подогревательного узла для мощного 64-лучевого клистрона (фиг. 1а, б, в).
[80]Технические требования мощного 64-лучевого клистрона задают:
[81]Диаметр расположения центров пролетных труб клистрона 6, равный 60,0 мм,
[82]Диаметр отдельного катодного модуля 1, равный 17,0 мм.
[83]Высоту отдельного катодного модуля 1, равную 18,0 мм.
[84]Толщину стенки отдельного цилиндра катодного модуля 9, равную 0,4 мм.
[86]Определяют диаметр отдельного цилиндра 9 каждого отдельного модуля 1, обеспечивающий сопряжение всех катодных модулей.
[87]Dотд.ц.к.м. равен 23 мм, что соответствует расстоянию между центрами двух сопрягающихся пролетных труб.
[88]Диаметр внешнего 7 и внутреннего 8 дополнительных цилиндров исходя из диаметра расположения центров пролетных труб клистрона 6.
[89]Dвнеш.ц=Dц.пр.труб+Dотд.цилиндр.к.м.=60+23=83 мм
[90]Dвнутр.ц=Dц.пр.труб-Dотд.цилиндр.к.м.=60-23=37 мм
[91]Диаметр превышающей части держателя 4 катодного модуля.
[92]Dпр.ч.д.=Dотд.цилиндр.к.м.-2×S=23-(2×0,4)=22,2
[93](Согласно математическим выражениям, указанным в формуле изобретения соответственно).
[94]Изготавливают два цилиндра - внешний 7 и внутренний 8 с диаметрами 83,0 мм и 37,0 мм соответственно, каждый с толщиной стенки 0,6 мм, высотой 27,0 мм и 13,5 мм соответственно из листа тугоплавкого материала - тантала ТУ647РКЗ 0054230-311-2000 (далее тантала) методом штамповки и располагают соосно один в другом в плоскости рабочей - эмитирующей поверхности катодных модулей 1.
[95]Изготавливают держатель 4 из тантала. Часть держателя каждого отдельного катодного модуля на высоту 1,1 мм с торца, противоположного рабочей - эмитирующей - поверхности, выполняют диаметром 22,2 (превышение диаметра составляет 5,2 мм).
[96]Изготавливают отдельные цилиндры 9 в количестве восьми штук из тантала, диаметром 23 мм, высотой 14,0 мм (соразмерными отдельному катодному модулю 1, при этом высота отдельных катодных модулей определяется массогабаритными характеристиками клистрона), с толщиной стенки 0,4 мм методом штамповки.
[97]На внешней поверхности торца каждого отдельного цилиндра 9 в плоскости расположения рабочей - эмитирующей - поверхности выполнены монолитно элементы крепления 10, каждый в виде кругового сегмента, с длиной его кривой 2,4 мм (что соответствует 6,0 от толщины стенки отдельного цилиндра - 0,4 мм), в количестве, кратном четырем, методом электроискровой обработки на станке типа АРТА122.
[98]Отдельные цилиндры 9 с отдельными катодными модулями 1 располагают между внешним 7 и внутренним 8 цилиндрами с обеспечением совмещения в одной плоскости торцов каждого отдельного цилиндра 9 с отдельными катодными модулями 1 с элементами крепления 10 и торцов внешнего и внутреннего цилиндров 7 и 8 и закрепляют между собой по скользящей посадке посредством элементов крепления 10 в точках контакта, кратных четырем (8×4), методом лазерной сварки (Тип Nd:YAG).
[99]Примеры 2-5. Аналогично примеру 1 выполнены образцы катодно-подогревательного узла для мощного 64-х многолучевого клистрона, но при других конструкционных параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3) и выходящих за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 4-5).
[100]Пример 6 - соответствует конструкции катодно-подогревательного узла прототипа, использованного в 30-лучевом клистроне.
[101]Изготовленные образцы модулей катодно-подогревательного узла были опробованы в указанном выше мощном 64-лучевом клистроне.
[102]При этом была измерена выходная мощность в импульсном режиме (ГОСТ 2027.1-91).
[103]Долговечность (РД 11.0770-90).
[105]Данные представлены в таблице.
[106]Как видно из таблицы, выходная мощность в импульсном режиме мощного клистрона с образцами катодно-подогревательного узла, изготовленными согласно конструкционным параметрам, указанным в формуле изобретения, составляет порядка 2500 кВт, долговечность порядка 10000 ч, коэффициент полезного действия (КПД) - порядка 50% (примеры 1-3).
[107]В отличие от упомянутого клистрона с образцами катодно-подогревательного узла, изготовленными за пределами, указанными в формуле изобретения, выходная мощность которого составляет менее 1500 кВт, долговечность 5000 ч, коэффициент полезного действия (КПД) - порядка 40 процентов (пример 5) и образца-прототипа, выходная мощность которого составляет порядка 700 кВт, КПД порядка 30 процентов. Образец катодно-подогревательного узла не обеспечивает жесткости конструкции (пример 4).
[108]Таким образом, заявленный катодно-подогревательный узел обеспечит по сравнению с катодно-подогревательным узлом прототипа
[109]- повышение долговечности катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
[110]- значительное повышение мощности клистрона более чем в 3 раза и коэффициента полезного действия порядка 50 процентов (в импульсном режиме),
[111]- снижение массогабаритных характеристик катодно-подогревательного узла и соответственно - мощного клистрона,
[112]- расширение функциональных возможностей, благодаря возможности работы как в импульсном, так и непрерывном режиме.
[113]Источники информации
[114]1. B.C. Медовников. Создание мощных и сверхмощных клистронов на основе многолучевых электронно-оптических систем // «Радиотехника», 2000 г. №2, с. 58-61 //.
[115]2. Б.Ч. Дюбуа и др. Катоды для мощных многолучевых вакуумных приборов СВЧ. // СВЧ-Техника, Вып. 1, 2011, с. 44-53 - прототип.
[117]
