[1]Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к устройству лампы бегущей волны (ЛБВ), используемой в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.
[2]Одним из требований, предъявляемых к мощным ЛБВ, является обеспечение их работы с высоким уровнем прохождения электронного потока на коллектор. Именно от высокого уровня прохождения пучка через пролетный канал зависят величина выходной высокочастотной мощности, коэффициент полезного действия, а также надежность работы ЛБВ.
[3]Известна широко применяющаяся на практике конструкция ЛБВ, в которой для фокусировки интенсивного электронного потока знакопеременным синусоидальным магнитным полем используется магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС) с аксиально-намагниченными кольцевыми магнитами, пространственно совмещенная с замедляющей структурой (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (Мощные электровакуумные приборы СВЧ, под ред. Л.Клемпитта, М.: Мир, 1974, стр.20). При этом период МПФС равен периоду ЗС. Недостатком такой конструкции является невозможность получения высоких уровней фокусирующего магнитного поля, необходимых для транспортировки интенсивного потока в коротковолновой части СВЧ-диапазона, из-за малой протяженности магнитов в осевом направлении. Кроме того, надежность обеспечения вакуумной плотности ЗС в местах пайки при разработке ЛБВ с высоким коэффициентом усиления снижается из-за большого количества паяных швов (по крайней мере, равного удвоенному числу ячеек резонаторов замедляющей системы).
[4]Указанных недостатков лишена известная конструкция ЛБВ с МПФС (патент США №4399389, кл. 315-3.5, 1983), в которой диафрагмы ВЧ-резонаторов выполнены в виде вставок специальной формы из немагнитного материала, размещенных между полюсными наконечниками, вследствие чего период МПФС становится в два раза больше периода ЗС и размеры магнитов становятся достаточными для обеспечения требуемой величины фокусирующего магнитного поля. В этом случае опасность натекания вакуумной оболочки ЛБВ уменьшается за счет меньшего в два раза количества паяных швов.
[5]Однако основным недостатком ЛБВ с МПФС со знакопеременным магнитным полем является наличие чередующихся областей устойчивой и неустойчивой фокусировки электронного пучка, характеризующихся так называемым параметром магнитного поля α, величина которого прямо пропорциональна квадрату произведения амплитуды фокусирующего магнитного поля и его периода и обратно пропорциональна величине потенциала замедляющей системы (ЗС). При некоторых значениях параметра магнитного поля α амплитуда пульсаций потока может неограниченно возрастать по мере продвижения пучка вдоль оси пролетного канала и токопрохождение пучка резко ухудшается. На практике наибольшее распространение получила фокусировка пучка синусоидальным магнитным полем в первой зоне устойчивости, для которой параметр магнитного поля с учетом пространственного заряда должен быть меньше критического значения
[6]
[7]Для ЛБВ средней и высокой мощности коротковолновой части СВЧ-диапазона амплитуда магнитного поля, необходимая для получения пучка требуемого диаметра, часто оказывается столь высокой, что не может быть реализована при заданных конструктивных размерах магнитов, а увеличение последних приводит к нарушению требования (1). Фокусировка во второй и следующих зонах устойчивого формирования пучка в синусоидальном поле практически не применяется по причине большой величины пульсаций пучка, возникающих из-за недостаточной крутизны нарастания поля на границах соседних ячеек МПФС при больших периодах.
[8]Для повышения области устойчивой фокусировки электронного потока применяют МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля, которое обеспечивается за счет ввода высших гармонических составляющих. Так, для распределения магнитного поля с первой и третьей гармониками оптимальное значение третьей гармоники составляет половину от амплитуды первой гармоники (см. Данович И.А. Анализ фокусировки и устойчивости интенсивных электронных пучков в периодических магнитных полях / Изв. Вузов. Сер. Радиофизика, 1966, т.9, вып.2, с.351-361).
[9]В патенте России №2091898, кл. H01J 25/42, опубликованном 27.09.97 г., описана конструкция ЛБВ с МПФС, в которой для увеличения эффективной фокусирующей величины магнитного поля при сохранении устойчивости фокусировки пучка реализовано несинусоидальное распределение магнитного поля с определенными величинами значений первой, третьей и пятой гармонических составляющих магнитного поля. Однако полюсные наконечники МПФС в данной конструкции ЛБВ размещены вне вакуумной оболочки, что не позволяет получить требуемые значения амплитуды и структуру распределения магнитного поля для фокусировки интенсивного потока в коротковолновой части СВЧ-диапазона.
[10]Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является конструкция ЛБВ с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из чередующихся аксиально-намагниченных кольцевых магнитов, полюсных наконечников со ступицами из ферромагнитного материала, пространственно совмещенных с емкостными втулками резонаторов, диафрагм из немагнитного материала с емкостными втулками, установленных между полюсными наконечниками (US №3324339, Кл. 315-3.5, 1967 г.), в которой требуемая величина магнитного поля достигается за счет увеличения протяженности магнитов в осевом направлении и увеличения вследствие этого периода МПФС по сравнению с периодом ЗС в два раза. Пространственная совместимость конструкции МПФС с ЗС достигается чередованием полюсных наконечников внутри вакуумной оболочки с образующими ВЧ-резонатор медными диафрагмами. Кроме того, в этой конструкции между полюсными наконечниками МПФС размещается один или два кольцевых элемента из ферромагнитного материала, закрепленных на тонкостенных медных дисках диафрагмы ВЧ-резонатора. За счет этого создается несинусоидальное распределение осевой компоненты индукции магнитного поля со значительными положительными величинами третьей или третьей и пятой гармоник.
[11]Недостаток этой конструкции связан с тем, что при переходе в коротковолновую часть СВЧ-диапазона элементы ЗС становятся миниатюрными и работоспособность конструкции становится проблематичной. Так, для работы ЛБВ в трехсантиметровом диапазоне длин волн при уровне ускоряющих напряжений менее 20000 В кольцевая втулка из ферромагнитного материала имеет следующие типичные размеры: толщина 0,25-0,5 мм, внутренний диаметр втулки 2,0-3,0 мм, протяженность втулки в осевом направлении 3-4 мм. Толщина тонкостенного медного диска составляет ~0,8-1,2 мм. Требуемая для фокусировки интенсивного пучка амплитуда магнитного поля может составлять ~0,3 Тл. При таких размерах материал емкостных кольцевых втулок находится в насыщении и требуемое распределение магнитного поля не обеспечивается. Кроме того, соосное закрепление ферромагнитной кольцевой втулки на тонкостенном медном диске становится нетехнологичным и труднореализуемым при условии обеспечения малых допусков на отклонения размеров ВЧ-резонаторов, обусловленное электродинамическими характеристиками замедляющей системы. Размещение в ЗС большого количества (до нескольких десятков) ферромагнитных кольцевых втулок, расположенных с перекосом их осей друг относительно друга, приводит к уменьшению реального сечения пролетного канала, а также к появлению поперечных составляющих магнитного поля. Ухудшение условий транспортировки электронного потока приводит к уменьшению доли тока пучка, проходящего через пролетный канал ЗС, а также к уменьшению выходной мощности и КПД прибора и тепловой перегрузке ЗС.
[12]Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение мощности и КПД ЛБВ с МПФС.
[13]Технический результат использования изобретения заключается в улучшении токопрохождения интенсивного электронного потока через пролетный канал мощной ЛБВ коротковолновой части СВЧ-диапазона за счет уменьшения пульсаций границы пучка в статическом и динамическом режимах работы.
[14]Поставленная задача решается таким образом, что в ЛБВ с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из аксиально-намагниченных кольцевых магнитов и полюсных наконечников из ферромагнитного материала, пространственно совмещенных с резонаторной замедляющей системой (ЗС), по крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ-энергии, состоит из примыкающих друг к другу ячеек, каждая из которых содержит не менее одного магнита с однонаправленной в осевом направлении намагниченностью и три ферромагнитные вставки, расположенные с зазором между полюсными наконечниками и между собой во втулках из немагнитного материала, и закрепленные кольцевыми элементами из немагнитного материала, причем намагниченность магнитов в соседних ячейках МПФС имеет противоположное направление. Кроме того, втулки в ЛБВ с МПФС выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящих по меньшей мере из двух цилиндрических частей, и образуют вместе с размещенными и закрепленными кольцевыми элементами и вставками внутренние полости ВЧ-резонаторов ЗС, так что отношение периода МПФС к периоду ЗС равно четырем. Кроме того, немагнитные втулки и кольцевые элементы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, и образуют вместе с полюсными наконечниками вакуумно-плотное соединение.
[15]На фиг.1 схематически изображена ЛБВ заявленной конструкции. На фиг.2-3 представлены варианты различного исполнения ячеек МПФС. На фиг.4-5 представлены контур пучка (1) с током I=4.0 А, потенциалом ЗС U=24000 В в магнитном поле (2) для обычной ЛБВ с МПФС с амплитудой Во=0.246 Тл, периодом МПФС L=21.0 мм (параметр магнитного поля α=0.31), с периодом ЗС LЗС=10.5 мм при протяженности емкостных втулок ЗС и полюсных наконечников lвт=3.5 мм, (фиг.4), и контур пучка (3) для ЛБВ с МПФС заявленной конструкции в экспериментально реализованном магнитном поле (4) с амплитудой Во=0.246 Тл, периодом МПФС L=42 мм (параметр магнитного поля α=1.24) с периодом ЗС LЗС=10.5 мм (фиг.5). На фиг.6, 7 представлены зависимости амплитуды пульсаций пучка δ (1) в области пролетного канала при оптимальном радиусе влета пучка в МПФС Rвх (2) от величины параметра магнитного поля α вплоть до зоны «непропускания» (3) в обычной ЛБВ с МПФС (фиг.6) и в ЛБВ с МПФС заявленной конструкции (фиг.7). На фиг.8, 9 представлены экспериментальные значения тока на ЗС (1) от параметра магнитного поля α (2) для обычной ЛБВ (фиг.8) и для ЛБВ с МПФС заявленной конструкции (фиг.9).
[16]ЛБВ содержит электронную пушку 1, формирующую интенсивный электронный пучок, МПФС, расположенную после ввода ВЧ-энергии 2 и состоящую из чередующихся кольцевых магнитов 3, полюсных наконечников 4, вставок из ферромагнитного материала 5, а также втулок 6 и кольцевых элементов 7, выполненных из немагнитного материала. Кольцевые аксиально-намагниченные магниты 3 вместе с тремя расположенными с зазором вставками из ферромагнитного материала 5, которые закреплены во втулках 6 кольцевыми элементами 7, объединены между полюсными наконечниками 4 и образуют ячейку МПФС. В каждой ячейке МПФС магниты имеют одинаковое направление намагниченности, а намагниченность магнитов в примыкающих соседних ячейках МПФС имеет противоположное направление. Втулки из немагнитного материала 6, в которых размещаются с зазором ферромагнитные вставки 5, закрепленные немагнитными кольцевыми элементами 7, выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящего по меньшей мере из двух цилиндрических частей, и образуют вместе со вставками внутренние полости ВЧ-резонаторов ЗС. При этом отношение периода МПФС к периоду ЗС равно четырем. Немагнитные втулки 6 и кольцевые элементы 7 выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, и образуют вместе с полюсными наконечниками 4 вакуумно-плотное соединение.
[17]Расположение ферромагнитных вставок, закрепленных во втулках кольцевыми элементами из немагнитного материала в ячейках МПФС, в соответствии с предложенной конструкцией ЛБВ с МПФС обеспечивает необходимое распределение продольной составляющей магнитной индукции вдоль оси прибора, фокусировку интенсивного электронного пучка с малыми пульсациями (фиг.5) в широком диапазоне изменений параметров ЛБВ с МПФС (фиг.9) и требуемые электродинамические характеристики ЗС.
[18]Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов (фиг.4-7) показывает, что предложенная конструкция ЛБВ с МПФС обеспечивает существенно меньшие амплитуды пульсаций электронного потока в пролетном канале по сравнению с амплитудами пульсаций пучка в обычной ЛБВ с МПФС. Экспериментальные результаты измерений токооседания на ЗС, представленные на фиг.8-9, показывают, что прохождение пучка через пролетный канал ЗС для ЛБВ заявленной конструкции существенно выше по сравнению с прохождением пучка в пролетном канале обычной ЛБВ.
[19]Так, в ЛБВ с МПФС предлагаемой конструкции и с параметрами электронного потока, соответствующими наиболее часто используемым параметрам магнитного поля 0.2<α<0.35, амплитуда пульсаций пучка в области пролетного канала почти в три раза меньше, чем в ЛБВ с обычной МПФС (фиг.6-7). При изменении параметра магнитного поля в пределах 0.4<α<0.55 фокусировка пучка в обычной ЛБВ с МПФС резко ухудшается (фиг.6, 8), а относительная величина амплитуд пульсаций пучка в ЛБВ с МПФС предлагаемой конструкции не превосходит 10% даже при α=3.0 (фиг.7, 9).
[20]Профиль ферромагнитных вставок, зазоры между вставками и полюсными наконечниками, а также намагниченности магнитов в ячейках МПФС определяются на основании расчета или эксперимента из условия обеспечения требуемых соотношений между величинами высших гармоник магнитного поля при заданных электродинамических характеристиках ЗС ЛБВ.
[21]Новым положительным свойством конструкции является повышение эффективности настройки ЛБВ на максимальное токопрохождение за счет возможности размещения без перекосов полюсных наконечников, ферромагнитных вставок, втулок и кольцевых элементов из немагнитного материала. Выбор размеров и материала вставок, а также размещение их в соответствии с предложенной формулой изобретения позволяет снизить влияние поперечных магнитных полей, связанных с неоднородностью намагниченности магнитов в азимутальном направлении.
[22]При переходе в коротковолновую часть СВЧ-диапазона вставки из ферромагнитного материала остаются крупноструктурными, могут быть размещены между полюсными наконечниками с требуемой точностью и обеспечивают необходимое для фокусировки интенсивного потока распределение магнитного поля с высшими гармоническими составляющими.
[23]Кроме того, количество паяных швов, необходимых для создания вакуумной оболочки в ЛБВ с МПФС заявленной конструкции, не увеличивается по сравнению с обычной конструкцией ЛБВ.
[24]Практическое изготовление втулок и кольцевых элементов из немагнитного материала, а также вставок из ферромагитного материала в предлагаемой конструкции не требует многочисленных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость.
[25]Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией количества вставок из ферромагнитного материала, их закрепления между наконечниками и между собой кольцевыми элементами из немагнитного материала во втулках из немагнитного материала с высокой теплопроводностью, а также признаки, связанные с соотношением между периодом МПФС и периодом ЗС, вызванный этим положительный эффект увеличения токопрохождения в ЛБВ за счет уменьшения амплитуды пульсаций пучка, неизвестны.
[26]Применение конструкции ЛБВ с МПФС в соответствии с предложенной формулой изобретения позволило уменьшить потери тока пучка и снизить тепловую нагрузку на замедляющую систему в статическом и динамическом режимах работы при повышенных уровнях эффективного фокусирующего магнитного поля, а также при пониженных величинах ускоряющих потенциалов.
[27]Таким образом, предлагаемая конструкция ЛБВ обладает следующими преимуществами:
[28]улучшение токопрохождения в приборах О-типа в статическом режиме работы, вследствие уменьшения величины пульсаций пучка;
[29]уменьшение динамической расфокусировки за счет возможности увеличивать величину эффективного фокусирующего магнитного поля.
