RU2239255C2

RU2239255C2 - Super-reltron

Info

Publication number: RU2239255C2
Application number: RU2002134052/09A
Authority: RU
Inventors: И.И. Винтизенко (RU); И.И. Винтизенко; Г.П. Фоменко (RU); Г.П. Фоменко
Original assignee: Государственное научное учреждение НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-10-27

Abstract

FIELD: high-frequency relativistic electronics; heavy microwave power generation in pulse-periodic mode.

SUBSTANCE: proposed relativistic klystron has explosive-radiating cathode, mesh anode disposed on input end of buncher, high-voltage tubular anode electrode, input resonator with microwave radiation output device, and collector, all arranged in tandem along axis of linear inductive accelerator whose inductive system is assembled of two sets of ferromagnetic cores disposed on different ends of grounded flange; shaping line has two sets of electrodes. Magnetizing turns of first set of ferromagnetic cores are coupled with electrodes of first set of shaping line and those of second set of ferromagnetic cores are coupled with electrodes of second set of shaping line. Explosive-radiating cathode is disposed on axis of and inside first set of ferromagnetic cores and high-voltage tubular anode electrode, on axis of and inside second set of ferromagnetic cores; buncher is electrically and mechanically coupled with grounded flange.

EFFECT: reduced mass and size of device.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники н может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения в импульсно-периодическом режиме Практическое использование генераторов СВЧ-излучения предъявляет требование разработки приборов с высоким кпд, с большой частотой повторения импульсов, с малыми весогабаритными показателями.The invention relates to the field of relativistic high-frequency electronics and can be used to generate high-power microwave radiation in a pulse-periodic mode. The practical use of microwave radiation generators requires the development of devices with high efficiency, with a high pulse repetition rate, with low weight and size.

Известно устройство – двухрезонаторный пролетный клистрон [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - Высшая школа, 1972, т.2, 375 с.]. состоящий из электронной пушки, двух резонаторов и коллектора электронов. Электронная пушка представляет собой систему из двух электродов: термоэмиссионного катода и сеточного анода. На катод подается постоянное или импульсное напряжение отрицательной полярности. Анод, резонаторы, коллектор находятся под земляным потенциалом. Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется группирователем, второй выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка, имеющего модуляцию по плотности. Выходной резонатор снабжен либо волноводным выводом СВЧ-мощности, либо петлей связи. Металлическая труба дрейфа, расположенная между двумя резонаторами, экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. При транспортировке электронов внутри этой трубы происходит преобразование скоростной модуляции электронного пучка в модуляцию по плотности. В выходном резонаторе кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-излучения. Коллектор электронов служит для осаждения пучка электронов после прохождения выходного резонатора.A device is known - two-cavity span klystron [Lebedev I.V. Microwave equipment and devices. - Higher school, 1972, v.2, 375 pp.]. consisting of an electron gun, two resonators and an electron collector. An electron gun is a system of two electrodes: a thermionic cathode and a grid anode. A constant or pulse voltage of negative polarity is applied to the cathode. The anode, resonators, collector are under ground potential. The first klystron resonator serves to modulate the electron beam in speed and is called a grouper, and the second output resonator serves to select high-frequency energy from the beam with density modulation. The output resonator is equipped with either a waveguide output of microwave power or a communication loop. A metal drift tube located between two resonators shields the drift space (grouping space) from external constant and variable electric fields. When electrons are transported inside this tube, the velocity modulation of the electron beam is converted to density modulation. In the output resonator, the kinetic energy of the electrons is converted into microwave energy. The electron collector serves to deposit an electron beam after passing through the output resonator.

Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потере эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу клистрона из строя.The disadvantage of this device is the low output power due to the low voltage and current of the power source. An increase in voltage between the cathode and the anode is prevented by the development of breakdown between the cathode and the anode, i.e. transition of the thermionic cathode to explosive electron emission. This breakdown leads to the destruction of the cathode surface, the loss of emissivity, violation of the vacuum conditions in the device and the failure of the klystron.

Известно также устройство - супер-релтрон (релятивистский клистрон), состоящий из последовательно расположенных друг за другом электронной пушки, группирователя, трубчатого высоковольтного анодного электрода, выходного резонатора, коллектора электронов, а также источника питания [Miller R.В. et al. Super-reltron theory and experiments. IEEE Transactions on Plasma Science. 1992, v.20, N3, p.332-343]. Электронная пушка представляет собой систему из двух электродов: взрывоэмиссионного катода и сеточного анода. Катод находится под земляным потенциалом. Сеточный анод выполнен из металлической сетки и установлен на входе группирователя (первого резонатора). Первый резонатор супер-релтрона (как и клистрона) служит для модуляции электронного пучка по скорости, второй выходной резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка, который в области ускорения группирователь - трубчатый высоковольтный анодный электрод приобретает модуляцию по плотности. Выходной резонатор снабжен волноводным выводом СВЧ-мощности. Металлическая труба дрейфа между двумя резонаторами экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. При транспортировке электронов в этой области происходит дополнительное преобразование скоростной модуляции электронного пучка в модуляцию по плотности. В качестве источников питания супер-релтрона используются генераторы импульсных напряжений, причем полное выходное напряжение источника питания прикладывается к трубчатому высоковольтному анодному электроду, и частичное выходное напряжение (20-30% от полного) прикладывается к группирователю. Катод прибора заземлен.A device is also known - a super-reltron (relativistic klystron), consisting of an electron gun, a bunching device, a tubular high-voltage anode electrode, an output resonator, an electron collector, and a power source [Miller R.V. et al. Super-reltron theory and experiments. IEEE Transactions on Plasma Science. 1992, v. 20, N3, p. 323-343]. The electron gun is a system of two electrodes: an explosion-emission cathode and a grid anode. The cathode is under earth potential. The grid anode is made of a metal grid and is installed at the input of the grouper (first resonator). The first resonator of the super-reltron (as well as the klystron) serves to modulate the electron beam in speed, the second output resonator serves to select high-frequency energy from the beam, which in the acceleration region is a grouper - a tubular high-voltage anode electrode acquires density modulation. The output resonator is equipped with a waveguide output of microwave power. A metal drift tube between two resonators shields the drift space (grouping space) from external constant and variable electric fields. When electrons are transported in this region, an additional conversion of the velocity modulation of the electron beam to density modulation occurs. Pulse voltage generators are used as super-reltron power sources, the full output voltage of the power source being applied to the tubular high-voltage anode electrode, and a partial output voltage (20-30% of the total) being applied to the grouper. The cathode of the device is grounded.

Устройство работает следующим образом. На сеточный анод и группирователь подается импульсное напряжение амплитудой 150-200 кВ положительной полярности. Расстояние между катодом и сеточным анодом выбирается из условия получения рабочего тока прибора необходимой величины. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В продольном электрическом поле между катодом и сеточным анодом под действием электрического поля высокой напряженности осуществляется формирование электронного пучка. Проходя сеточный анод, электроны поступают в группирователь, в котором модулируются по плотности. В пространстве между группирователем и трубчатым высоковольтным электродом электроны ускоряются до полной энергии источника питания (на трубчатый высоковольтный электрод от источника питания подается импульсное напряжение положительной полярности 500-700 кВ). В процессе транспортировки внутри трубчатого высоковольтного анодного электрода электронный пучок модулируется по плотности. Образовавшиеся сгустки электронов попадают в выходной резонатор, отдавая кинетическую энергию в энергию СВЧ-колебаний. Прошедшие выходной резонатор электроны осаждаются на коллектор, рассеивая оставшуюся кинетическую энергию. Уровень генерируемой СВЧ-мощности таким прибором может составлять 200-300 МВт при электронном кпд до 40%.The device operates as follows. An impulse voltage of 150-200 kV amplitude of positive polarity is applied to the grid anode and grouper. The distance between the cathode and the grid anode is selected from the conditions for obtaining the operating current of the device of the required value. The cathode is made of metal or graphite and operates in explosive electron emission mode. In a longitudinal electric field between the cathode and the grid anode, an electron beam is formed under the action of a high-voltage electric field. Passing through the grid anode, the electrons enter the grouper, in which they are modulated by density. In the space between the grouper and the tubular high-voltage electrode, the electrons are accelerated to the full energy of the power source (a pulse voltage of positive polarity of 500-700 kV is supplied to the tubular high-voltage electrode from the power source). During transportation inside the tubular high-voltage anode electrode, the electron beam is modulated in density. The resulting electron clusters fall into the output cavity, transferring kinetic energy to the energy of microwave oscillations. Electrons passing through the output resonator are deposited on the collector, scattering the remaining kinetic energy. The level of generated microwave power by such a device can be 200-300 MW with an electronic efficiency of up to 40%.

Недостатком подобного устройства является одиночный режим работы прибора, связанный с использованием источника питания - генератора импульсных напряжений. Генератор импульсных напряжений состоит из набора конденсаторов, заряжаемых последовательно от источников относительно низкого напряжения (40-100 кВ). Разряд конденсаторов на нагрузку осуществляется при их последовательном включении с помощью искровых разрядников, установленных между наборами конденсаторов. Напряжение на сеточный анод подается при подключении промежуточных конденсаторов генератора импульсных напряжений, а напряжение на трубчатый высоковольтный анодный электрод при его подключении к выходу генератора импульсных напряжений. Однократный режим работы генератора импульсных напряжений связан с медленным процессом зарядки конденсаторов, использованием многочисленных искровых разрядников. Кроме того, подобный источник питания имеет большие весогабаритные показатели, его работа сопровождается высоким уровнем электромагнитных помех, периодически необходима ревизия разрядником, поскольку происходит эрозия электродов разрядников под действием больших разрядных токов.The disadvantage of this device is the single mode of operation of the device associated with the use of a power source - a pulse voltage generator. The pulse voltage generator consists of a set of capacitors, charged in series from sources of relatively low voltage (40-100 kV). The discharge of capacitors to the load is carried out when they are sequentially switched on using spark gaps installed between sets of capacitors. The voltage to the grid anode is applied when connecting intermediate capacitors of the pulse voltage generator, and the voltage to the tubular high-voltage anode electrode when it is connected to the output of the pulse voltage generator. A single mode of operation of the pulse voltage generator is associated with a slow process of charging capacitors, using numerous spark gaps. In addition, such a power source has large overall dimensions, its operation is accompanied by a high level of electromagnetic interference, revision of the arrester is periodically necessary, since erosion of the arrester electrodes under the influence of large discharge currents occurs.

Кроме того, следует отметить, что напряжение на элементы супер-релтрона поступает не одновременно. Сначала появляется напряжение на группирователе, появляется электронный ток и только через время пробега волны напряжения по оставшемуся набору конденсаторов появляется напряжение на трубчатом высоковольтном анодном электроде. Таким образом, в начальный интервал времени прибор не генерирует СВЧ-колебания, что снижает полный (по энергии) кпд устройства.In addition, it should be noted that the voltage on the elements of the super-reltron does not arrive simultaneously. First, voltage appears on the bunching device, an electronic current appears, and only after the travel time of the voltage wave along the remaining set of capacitors does voltage appear on the tubular high-voltage anode electrode. Thus, in the initial time interval, the device does not generate microwave oscillations, which reduces the total (in energy) efficiency of the device.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение частоты следования СВЧ импульсов, повышение полного кпд устройства. Техническим результатом - сокращение весогабаритных показателей устройства за счет конструктивного объединения элементов источника питания и супер-релтрона.The task of the invention is to increase the repetition rate of microwave pulses, increasing the overall efficiency of the device. The technical result is a reduction in the overall dimensions of the device due to the constructive combination of power supply elements and a super-reltron.

Указанная задача может быть решена при использовании в качестве источника питания супер-релтрона линейного индукционного ускорителя (ЛИУ). Такие источники напряжения имеют высокий кпд преобразования энергии из первичного накопителя в нагрузку, способны работать с высокой частотой следования импульсов, обладают большим темпом ускорения электронов, малыми весогабаритными показателями [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с. 111-119]. Однако применить для питания супер-релтрона ЛИУ, выполненного по традиционной схеме, невозможно, поскольку на различные элементы прибора необходимо подавать напряжение разной величины. Поэтому требуется оригинальное техническое решение, описываемое в данной заявке.This problem can be solved by using a linear induction accelerator (LIU) as a super-reltron power source. Such voltage sources have a high efficiency of converting energy from a primary storage device to a load, are capable of operating at a high pulse repetition rate, have a high electron acceleration rate, and small weight and size indicators [Vintizenko II, Furman E.G. Linear induction accelerators. Izv. Universities. Physics, 1998, No. 4, Appendix, p. 111-119]. However, it is impossible to apply LIU, made according to the traditional scheme, to power the super-reltron, since it is necessary to supply voltage of different sizes to various elements of the device. Therefore, the original technical solution described in this application is required.

Как и прототип, супер-релтрон содержит установленные последовательно на общей оси взрывоэмиссионный катод, сеточный анод, расположенный на входном торце группирователя, трубчатый высоковольтный анодный электрод, выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения, коллектор. В отличие от прототипа для питания супер-релтрона использован линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему, формирующую линию, многоканальный искровой разрядник. Индукционная система линейного индукционного ускорителя выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца, формирующая линия имеет два комплекта электродов. Витки намагничивания первого набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами первого комплекта формирующей линии, и витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников связаны с электродами второго комплекта формирующей линии. Противоположные концы электродов обоих комплектов формирующей линии связаны попарно между собой и соединены с электродами многоканального искрового разрядника. На оси и внутри первого набора ферромагнитных сердечников расположен взрывоэмиссионный катод. На оси и внутри второго набора ферромагнитных сердечников расположен трубчатый высоковольтный анодный электрод. Группирователь механически и электрически связан с заземленным фланцем. Выходной резонатор с устройством вывода СВЧ-излучения и коллектор электронов находятся снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя.Like the prototype, a super-reltron contains an explosion-emission cathode installed in series on a common axis, a grid anode located at the input end of the grouper, a tubular high-voltage anode electrode, an output resonator with a microwave output device, and a collector. In contrast to the prototype, a linear induction accelerator containing an induction system forming a line and a multi-channel spark gap was used to power a super-reltron. The induction system of the linear induction accelerator is made of two sets of ferromagnetic cores located on opposite sides of the grounded flange, the forming line has two sets of electrodes. The magnetization turns of the first set of ferromagnetic cores are connected to the electrodes of the first set of forming lines, and the magnetization turns of the second set of ferromagnetic cores are connected to the electrodes of the second set of forming lines. The opposite ends of the electrodes of both sets of the forming line are connected in pairs with each other and connected to the electrodes of a multi-channel spark gap. An explosion-emission cathode is located on the axis and inside the first set of ferromagnetic cores. On the axis and inside the second set of ferromagnetic cores is a tubular high-voltage anode electrode. The grouper is mechanically and electrically connected to a grounded flange. An output resonator with a microwave radiation output device and an electron collector are located outside the linear induction accelerator case.

Устройство изображено на чертеже и содержит взрывоэмиссионный катод 1, сеточный анод 2, расположенный на входном (обращенном к катоду 1) торце группирователя 3, группирователь 3, трубчатый высоковольтный анодный электрод 4, выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6, коллектор 7. Конструкция супер-релтрона аналогична рассмотренной выше для прибора-прототипа. Отличия заключаются в том, что указанные элементы размещены внутри на оси линейного индукционного ускорителя, используемого в качестве источника питания. Линейный индукционный ускоритель, в свою очередь, содержит индукционную систему 8, формирующую линию 9, многоканальный искровой разрядник 10 и отличается от известных конструкций тем, что индукционная система 8 выполнена из двух наборов ферромагнитных сердечников, расположенных по разные стороны заземленного фланца 11, и формирующая линия 9 выполнена из двух комплектов электродов 12. Формирующая линия 9 может быть изготовлена в виде полосковой формирующей линии. В этом случае достигаются минимальные весогабаритные показатели устройства. Полосковая формирующая линия состоит из двух комплектов электродов, разделенных изолирующим слоем. Витки намагничивания 13 первого набора ферромагнитных сердечников индукционной системы 8 связаны с электродами первого комплекта формирующей линии. Витки намагничивания второго набора ферромагнитных сердечников индукционной системы связаны с электродами второго комплекта формирующей линии. Комплекты формирующей линии могут состоять из земляных и потенциальных обкладок, образуя одинарную полосковую формирующую линию, а также могут состоять из земляных, потенциальных и свободных обкладок, образуя двойную полосковую формирующую линию. Для питания супер-релтрона возможно применение как одного, так и другого типа полосковой формирующей линии.The device is shown in the drawing and contains an explosion-emission cathode 1, a grid anode 2 located on the input (facing the cathode 1) end of the grouper 3, grouper 3, a tubular high-voltage anode electrode 4, output resonator 5 with a microwave output device 6, collector 7. The design of the super-reltron is similar to that described above for the prototype device. The differences are that these elements are placed inside on the axis of a linear induction accelerator used as a power source. The linear induction accelerator, in turn, contains an induction system 8 forming a line 9, a multi-channel spark gap 10 and differs from the known structures in that the induction system 8 is made of two sets of ferromagnetic cores located on opposite sides of the grounded flange 11, and a forming line 9 is made of two sets of electrodes 12. The forming line 9 can be made in the form of a strip forming line. In this case, the minimum weight and size characteristics of the device are achieved. The strip forming line consists of two sets of electrodes separated by an insulating layer. The magnetization turns 13 of the first set of ferromagnetic cores of the induction system 8 are connected to the electrodes of the first set of the forming line. The magnetization coils of the second set of ferromagnetic cores of the induction system are connected to the electrodes of the second set of forming lines. Formation line kits can consist of earthen and potential plates, forming a single strip forming line, and can also consist of earthen, potential and free plates, forming a double strip forming line. To supply a super-reltron, it is possible to use both one and another type of strip forming line.

Для одинарной полосковой формирующей линии 9 (изображена на чертеже) земляные обкладки обоих комплектов соединены одними концами с витками намагничивания 13 сердечников обоих наборов. Противоположные концы земляных обкладок соединены с катодами многоканального искрового разрядника 10, электрически связанного с заземленным фланцем 11 устройства. Потенциальные обкладки обоих комплектов одинарной полосковой формирующей линии с одного конца соединены с другими (противоположными) выводами витков намагничивания 13 обоих наборов сердечников индукционной системы 8. С противоположной стороны потенциальные обкладки соединены с анодами многоканального искрового разрядника 10 и источником зарядного напряжения.For a single strip forming line 9 (shown in the drawing), the earth plates of both sets are connected at one end to the magnetization turns 13 of the cores of both sets. The opposite ends of the earth plates are connected to the cathodes of the multi-channel spark gap 10, electrically connected to the grounded flange 11 of the device. The potential plates of both sets of a single strip forming line are connected from one end to the other (opposite) terminals of the magnetization turns 13 of both sets of cores of the induction system 8. On the opposite side, the potential plates are connected to the anodes of the multi-channel spark gap 10 and the charging voltage source.

В случае использования двойной полосковой формирующей линии подключение земляных обкладок аналогично случаю одинарной формирующей линии. Свободные обкладки обоих комплектов двойной полосковой формирующей линии 9 с одного конца соединены с другими (противоположными) выводами витков намагничивания 13 обоих наборов сердечников индукционной системы 8. Потенциальные обкладки двойной полосковой формирующей линии соединены с анодами многоканального искрового разрядника 10 и источником зарядного напряжения. Расположение обкладок комплекта электродов 12 и их подключение в виткам намагничивания сердечников, электродам многоканального разрядника 10 и источнику зарядного напряжения для одинарной и двойной формирующих линий производится так же, как и для обычных ЛИУ, разрабатываемых в НИИ ЯФ при ТПУ, и описаны в [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, c.111-119].In the case of using a double strip forming line, the connection of earthen plates is similar to the case of a single forming line. The free plates of both sets of the double strip forming line 9 are connected from one end to the other (opposite) terminals of the magnetization turns 13 of both sets of cores of the induction system 8. The potential plates of the double strip forming line are connected to the anodes of the multi-channel spark gap 10 and the charging voltage source. The arrangement of the plates of the set of electrodes 12 and their connection in the magnetization coils of the cores, the electrodes of the multi-channel spark gap 10 and the charging voltage source for single and double forming lines is carried out in the same way as for ordinary LIU developed at the Scientific Research Institute of Nuclear Physics at TPU, and are described in [Vintizenko I. .I., Furman E.G. Linear induction accelerators. Izv. Universities. Physics, 1998, No. 4, Appendix, c.111-119].

Взрывоэмиссионный катод 1 установлен на оси и внутри первого набора ферромагнитных сердечников индукционной системы 8. Трубчатый высоковольтный анодный электрод 4 установлен на оси и внутри второго набора ферромагнитных сердечников. Сеточный анод 2, расположенный на входном торце группирователя 3, механически и электрически связан с заземленным фланцем 11 линейного индукционного ускорителя. Выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6 и коллектор 7 заземлены и расположены снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя.An explosion-emission cathode 1 is installed on the axis and inside the first set of ferromagnetic cores of the induction system 8. A tubular high-voltage anode electrode 4 is installed on the axis and inside the second set of ferromagnetic cores. The grid anode 2 located at the input end of the grouper 3 is mechanically and electrically connected to the grounded flange 11 of the linear induction accelerator. The output resonator 5 with the microwave output device 6 and the collector 7 are grounded and located outside the linear induction accelerator case.

Для заряда формирующих линий линейного индукционного ускорителя используется источник зарядного напряжения (не показан). Источник зарядного напряжения с выходным напряжением порядка 60 кВ может быть выполнен на основе первичного конденсаторного накопителя, разряжаемого на повышающий импульсный трансформатор при коммутации тиристорным узлом. Конденсаторный накопитель заряжается от трехфазной сети переменного тока через выпрямитель и сетевой фильтр до напряжения 300 В.A charge voltage source (not shown) is used to charge the forming lines of a linear induction accelerator. A charging voltage source with an output voltage of the order of 60 kV can be made on the basis of a primary capacitor bank discharged to a step-up pulse transformer during switching by a thyristor unit. The capacitor bank is charged from a three-phase AC network through a rectifier and a line filter to a voltage of 300 V.

Устройство супер-релтрон с источником питания - линейным индукционным ускорителем работает следующим образом. Два набора электродов 12 формирующей линии 9 заряжаются от источника зарядного напряжения при подаче напряжения на потенциальные обкладки. При срабатывании многоканального разрядника 10 потенциальные обкладки одинарной полосковой формирующей линии замыкаются на землю, и через витки намагничивания 13 ферромагнитных сердечников индукционной системы 8 начинает протекать разрядный ток формирующей линии длительностью, равной времени двойного пробега волны по линии. В случае двойной полосковой формирующей линии на землю замыкаются свободные обкладки формирующей линии. На оси индукционной системы 8 возбуждается вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле, индуцированное первым набором сердечников, суммируется взрывоэмиссионным катодом 1, а вихревое электрическое поле второго набора ферромагнитных сердечников суммируется трубчатым высоковольтным анодным электродом 4. В случае использования двойной формирующей линии величины напряжений на катоде 1 и трубчатом высоковольтном анодном электроде 4 равны величине зарядного напряжения формирующей линии, умноженной на количество сердечников соответственно первого и второго наборов сердечников. При использовании одинарной формирующей линии величины напряжений на катоде и трубчатом высоковольтном анодном электроде в два раза меньше. Таким образом, в отличие от прототипа напряжение на элементах супер-релтрона появляется одновременно на катоде 1 и трубчатом высоковольтном анодном электроде 4, что позволяет использовать для генерации СВЧ-излучения импульс тока полной длительности.The super-reltron device with a power source - a linear induction accelerator operates as follows. Two sets of electrodes 12 of the forming line 9 are charged from the charging voltage source when voltage is applied to potential plates. When the multi-channel arrester 10 is triggered, the potential plates of a single strip forming line are closed to the ground, and the discharge current of the forming line with a duration equal to the double travel time of the wave along the line begins to flow through the magnetization coils 13 of the ferromagnetic cores of the induction system 8. In the case of a double strip forming line, free plates of the forming line are closed to the ground. On the axis of the induction system 8, a vortex electric field is excited. The vortex electric field induced by the first set of cores is summed by the explosive emission cathode 1, and the vortex electric field of the second set of ferromagnetic cores is summed by a tubular high-voltage anode electrode 4. In the case of a double forming line, the voltages at the cathode 1 and the tubular high-voltage anode electrode 4 are equal to the value of the charge a forming line times the number of cores of the first and second sets of cores, respectively. When using a single forming line, the voltages at the cathode and the tubular high-voltage anode electrode are two times less. Thus, unlike the prototype, the voltage on the elements of the super-reltron appears simultaneously on the cathode 1 and the tubular high-voltage anode electrode 4, which makes it possible to use a full-duration current pulse to generate microwave radiation.

Индуцированное напряжение на катоде 1 отрицательной полярности прикладывается между катодом и заземленным сеточным анодом 2. Расстояние между катодом 1 и анодом 2 выбирается из условия образования взрывоэмиссионной катодной плазмы (напряженность электрического поля должна превышать 60 кВ/см) и формирования тока необходимой величины. Величина тока определяется по закону Чайльд-Ленгмюра, т.е. зависит от величины напряжения, площади катода и расстояния катод - анод. Сформированный в катод-анодном промежутке немодулированный электронный пучок поступает в группирователь 3, возбуждает в резонаторе сверхвысокочастотное поле. СВЧ-поле группирователя 3 производит скоростную модуляцию электронного потока. В пространстве дрейфа между группирователем 3 и трубчатым высоковольтным анодным электродом 4 электроны увеличивают свою энергию, и в этой области электронный пучок начинает модулироваться по плотности. Внутри трубчатого высоковольтного анодного электрода 4 образуются электронные сгустки, которые поступают в выходной резонатор 5 с частотой, равной частоте группирователя 3. Электронные сгустки наводят ток, протекающий по внутренней поверхности стенок выходного резонатора 5. Появляющееся СВЧ-поле выходного резонатора 5 тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, полученная ими в катод-анодном промежутке и промежутке группирователь - трубчатый высоковольтный анодный электрод, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний и поступает через устройство вывода СВЧ-излучения 6 в нагрузку или излучается в свободное пространство. Прошедшие выходной резонатор 5 электроны оседают на коллектор 7 и рассеивают на нем в виде тепла оставшуюся кинетическую энергию. Длительность импульса тока электронного пучка определяется временем двойного пробега электромагнитной волны по формирующей линии 9. Частота повторения импульсов определяется мощностью источника зарядного напряжения и частотными свойствами многоканального искрового разрядника 10. Разработанные в НИИ ЯФ при ТПУ многоканальные искровые разрядники имеют верхний предел по частоте срабатывания порядка 200 Гц [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4, Приложение, с.111-119]. Многоканальная коммутация применена для уменьшения индуктивности разрядника, снижения величины тока через один канал, увеличения ресурса электродов разрядника.An induced voltage at the cathode 1 of negative polarity is applied between the cathode and the grounded grid anode 2. The distance between the cathode 1 and anode 2 is selected from the conditions for the formation of an explosive emission cathode plasma (electric field strength must exceed 60 kV / cm) and the formation of a current of the required value. The current value is determined according to the Childe-Langmuir law, i.e. depends on the magnitude of the voltage, the cathode area and the cathode - anode distance. The unmodulated electron beam formed in the cathode-anode gap enters the bunching 3, excites a microwave field in the resonator. The microwave field of the grouper 3 produces high-speed modulation of the electron beam. In the drift space between the bunching device 3 and the tubular high-voltage anode electrode 4, the electrons increase their energy, and in this region the electron beam begins to be modulated in density. Inside the tubular high-voltage anode electrode 4, electronic bunches are formed that enter the output resonator 5 with a frequency equal to the frequency of the bunching device 3. Electronic bunches induce a current flowing along the inner surface of the walls of the output resonator 5. The appearing microwave field of the output resonator 5 inhibits the electrons. The kinetic energy of the electrons obtained by them in the cathode-anode gap and in the grouping-tube high-voltage anode electrode gap is converted into microwave energy and supplied through the microwave output device 6 to the load or radiated into free space. The electrons passing the output resonator 5 are deposited on the collector 7 and scatter the remaining kinetic energy on it in the form of heat. The duration of the electron beam current pulse is determined by the double travel time of the electromagnetic wave along the forming line 9. The pulse repetition rate is determined by the power of the charging voltage source and the frequency properties of the multichannel spark gap 10. The multichannel spark gap developed at the Research Institute of Nuclear Physics at TPU have an upper limit on the response frequency of about 200 Hz [Vintizenko II, Furman E.G. Linear induction accelerators. Izv. Universities. Physics, 1998, No. 4, Appendix, pp. 111-119]. Multichannel switching is used to reduce the inductance of the arrester, reduce the current through one channel, and increase the life of the electrodes of the arrester.

Примером конкретного выполнения супер-релтрона с источником питания - линейным индукционным ускорителем является разработанный прибор 10 см-диапазона длин волн. Размеры элементов супер-релтрона соответствуют размерам элементов устройства-прототипа. Заземленный катод 1 имеет наружный диаметр 30 мм, длину 100 мм. Торец катода расположен на расстоянии 33 мм от сеточного анода 2. Группирователь 3 имеет наружный диаметр 76,4 мм, длину 40 мм, внутреннее отверстие диаметром 36-40 мм и возбуждается на частоте 3000 МГц. Трубчатый высоковольтный анодный электрод 4 имеет длину 300 мм, расположен на расстоянии 150 мм от выходного торца группирователя 3. Выходной резонатор 5 с устройством вывода СВЧ-излучения 6 и коллектор 7 расположены снаружи корпуса линейного индукционного ускорителя. Выходной резонатор выполнен из отрезка стандартного прямоугольного волновода с отверстием диаметром 36-40 мм для прохождения электронного пучка. Устройство вывода СВЧ-излучения 6 изготовлено из стандартного волновода сечением 72×34 мм². Коллектор электронов 7 представляет собой металлическую трубу, по центру которой расположен конусообразный графитовый поглотитель. Линейный индукционный ускоритель имеет индукционную систему 8, состоящую из двух наборов сердечников. Первый набор содержит 3 ферромагнитных сердечника, второй набор содержит 10 ферромагнитных сердечников. В конструкцию линейного индукционного ускорителя входит также формирующая линия 9. Формирующая линия 9 состоит из двух комплектов электродов 12, образующих две двойные полосковые формирующие линии. Электроды первого комплекта формирующей линии соединены через витки намагничивания 13 с первым набором ферромагнитных сердечников индукционной системы, корпусом ускорителя и электродами многоканального искрового разрядника 10. Электроды второго комплекта формирующей линии соединены через витки намагничивания со вторым набором ферромагнитных сердечников индукционной системы, корпусом ускорителя и электродами многоканального искрового разрядника. Электроды (обкладки) формирующей линии сделаны по технологии, описанной в [Фурман Э.Г. Низкоимпедансные полосковые формирующие линии линейных индукционных ускорителей ПТЭ, 1987, №5, с. 26-31]. Комплекты полосковой формирующей линии намотаны по спирали Архимеда вокруг двух наборов ферромагнитных сердечников индукционной системы 8. Длина электродов 12 комплектов полосковой формирующей линии определяет длительность импульса тока по виткам намагничивания 13 сердечников индукционной системы 8, а значит, длительность импульса катод-анодного напряжения и тока электронного пучка. В частности, электроды длиной 5 м и изоляцией из пленкосинтокартона толщиной 1,3 мм формируют импульс напряжения длительностью 100 нс. Сердечники индукционной системы 8 имеют размеры: внешний диаметр 360 мм, внутренний диаметр 150 мм, толщина 25 мм, изготовлены из стали 50 НГТ (пермаллой) толщиной проката 0,01 мм. Элементы супер-релтрона располагаются внутри и на оси ферромагнитных сердечников. Витки намагничивания 13 ферромагнитных сердечников выполнены сплошными из нержавеющей стали. Между витками намагничивания соседних сердечников установлены полиэтиленовые изоляторы, отделяющие вакуумный объем супер-релтрона от объема линейного индукционного ускорителя, заполненного трансформаторным маслом. Толщина намотки полосковой формирующей линии при длине электродов 5 м составляет 40 мм. (Формулы для расчета приведены в [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Изв. ВУЗов. Физика, 1998, №4. Приложение, с. 111-119]). Таким образом, внешний диаметр устройства с учетом необходимой дополнительной изоляции не превышает 500 мм. Общая длина устройства равна сумме длин наборов ферромагнитных сердечников (100 и 300 мм) и длины выходного резонатора с коллектором (200 мм), т.е. не более 700 мм с учетом необходимой дополнительной изоляции и толщины фланцев корпуса ускорителя. Многоканальный (24 канала) искровой разрядник 10 кольцевого типа может быть расположен на внешней поверхности корпуса или непосредственно в корпусе линейного индукционного ускорителя. Принцип работы многоканального разрядника описан в статье [Фурман Э.Г., Васильев В.В. Многоканальные искровые разрядники для коммутации низкоимпедансных полосковых формирующих линий. - ПТЭ, 1988, №1, с.111-116].An example of a specific implementation of a super-reltron with a power source - a linear induction accelerator is a developed device of a 10 cm wavelength range. The dimensions of the elements of the super-reltron correspond to the dimensions of the elements of the prototype device. The grounded cathode 1 has an outer diameter of 30 mm, a length of 100 mm. The end of the cathode is located at a distance of 33 mm from the grid anode 2. Grouper 3 has an outer diameter of 76.4 mm, a length of 40 mm, an inner hole with a diameter of 36-40 mm and is excited at a frequency of 3000 MHz. The tubular high-voltage anode electrode 4 has a length of 300 mm, is located at a distance of 150 mm from the output end of the bunching device 3. The output resonator 5 with the microwave radiation output device 6 and the collector 7 are located outside the linear induction accelerator case. The output resonator is made of a segment of a standard rectangular waveguide with a hole with a diameter of 36-40 mm for the passage of an electron beam. The output device of the microwave radiation 6 is made of a standard waveguide with a cross section of 72 × 34 mm ² . The electron collector 7 is a metal pipe, in the center of which is a cone-shaped graphite absorber. The linear induction accelerator has an induction system 8, consisting of two sets of cores. The first set contains 3 ferromagnetic cores, the second set contains 10 ferromagnetic cores. The design of the linear induction accelerator also includes a forming line 9. The forming line 9 consists of two sets of electrodes 12 forming two double strip forming lines. The electrodes of the first set of forming lines are connected through magnetization coils 13 to the first set of ferromagnetic cores of the induction system, the accelerator body and electrodes of the multi-channel spark gap 10. The electrodes of the second set of forming lines are connected through magnetization coils with the second set of ferromagnetic cores of the induction system, the accelerator body and electrodes of the multi-channel spark arrester. The electrodes (plates) of the forming line are made according to the technology described in [Furman E.G. Low impedance strip forming lines of linear induction accelerators PTE, 1987, No. 5, p. 26-31]. The sets of the strip forming line are wound in a spiral of Archimedes around two sets of ferromagnetic cores of the induction system 8. The length of the electrodes of 12 sets of the strip forming line determines the duration of the current pulse from the magnetization coils 13 of the cores of the induction system 8, and hence the pulse duration of the cathode-anode voltage and the electron beam current . In particular, electrodes with a length of 5 m and insulation made of film-plastic board with a thickness of 1.3 mm form a voltage pulse of 100 ns duration. The cores of the induction system 8 have dimensions: outer diameter 360 mm, inner diameter 150 mm, thickness 25 mm, made of steel 50 NGT (permalloy) with a thickness of 0.01 mm. Elements of the super-reltron are located inside and on the axis of the ferromagnetic cores. Magnetization coils of 13 ferromagnetic cores are made of solid stainless steel. Between the turns of magnetization of adjacent cores, polyethylene insulators are installed that separate the vacuum volume of the super-reltron from the volume of a linear induction accelerator filled with transformer oil. The thickness of the winding of the strip forming line with an electrode length of 5 m is 40 mm. (Formulas for the calculation are given in [Vintizenko II, Furman EG Linear induction accelerators. Izv. VUZov. Physics, 1998, No. 4. Appendix, pp. 111-119]). Thus, the external diameter of the device, taking into account the necessary additional insulation, does not exceed 500 mm. The total length of the device is equal to the sum of the lengths of the sets of ferromagnetic cores (100 and 300 mm) and the length of the output resonator with a collector (200 mm), i.e. not more than 700 mm, taking into account the necessary additional insulation and thickness of the accelerator case flanges. A multi-channel (24 channel) ring-type spark gap 10 can be located on the outer surface of the housing or directly in the housing of a linear induction accelerator. The principle of operation of a multichannel arrester is described in the article [Furman E.G., Vasiliev V.V. Multichannel spark gap for switching low-impedance strip forming lines. - PTE, 1988, No. 1, pp. 111-116].

От источника зарядного напряжения одинарная полосковая формирующая линия заряжается до напряжения 120 кВ. При разряде одинарной полосковой формирующей линии на витки намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы при срабатывании многоканального искрового разрядника на группирователе индуцируется напряжение 180 кВ (60 кВ×3 сердечника), на трубчатом высоковольтном анодном электроде 600 кВ (60 кВ×10 сердечников). В катод-анодном промежутке супер-релтрона формируется импульс тока амплитудой 750 А.A single strip forming line is charged from a charging voltage source to a voltage of 120 kV. When a single strip forming line is discharged to the magnetization coils of the ferromagnetic cores of the induction system when a multi-channel spark gap is triggered, a voltage of 180 kV (60 kV × 3 cores) is induced on the grouper, and 600 kV (60 kV × 10 cores) on the tubular high-voltage anode electrode. A current pulse of amplitude 750 A is formed in the cathode-anode gap of the super-reltron.

Для предварительного расчета геометрические размеры супер-релтрона выбраны аналогичными, как в приборе-прототипе, и параметры импульса напряжения источника равны соответствующим выходным параметрам генератора импульсных напряжений прибора-прототипа. Поэтому будем предполагать аналогичные выходные параметры супер-релтрона (СВЧ-мощность 235 МВт при электронном кпд 40%). При этом частота повторения импульсов предлагаемого устройства может достигать 200 Гц. Размеры устройства по сравнению с прототипом сокращаются примерно в 8 раз. (Размеры генератора импульсных напряжений устройства-прототипа составляют 1240×1240×1550 мм³). Повышается также полный кпд устройства за счет подачи напряжения одновременно на все элементы супер-релтрона и использования для генерации СВЧ-излучения электронного пучка полной длительности.For preliminary calculation, the geometric dimensions of the super-reltron are selected similar to those in the prototype device, and the parameters of the source voltage pulse are equal to the corresponding output parameters of the pulse voltage generator of the prototype device. Therefore, we will assume similar output parameters of the super-reltron (microwave power 235 MW at an electronic efficiency of 40%). Moreover, the pulse repetition rate of the proposed device can reach 200 Hz. The dimensions of the device compared to the prototype are reduced by about 8 times. (The dimensions of the pulse voltage generator of the prototype device are 1240 × 1240 × 1550 mm ³ ). The full efficiency of the device is also increased by supplying voltage to all elements of the super-reltron simultaneously and using a full-duration electron beam to generate microwave radiation.

Таким образом, применение для питания супер-релтрона линейного индукционного ускорителя оригинальной конструкции позволяет осуществить импульсно-периодический режим работы при значительном сокращении весогабаритных показателей устройства в целом. Указанные обстоятельства открывают широкие возможности практического применения подобных СВЧ-генераторов.Thus, the use of a linear induction accelerator of an original design for powering a super-reltron allows for pulse-periodic operation with a significant reduction in the overall dimensions of the device. These circumstances open up wide possibilities for the practical application of such microwave generators.

Claims

Relativistic klystron containing a power source and a sequentially located explosive emission cathode, a grid anode mounted on the input end of the grouper, a tubular high-voltage anode electrode, an output resonator with a microwave output device, an electron collector, characterized in that a linear induction accelerator is used as a power source comprising an induction system forming a line and a multi-channel spark gap, the induction system of a linear induction accelerator is made of two sets of ferromagnetic cores located on opposite sides of the grounded flange, an explosive emission cathode is installed on the axis inside the first set of ferromagnetic cores, a tubular high-voltage anode electrode is installed on the axis inside the second set of ferromagnetic cores, the grouper is mechanically and electrically connected to the grounded flange, forming a linear induction line accelerator has two sets of electrodes, and the magnetization coils of the first set of ferromagnetic cores us with electrodes forming a first set of lines and a second set of windings magnetize the ferromagnetic core associated with the second set of electrodes forming line, both sets of electrodes forming line pairs connected to each other and connected to the multi-channel spark gap electrodes electrically and mechanically connected to the grounded flange.