Лампа бегущей волны с магнитной периодической фокусирующей системой

Область использования: электровакуумные приборы СВЧ, в частности, к устройство лампы бегущей волны (ЛБВ) О-типа с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС). Сущность изобретения: ЛБВ содержит совмещенную с резонаторной замедляющей системой (ЗС) МПФС, состоящую из чередующихся аксиально-намагниченных кольцевых магнитов, полюсных наконечников со ступицами из ферромагнитного материала, и расположенных между ними немагнитных диафрагм с емкостными втулками, которые образуют пролетный канал. По крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ энергии, содержит вставку, выполненную из ферромагнитного материала, которая образует вместе с примыкающими полюсными наконечниками резонаторы ЗС. Другая часть резонатора ЗС, образована диафрагмой, выполненной в виде ступенчатого тела вращения, и кольцевым элементом, закрепляющего вставку в диафрагме. Диафрагмы и кольцевые элементы выполнены из немагнитного материала с высокой теплопроводностью. За счет выбора профиля вставки из ферромагнитного материала, ее размеров и расположения между полюсными наконечниками в ЛБВ с МПФС реализуется магнитное поле с заданными высшими гармоническими составляющими и несинусоидальным распределением. Техническим результатом является повышение токопрохождения пучка в мощной ЛБВ коротковолновой части СВЧ диапазона за счет обеспечения фокусировки интенсивного электронного потока в пролетном канале в ЛБВ с малыми пульсациями.

Полезная модель относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности, к устройству ламп бегущей волны (ЛБВ), используемых в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.

Известна 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, 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. (патент США №4399389, кл. 315-3.5, 1983).

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 , величина которого пропорциональна квадрату произведения эффективной фокусирующей величины магнитного поля и его периода (Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М.: 1966. - 456 с). При некоторых значениях параметра магнитного поля 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 <_кр=0,4.

Для повышения области устойчивой фокусировки электронного потока применяют МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля, которое обеспечивается за счет ввода высших гармонических составляющих.

Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели 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 кольцевой элемент из ферромагнитного материала, закрепленный на тонкостенном медном диске диафрагмы ВЧ резонатора. За счет этого создается несинусоидальное распределение осевой компоненты индукции магнитного поля со значительной положительной третьей гармоникой.

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 3-х см 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. 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, к уменьшению доли тока пучка, проходящего через пролетный канал ЗС, а также к уменьшению выходной мощности и КПД прибора и тепловой перегрузке ЗС.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является повышение мощности и КПД ЛБВ с МПФС.

Технический результат использования полезной модели заключается в улучшении токопрохождения интенсивного потока через пролетный канал мощной ЛБВ коротковолновой части СВЧ диапазона за счет уменьшения пульсаций границы пучка в статическом и динамическом режимах работы.

Поставленная задача решается таким образом, что в 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, по крайней мере в части МПФС, расположенной после ввода ВЧ энергии, емкостные втулки и части диафрагм, которые образуют стенку резонатора и примыкают к емкостным втулкам, объединены во вставку, выполненную из ферромагнитного материала, и закреплены в диафрагмах на одинаковом расстоянии от полюсных наконечников кольцевыми элементами из немагнитного материала. Диафрагмы из немагнитного материала выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящего, по меньшей мере, из двух цилиндрических частей, причем меньший внутренний диаметр диафрагмы равен внутреннему диаметру полости резонаторов, а больший внутренний диаметр диафрагмы равен внешнему диаметру кольцевых элементов, протяженность в осевом направлении емкостных втулок полюсных наконечников и диафрагм одинакова и определяется из условия 0,15<l_вт/L<0,2, а толщина втулок в радиальном направлении составляет, по крайней мере, половину толщины стенки резонаторов. Кроме того, диафрагмы и кольцевые элементы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди.

На фиг.1 схематически представлен предпочтительный вариант ЛБВ в соответствии с полезной моделью. На фиг.2 представлен вариант исполнения ЛБВ с МПФС. На фиг.3 представлены экспериментальные зависимости токопрохождения к от параметра магнитного поля для обычной ЛБВ (1) и для ЛБВ с МПФС предложенной конструкции (2).

ЛБВ содержит электронную пушку 1, формирующую интенсивный электронный пучок, МПФС, состоящую из ячеек чередующихся кольцевых магнитов 2, полюсных наконечников 3, составных ВЧ диафрагм 4, с вставкой из ферромагнитного материала 5. Составные ВЧ диафрагмы 4, вставки из ферромагнитного материала 5 и полюсные наконечники 3 образуют резонаторы замедляющей системы и вакуумную

оболочку ЛБВ, расположенные после ввода ВЧ-энергии 6. Внутренняя часть составной ВЧ диафрагмы выполнена в виде ступенчатого тела вращения 7, состоящего, по меньшей мере, из двух цилиндрических частей, и кольцевого элемента 8, между которыми на одинаковом расстоянии от полюсных наконечников располагается вставка из ферромагнитного материала 5.

Этой конструкции ЛБВ соответствует распределение абсолютной величины продольной составляющей магнитной индукции вдоль оси прибора в ячейках МПФС, которое обеспечивает фокусировку интенсивного электронного пучка с малыми пульсациями в широком диапазоне изменений параметров ЛБВ с МПФС.

Проведенные расчеты и экспериментальные измерения токооседания показали, что выбор размеров и расположения вставки из ферромагнитного материала в ЛБВ с МПФС предложенной конструкции обеспечивают транспортировку электронного потока в пролетном канале с существенно меньшими амплитудами пульсаций по сравнению с обычной ЛБВ с МПФС, и прохождение пучка через пролетный канал ЗС для ЛБВ заявленной конструкции существенно выше, чем прохождение пучка в пролетном канале обычной ЛБВ.

На основании расчетных и экспериментальных исследований определены основные размеры емкостных втулок резонаторов. При условии отсутствия насыщения материала при заданной толщине стенок резонаторов, выборе толщины втулок в радиальном направлении, равном, по крайней мере, половине толщины стенки резонаторов, насыщения материала втулок не происходит, и в ЛБВ заявленной конструкции реализуется требуемая структура магнитного поля. При выборе протяженности емкостных втулок в пределах 0,15<l _вт/L<0,2 в ЛБВ с МПФС предложенной конструкции реализуется зазор между емкостными втулками, который обеспечивает оптимальную эффективность взаимодействия электронного потока с ВЧ полем (Данович И.А. Формирование электронных потоков периодическими магнитными полями с несинусоидальным осевым законом распределения индукции // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1966, Вып.9, С.20), а в распределении магнитного поля МПФС, появляются требуемые значения высших гармоник магнитного поля, которые обеспечивают устойчивую фокусировку пучка с малыми пульсациями вплоть до значений 1,4 (Архипов А.В., Глотов Е.П., Дармаев А.Н., Морев С.П. Транспортировка электронных потоков в МПФС с негармоническим распределением магнитного поля // Радитехника и электроника, 2007, т.52, №7, с.1-10).

При выборе протяженности емкостных втулок полюсных наконечников и диафрагм в осевом направлении меньше чем 0,15 L или больше чем 0,2 L, зазор между

втулками резонаторов становится неоптимальным для взаимодействия пучка с электромагнитной волной и происходит деградация выходных параметров ЛБВ. Кроме того, как показали экспериментальные измерения магнитного поля, при протяженности в осевом направлении емкостных втулок полюсных наконечников и диафрагм меньше, чем 0,15 L, или больше, чем 0,2 L, получающаяся структура магнитного поля в ячейках МПФС приводит к увеличению пульсаций электронного потока и к уменьшению величин параметра магнитного поля, при которых получается устойчивая фокусировка пучка. При несимметричном закреплении в осевом направлении относительно полюсных наконечников вставки из ферромагнитного материала кольцевыми элементами из немагнитного материала, в распределении магнитного поля появляются четные гармоники, и амплитуда пульсаций границы пучка резко возрастает.

В предложенной конструкции при переходе в коротковолновую часть СВЧ диапазона вставка из ферромагнитного материала остается крупноструктурной, может быть размещена в составной ВЧ диафрагме с требуемой точностью и обеспечивает необходимое для фокусировки интенсивного потока распределение магнитного поля. Уменьшение величины фокусирующего магнитного поля в предлагаемой конструкции ЛБВ с МПФС по сравнению с обычной ЛБВ с МПФС, как показали экспериментальные измерения, при одинаковых размерах ферромагнитного элементов и магнитов не превышает единиц процентов.

Количество паяных швов, необходимых для создания вакуумной оболочки в ЛБВ с МПФС заявленной конструкции, не увеличивается по сравнению с обычной конструкцией ЛБВ.

Практическое изготовление составной ВЧ диафрагмы и вставки из ферромагнитного материала в предлагаемой конструкции не требует многочисленных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость.

Применение предложенной конструкции ЛБВ с МПФС позволило уменьшить потери тока пучка и снизить тепловую нагрузку на замедляющую систему в статическом режиме работы при пониженных величинах ускоряющих потенциалов, а также при повышенных уровнях эффективного фокусирующего магнитного поля при динамическом режиме работы,

Таким образом, предлагаемая конструкция ЛБВ обладает следующими преимуществами:

улучшение токопрохождения в приборах О-типа в статическом режиме работы, вследствие уменьшения величины пульсаций пучка;

уменьшение динамической расфокусировки за счет возможности увеличивать величину эффективного фокусирующего магнитного поля.

1. Лампа бегущей волны (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, отличающаяся тем, что по крайней мере в части МПФС, расположенной после ввода ВЧ-энергии, емкостные втулки и примыкающие к емкостным втулкам части диафрагм, образующие стенку резонатора, объединены в выполненные из ферромагнитного материала вставки, которые закреплены в диафрагмах на одинаковом расстоянии от полюсных наконечников кольцевыми элементами из немагнитного материала.

2. ЛБВ по п.1, отличающаяся тем, что диафрагмы выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящих по меньшей мере из двух цилиндрических частей, причем меньший внутренний диаметр диафрагмы равен внутреннему диаметру полости резонаторов, больший внутренний диаметр диафрагмы равен внешнему диаметру кольцевых элементов, протяженность в осевом направлении емкостных втулок полюсных наконечников и диафрагм одинакова и определяется из условия 0,15<l _вт/L<0,2, а толщина втулок в радиальном направлении составляет, по крайней мере, половину толщины стенки резонаторов.

3. ЛБВ по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что диафрагмы и кольцевые элементы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например из меди.