RU2240626C1

RU2240626C1 - O-type device collector (alternatives)

Info

Publication number: RU2240626C1
Application number: RU2003107541/09A
Authority: RU
Inventors: С.О. Семенов (RU); С.О. Семенов; В.И. Роговин (RU); В.И. Роговин
Original assignee: Семенов Сергей Олегович; Роговин Владимир Игоревич
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-11-20

Abstract

FIELD: microwave devices.

SUBSTANCE: proposed collector that can be used, for instance, in O-type traveling-wave tubes or klystrons where kinetic energy of spent electrons is recuperated has case, electrodes with asymmetric parts and insulators securing them to case made in the form of bushings or ceramic rods. At least one bushing fastening electrode to inclined input hole is provided with inclined butt-end facing this hole and aligned with the latter in position. When rods are used as insulators, those securing electrode to output inclined butt-end has its length comparable with that of electrode cylindrical surface abutting against rod. Rods can be made as integral parts or assembled in longitudinal direction.

EFFECT: improved heat dissipation ability at non-axisymmetrical deposition of electrons resulting in non-axisymmetric heat load.

4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к коллекторам в лампах бегущей волны О-типа или клистронах, в которых применяется рекуперация кинетической энергии отработавших электронов.The invention relates to microwave microwave devices, in particular to collectors in O-type traveling wave tubes or klystrons, which use the recovery of the kinetic energy of the spent electrons.

В большинстве применяемых сегодня конструкций коллекторов электроды имеют форму тела вращения и закрепляются в корпусе с помощью керамических изоляторов в виде осесимметричных втулок или набора стержней одинаковой длины, т.е. также имеющих в совокупности форму тела вращения, аналогичную втулке. Изоляторы используются для передачи тепла от электродов к корпусу коллектора и далее к системе охлаждения (см. Роговин В.И., Семенов С.О. Коллекторы с рекуперацией для ЛБВО и клистронов: Обзоры по электронной технике. Сер.1, Электроника СВЧ. - М.: ЦНИИ “Электроника”, 1986. - вып.4 (1167). – 70 с.).In the majority of collector designs used today, the electrodes are in the form of a body of revolution and are fixed in the housing with ceramic insulators in the form of axisymmetric bushings or a set of rods of the same length, i.e. also having in aggregate the shape of a body of revolution similar to a sleeve. Insulators are used to transfer heat from the electrodes to the collector body and then to the cooling system (see Rogovin V.I., Semenov S.O. Collectors with recovery for LBVO and klystrons: Reviews on electronic technology. Ser.1, Microwave electronics. - M .: Central Research Institute "Electronics", 1986. - issue 4 (1167). - 70 p.).

Тепловая нагрузка в осесимметричных конструкциях коллекторов равномерно распределяется в азимутальном направлении и при осесимметричной системе охлаждения температура электродов в азимутальном направлении постоянна.The heat load in the axisymmetric designs of the collectors is evenly distributed in the azimuthal direction and with the axisymmetric cooling system, the temperature of the electrodes in the azimuthal direction is constant.

Коллекторы с неосесимметричными электродами позволяют достигнуть более высоких значений КПД приборов, но при этом за счет действия поперечных электрических и магнитных полей оседание электронов на электроды коллектора становится неравномерным в азимутальном направлении (см. Журавлева В.Д., Роговин В.И., Семенов С.О. Исследование неосесимметричных двухступенчатых коллекторов. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1985, вып.10, с.19-22). Это приводит к повышению максимальной температуры электродов коллектора и, как следствие, снижает надежность прибора и ограничивает его предельную мощность.Collectors with non-axisymmetric electrodes can achieve higher values of the efficiency of devices, but due to the action of transverse electric and magnetic fields, the electron deposition on the collector electrodes becomes uneven in the azimuthal direction (see Zhuravleva V.D., Rogovin V.I., Semenov S .O. Investigation of non-axisymmetric two-stage collectors. Electronic Engineering. Ser. 1, Microwave Electronics, 1985, issue 10, pp. 19-22). This leads to an increase in the maximum temperature of the collector electrodes and, as a result, reduces the reliability of the device and limits its ultimate power.

Пример коллектора неосесимметричной конструкции, в котором неосесимметричными элементами являются наклоненные выходное отверстие первой и входное отверстие второй ступеней, а изоляторами являются керамические стержни одинаковой длины, образующие в совокупности тело, аналогичное осесимметричной керамической втулке, см. в Henry D., Pelletier A., Strauss R. A triple-power-mode 11 GHz TWT, Proc. European Microwave Conf., Venejia, 1977, p.231-236.An example of a non-axisymmetric collector in which non-axisymmetric elements are the inclined outlet of the first and the inlet of the second stage, and the insulators are ceramic rods of the same length, which together form a body similar to an axisymmetric ceramic sleeve, see Henry D., Pelletier A., Strauss R. A triple-power-mode 11 GHz TWT, Proc. European Microwave Conf., Venejia, 1977, p. 231-236.

Наиболее близким к заявляемому решению является конструкция многоступенчатого коллектора, описанная в пат.2219518, Франция, МКИ H 01 J 25/36, H 01 J 23/24. Collecteur pour tubes a ondes progressives et tube comportant un tel collecteur. D. Henry; Thomson-CSF. - №7396563; Заявлено 23.02.73; Опубл. 20.09.74. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.Closest to the claimed solution is the design of a multi-stage collector described in Pat. 2219518, France, MKI H 01 J 25/36, H 01 J 23/24. Collecteur pour tubes a ondes progressives et tube comportant un tel collecteur. D. Henry; Thomson-CSF. - No. 7396563; Stated 02/23/73; Publ. 09/20/74. This design is selected as a prototype.

В этой конструкции электроды коллектора содержат неосесимметричные элементы в виде наклоненных к оси входных и выходных отверстий ступеней. Наличие неосесимметричных элементов приводит к неравномерному в азимутальном направлении оседанию электронов на электроды коллектора и, соответственно, неравномерному распределению в том же направлении тепловой нагрузки. Изоляторы электродов выполнены в виде набора керамических стержней одинаковой длины, представляющих в совокупности аналог керамической втулки с торцами, перпендикулярными оси коллектора, т.е. тело вращения.In this design, the collector electrodes contain non-axisymmetric elements in the form of steps inclined to the axis of the inlet and outlet openings. The presence of non-axisymmetric elements leads to uneven deposition of electrons on the collector electrodes in the azimuthal direction and, accordingly, to an uneven distribution in the same direction of the heat load. Electrode insulators are made in the form of a set of ceramic rods of the same length, which together represent an analogue of a ceramic sleeve with ends perpendicular to the axis of the collector, i.e. body rotation.

Недостатком такой конструкции является сочетание несимметричных электродов и осесимметричных изоляторов. В малогабаритных коллекторах из-за малых поперечных и продольных размеров элементов конструкции для обеспечения требуемых пробойных зазоров между элементами коллектора с различными потенциалами изоляторы ступеней не могут выступать в продольном направлении за пределы электродов. Осесимметричные изоляторы из-за указанных ограничений имеют малые продольные размеры, что приводит к значительному повышению температуры электродов в местах повышенного токооседания и, как следствие, ограничению предельной мощности прибора, снижению его надежности и долговечности.The disadvantage of this design is the combination of asymmetric electrodes and axisymmetric insulators. In small-sized collectors, due to the small transverse and longitudinal sizes of structural elements, to ensure the required breakdown gaps between collector elements with different potentials, step insulators cannot protrude longitudinally beyond the electrodes. Due to these limitations, axisymmetric insulators have small longitudinal dimensions, which leads to a significant increase in the temperature of the electrodes in places of high current subsidence and, as a result, a limitation of the ultimate power of the device and a decrease in its reliability and durability.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение предельной мощности прибора, повышение его надежности и долговечности за счет улучшения теплорассеивающей способности коллектора и уменьшения его температуры.The problem to which the invention is directed is to increase the ultimate power of the device, increase its reliability and durability by improving the heat dissipation ability of the collector and reducing its temperature.

Поставленная задача решается следующим образом: в коллекторе, содержащем не менее двух закрепленных в корпусе с помощью керамических изоляторов электродов, последовательно расположенных на пути электронного пучка и имеющих полости с отверстиями для пролета электронов, причем плоскость по крайней мере одного выходного отверстия наклонена к оси пучка, хотя бы один изолятор, крепящий электрод с выходным наклоненным отверстием, выполнен в виде втулки, имеющей обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец.The problem is solved as follows: in a collector containing at least two electrodes fixed in a housing with ceramic insulators, sequentially located on the path of the electron beam and having cavities with holes for the passage of electrons, the plane of at least one outlet opening inclined to the axis of the beam, at least one insulator fastening the electrode with the output inclined hole is made in the form of a sleeve having an inclined t facing the specified hole and coinciding with it in orientation rec.

Другим вариантом решения поставленной задачи является использование коллектора, содержащего не менее двух закрепленных в корпусе с помощью изолирующих стержней электродов, последовательно расположенных на пути электронов, выполненных в виде цилиндров, имеющих полости для пролета электронов с отверстиями в торцах цилиндров, причем выходной торец по крайней мере одного цилиндра наклонен к оси пучка, а изолирующие стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом, имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню. Стержни могут быть выполнены в виде единого тела или составными в продольном направлении.Another solution to the problem is to use a collector containing at least two electrodes fixed in the housing using insulating rods, sequentially located on the path of the electrons, made in the form of cylinders having cavities for the passage of electrons with holes in the ends of the cylinders, and the output end face is at least one cylinder is inclined to the axis of the beam, and the insulating rods fastening the electrode with the output inclined end face have a length in accordance with the length of the cylindrical surface of the electric trode adjacent to the rod. The rods can be made in the form of a single body or composite in the longitudinal direction.

Отличительными признаками предлагаемого коллектора являются: в первом варианте - выполнение хотя бы одного изолятора, крепящего электрод с выходным наклоненным отверстием в виде втулки, имеющей обращенный к указанному отверстию и совпадающий с ним по ориентации наклонный торец, во втором - изолирующие стержни, крепящие электрод с выходным наклонным торцом имеют длину в соответствии с длиной цилиндрической поверхности электрода, прилегающей к стержню. Благодаря наличию этих признаков улучшается теплорассеивающая способность коллектора, уменьшается его температура, что, в конечном итоге, приводит к увеличению предельной мощности прибора, повышению его надежности и долговечности.Distinctive features of the proposed collector are: in the first embodiment, the implementation of at least one insulator fastening the electrode with the output inclined hole in the form of a sleeve having an inclined end face facing the specified hole and coinciding with it in orientation, and in the second, insulating rods securing the electrode with the output inclined ends have a length in accordance with the length of the cylindrical surface of the electrode adjacent to the rod. Due to the presence of these signs, the heat dissipation ability of the collector improves, its temperature decreases, which, ultimately, leads to an increase in the ultimate power of the device, an increase in its reliability and durability.

Изготовление коллекторов предложенной конструкции может быть осуществлено известными методами на стандартном оборудовании.The manufacture of the collectors of the proposed design can be carried out by known methods on standard equipment.

На фиг.1-3 изображены варианты конструкций коллектора, реализующие предлагаемое техническое решение.Figure 1-3 shows the design options for the collector that implement the proposed technical solution.

Коллектор содержит корпус 1, электроды 2, 3 с несимметричными элементами 4 и изоляторы, которые представляют из себя керамическую втулку с наклонным торцом 5 (фиг.1), стержни в виде единого тела 6 (фиг.2) или составные стержни 7 (фиг.3).The collector contains a housing 1, electrodes 2, 3 with asymmetric elements 4 and insulators, which are a ceramic sleeve with an inclined end 5 (Fig. 1), rods in the form of a single body 6 (Fig. 2) or composite rods 7 (Fig. 3).

Вторая ступень двухступенчатого коллектора, как правило, имеет большие размеры, менее теплонагружена и в меньшей степени, по сравнению с первой ступенью, ограничивает предельную мощность прибора. Поэтому в коллекторах на фиг.1-3 вторая ступень может иметь осесимметричное или наклоненное к оси входное отверстие и осесимметричный или неосесимметричный изолятор в виде керамической втулки или набора стержней.The second stage of the two-stage collector, as a rule, is large, less heat loaded and, to a lesser extent, compared with the first stage, limits the ultimate power of the device. Therefore, in the collectors of FIGS. 1-3, the second stage may have an axisymmetric or inclined inlet axis and an axisymmetric or axisymmetric insulator in the form of a ceramic sleeve or a set of rods.

На фиг.4 показана конфигурация двухступенчатого неосесимметричного коллектора и рассчитанные по компьютерной программе (Журавлева В.Д., Роговин В.И., Семенов С.О. Программа анализа коллекторных систем с нарушениями осевой симметрии. Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1983, Вып.12, с.59) траектории электронов. В первой ступени коллектора основное оседание и соответственно тепловая нагрузка сосредоточены в ее нижней части. Распределение тепловой нагрузки по поверхности первой ступени в азимутальном направлении показано на фиг.5. Нулевое значение угла φ соответствует положительному направлению оси Х (фиг.6). На фиг.7 приведены рассчитанные по программе (см. Универсальная программа решения двумерной стационарной задачи теплопроводности для узлов электронных приборов./ И.М.Блейвас, А.И.Жбанов, В.С.Кошелев, В.Н.Шевцов // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. - 1980 - Вып.12. - С.61.) распределения температуры по внутренней поверхности первой ступени в зависимости от угла φ при одной и той же системе охлаждения в случае применения осесимметричного (I), как в прототипе, и неосесимметричного (II), как в предлагаемом изобретении, изоляторов, которые показывают, что применение неосесимметричных изоляторов в сочетании с неосесимметричными электродами коллектора позволяет существенно уменьшить температуру электродов за счет улучшения теплорассеивающей способности коллектора и, следовательно, повысить предельную мощность прибора, его надежность и долговечность.Figure 4 shows the configuration of a two-stage non-axisymmetric collector and calculated by a computer program (Zhuravleva V.D., Rogovin V.I., Semenov S.O. Analysis program of collector systems with axial symmetry violations. Electronic equipment, Ser. 1, Microwave electronics , 1983, Issue 12, p. 59) electron trajectories. In the first stage of the collector, the main subsidence and, accordingly, the thermal load are concentrated in its lower part. The distribution of thermal load on the surface of the first stage in the azimuthal direction is shown in Fig.5. The zero value of the angle φ corresponds to the positive direction of the X axis (Fig.6). Figure 7 shows the calculated according to the program (see. The universal program for solving the two-dimensional stationary heat conduction problem for nodes of electronic devices. / I.M.Bleivas, A.I.Zhbanov, V.S. Koshelev, V.N. Shevtsov // Electronic technique Ser.1, Microwave Electronics. - 1980 - Issue 12. - P.61.) the temperature distribution on the inner surface of the first stage depending on the angle φ for the same cooling system in the case of axisymmetric (I), as in the prototype, and non-axisymmetric (II), as in the present invention, insulators, which show t, that the use of non-axisymmetric insulators in combination with non-axisymmetric collector electrodes can significantly reduce the temperature of the electrodes by improving the heat dissipation ability of the collector and, therefore, increasing the ultimate power of the device, its reliability and durability.

При использовании изоляторов в виде наборов стержней положительный эффект от применения стержней различной длины в соответствии с длиной внешней цилиндрической поверхности электродов также сохранится, хотя его количественная величина изменится из-за отличий в теплопроводности набора стержней от теплопроводности керамической втулки.When using insulators in the form of sets of rods, the positive effect of the use of rods of different lengths in accordance with the length of the outer cylindrical surface of the electrodes will also be preserved, although its quantitative value will change due to differences in the thermal conductivity of the set of rods from the thermal conductivity of the ceramic sleeve.

В рассмотренных примерах конструкции двухступенчатого коллектора показана возможность улучшения теплорассеивающей способности наиболее теплонагруженной - первой - ступени. Аналогичные рассуждения и примеры расчетов могут быть проведены и показан положительный эффект от предлагаемого технического решения в случае применения несимметричной второй, третьей и т.д. ступеней многоступенчатого коллектора.In the considered examples of the design of the two-stage collector, the possibility of improving the heat dissipation ability of the most heat-loaded - first - stage is shown. Similar reasoning and calculation examples can be carried out and the positive effect of the proposed technical solution is shown in the case of applying an asymmetric second, third, etc. steps of a multistage collector.

Claims

1. The collector of an O-type microwave device, containing at least two electrodes fixed in a housing using ceramic insulators, sequentially located on the path of the electron beam and having cavities with holes for the passage of electrons, the plane of at least one exit opening inclined to the axis of the beam characterized in that at least one insulator securing the electrode with an output inclined hole is made in the form of a sleeve having an inclined end face facing the specified hole and coinciding with it in orientation.

2. The collector of an O-type microwave device, containing at least two electrodes fixed in the housing using insulating rods, sequentially located on the path of the electrons, made in the form of cylinders having cavities for the passage of electrons with holes in the ends of the cylinders, the output end face at at least one cylinder is inclined to the axis of the beam, characterized in that the insulating rods fastening the electrode with the output inclined end face have a length in accordance with the length of the cylindrical surface of the electrode adjacent to the rod.

3. The collector according to claim 2, characterized in that the insulating rods are made in the form of a single body.

4. The collector according to claim 2, characterized in that at least part of the insulating rods are made integral in the longitudinal direction.