RU2068595C1

RU2068595C1 - Reflection oscillator

Info

Publication number: RU2068595C1
Application number: RU94013680A
Authority: RU
Inventors: М.И. Лопин; К.Г. Симонов
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Исток"
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1996-10-27

Abstract

FIELD: electronic devices, microwave oscillators. SUBSTANCE: multiple-resonance reflection oscillator has magnetic focusing unit which is located in vacuum and has permanent ring magnets. Ring cathode is used as electron source. Device has ring resonators. Ring permanent magnets are arrange in pairs around through channel (on both sides of ring electron flow). Said magnets may be located at input and output of electrodynamic system and at least between two resonators of oscillator as well as between resonators of given period. Device may be used for microwave devices with ring, high-rate electron flow, ring resonators and magnetic focusing system which is located in vacuum. EFFECT: decreased supply voltage (or increased output power), decreased size, decreased weight, increased efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электровакуумным СВЧ приборам клистронного типа с кольцевым электронным потоком и внутривакуумной магнитной фокусирующей системой и может быть использовано, например, в бытовых СВЧ печах. The invention relates to the field of electronic technology, in particular to klystron-type electrovacuum microwave devices with a ring electron flow and an intra-vacuum magnetic focusing system, and can be used, for example, in domestic microwave ovens.

Перед авторами стояла задача создания новых источников СВЧ колебаний, имеющих высокие КПД, малые габариты и веса, высокую долговечность и обеспечивающих необходимую мощность при низких напряжениях питания. Для решения этой задачи авторы предлагают новый класс многорезонаторного СВЧ прибора, а именно, прибора клистронного типа с высокопервеансным кольцевым электронным потоком большого диаметра, кольцевыми резонаторами и внутривакуумной магнитной фокусирующей системой. The authors were faced with the task of creating new sources of microwave oscillations having high efficiency, small dimensions and weights, high durability and providing the necessary power at low supply voltages. To solve this problem, the authors propose a new class of multi-resonator microwave device, namely, a klystron type device with a high-performance ring electron flow of large diameter, ring resonators and an intra-vacuum magnetic focusing system.

Известен клистрон [1] содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий сплошной цилиндрический (однолучевой) электронный поток, и магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, расположенных вне вакуумной оболочки клистрона. Однако в этом клистроне энергия магнитных элементов, расположенных вне вакуумной оболочки и имеющих большей внутренний диаметр, обусловленный размерами резонаторной системы, используется неэффективно. Known klystron [1] containing an electrodynamic system with several resonators, an electron source that creates a continuous cylindrical (single-beam) electron beam, and a magnetic system of ring permanent magnets located outside the vacuum shell of the klystron. However, in this klystron the energy of magnetic elements located outside the vacuum shell and having a larger inner diameter, due to the size of the resonator system, is used inefficiently.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является клистрон [2] содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий сплошной цилиндрический (однолучевой) электронный поток, и магнитную систему из кольцевых постоянных магнитов, расположенную в вакуумной части прибора в области пролетного канала. The closest to the invention in terms of features is a klystron [2] containing an electrodynamic system with several resonators, an electron source that creates a continuous cylindrical (single beam) electron beam, and a magnetic system of ring permanent magnets located in the vacuum part of the device in the region of the passage channel.

Недостатком описанного технического решения является использование в нем сплошного цилиндрического (однолучевого) электронного потока, что, из-за ограниченности величины первеанса P_o ≅ 2•10^-6 A/B^3/2, не позволяет повысить СВЧ мощность или понизить напряжение питания. Кроме того, в [2] не обеспечивается однородная фокусировка электронного потока по его поперечному сечению.The disadvantage of the described technical solution is the use of a continuous cylindrical (single-beam) electron stream in it, which, due to the limited perveance P _o ≅ 2 • 10 ^-6 A / B ^3/2 , does not allow to increase the microwave power or lower the supply voltage. In addition, a uniform focusing of the electron beam over its cross section is not provided in [2].

Предлагаемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом существенно увеличить выходную СВЧ мощность прибора (или понизить напряжение питания) и обеспечивает более однородную фокусировку электронного потока по его поперечному сечению. The proposed solution allows, in comparison with the prototype, to significantly increase the output microwave power of the device (or lower the supply voltage) and provides a more uniform focusing of the electron beam over its cross section.

Для достижения данного технического результата в изобретении предложен клистрон, содержащий электродинамическую систему с несколькими резонаторами, источник электронов, создающий электронный поток, и магнитную систему из кольцевых магнитов, размещенную внутри вакуумной части прибора в области пролетного канала, в котором в качестве источника электронов использован кольцевой катод, в качестве резонаторов использованы кольцевые резонаторы, а кольцевые постоянные магниты размещены попарно вокруг пролетного канала по обе стороны кольцевого электронного потока. To achieve this technical result, the invention proposes a klystron containing an electrodynamic system with several resonators, an electron source that generates an electron stream, and a magnetic system of ring magnets located inside the vacuum part of the device in the region of the passage channel, in which the ring cathode is used as the electron source , ring resonators are used as resonators, and ring permanent magnets are placed in pairs around the passage channel on both sides of the ring electronic flow

При этом предлагаются следующие варианты расположения магнитов:
магниты каждой пары расположены на входе и выходе электродинамической системы клистрона,
магниты каждой пары расположены между резонаторами клистрона;
магниты каждой пары расположены на входе и выходе электродинамической системы клистрона и по крайней мере между двумя резонаторами.The following options for the location of the magnets are offered:
the magnets of each pair are located at the input and output of the electrodynamic system of the klystron,
the magnets of each pair are located between the klystron resonators;
the magnets of each pair are located at the input and output of the klystron electrodynamic system and at least between two resonators.

В зависимости от расположения магнитов могут быть реализованы различные варианты фокусировки. Depending on the location of the magnets, various focusing options can be implemented.

Так, в первом случае может быть реализована, например, фокусировка в однородном магнитном поле, во втором и в третьем случаях реверсивная или периодическая в зависимости от количества магнитов и шага между магнитами, расположенными в области резонаторов. So, in the first case, for example, focusing in a uniform magnetic field can be realized, in the second and third cases, reversible or periodic, depending on the number of magnets and the step between the magnets located in the region of the resonators.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведен один из вариантов выполнения конструкции клистрона с реверсивной фокусировкой электронного потока. Другие варианты выполнения прибора не показаны на чертеже из-за того, что их конструкции можно представить на основании данного чертежа. The invention is illustrated in the drawing, which shows one of the embodiments of the design of the klystron with reverse focusing of the electron beam. Other embodiments of the device are not shown in the drawing due to the fact that their designs can be represented on the basis of this drawing.

Клистрон содержит соосно расположенные электронную пушку с кольцевым катодом 1, электродинамическую систему, состоящую из, например, четырех кольцевых резонаторов 2 и коллектор 3 с радиаторами охлаждения. Магнитно-фокусирующая система содержит три пары коаксиальных кольцевых постоянных магнитов 4-4', 5-5' и 6-6'. При этом первая пара магнитов 4-4' расположена на входе резонаторной системы (между электронной, пушкой и входным резонатором прибора), вторая пара магнитов 5-5' между, например, вторым и третьим резонаторами, а третья пара магнитов 6-6' на выходе резонаторной системы (между выходным резонатором и коллектором). The klystron contains a coaxially located electron gun with a ring cathode 1, an electrodynamic system consisting of, for example, four ring resonators 2 and a collector 3 with cooling radiators. The magnetic focusing system contains three pairs of coaxial ring permanent magnets 4-4 ', 5-5' and 6-6 '. In this case, the first pair of magnets 4-4 'is located at the input of the resonator system (between the electron gun and the input resonator of the device), the second pair of magnets 5-5' between, for example, the second and third resonators, and the third pair of magnets 6-6 'at the output of the resonator system (between the output resonator and the collector).

Магниты размещены внутри вакуумной оболочки 7 клистрона вокруг кольцевого пролетного канала 8 (по обе стороны от него). Magnets are placed inside the vacuum shell 7 of the klystron around the annular span channel 8 (on both sides of it).

Магнитные поля во всех магнитах направлены, например, перпендикулярно пролетному каналу 8, при этом поля в магнитах 4, 5', 6 направлены в одну сторону, а поля в магнитах 4', 5, 6' в противоположную сторону. The magnetic fields in all magnets are directed, for example, perpendicular to the passage channel 8, while the fields in the magnets 4, 5 ', 6 are directed in one direction, and the fields in the magnets 4', 5, 6 'in the opposite direction.

Магнитная система, приведенная на чертеже, в совокупности с магнитопроводом 9 обеспечивает реверсивную (с одним реверсом) фокусировку электронного потока. The magnetic system shown in the drawing, in conjunction with the magnetic circuit 9 provides a reversible (with one reverse) focusing of the electron beam.

В данном варианте выполнения клистрона промежуточные пары магнитов 5-5' могут быть размещены и/или между другими резонаторами 2 в зависимости от требуемого распределения магнитного поля в конкретной конструкции. In this klystron embodiment, intermediate pairs of magnets 5-5 'can be placed and / or between other resonators 2 depending on the desired magnetic field distribution in a particular structure.

Возможны и другие варианты выполнения конструкции клистрона. Например, прибор содержит пару магнитов 4-4' на входе резонаторной системы и пару магнитов 6-6' на выходе резонаторной системы, а промежуточные магниты 5-5' отсутствуют. В этом случае может быть получено, например, однородное распределение магнитного поля вдоль оси прибора. Other options for the design of the klystron are possible. For example, the device contains a pair of magnets 4-4 'at the input of the resonator system and a pair of magnets 6-6' at the output of the resonator system, and there are no intermediate magnets 5-5 '. In this case, for example, a uniform distribution of the magnetic field along the axis of the device can be obtained.

В другом варианте выполнения прибор содержит промежуточные пары 5-5' магнитов, размещенные в определенной последовательности между резонаторами 2 электродинамической системы прибора, образуя, например, периодическую структуру, позволяющую осуществить периодическую фокусировку электронного потока. In another embodiment, the device contains intermediate pairs of 5-5 'magnets placed in a certain sequence between the resonators 2 of the electrodynamic system of the device, forming, for example, a periodic structure that allows periodic focusing of the electron beam.

Для всех вариантов выполнения конструкции прибора необходимо соблюдать следующие условия. For all embodiments of the device design, the following conditions must be observed.

Наружный диаметр Ф_нар внутреннего магнита 4',5',6' должен удовлетворять соотношению:

а внутренний диаметр Ф_внутр. внешнего магнита 4,5,6 соотношению:
Ф_внутр≥ Ф_ср.кан+Δ_кан,
где Ф_ср.кан. средний диаметр пролетного канала,
Δ_кан ширина пролетного канала.The outer diameter f _{NAR of the} inner magnet 4 ', 5', 6 'must satisfy the ratio:

and the inner diameter of the _inner. external magnet 4,5,6 ratio:
F _int ≥ F _{cf. can} + Δ _can ,
where _{f cf.} the average diameter of the passage channel,
Δ _canal width of the passage channel.

При этом для обеспечения компактности целесообразно, чтобы для внутреннего диаметра

внутреннего магнита 4', 5', 6' и наружного диаметра Ф_нар. внешнего магнита 4, 5, 6 выполнялись соотношения

Ф_нар. ≅ Ф_{рез.нар.},
где Ф_рез. _внутр. внутренний диаметр кольцевого резонатора,
Ф_{рез.нар.} наружный диаметр кольцевого резонатора.Moreover, to ensure compactness, it is advisable that for the inner diameter

inner magnet 4 ', 5', 6 'and outer diameter f _nar. of an external magnet 4, 5, 6, the relations

F _bunks. ≅ Ф _rez.nar. ,
where f _res. _ext. the inner diameter of the ring resonator,
Ф _rez.nar. the outer diameter of the ring resonator.

Применение в клистроне кольцевого электронного потока и кольцевых резонаторов позволяет существенно повысить диаметр электронного потока и первеанс клистрона, который, в отличие от однолучевого клистрона со сплошным цилиндрическим электронным потоком может достигать величины 100•10^-6 A/B^3/2 и более. При этом для достижения высоких КПД парциальный первеанс не превышает величину первеанса однолучевого клистрона, т.е. ≅ 2•10^-6 A/B^3/2.The use of a ring electron beam and ring resonators in a klystron can significantly increase the diameter of the electron beam and the perveance of the klystron, which, in contrast to a single-beam klystron with a continuous cylindrical electron beam, can reach 100 • 10 ^-6 A / B ^3/2 and more. In order to achieve high efficiency, the partial perveance does not exceed the perveance of the single-beam klystron, i.e. ≅ 2 • 10 ^-6 A / B ^3/2 .

Достижение таких высоких первеансов позволяет существенно повысить мощность клистрона при заданном анодном напряжении или существенно практически на порядок понизить напряжения его питания. Achieving such high perveans allows to significantly increase the power of the klystron at a given anode voltage or to substantially reduce its supply voltage by almost an order of magnitude.

Использование внутривакуумной магнитной фокусирующей системы позволяет располагать магниты вблизи кольцевого пролетного канала и концентрировать поток магнитной индукции непосредственно в пролетном канале, что значительно уменьшает размеры магнитной системы и исключает магнитные поля рассеяния за пределами вакуумной оболочки клистрона. The use of an intra-vacuum magnetic focusing system allows you to place magnets near the annular span channel and concentrate the magnetic flux directly in the span channel, which significantly reduces the size of the magnetic system and eliminates the scattering magnetic fields outside the klystron vacuum shell.

Применение же магнитов, попарно расположенных вокруг пролетного канала (по обе стороны кольцевого электронного потока), позволяет, в отличие от сплошного цилиндрического электронного потока, устранить неравномерность распределения фокусирующего магнитного поля от периферии электронного потока к его центру и обеспечить близкое к однородному распределение фокусирующего магнитного поля по сечению электронного потока. The use of magnets arranged in pairs around the passage channel (on both sides of the annular electron beam) allows, in contrast to a continuous cylindrical electron beam, to eliminate the uneven distribution of the focusing magnetic field from the periphery of the electron beam to its center and to ensure a close to uniform distribution of the focusing magnetic field over the cross section of the electron beam.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение в СВЧ устройствах, где требуются высокие КПД, малые габариты и веса и существенно пониженные питающие напряжения, в частности, бытовых СВЧ печах. The present invention can be widely used in microwave devices where high efficiency, small dimensions and weights and significantly reduced supply voltages are required, in particular, microwave ovens.

Claims

1. A klystron containing an electrodynamic system with several resonators, an electron source that generates an electron stream, and a magnetic system of ring permanent magnets placed inside the vacuum part of the device, characterized in that a ring cathode is used as an electron source, ring resonators are used as resonators and ring permanent magnets are placed in pairs around the passage channel.

2. The klystron according to claim 1, characterized in that the magnets are located at the input and output of the electrodynamic system.

3. The klystron according to claim 1 or 2, characterized in that the magnets are located in the area of the electrodynamic system at least between two resonators.