RU2449467C1 - Super-power microwave device - Google Patents
Super-power microwave device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2449467C1 RU2449467C1 RU2011116592/07A RU2011116592A RU2449467C1 RU 2449467 C1 RU2449467 C1 RU 2449467C1 RU 2011116592/07 A RU2011116592/07 A RU 2011116592/07A RU 2011116592 A RU2011116592 A RU 2011116592A RU 2449467 C1 RU2449467 C1 RU 2449467C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- klystrons
- waveguide power
- klystron
- microwave
- microwave energy
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ устройствам для получения сверхбольших импульсных мощностей, и может быть использовано в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, ускорителях заряженных частиц и других областях техники.The invention relates to electronics, in particular to microwave devices for producing ultra-large pulsed powers, and can be used in radio resistance systems, functional damage systems, charged particle accelerators and other technical fields.
Известен сверхмощный однолучевой многорезонаторный клистрон для ускорителя, выполненный с магнитной фокусирующей системой в виде соленоида [1]. В клистроне получена максимальная на сегодняшний день выходная импульсная мощность 150 МВт при анодном напряжении 535 кВ. Для получения таких напряжений требуется использование источников питания с большими массогабаритными параметрами. Кроме того, из-за высоких напряжений необходимо применять дополнительные меры для защиты от возможных электрических пробоев как источника питания, так и клистрона, что приводит к усложнению их конструкции. При этом габариты клистрона также значительно увеличиваются, что требует увеличения габаритов соленоида и потребляемой им мощности. Поэтому применение таких клистронов в системах радиопротиводействия и в системах функционального поражения проблематично, а применение в ускорителях ограничено. В настоящее время такой клистрон используется в единственном ускорителе DEZI (Германия).Known heavy-duty single-beam multi-cavity klystron for the accelerator, made with a magnetic focusing system in the form of a solenoid [1]. The maximum output pulse power of 150 MW at the anode voltage of 535 kV was obtained in the klystron. To obtain such voltages, the use of power sources with large weight and size parameters is required. In addition, due to high voltages, it is necessary to apply additional measures to protect against possible electrical breakdowns of both the power source and the klystron, which complicates their design. At the same time, the dimensions of the klystron also increase significantly, which requires an increase in the dimensions of the solenoid and the power it consumes. Therefore, the use of such klystrons in radio countermeasures and in systems of functional damage is problematic, and their use in accelerators is limited. Currently, such a klystron is used in the only DEZI accelerator (Germany).
Известно СВЧ устройство (прототип предлагаемого изобретения), содержащее соленоид, в котором на заданном диаметре расположены несколько однолучевых многорезонаторных клистронов, оси которых параллельны оси соленоида [2]. Каждый клистрон содержит электронную пушку с плоским торцевым катодом, резонаторную систему, коллектор, ввод и вывод СВЧ энергии. Соленоид окружает резонаторные системы всех клистронов (длина соленоида равна длине резонаторной системы каждого из клистронов). С противоположных концов соленоида расположены два магнитных экрана, предназначенных для экранирования электронных пушек и коллекторов клистронов от магнитного поля соленоида. Соленоид создает однородное магнитное поле в области резонаторных систем клистронов, при этом в области электронных пушек и коллектора клистронов магнитное поле неоднородно и существенно ослаблено. Все клистроны СВЧ устройства размещены в единой вакуумной оболочке. В области резонаторных систем клистронов, вакуумная оболочка выполнена в виде установленных между магнитными экранами внутри соленоида и соосно ему двух коаксиально расположенных цилиндров, в кольцеобразном промежутке между которыми размещены резонаторные системы всех клистронов СВЧ устройства.It is known microwave device (prototype of the invention) containing a solenoid, in which on a given diameter are several single-beam multi-cavity klystrons, the axes of which are parallel to the axis of the solenoid [2]. Each klystron contains an electron gun with a flat end cathode, a resonator system, a collector, input and output of microwave energy. A solenoid surrounds the resonator systems of all klystrons (the length of the solenoid is equal to the length of the resonator system of each klystron). On the opposite ends of the solenoid are two magnetic screens designed to shield the electron guns and klystron collectors from the magnetic field of the solenoid. A solenoid creates a uniform magnetic field in the region of klystron resonator systems, while in the region of electron guns and a klystron collector, the magnetic field is inhomogeneous and substantially weakened. All klystrons of a microwave device are placed in a single vacuum shell. In the field of klystron resonator systems, the vacuum shell is made in the form of two coaxially arranged cylinders installed between the magnetic screens inside the solenoid and coaxially with it, in the ring-shaped gap between which are placed the resonator systems of all klystrons of the microwave device.
В СВЧ устройстве-прототипе торцевой катод каждого клистрона имеет плоскую форму. Для получения больших импульсных мощностей в клистроне необходимо увеличивать как его ток, так и величину анодного напряжения.In the microwave prototype device, the end cathode of each klystron has a flat shape. To obtain large pulsed powers in a klystron, it is necessary to increase both its current and the value of the anode voltage.
Увеличение тока клистрона приводит к увеличению диаметра торцевого катода. Это связано с тем, что для обеспечения высокой долговечности клистрона плотность тока с катода не должна превышать 10 А/см2. В свою очередь, увеличение диаметра катода приводит к увеличению поперечных размеров электронной пушки клистрона.An increase in the klystron current leads to an increase in the diameter of the end cathode. This is due to the fact that to ensure high durability of the klystron, the current density from the cathode should not exceed 10 A / cm 2 . In turn, an increase in the cathode diameter leads to an increase in the transverse dimensions of the klystron electron gun.
Увеличение анодного напряжения клистрона приводит к еще большему увеличению поперечных размеров его электронной пушки, так как требуется увеличить расстояние от катода до окружающих его элементов для предотвращения возможности электрических пробоев. Кроме того, при увеличении анодного напряжения Ua растут и продольные размеры клистрона в соответствии с выражением:An increase in the anode voltage of the klystron leads to an even greater increase in the transverse dimensions of its electron gun, since it is necessary to increase the distance from the cathode to its surrounding elements to prevent the possibility of electrical breakdowns. In addition, with an increase in the anode voltage U a , the longitudinal sizes of the klystron also increase in accordance with the expression:
где Uà - анодное напряжение в вольтах.where U à is the anode voltage in volts.
Таким образом, в СВЧ устройстве-прототипе для получения больших импульсных мощностей в каждом клистроне требуется существенное увеличение как поперечных, так и продольных размеров этого клистрона, что, в свою очередь, приводит к увеличению поперечных и продольных размеров соленоида, окружающего все клистроны, и СВЧ устройство становится громоздким. При этом растет вес и мощность питания соленоида.Thus, in the microwave prototype device to obtain large pulsed powers in each klystron, a significant increase in both the transverse and longitudinal sizes of this klystron is required, which, in turn, leads to an increase in the transverse and longitudinal sizes of the solenoid surrounding all klystrons and microwave the device becomes cumbersome. This increases the weight and power supply of the solenoid.
Размещение клистронов СВЧ устройства-прототипа в единой вакуумной оболочке приводит к тому, что при ее разгерметизации все клистроны теряют работоспособность, то есть СВЧ устройство прекращает функционировать.Placing the klystrons of the microwave device of the prototype in a single vacuum shell leads to the fact that when it is depressurized, all klystrons lose their functionality, that is, the microwave device ceases to function.
В СВЧ устройстве-прототипе каждый клистрон имеет свой отдельный ввод и отдельный вывод СВЧ энергии. В таком СВЧ устройстве с вывода СВЧ энергии каждого клистрона можно получать относительно невысокую мощность. Для получения большей мощности на выходе СВЧ устройства необходимо произвести суммирование мощностей с выводов СВЧ энергии всех клистронов. Однако и в этом случае полученная на выходе такого СВЧ устройства мощность будет значительно меньше суммарной мощности всех клистронов. Это обусловлено тем, что если СВЧ колебания подаются на отдельные вводы СВЧ энергии всех клистронов независимо друг от друга, то СВЧ колебания на выходе этих клистронов могут быть не сфазированы между собой. Указанные причины не позволяют использовать такое СВЧ устройство в системах радиопротиводействия и системах функционального поражения, где требуются сверхбольшие импульсные мощности. Отсутствие фазировки СВЧ колебаний затрудняет использование такого СВЧ устройства и в многосекционных ускорителях, а также в ускорителях, где требуются сверхбольшие импульсные мощности.In a microwave prototype device, each klystron has its own separate input and separate output of microwave energy. In such a microwave device, with the output of the microwave energy of each klystron, relatively low power can be obtained. To obtain more power at the output of the microwave device, it is necessary to sum the powers from the microwave power terminals of all klystrons. However, in this case, the power received at the output of such a microwave device will be significantly less than the total power of all klystrons. This is due to the fact that if microwave oscillations are fed to separate inputs of microwave energy of all klystrons independently of each other, then microwave oscillations at the output of these klystrons may not be phased with each other. These reasons do not allow the use of such a microwave device in radio resistance systems and functional damage systems where ultra-large pulsed powers are required. The lack of phasing of microwave oscillations makes it difficult to use such a microwave device in multi-section accelerators, as well as in accelerators where ultra-large pulsed powers are required.
Задачей изобретения является создание СВЧ устройства, обеспечивающего получение сверхбольших импульсных мощностей и имеющего при этом уменьшенные поперечные габариты, высокую электрическую прочность и высокую надежность при эксплуатации.The objective of the invention is the creation of a microwave device that provides ultra-large pulsed power and having at the same time reduced transverse dimensions, high dielectric strength and high reliability during operation.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение выходной мощности СВЧ устройства при относительно низких анодных напряжениях входящих в него клистронов.The technical result of the invention is to increase the output power of the microwave device at relatively low anode voltages of its klystrons.
Предлагается СВЧ устройство, содержащее соленоид и расположенные в нем на заданном диаметре несколько клистронов, оси которых параллельны оси соленоида, каждый клистрон содержит электронную пушку, резонаторную систему, коллектор, ввод и вывод СВЧ энергии, при этом соленоид окружает резонаторные системы всех клистронов, каждый клистрон заключен в отдельную вакуумную оболочку и содержит один или несколько катодов, эмитирующая поверхность каждого из которых имеет форму боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида, при этом соленоид окружает также эмитирующие поверхности катодов клистронов и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторных систем и эмитирующих поверхностей катодов клистронов, при этом вводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены коаксиальными и подсоединены к первому концу общей коаксиальной линии, расположенной на оси соленоида, причем второй конец общей коаксиальной линии образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства, а выводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены волноводными.A microwave device is proposed that contains a solenoid and several klystrons located on it on a given diameter, the axes of which are parallel to the axis of the solenoid, each klystron contains an electron gun, a resonator system, a collector, microwave energy input and output, and a solenoid surrounds the resonator systems of all klystrons, each klystron enclosed in a separate vacuum shell and contains one or more cathodes, the emitting surface of each of which has the shape of a lateral surface of a truncated cone, the axis of which is parallel to the axis a solenoid, while the solenoid also surrounds the emitting surfaces of the klystron cathodes and creates a single longitudinal uniform magnetic field in the region of the resonator systems and the emitting surfaces of the klystrons, while the microwave energy inputs of all klystrons are made coaxial and connected to the first end of the common coaxial line located on the axis of the solenoid moreover, the second end of the common coaxial line forms a single input of microwave energy of the microwave device, and the conclusions of the microwave energy of all klystrons are made by waveguides.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит один или несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а выходные плечи первых волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.The proposed microwave device contains one or more first waveguide power combiners, the input arms of which are connected to the corresponding terminals of the microwave energy of klystrons, the total number of input arms of the first waveguide power combiners is equal to the number of klystrons, and the output shoulders of the first waveguide power combiners form the conclusions of microwave energy of the microwave device.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а также содержит один или несколько вторых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам первых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности, при этом выходные плечи вторых волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.The proposed microwave device contains several first waveguide power combiners, the input arms of which are connected to the respective terminals of the microwave energy of klystrons, the total number of input arms of the first waveguide power combiners is equal to the number of klystrons, and also contains one or more second waveguide power combiners, the input arms of which are connected to corresponding output arms of the first waveguide power combiners, and the total number of input arms of the second waveguide power combiners is equal to output arms of the first waveguide power combiners, while the output arms of the second waveguide power combiners form the conclusions of the microwave energy of the microwave device.
Предлагаемое СВЧ устройство содержит несколько первых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выводам СВЧ энергии клистронов, причем общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов, а также содержит несколько вторых волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам первых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности, и дополнительно содержит один или несколько третьих волноводных сумматоров мощности, входные плечи которых подсоединены к соответствующим выходным плечам вторых волноводных сумматоров мощности, причем общее число входных плеч третьих волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч вторых волноводных сумматоров мощности, при этом выходные плечи третьих волноводных сумматоров мощности образуют выводы СВЧ энергии СВЧ устройства.The proposed microwave device contains several first waveguide power adders, the input arms of which are connected to the corresponding terminals of the microwave energy of klystrons, the total number of input arms of the first waveguide power adders is the number of klystrons, and also contains several second waveguide power adders, the input arms of which are connected to the corresponding output shoulders of the first waveguide power combiners, and the total number of input arms of the second waveguide power combiners is equal to the number of output shoulders of the first waveguide power adders, and further comprises one or more third waveguide power adders, the input arms of which are connected to the corresponding output arms of the second waveguide power adders, the total number of input arms of the third waveguide power adders is equal to the number of output arms of the second waveguide power adders, the output shoulders of the third waveguide power adders form the conclusions of the microwave energy of the microwave device.
В предлагаемом СВЧ устройстве между первым концом общей коаксиальной линии и вводом СВЧ энергии каждого клистрона установлен фазовращатель.In the proposed microwave device, a phase shifter is installed between the first end of the common coaxial line and the input of microwave energy of each klystron.
В предлагаемом изобретении каждый из клистронов заключен в отдельную вакуумную оболочку. При выходе из строя одного или нескольких клистронов СВЧ устройство может продолжать функционировать.In the present invention, each of the klystrons is enclosed in a separate vacuum shell. In the event of failure of one or more klystrons, the microwave device may continue to function.
В предлагаемом изобретении эмитирующая поверхность каждого катода клистрона имеет форму боковой поверхности усеченного конуса. В этом случае катод имеет протяженную эмитирующую поверхность в продольном направлении клистрона при сравнительно небольшом наружном диаметре как катода, так и электронной пушки.In the present invention, the emitting surface of each klystron cathode has the shape of a side surface of a truncated cone. In this case, the cathode has an extended emitting surface in the longitudinal direction of the klystron with a relatively small outer diameter of both the cathode and the electron gun.
Такая электронная пушка обеспечивает в клистроне высокопервеансный полый электронный пучок. Если в клистронах со сплошным электронным пучком первеанс составляет (1,5-2)·10-6 А/В3/2, то в клистронах с полым электронным пучком величина первеанса может быть увеличена до величины 3·10-6А/В3/2 и более. Увеличение первеанса позволяет при заданном анодном напряжении увеличить выходную мощность клистрона примерно в 1,5 раза или существенно снизить величину анодного напряжения при заданной выходной мощности.Such an electron gun provides a high-performance hollow electron beam in a klystron. If in klystrons with a continuous electron beam the perveance is (1.5-2) · 10 -6 A / B 3/2 , then in klystrons with a hollow electron beam the perveance can be increased to 3 · 10 -6 A / B 3 / 2 and more. Increasing the perveance allows for a given anode voltage to increase the output power of the klystron by about 1.5 times or to significantly reduce the value of the anode voltage for a given output power.
Клистрон с полым электронным пучком позволяет:A hollow electron beam klystron allows you to:
- расширить полосу пропускания клистрона;- expand the bandwidth of the klystron;
- повысить КПД клистрона;- increase the efficiency of the klystron;
- снизить анодное напряжение и, следовательно, повысить электрическую прочность клистрона;- reduce the anode voltage and, therefore, increase the electric strength of the klystron;
- уменьшить габариты клистрона.- reduce the size of the klystron.
Для функционирования такой электронной пушки с полым электронным пучком требуется в области эмитирующей поверхности катода иметь продольное однородное магнитное поле, напряженность которого равна напряженности продольного однородного магнитного поля в области резонаторной системы клистрона. Для выполнения этого требования в предлагаемом изобретении соленоид окружает как резонаторные системы, так и эмитирующие поверхности катодов всех клистронов и создает единое продольное однородное магнитное поле в области резонаторных систем и эмитирующих поверхностей катодов клистронов. Соленоид с таким продольным однородным магнитным полем может быть реализован, например, на основе известной конструкции [3]. При этом из-за минимальных поперечных размеров электронных пушек клистронов в предлагаемом СВЧ устройстве можно установить в одном соленоиде несколько клистронов при приемлемых габаритах соленоида.For the operation of such an electron gun with a hollow electron beam, it is required in the region of the emitting cathode surface to have a longitudinal uniform magnetic field, the intensity of which is equal to the longitudinal uniform magnetic field in the region of the klystron resonator system. To fulfill this requirement, in the present invention, the solenoid surrounds both the resonator systems and the emitting surfaces of the cathodes of all klystrons and creates a single longitudinal uniform magnetic field in the region of the resonator systems and the emitting surfaces of the klystron cathodes. A solenoid with such a longitudinal uniform magnetic field can be implemented, for example, on the basis of a known design [3]. Moreover, due to the minimal transverse dimensions of the electron guns of klystrons in the proposed microwave device, it is possible to install several klystrons in one solenoid with acceptable dimensions of the solenoid.
В предлагаемом изобретении вводы СВЧ энергии всех клистронов выполнены коаксиальными и подсоединены, например, вблизи коллектора к первому концу общей коаксиальной линии, расположенной на оси соленоида, при этом второй конец общей коаксиальной линии образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства. При настройке клистронов на одинаковую полосу частот и сохранении симметричности конструкции СВЧ устройства обеспечивается сфазированность СВЧ колебаний на выходе клистронов. Это позволяет использовать такое СВЧ устройство в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, а также для СВЧ питания многосекционных ускорителей. При несоблюдении симметричности конструкции и отклонении параметров у отдельных клистронов фазировка СВЧ колебаний может нарушиться. В этом случае для восстановления фазировки в СВЧ устройстве между первым концом общей коаксиальной линии и вводом СВЧ энергии каждого клистрона устанавливают фазовращатель.In the present invention, the microwave energy inputs of all klystrons are coaxial and connected, for example, near the collector to the first end of the common coaxial line located on the axis of the solenoid, while the second end of the common coaxial line forms a single input of microwave energy of the microwave device. When tuning the klystrons to the same frequency band and maintaining the symmetry of the design of the microwave device, the phasing of the microwave oscillations at the output of the klystrons is ensured. This allows the use of such a microwave device in radio resistance systems, functional damage systems, as well as for microwave power supply of multi-section accelerators. If the symmetry of the structure is not observed and the parameters deviate for individual klystrons, the phasing of microwave oscillations can be violated. In this case, to restore phasing in the microwave device, a phase shifter is installed between the first end of the common coaxial line and the input of microwave energy of each klystron.
Сфазированные колебания позволяют получить на выходе СВЧ устройства сверхбольшие СВЧ мощности при относительно низких анодных напряжениях за счет суммирования мощностей клистронов СВЧ устройства.Phased oscillations make it possible to obtain ultra-large microwave power at the output of a microwave device at relatively low anode voltages by summing the powers of the klystrons of a microwave device.
Таким образом, получение в предлагаемом СВЧ устройстве сверхбольшой мощности при относительно низких анодных напряжениях входящих в него клистронов достигается за счет выполнения следующих условий:Thus, obtaining in the proposed microwave device ultra-high power at relatively low anode voltages of its klystrons is achieved by fulfilling the following conditions:
- выполнение клистронов с катодами с эмитирующей поверхностью в виде боковой поверхности усеченного конуса, что позволяет получить высокопервеансный полый электронный пучок,- the implementation of klystrons with cathodes with an emitting surface in the form of a lateral surface of a truncated cone, which allows to obtain a high-performance hollow electron beam,
- расположение нескольких клистронов с такими катодами в едином соленоиде и обеспечение при этом фазировки СВЧ колебаний на выходе клистронов, позволяющей осуществить эффективное суммирование мощностей этих клистронов.- the location of several klystrons with such cathodes in a single solenoid and ensuring the phasing of microwave oscillations at the output of the klystrons, which allows efficient summation of the powers of these klystrons.
Использование в предлагаемом СВЧ устройстве многолучевых клистронов позволяет еще больше увеличить мощность СВЧ устройства или понизить анодные напряжения.The use of the multipath klystrons in the proposed microwave device can further increase the power of the microwave device or reduce the anode voltage.
В качестве примера рассмотрим предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе четырех шестилучевых клистронов, размещенных в соленоиде с однородным магнитным полем. В таком СВЧ устройстве каждый из клистронов при анодном напряжении 120 кВ, КПД ≈50% и первеансе луча ≈3·10-6 А/В3/2 обеспечивает выходную импульсную мощность ≈44 МВт. Размещенные в соленоиде СВЧ устройства четыре указанных клистрона обеспечивают суммарную выходную импульсную мощность (с учетом потерь при суммировании) примерно 150 МВт. В то же время, как указывалась ранее, в самом мощном известном однолучевом клистроне со сплошным электронным пучком [1] получена импульсная мощность 150 МВт при анодном напряжении 535 кВ. Таким образом, предлагаемая конструкция СВЧ устройства позволяет получить сверхбольшие импульсные мощности 150 МВт при анодном напряжении 120 кВ, то есть при анодном напряжении, которое более чем в 4 раза меньше анодного напряжения указанного известного однолучевого клистрона.As an example, we consider the proposed microwave device based on four six-beam klystrons placed in a solenoid with a uniform magnetic field. In such a microwave device, each of the klystrons with an anode voltage of 120 kV, an efficiency of ≈50% and a beam perveance of ≈3 · 10 -6 A / V 3/2 provides an output pulse power of ≈44 MW. The four indicated klystrons located in the solenoid of the microwave device provide a total output pulse power (taking into account losses during the summation) of approximately 150 MW. At the same time, as indicated earlier, a pulsed power of 150 MW at an anode voltage of 535 kV was obtained in the most powerful single-beam klystron with a continuous electron beam [1]. Thus, the proposed design of the microwave device allows to obtain ultra-large pulsed power of 150 MW at an anode voltage of 120 kV, that is, at an anode voltage that is more than 4 times less than the anode voltage of the specified known single-beam klystron.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе двух однолучевых клистронов.Figure 1 shows the proposed microwave device, made on the basis of two single-beam klystrons.
На фиг.2 показан многолучевой клистрон для предлагаемого СВЧ устройства.Figure 2 shows a multi-beam klystron for the proposed microwave device.
На фиг.3 показано предлагаемое СВЧ устройство с первыми волноводными сумматорами мощности, выполненное на основе четырех клистронов.Figure 3 shows the proposed microwave device with the first waveguide power combiners, made on the basis of four klystrons.
На фиг.4 показано предлагаемое СВЧ устройство с первыми и вторым волноводными сумматорами мощности, выполненное на основе четырех клистронов.Figure 4 shows the proposed microwave device with the first and second waveguide power combiners, made on the basis of four klystrons.
На фиг.5, фиг.6 и фиг.7 показаны возможные варианты подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии клистронов к общей коаксиальной линии СВЧ устройства через фазовращатели.In Fig.5, Fig.6 and Fig.7 shows possible options for connecting coaxial inputs of microwave energy klystrons to a common coaxial line of a microwave device through phase shifters.
Показанное на фиг.1 предлагаемое СВЧ устройство содержит соленоид 1, в котором расположены на заданном диаметре два однолучевых клистрона 2, оси которых параллельны оси соленоида 1. Каждый клистрон 2 содержит размещенные в его вакуумной оболочке электронную пушку 3 магнетронного типа, резонаторную систему 4, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. При этом суммирование мощностей клистронов может осуществляться либо в пространстве, либо в каналах системы волноводных сумматоров мощности СВЧ устройства.The proposed microwave device shown in FIG. 1 contains a
Электронная пушка 3 каждого клистрона 2 содержит катод 8 с эмитирующей поверхностью 9, выполненной в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси соленоида 1. Катод 8 окружен полым анодом 10. Коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 клистронов 2 подсоединены к первому концу 11 расположенной на оси соленоида 1 общей коаксиальной линии 12, второй конец 13 которой образует единый ввод СВЧ энергии СВЧ устройства. В данной конструкции для удобства сборки СВЧ устройства коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 клистронов 2 непосредственно подсоединены к первому концу 11 общей коаксиальной линии 12 вблизи коллекторов 5 клистронов 2, но возможны и другие варианты их подсоединения, например вблизи входных резонаторов резонаторных систем 4 клистронов 2.The
Соленоид 1, может быть реализован, например, на основе известной конструкции [3], предназначенной для создания продольного однородного магнитного поля на большой протяженности. В этом случае соленоид 1 выполнен в виде системы катушек, состоящей из основной катушки 14 и расположенных с ее противоположных торцов дополнительных компенсирующих катушек 15. Соленоид 1 окружает резонаторные системы 4 и эмитирующие поверхности 9 катодов 8 всех клистронов 2 и создает в области этих элементов единое продольное однородное магнитное поле. В показанном на фиг.1 варианте выполнения конструкции предлагаемого СВЧ устройства соленоид 1 окружает также коллекторы 5 клистронов 2.The
Волноводные выводы СВЧ энергии 7 позволяют выводить из каждого клистрона большую СВЧ мощность, при этом на выходе СВЧ устройства возможно получение сверхбольших мощностей.The waveguide leads of
Предлагаемое СВЧ устройство, приведенное на фиг.1, может быть реализовано и на основе расположенных в соленоиде 1 двух многолучевых клистронов. Конструкция одного из возможных вариантов выполнения такого многолучевого клистрона показана на фиг.2. Многолучевой клистрон содержит размещенные в его вакуумной оболочке электронную пушку 3, резонаторную систему 4 на основе кольцевых резонаторов, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. Электронная пушка 3 каждого многолучевого клистрона 2 содержит несколько, например шесть, катодов 8 с эмитирующей поверхностью 9, выполненной в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого параллельна оси этого клистрона.The proposed microwave device, shown in figure 1, can also be implemented on the basis of two multipath klystrons located in the
На фиг.3 показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе расположенных в соленоиде 1 четырех однолучевых или многолучевых клистронов, каждый из которых содержит электронную пушку 3, резонаторную систему 4, коллектор 5, коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 и волноводный вывод СВЧ энергии 7. Коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 всех клистронов подсоединены к общей коаксиальной линии 12, расположенной на оси соленоида 1. Волноводные выводы СВЧ энергии 7 двух клистронов подсоединены через фланцы 16 к двум входным плечам 17 одного из первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18, волноводные выводы СВЧ энергии 7 двух других клистронов подсоединены через фланцы 16 к двум входным плечам 17 другого первого двухканального волноводного сумматора мощности 18 (общее число входных плеч первых волноводных сумматоров мощности равно числу клистронов). Выходные плечи 19 первых волноводных сумматоров мощности 18 образуют два вывода СВЧ энергии СВЧ устройства. Наличие волноводных сумматоров мощности позволяет осуществить суммирование мощностей всех клистронов для получения на выходе СВЧ устройства сверхбольших мощностей. При выполнении СВЧ устройства с небольшим числом клистронов возможно использование одного ряда сумматоров мощности (первых волноводных сумматоров мощности 18). При выполнении СВЧ устройства на четырех или на большем числе клистронов в СВЧ устройство могут быть введены дополнительные ряды сумматоров мощности (например, вторые и третьи волноводные сумматоры мощности).Figure 3 shows the proposed microwave device made on the basis of four single-beam or multi-beam klystrons located in the
На фиг.4 также показано предлагаемое СВЧ устройство, выполненное на основе расположенных в соленоиде 1 четырех однолучевых или многолучевых клистронов. Так же как в конструкции, показанной на фиг.3, волноводные выводы СВЧ энергии 7 клистронов подсоединены к входным плечам 17 первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18, при этом выходное плечо 19 каждого из первых двухканальных волноводных сумматоров мощности 18 через фланец 20 подсоединено к одному из входных плеч 21 второго двухканального волноводного сумматора мощности 22 (общее число входных плеч вторых волноводных сумматоров мощности равно числу выходных плеч первых волноводных сумматоров мощности). Выходное плечо 23 второго двухканального волноводного сумматора мощности 22 образует вывод СВЧ энергии СВЧ устройства. При этом коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух клистронов подсоединены через первый дополнительный отрезок коаксиальной линии 24 к общей коаксиальной линии 12, а коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух других клистронов подсоединены через второй дополнительный отрезок коаксиальной линии 25 к общей коаксиальной линии 12.Figure 4 also shows the proposed microwave device, made on the basis of four single-beam or multi-beam klystrons located in the
При большом числе клистронов в конструкцию СВЧ устройства могут быть введены также третьи волноводные сумматоры мощности (не показаны на чертежах).With a large number of klystrons, third waveguide power combiners (not shown in the drawings) can also be introduced into the design of the microwave device.
На фиг.5 и фиг.6 показаны два возможных варианта подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии 6 четырех клистронов к общей коаксиальной линии 12 СВЧ устройства. Согласно этим вариантам коаксиальный ввод СВЧ энергии 6 каждого клистрона подключен через отдельный фазовращатель 26 к общей коаксиальной линии 12.Figure 5 and figure 6 shows two possible options for connecting coaxial inputs of
На фиг.7 показан еще один из возможных вариантов подключения коаксиальных вводов СВЧ энергии 6 четырех клистронов к общей коаксиальной линии 12 СВЧ устройства, согласно которому коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух клистронов подсоединены через отдельные фазовращатели 26 к первому дополнительному отрезку коаксиальной линии 24, соединенному с общей коаксиальной линией 12, а коаксиальные вводы СВЧ энергии 6 двух других клистронов подсоединены через отдельные фазовращатели 26 ко второму дополнительному отрезку коаксиальной линии 25, также соединенному с общей коаксиальной линией 12.7 shows another possible connection of coaxial inputs of
Во всех описанных вариантах фазовращатели позволяют получить на выходе клистронов сфазированные колебания и тем самым обеспечить эффективное суммирование мощностей клистронов (даже при несоблюдении симметричности конструкции и при незначительном отклонении параметров у отдельных клистронов).In all the described variants, the phase shifters make it possible to obtain phased oscillations at the output of the klystrons and thereby ensure efficient summation of the klystron powers (even if the symmetry of the structure is not observed and with a slight deviation of the parameters of individual klystrons).
Показанное на фиг.1 СВЧ устройство работает следующим образом.Shown in figure 1, the microwave device operates as follows.
При приложении к каждому клистрону 2 заданного анодного напряжения под воздействием создаваемого соленоидом 1 продольного однородного магнитного поля на выходе катода 8 формируется полый электронный пучок, который движется вдоль резонаторной системы 4 клистрона 2 к коллектору 5. При прохождении высокочастотного зазора входного резонатора, электронный пучок подвергается воздействию СВЧ электрического поля, в результате чего происходит модуляция электронов по скорости и образуются электронные сгустки, которые затем еще более уплотняются под воздействием СВЧ электрических полей следующих резонаторов. При поступлении в выходной резонатор клистрона 2, электронные сгустки отдают часть энергии СВЧ электрическому полю выходного резонатора и оседают в коллекторе 5. Усиленная таким образом СВЧ мощность из выходного резонатора попадает в выходной волновод вывода СВЧ энергии 7 этого клистрона. Далее суммирование мощностей клистронов 2 осуществляется либо в пространстве, либо СВЧ мощность из выводов СВЧ энергии 7 клистронов 2 поступает во входные плечи волноводных сумматоры мощности (фиг.3 и фиг.4), с помощью которых осуществляется суммирование мощности клистронов СВЧ устройства.When a given anode voltage is applied to each
Источники информацииInformation sources
1. D.Sprehn, G.Caryotakis, and R.M.Phillips. 150-MW S-Band Klystron Program at the Stanford Linear Accelerator Center. Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Stanford, CA 94309, SLAS Pub 7232, July 1996.1. D. Sprehn, G. Carotakis, and R. M. Phillips. 150-MW S-Band Klystron Program at the Stanford Linear Accelerator Center. Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Stanford, CA 94309, SLAS Pub 7232, July 1996.
2. Патент Франции №1324415. Усовершенствование фокусирующего устройства, направленное на обеспечение одновременной фокусировки нескольких пучков электронов, МПК H01J 23/087, 23/02, пр. 09.03.1962 г., опубл. 19.04.1963 г.2. French patent No. 1324415. Improving the focusing device, aimed at ensuring the simultaneous focusing of several electron beams,
3. Авторское свидетельство СССР №302048. Зусмановский С.А., Симонов К.Г. Устройство для фокусировки электронных потоков, МПК H01J 23/10, пр. 31.12.1969 г., опубл. 01.10.1971 г.3. USSR copyright certificate No. 302048. Zusmanovsky S.A., Simonov K.G. Device for focusing electron flows,
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116592/07A RU2449467C1 (en) | 2011-04-26 | 2011-04-26 | Super-power microwave device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116592/07A RU2449467C1 (en) | 2011-04-26 | 2011-04-26 | Super-power microwave device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2449467C1 true RU2449467C1 (en) | 2012-04-27 |
Family
ID=46297693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011116592/07A RU2449467C1 (en) | 2011-04-26 | 2011-04-26 | Super-power microwave device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2449467C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554106C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. А.И. Шокина") | Klystron-type superpower multibeam uhf instrument |
| RU2562798C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-09-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Klystron-type superpower uhf instrument |
| RU218274U1 (en) * | 2022-02-14 | 2023-05-18 | Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" (Частное Учреждение "Наука И Инновации") | Klystron magnetron electron gun |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2073283C1 (en) * | 1993-07-22 | 1997-02-10 | Саратовский государственный технический университет | Electron-beam microwave instrument |
| US6777877B1 (en) * | 2000-08-28 | 2004-08-17 | Communication & Power Industries, Inc. | Gun-only magnet used for a multi-stage depressed collector klystron |
| JP2008147027A (en) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Toshiba Corp | Multi-beam klystron |
| WO2009123593A1 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Patrick Ferguson | Hollow beam electron gun for use in a klystron |
| RU2393577C1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-06-27 | Александр Николаевич Королев | Microwave klystron-type device |
| RU2404477C1 (en) * | 2009-11-18 | 2010-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Klystron |
-
2011
- 2011-04-26 RU RU2011116592/07A patent/RU2449467C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2073283C1 (en) * | 1993-07-22 | 1997-02-10 | Саратовский государственный технический университет | Electron-beam microwave instrument |
| US6777877B1 (en) * | 2000-08-28 | 2004-08-17 | Communication & Power Industries, Inc. | Gun-only magnet used for a multi-stage depressed collector klystron |
| JP2008147027A (en) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Toshiba Corp | Multi-beam klystron |
| WO2009123593A1 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Patrick Ferguson | Hollow beam electron gun for use in a klystron |
| RU2393577C1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-06-27 | Александр Николаевич Королев | Microwave klystron-type device |
| RU2404477C1 (en) * | 2009-11-18 | 2010-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Klystron |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554106C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. А.И. Шокина") | Klystron-type superpower multibeam uhf instrument |
| RU2562798C1 (en) * | 2014-05-30 | 2015-09-10 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Klystron-type superpower uhf instrument |
| RU218274U1 (en) * | 2022-02-14 | 2023-05-18 | Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" (Частное Учреждение "Наука И Инновации") | Klystron magnetron electron gun |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6768265B1 (en) | Electron gun for multiple beam klystron using magnetic focusing | |
| Korolyov et al. | Multiple-beam klystron amplifiers: Performance parameters and development trends | |
| US8258725B2 (en) | Hollow beam electron gun for use in a klystron | |
| US8547006B1 (en) | Electron gun for a multiple beam klystron with magnetic compression of the electron beams | |
| US9196449B1 (en) | Floating grid electron source | |
| US20120187833A1 (en) | Device for generating hyperfrequency waves having a cathode whereof each end is connected to a voltage source | |
| Chao et al. | Modeling and design of a high-efficiency multibeam klystron | |
| RU2449467C1 (en) | Super-power microwave device | |
| CN110797243B (en) | Nested type electronic optical system for coaxially emitting asynchronous electron beams | |
| Read et al. | Design of a 10 MW, $ L $-Band, Annular Beam Klystron | |
| Pasour et al. | The triaxial klystron | |
| Shen et al. | Research and development of S-band high power multibeam klystron | |
| US7116051B2 (en) | Multibeam klystron | |
| RU2554106C1 (en) | Klystron-type superpower multibeam uhf instrument | |
| US20120200223A1 (en) | Hyperfrequency wave generator device comprising a plurality of magnetrons | |
| RU2562798C1 (en) | Klystron-type superpower uhf instrument | |
| RU2474914C1 (en) | Powerful microwave generator of monotron type | |
| US20210393986A1 (en) | Ion source, circular accelerator using same, and particle beam therapy system | |
| Wathen | Genesis of a generator—The early history of the magnetron | |
| RU2804521C1 (en) | Multibeam klystron | |
| RU2755826C1 (en) | Multi-barrel gyrotron | |
| Chin | Design and performance of L-band and S-band multi beam klystrons | |
| CN115036664B (en) | Cross-three-band frequency hopping high-power microwave source based on electronic beam path electric adjustment | |
| RU2507626C1 (en) | Multibeam microwave device of o-type | |
| RU2084042C1 (en) | Reflection oscillator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |