RU2451362C1 - Jar window for input and/or output of microwave energy - Google Patents
Jar window for input and/or output of microwave energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451362C1 RU2451362C1 RU2011103728/07A RU2011103728A RU2451362C1 RU 2451362 C1 RU2451362 C1 RU 2451362C1 RU 2011103728/07 A RU2011103728/07 A RU 2011103728/07A RU 2011103728 A RU2011103728 A RU 2011103728A RU 2451362 C1 RU2451362 C1 RU 2451362C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- window
- metal tube
- segment
- circular waveguide
- dielectric disk
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Waveguide Connection Structure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к баночным окнам ввода и/или вывода энергии СВЧ электровакуумных приборов и ввода энергии СВЧ в ускоряющие структуры ускорителей. В частности, оно может быть использовано при создании мощных и сверхмощных клистронов и мощных современных линейных СВЧ-ускорителей.The invention relates to electronic and accelerator technology, in particular to can windows of input and / or output of microwave energy of vacuum devices and input of microwave energy into accelerating structures of accelerators. In particular, it can be used to create powerful and super-powerful klystrons and powerful modern linear microwave accelerators.
Известно волноводное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии, выполненное в виде отрезка прямоугольного волновода, в который вакуумно-плотно впаяна диэлектрическая перегородка, установленная перпендикулярно его стенкам [1]. В волноводном окне с одной стороны диэлектрической перегородки вплотную к ней установлены два вертикальных металлических штыря, перпендикулярных широкой стенке волновода, а с другой стороны диэлектрической перегородки вплотную к ней установлен один горизонтальный металлический штырь, параллельный стенке волновода. Введение в волноводное окно горизонтального и двух вертикальных штырей позволяет обеспечить сдвиг резонансных длин волн паразитных колебаний в коротковолновую область и, следовательно, расширить рабочую полосу частот, то есть обеспечить хорошее согласование волноводного окна в более широкой полосе частот. При больших уровнях мощности металлические штыри заменяют металлическими трубками с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью. Однако волноводное окно такой конструкции имеет ограничения по величине передаваемой через него непрерывной мощности СВЧ. Это объясняется тем, что внешняя поверхность каждой металлической трубки соприкасается с плоской поверхностью диэлектрической перегородки только вдоль образующей этой трубки, то есть площадь соприкосновения (контактирования) внешней поверхности металлической трубки с диэлектрической перегородкой мала, что приводит к низкой эффективности охлаждения диэлектрической перегородки.A waveguide window for inputting and / or outputting microwave energy is known, made in the form of a segment of a rectangular waveguide into which a dielectric barrier mounted perpendicular to its walls is vacuum-tightly soldered [1]. Two vertical metal pins perpendicular to the wide wall of the waveguide are mounted close to it in the waveguide window on one side of the dielectric partition, and one horizontal metal pin parallel to the waveguide wall is installed on the other side of the dielectric partition. The introduction of a horizontal and two vertical pins into the waveguide window allows shifting the resonant wavelengths of spurious oscillations to the short-wavelength region and, therefore, expanding the working frequency band, i.e., ensuring good matching of the waveguide window in a wider frequency band. At high power levels, metal pins are replaced with metal tubes with coolant circulating in them. However, a waveguide window of this design has limitations on the amount of microwave power transmitted through it. This is because the outer surface of each metal tube is in contact with the flat surface of the dielectric partition only along the generatrix of this tube, that is, the area of contact (contacting) of the outer surface of the metal tube with the dielectric partition is small, which leads to low cooling efficiency of the dielectric partition.
Известно волноводное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии, выполненное на основе отрезка прямоугольного волновода, в котором размещены диэлектрическая пластина, расположенная в поперечном сечении волновода и вакуумно-плотно спаянная с его стенками, и согласующие индуктивные диафрагмы в виде расположенных перпендикулярно широким стенкам волновода металлических трубок, установленных в сквозных отверстиях в диэлектрической пластине [2]. Металлические трубки предназначены для подавления паразитных колебаний волноводного окна и расширения его рабочей полосы частот, то есть для улучшения его согласования. Кроме того, металлические трубки предназначены для пропускания по ним охлаждающей жидкости и охлаждения диэлектрической пластины при повышенных уровнях мощности СВЧ. В таком волноводном окне площадь соприкосновения внешней поверхности каждой металлической трубки с диэлектрической пластиной значительно больше, чем в вышеописанном волноводном окне [1], что обеспечивает более эффективное охлаждение диэлектрической пластины и возможность передачи через волноводное окно большей по величине непрерывной мощности СВЧ. Однако при изготовлении такой конструкции возникает ряд технологических трудностей, заключающихся в следующем:A waveguide window for inputting and / or outputting microwave energy is known, made on the basis of a segment of a rectangular waveguide, in which a dielectric plate is located, located in the cross section of the waveguide and vacuum-tightly soldered with its walls, and matching inductive diaphragms in the form located perpendicular to the wide walls of the waveguide metal tubes installed in through holes in the dielectric plate [2]. Metal tubes are designed to suppress spurious oscillations of the waveguide window and expand its working frequency band, that is, to improve its matching. In addition, metal tubes are designed to pass coolant through them and cool the dielectric plate at elevated microwave power levels. In such a waveguide window, the contact area of the outer surface of each metal tube with a dielectric plate is much larger than in the waveguide window described above [1], which provides more efficient cooling of the dielectric plate and the possibility of transferring a larger continuous microwave power through the waveguide. However, in the manufacture of this design, a number of technological difficulties arise, consisting in the following:
Во-первых, довольно трудно выполнить (например, механическим путем) в хрупкой диэлектрической пластине сквозные отверстия небольшого диаметра с сохранением высокого качества внутренней поверхности этих отверстий.Firstly, it is rather difficult to perform (for example, mechanically) in a brittle dielectric plate through holes of small diameter while maintaining the high quality of the inner surface of these holes.
Во-вторых, для обеспечения последующей пайки металлических трубок с диэлектрической пластиной на внутреннюю поверхность сквозных отверстий в этой пластине по всей ее толщине необходимо нанести равномерный слой металлизации, что трудно выполнить из-за малого внутреннего диаметра отверстий.Secondly, to ensure the subsequent soldering of metal tubes with a dielectric plate on the inner surface of the through holes in this plate throughout its thickness, it is necessary to apply a uniform metallization layer, which is difficult to perform due to the small inner diameter of the holes.
В-третьих, в результате вышеперечисленных причин при последующей пайке возможно получение непропаев и образование пустот между металлической трубкой и отверстием в диэлектрической пластине, что снижает площадь их соприкосновения и возможность эффективного отвода тепла от диэлектрической пластины, может вызвать нарушение вакуумной плотности волноводного окна, а также появление нежелательных паразитных резонансов и возникновение пробоев при использовании волноводного окна в СВЧ-приборе. Кроме того, в процессе пайки из-за разности термических коэффициентов расширения (ТКР) металлических трубок и диэлектрической пластины возможно механическое разрушение диэлектрической пластины, что препятствует сохранению вакуумной плотности волноводного окна и СВЧ-прибора или ускорителя, в котором оно использовано.Thirdly, as a result of the aforementioned reasons, subsequent soldering may result in non-soldering and the formation of voids between the metal tube and the hole in the dielectric plate, which reduces the area of their contact and the possibility of efficient heat removal from the dielectric plate, can cause a violation of the vacuum density of the waveguide window, and the appearance of unwanted spurious resonances and the occurrence of breakdowns when using a waveguide window in a microwave device. In addition, during the soldering process, due to the difference in thermal expansion coefficients (TCR) of the metal tubes and the dielectric plate, the dielectric plate may be mechanically destroyed, which prevents the vacuum density of the waveguide window and the microwave device or accelerator in which it is used.
Известно баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее два соосно расположенных отрезка прямоугольных волноводов и размещенный между ними отрезок круглого волновода, в который вакуумно-плотно впаян диэлектрический диск [3]. Передача мощности СВЧ осуществляется на основной волне отрезка круглого волновода Н11. Баночное окно имеет существенные недостатки. Наибольший нагрев окна за счет диэлектрических потерь происходит в центральной части диэлектрического диска, где компонента электрического поля, направленная вдоль поверхности диэлектрического диска, имеет максимальную величину. Таким образом, область наибольшего нагрева диэлектрического диска удалена от места спая диска со стенкой отрезка круглого волновода, а толщина диэлектрического диска (определяемая условиями согласования) весьма мала. Все это существенно затрудняет передачу тепла от центральной части диэлектрического диска к стенкам отрезка круглого волновода, что ограничивает величину передаваемой через окно непрерывной мощности СВЧ. Кроме того, структура электрического поля волны Н11 в отрезке круглого волновода существенно снижает электрическую прочность из-за возможности возникновения пробоя по поверхности диэлектрического диска, что также ограничивает величину импульсной мощности, передаваемой через баночное окно. Незначительная величина расстояния от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода существенно снижает термостойкость баночного окна и ограничивает уровень передаваемых через него импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.Known canned window for input and / or output of microwave energy, containing two coaxially spaced segments of rectangular waveguides and a segment of a circular waveguide placed between them, into which a dielectric disk is vacuum-tightly soldered [3]. Microwave power is transmitted on the main wavelength of a segment of a circular waveguide H 11 . The can window has significant drawbacks. The greatest heating of the window due to dielectric losses occurs in the central part of the dielectric disk, where the electric field component directed along the surface of the dielectric disk has a maximum value. Thus, the region of greatest heating of the dielectric disk is removed from the junction of the disk with the wall of the circular waveguide segment, and the thickness of the dielectric disk (determined by the matching conditions) is very small. All this substantially complicates the transfer of heat from the central part of the dielectric disk to the walls of the circular waveguide segment, which limits the amount of microwave power transmitted through the window. In addition, the structure of the electric field of the H 11 wave in the segment of the circular waveguide significantly reduces the electric strength due to the possibility of breakdown on the surface of the dielectric disk, which also limits the magnitude of the pulse power transmitted through the can window. An insignificant distance from the surface of the dielectric disk to the nearest end of the circular waveguide segment significantly reduces the heat resistance of the can window and limits the level of pulsed and continuous microwave powers transmitted through it.
Известны конструкции баночного окна ввода и/или вывода энергии СВЧ, в которых в промежутке между отрезком круглого волновода (с перегородкой в виде диэлектрического диска) и цилиндрическим корпусом баночного окна, расположенным с внешней стороны отрезка круглого волновода, выполнен канал охлаждения, по которому циркулирует охлаждающая жидкость [4, 5]. Канал охлаждения окружает отрезок круглого волновода, что способствует отводу тепла от этого волновода и периферийной части диэлектрического диска, при этом отвод тепла от наиболее нагреваемой центральной части диэлектрического диска перегородки незначителен, что приводит к его перегреву и ограничивает уровень передаваемой через баночное окно непрерывной мощности СВЧ.There are known designs of a can window for inputting and / or outputting microwave energy, in which, in the gap between a segment of a circular waveguide (with a partition in the form of a dielectric disk) and a cylindrical body of a can window located on the outside of a section of a circular waveguide, a cooling channel is made through which a cooling circuit circulates liquid [4, 5]. A cooling channel surrounds a segment of a circular waveguide, which contributes to the removal of heat from this waveguide and the peripheral part of the dielectric disk, while the heat removal from the most heated central part of the dielectric disk of the partition is insignificant, which leads to its overheating and limits the level of continuous microwave power transmitted through the can window.
Наиболее близким к изобретению (прототипом изобретения) является баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно соединенный (спаянный) со стенкой отрезка круглого волновода, к которому с противоположных его торцов соосно присоединены отрезки прямоугольных волноводов, при этом размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска связаны заданными соотношениями, обеспечивающими передачу мощности СВЧ через баночное окно на волне E11 [6]. В баночном окне-прототипе толщина диэлектрического диска и длина отрезка круглого волновода в несколько раз больше, чем в известном баночном окне [3], предназначенном для передачи мощности СВЧ на основной волне отрезка круглого волновода H11, что повышает надежность спая диэлектрического диска с металлической стенкой отрезка круглого волновода и увеличивает термостойкость баночного окна. Электрическое поле в баночном окне-прототипе направлено перпендикулярно диэлектрическому диску, что снижает вероятность пробоев через толщину диэлектрического диска и обеспечивает возможность передачи через баночное окно больших величин импульсной мощности СВЧ. В центральной части диэлектрического диска поперечная составляющая напряженности электрического поля волны Е11 близка нулю, следовательно, выделение тепла в центре диэлектрического диска незначительно, особенно при небольших уровнях передаваемых средних мощностей СВЧ. Пучности электрического поля смещены к краю диэлектрического диска, ближе к спаю его с отрезком круглого волновода, что повышает эффективность теплопередачи к стенкам отрезка круглого волновода, облегчает отвод тепла и позволяет увеличить уровень передаваемых через баночное окно импульсных и непрерывных мощностей СВЧ.Closest to the invention (the prototype of the invention) is a canned window for input and / or output of microwave energy containing a segment of a circular waveguide, in the transverse plane of which there is a dielectric disk, vacuum-tightly connected (soldered) to the wall of a segment of a circular waveguide, to to which the segments of rectangular waveguides are coaxially connected from its opposite ends, while the dimensions of the segment of the circular waveguide and the dielectric disk are connected by predetermined relations, providing giving the microwave power through the window at a wavelength of tins E 11 [6]. In the prototype can window, the thickness of the dielectric disk and the length of the circular waveguide segment are several times greater than in the well-known can window [3], which is designed to transmit microwave power on the main wave of the H 11 circular waveguide segment, which increases the reliability of the junction of the dielectric disk with the metal wall segment of a circular waveguide and increases the heat resistance of the can window. The electric field in the can window of the prototype is directed perpendicular to the dielectric disk, which reduces the likelihood of breakdowns through the thickness of the dielectric disk and allows the transmission of large values of microwave pulsed power through the can window. In the central part of the dielectric disk, the transverse component of the electric field intensity of the wave E 11 is close to zero, therefore, the heat release in the center of the dielectric disk is insignificant, especially at low levels of transmitted average microwave power. The bundles of the electric field are shifted to the edge of the dielectric disk, closer to its junction with a segment of a circular waveguide, which increases the efficiency of heat transfer to the walls of a segment of a circular waveguide, facilitates heat removal, and makes it possible to increase the level of pulsed and continuous microwave powers transmitted through a can window.
Однако при передаче через баночное окно-прототип больших уровней средней мощности СВЧ выделение тепла в центре диэлектрического диска существенно увеличивается. Эффективность отвода этого тепла к краю диэлектрического диска ограничивается конструктивными возможностями баночного окна, в частности размерами диэлектрического диска и свойствами его материала, вследствие чего может произойти перегрев баночного окна, вплоть до его механического разрушения, что делает невозможным применение такой конструкции баночного окна при передаче больших уровней средней мощности СВЧ.However, when transferring large levels of average microwave power through a can-prototype window, the heat generation in the center of the dielectric disk increases significantly. The efficiency of removal of this heat to the edge of the dielectric disk is limited by the design capabilities of the can window, in particular, the dimensions of the dielectric disk and the properties of its material, as a result of which the can window can overheat, up to its mechanical destruction, which makes it impossible to use such a can window design when transmitting large levels medium power microwave.
Задачей изобретения является создание баночного окна ввода и/или вывода энергии, предназначенного для передачи через него больших уровней средней мощности СВЧ на волне Е11.The objective of the invention is to create a can window of the input and / or output of energy, designed to transmit through it large levels of average microwave power on the wave E 11 .
Техническим результатом изобретения является улучшение теплоотвода от диэлектрического диска баночного окна и повышение, вследствие этого, уровня средней мощности СВЧ, передаваемой через баночное окно.The technical result of the invention is to improve the heat sink from the dielectric disk of the can window and increase, as a result, the level of average microwave power transmitted through the can window.
Предлагается баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е11, содержащее отрезок круглого волновода, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода, а также первый и второй отрезки прямоугольных волноводов, расположенные соосно отрезку круглого волновода и присоединенные к нему с противоположных торцов, при этом баночное окно дополнительно содержит первую металлическую трубку для охлаждающей жидкости, которая размещена в первом пазе, выполненном в диэлектрическом диске вдоль его диаметра с первой стороны диэлектрического диска, первая металлическая трубка расположена вдоль первого паза и спаяна со стенками этого паза по всей его длине, а каждый из концов первой металлической трубки вакуумно-плотно спаян со стенкой отрезка круглого волновода, при этом продольная ось первой металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов.A canned window for inputting and / or outputting microwave energy for transmitting microwave power on wave E 11 is proposed, comprising a segment of a circular waveguide in the transverse plane of which there is a dielectric disk vacuum-tightly soldered to the wall of a segment of a circular waveguide, as well as the first and the second segment of rectangular waveguides located coaxially to a segment of a circular waveguide and attached to it from opposite ends, while the can window further comprises a first metal tube for cooling liquid, which is placed in the first groove made in the dielectric disk along its diameter on the first side of the dielectric disk, the first metal tube is located along the first groove and soldered with the walls of this groove along its entire length, and each of the ends of the first metal tube is vacuum-tight soldered to the wall of a segment of a circular waveguide, while the longitudinal axis of the first metal tube lies in the plane of the axial section of a segment of a circular waveguide parallel to the wide walls of segments of rectangular olnovodov.
Предлагаемое баночное окно содержит вторую металлическую трубку для охлаждающей жидкости, размещенную во втором пазе, выполненном с второй стороны диэлектрического диска симметрично первому пазу, вторая металлическая трубка спаяна со стенками второго паза по всей его длине, а каждый из концов второй металлической трубки вакуумно-плотно спаян со стенкой отрезка круглого волновода, при этом оси первой и второй металлических трубок лежат в одной плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода.The proposed can window contains a second metal tube for coolant located in a second groove made on the second side of the dielectric disk symmetrically to the first groove, the second metal tube is soldered with the walls of the second groove along its entire length, and each of the ends of the second metal tube is vacuum-tightly welded with the wall of the segment of the circular waveguide, while the axes of the first and second metal tubes lie in the same plane of the axial section of the segment of the circular waveguide.
В предлагаемом баночном окне металлическая трубка имеет круглое поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении форму полуокружности или части полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки.In the proposed can window, the metal tube has a circular cross section, and the corresponding groove in the dielectric disk has a cross section in the form of a semicircle or part of a semicircle with a radius equal to the outer radius of the metal tube placed therein.
В предлагаемом баночном окне металлическая трубка имеет прямоугольное поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении П-образную форму, причем ширина паза равна ширине размещенной в нем металлической трубки.In the proposed can window, the metal tube has a rectangular cross-section, and the corresponding groove in the dielectric disk has a U-shape in cross section, the width of the groove being equal to the width of the metal tube placed therein.
В предлагаемом изобретении в конструкцию баночного окна, предназначенного для передачи мощности СВЧ на волне Е11, дополнительно введены одна или две металлические трубки для охлаждающей жидкости, которые за счет соприкосновения их с диэлектрическим диском обеспечивают отвод тепла от него. Для повышения эффективности передачи тепла от диэлектрического диска металлической трубке каждая металлическая трубка размещена в выполненном с одной из сторон диэлектрического диска пазе (профиль паза соответствует профилю металлической трубки) и жестко скреплена со стенками паза по всей его длине с помощью пайки, что обеспечивает значительную площадь соприкосновения металлической трубки с диэлектрическим диском, их надежный контакт при использовании баночного окна и, как следствие, улучшение теплоотвода от диэлектрического диска. При этом противоположные концы металлической трубки вакуумно-плотно спаяны со стенкой круглого волновода, что обеспечивает надежное крепление металлических трубок в баночном окне и сохранение его вакуумной плотности.In the present invention, in the design of the can window intended for transmitting microwave power on the wave E 11 , one or two metal tubes for coolant are additionally introduced, which, due to their contact with the dielectric disk, provide heat removal from it. To increase the efficiency of heat transfer from the dielectric disk to the metal tube, each metal tube is placed in a groove made on one side of the dielectric disk (the groove profile corresponds to the profile of the metal tube) and is rigidly bonded to the groove walls along its entire length by means of soldering, which provides a significant contact area metal tube with a dielectric disk, their reliable contact when using a can window and, as a result, improved heat dissipation from the dielectric disk . At the same time, the opposite ends of the metal tube are vacuum-tightly soldered to the wall of the circular waveguide, which ensures reliable fastening of the metal tubes in the can window and preservation of its vacuum density.
Продольная ось металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения (в средней плоскости продольного сечения) отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов. Вследствие этого металлическая трубка расположена перпендикулярно электрическим силовым линиям отрезка круглого волновода и не вносит искажений в электрическое поле.The longitudinal axis of the metal tube lies in the plane of the axial section (in the middle plane of the longitudinal section) of the segment of the circular waveguide, parallel to the wide walls of the segments of rectangular waveguides. As a result, the metal tube is perpendicular to the electric lines of force of the circular waveguide segment and does not introduce distortions into the electric field.
Размещенная в пазе металлическая трубка соприкасается с диэлектрическим диском по всей длине паза, выполненного вдоль диаметра диэлектрического диска, что обеспечивает эффективное охлаждение всего диэлектрического диска, включая его центральную часть, и позволяет использовать такую конструкцию баночного окна для передачи через него больших уровней средней мощности СВЧ на волне E11.The metal tube located in the groove is in contact with the dielectric disk along the entire length of the groove made along the diameter of the dielectric disk, which provides effective cooling of the entire dielectric disk, including its central part, and allows using such a can window design to transfer large levels of average microwave power through it wave E 11 .
При изготовлении предлагаемого баночного окна отсутствуют многие технологические трудности, имеющие место при изготовлении, например, известного волноводного окна, в котором металлические трубки впаивают в сквозные отверстия в диэлектрической пластине [2]. В частности, выполнить в диэлектрическом диске пазы с сохранением высокого качества их поверхностей гораздо легче, чем выполнить в нем сквозные отверстия, а также нанести (перед пайкой) на открытые поверхности стенок паза равномерного слоя металлизации значительно легче, чем на внутренние стенки сквозного отверстия. В предлагаемом баночном окне при пайке металлической трубки с диэлектрическим диском непропаи и пустоты между металлической трубкой и стенками паза диэлектрического диска практически отсутствуют, в отличие от конструкции [2], в которой металлическая трубка впаивается в металлизированное сквозное отверстие диэлектрической перегородки. При этом также мала вероятность механического разрушения вакуумно-плотного спая между металлической трубкой с диэлектрическим диском и самого диэлектрического диска. В совокупности это приводит к улучшению отвода тепла от диэлектрического диска, сохранению вакуумной плотности баночного окна и снижению возможности появления нежелательных паразитных резонансов при использовании баночного окна в СВЧ-приборе.In the manufacture of the proposed can window, there are no many technological difficulties encountered in the manufacture of, for example, the well-known waveguide window, in which metal tubes are soldered into through holes in the dielectric plate [2]. In particular, it is much easier to make grooves in the dielectric disk while maintaining the high quality of their surfaces than to make through holes in it, and to apply (before soldering) to the exposed surface of the groove walls a uniform metallization layer is much easier than to apply to the internal walls of the through hole. In the proposed can window, when soldering a metal tube with a dielectric disk, there is practically no gap and void between the metal tube and the walls of the groove of the dielectric disk, unlike the design [2], in which the metal tube is soldered into a metallized through hole of the dielectric partition. Moreover, the probability of mechanical destruction of a vacuum-tight junction between a metal tube with a dielectric disk and the dielectric disk itself is also unlikely. Together, this leads to an improvement in heat removal from the dielectric disk, preservation of the vacuum density of the can window and a decrease in the possibility of unwanted spurious resonances when using the can window in a microwave device.
Таким образом, предлагаемая конструкция баночного окна обеспечивает улучшение теплоотвода от всех частей диэлектрического диска и, вследствие этого, повышение уровня средней мощности СВЧ, передаваемой через баночное окно на волне Е11. Предлагаемая конструкция баночного окна проста, надежна и технологична в изготовлении.Thus, the proposed design of the can window provides an improvement in heat removal from all parts of the dielectric disk and, as a result, an increase in the average microwave power transmitted through the can window on the E 11 wave. The proposed design of the can window is simple, reliable and technologically advanced to manufacture.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показано предлагаемое в изобретении баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е11.Figure 1 shows the proposed in the invention can window for input and / or output of microwave energy for transmitting microwave power on the wave E 11 .
На фиг.2 показана экспериментально снятая характеристика согласования баночного окна.Figure 2 shows the experimentally recorded characteristic matching can window.
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, показанное на фиг.1, содержит отрезок круглого волновода 1, в поперечной плоскости которого равноудаленно от его торцов расположен диэлектрический диск 2, вакуумно-плотно спаянный со стенкой отрезка круглого волновода 1, и отрезки прямоугольных волноводов 3, 4, присоединенные к отрезку круглого волновода 1 с противоположных его торцов. Отрезок круглого волновода 1 снабжен торцевыми крышками 5, 6, расположенными в плоскостях стыка его с отрезками прямоугольных волноводов 3, 4. Отрезки прямоугольных волноводов 3, 4 снабжены на свободных концах присоединительными фланцами 7, 8 соответственно. При этом отрезок прямоугольного волновода 3 соединен с вакуумной областью СВЧ-прибора или ускорителя, а отрезок прямоугольного волновода 4 соединен с областью, находящейся под избыточным давлением газовой среды.The can input window of the input and / or output of microwave energy, shown in figure 1, contains a segment of a
Баночное окно также содержит металлические трубки 9, 10 для охлаждающей жидкости. Продольные оси металлических трубок 9, 10 лежат в одной плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода 1. Металлические трубки 9, 10 размещены в пазах 11, 12, выполненных в диэлектрическом диске 2 вдоль его диаметра с противоположных сторон этого диска. Каждая металлическая трубка (9 или 10) расположена вдоль соответствующего паза (11 или 12) и спаяна с предварительно металлизированными стенками этого паза по всей его длине. В показанном на фиг.1 баночном окне металлические трубки 9, 10 для охлаждающей жидкости выполнены с круглым поперечным сечением, а каждый из пазов имеет в поперечном сечении форму полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки. Однако возможны и другие варианты выполнения металлических трубок и пазов, например, металлическая трубка имеет прямоугольное поперечное сечение, а соответствующий ей паз в диэлектрическом диске имеет в поперечном сечении П-образную форму (не показано на чертеже), при этом ширина паза равна ширине размещенной в нем металлической трубки, а выбор глубины паза ограничен механической прочностью утонченной части керамического диска в области расположения этого паза.The can window also contains metal tubes 9, 10 for coolant. The longitudinal axis of the metal tubes 9, 10 lie in the same plane of the axial section of the segment of the
Противоположные концы 13, 14 металлической трубки 9 введены в диаметрально расположенные сквозные отверстия 15, 16 в стенке отрезка круглого волновода 1, а противоположные концы 17, 18 металлической трубки 10 введены в диаметрально расположенные сквозные отверстия 19, 20 в стенке отрезка круглого волновода 1, при этом диаметр каждого сквозного отверстия равен внешнему диаметру введенной в него металлической трубки. Концы 13, 14 металлической трубки 9 и концы 17, 18 металлической трубки 10 вакуумно-плотно спаяны со стенкой круглого волновода 1. Отрезок круглого волновода 1 с внешней стороны окружен рубашкой охлаждения 21, снабженной штуцерами 22, 23. Перемычки 24, 25 впаяны в кольцевой канал охлаждения, образованный между стенкой отрезка круглого волновода 1 и окружающей его рубашкой охлаждения 21, перпендикулярно их стенкам, причем высота и ширина перемычек 24, 25 совпадает с высотой и шириной кольцевого канала охлаждения.The opposite ends 13, 14 of the metal tube 9 are inserted into the diametrically located through holes 15, 16 in the wall of the segment of the
Для осуществления передачи СВЧ-мощности на волне Е11 в предлагаемом баночном окне (так же как в баночном окне-прототипе) размеры отрезка круглого волновода и диэлектрического диска должны быть выбраны из соотношений:To transmit microwave power on the wave E 11 in the proposed can window (as well as in the can window of the prototype) the dimensions of the segment of a circular waveguide and dielectric disk should be selected from the relations:
где D - диаметр отрезка круглого волновода;where D is the diameter of the circular waveguide;
λ0 - длина волны, соответствующая центральной точке полосы согласования;λ 0 is the wavelength corresponding to the center point of the matching band;
L - расстояние от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода;L is the distance from the surface of the dielectric disk to the nearest end of the circular waveguide segment;
Lε - толщина диэлектрического диска;L ε is the thickness of the dielectric disk;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического диска.ε is the relative dielectric constant of the dielectric disk.
Толщина диэлектрического диска Lε в такой конструкции баночного окна в несколько раз больше, чем в баночном окне, передающем мощность СВЧ на основной волне отрезка круглого волновода Н11 [3], что не только повышает эффективность передачи тепла к стенке этого отрезка круглого волновода, но и позволяет выполнить в диэлектрическом диске без ослабления его механической прочности паз (с одной из сторон диэлектрического диска) или два паза (с противоположных сторон диэлектрического диска) для размещения в каждом из них металлической трубки для охлаждающей жидкости. Каждый паз расположен вдоль диаметра диэлектрического диска, при этом продольная ось размещенной вдоль него металлической трубки лежит в плоскости осевого сечения отрезка круглого волновода, расположенной параллельно широким стенкам отрезков прямоугольных волноводов, в результате чего размещенная в пазе металлическая трубка расположена перпендикулярно электрическим силовым линиям отрезка круглого волновода и не вносит искажений в электрическое поле баночного окна.The thickness of the dielectric disk L ε in this design of the can window is several times greater than in the can window, transmitting microwave power on the main wave of the segment of the circular waveguide H 11 [3], which not only increases the efficiency of heat transfer to the wall of this segment of the circular waveguide, but and allows you to perform in the dielectric disk without weakening its mechanical strength, a groove (on one side of the dielectric disk) or two grooves (on the opposite sides of the dielectric disk) to place a metal tube in each of them hlazhdayuschey liquid. Each groove is located along the diameter of the dielectric disk, while the longitudinal axis of the metal tube placed along it lies in the plane of the axial section of the circular waveguide segment, which is parallel to the wide walls of the rectangular waveguide segments, as a result of which the metal tube located in the groove is perpendicular to the electric field lines of the circular waveguide segment and does not distort the electric field of the can window.
Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ для передачи мощности СВЧ на волне Е11 работает следующим образом.The can input and / or output microwave energy window for transmitting microwave power on the wave E 11 operates as follows.
СВЧ-мощность, поступившая на вход одного из отрезков прямоугольных волноводов, например отрезка прямоугольного волновода 3, переносится волной Н10, которая преобразуется на стыке отрезков прямоугольного волновода 3 и отрезка круглого волновода 1 в волну Е11 круглого волновода при указанных соотношениях размеров отрезков круглого волновода 1 и диэлектрического диска 2. Прошедшая через диэлектрический диск 2 СВЧ-мощность на волне Е11 преобразуется на стыке отрезка круглого волновода 1 и отрезка прямоугольного волновода 4 в волну H10 и передается в нагрузку.The microwave power supplied to the input of one of the segments of rectangular waveguides, for example, a segment of a rectangular waveguide 3, is transferred by the wave H 10 , which is converted at the junction of the segments of a rectangular waveguide 3 and a segment of a
Охлаждение баночного окна в процессе его работы осуществляется следующим образом. Через штуцер 22 охлаждающая жидкость подается в кольцевой канал охлаждения, образованный между стенкой отрезка круглого волновода 1 и окружающей его рубашкой охлаждения 21. Охлаждающая жидкость из кольцевого канала охлаждения проходит через расположенные с противоположных сторон диэлектрического диска 2 металлические трубки 9, 10, обеспечивая улучшение теплоотвода от всех его участков. Затем охлаждающая жидкость поступает в кольцевой канал охлаждения между рубашкой охлаждения 21 и стенкой отрезка круглого волновода 1 и выходит из него через штуцер 23.The cooling of the can window in the process of its operation is as follows. Through the nozzle 22, the coolant is supplied to the annular cooling channel formed between the wall of the segment of the
Изготовлено баночное окно ввода/вывода СВЧ-энергии на волне Е11, работающее в диапазоне 2,8 ГГц, конструкция которого показана на фиг.1. Баночное окно содержит два отрезка волновода нестандартного прямоугольного сечения 56,5×34 мм2 длиной 41 мм, между которыми расположен отрезок круглого волновода длиной 70 мм и внутренним диаметром 103 мм с впаянным в него диэлектрическим диском диаметром 103 мм и толщиной 13,1 мм, изготовленным из керамики ВК94-1. Размер внутреннего сечения присоединительных фланцев - 72×34 мм2.A canned window for input / output of microwave energy on the wave E 11 operating in the range of 2.8 GHz, the design of which is shown in Fig. 1, has been manufactured. The can window contains two segments of a non-standard rectangular waveguide 56.5 × 34 mm 2 with a length of 41 mm, between which there is a segment of a circular waveguide with a length of 70 mm and an inner diameter of 103 mm with a dielectric disk 103 mm in diameter and 13.1 mm thick soldered into it, made of VK94-1 ceramics. The size of the internal section of the connecting flanges is 72 × 34 mm 2 .
Охлаждение баночного окна осуществляется с помощью кольцевого канала охлаждения между стенкой отрезка круглого волновода и окружающей его рубашкой охлаждения. Для охлаждения диэлектрического диска, в том числе его центральной части, на обеих его сторонах вдоль диаметра выполнены пазы, имеющие в поперечном сечении форму полуокружности, к стенкам которых припаяны круглые медные трубки диаметром 8 мм. Концы трубок вакуумно-плотно впаяны в стенки круглого волновода. Охлаждающая жидкость из кольцевого канала охлаждения проходит последовательно через трубки с обеих сторон диэлектрического диска, обеспечивая улучшение теплоотвода от всех его частей.The can window is cooled using an annular cooling channel between the wall of a segment of a circular waveguide and the cooling jacket surrounding it. To cool the dielectric disk, including its central part, on both its sides along the diameter, grooves are made having a semicircular cross-section in cross section, round copper tubes with a diameter of 8 mm are soldered to their walls. The ends of the tubes are vacuum-tightly soldered into the walls of a circular waveguide. Coolant from the annular cooling channel passes sequentially through tubes on both sides of the dielectric disk, providing improved heat dissipation from all its parts.
Для обеспечения максимального контакта такой металлической трубки с поверхностью диэлектрического диска, оптимальная глубина паза должна быть равной половине внешнего диаметра металлической трубки, то есть паз должен иметь в поперечном сечении форму полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу размещенной в нем металлической трубки. При меньшей глубине паза (когда паз в поперечном сечении имеет форму части полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу металлической трубки) поверхность соприкосновения с металлических трубок со стенками уменьшается, что приводит к ухудшению охлаждения диэлектрического диска. Увеличение глубины пазов ограничено механической прочностью утонченной части диэлектрического диска в области расположения пазов. По результатам выполненных экспериментальных работ установлено, что при диаметре диэлектрического диска, равном 100-130 мм, минимальная толщина керамики между пазами в диске должна быть не менее 4 мм. Конструктивные размеры элементов баночного окна, включающие диаметр металлических трубок для охлаждающей жидкости, размер поперечного сечения и длину отрезков прямоугольных волноводов, расстояния от поверхности диэлектрического диска до ближайшего торца отрезка круглого волновода выбирались из условия оптимальной связи между полями волны Е11 в круглом волноводе и волны Н10 в волноводах прямоугольного сечения.To ensure maximum contact of such a metal tube with the surface of the dielectric disk, the optimal groove depth should be equal to half the outer diameter of the metal tube, i.e. the groove should have a semicircle in cross section with a radius equal to the outer radius of the metal tube placed in it. With a smaller depth of the groove (when the groove in the cross section has the shape of a part of a semicircle with a radius equal to the outer radius of the metal tube), the contact surface of the metal tubes with the walls decreases, which leads to poor cooling of the dielectric disk. Increasing the depth of the grooves is limited by the mechanical strength of the thinned part of the dielectric disk in the area of the grooves. According to the results of the experimental work, it was found that when the diameter of the dielectric disk is 100-130 mm, the minimum thickness of the ceramic between the grooves in the disk should be at least 4 mm. The design dimensions of the elements of the can window, including the diameter of the metal tubes for the coolant, the cross-sectional size and the length of the segments of the rectangular waveguides, the distance from the surface of the dielectric disk to the nearest end of the segment of the circular waveguide, were selected from the condition of optimal coupling between the fields of wave E 11 in the circular waveguide and wave H 10 in waveguides of rectangular cross section.
На фиг.2 показана экспериментально снятая зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) от частоты СВЧ-сигнала (F) баночного окна, изображенного на фиг.1. Из графика следует, что на центральной точке полосы согласования КСВн имеет значение 1,02, что соответствует практически полной передаче СВЧ-энергии через баночное окно ввода и/или вывода СВЧ-энергии предложенной конструкции.Figure 2 shows the experimentally measured dependence of the coefficient of the standing wave voltage (SWR) on the frequency of the microwave signal (F) of the can window, shown in figure 1. It follows from the graph that at the central point of the coordination band, the VSWR has a value of 1.02, which corresponds to the almost complete transfer of microwave energy through the can input and / or output microwave window of the proposed design.
Предложенное в изобретении баночное окно ввода/вывода СВЧ-энергии может быть использовано при создании мощных и сверхмощных приборов СВЧ (например, клистронов), а также современных мощных СВЧ-ускорителей, обеспечивая надежную передачу больших мощностей от СВЧ-прибора к ускоряющей системе.The canned microwave energy input / output window of the invention can be used to create high-power and ultra-high-power microwave devices (for example, klystrons), as well as modern high-power microwave accelerators, ensuring reliable transmission of high power from a microwave device to an accelerating system.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство СССР №230906, В.П.Сазонов и B.C.Шатилов. Волноводное окно, МПК Н01Р 1/08, пр. 27.06.67 г., опубл. 15.11.68 г.1. USSR copyright certificate No. 230906, V. P. Sazonov and B. C. Shatilov. Waveguide window,
2. Патент США №3439296, Т.М. Buorkley. Microwave window employing a half-wave window structure with internal inductive matching structure, НКИ: 333-98, пр. 20.04.67 г., опубл. 15.04.67 г.2. US Patent No. 3439296, T.M. Buorkley Microwave window employing a half-wave window structure with internal inductive matching structure, NKI: 333-98, pr. 20.04.67, publ. 04/15/67
3. Патент США 2958834, R.S. Symons et al. Sealed wave guide window, НКИ 333-98, пр. 13.06.56 г., опубл.01.11.60 г.3. US patent 2958834, R.S. Symons et al. Sealed wave guide window, NKI 333-98, pr. 13.06.56, publ. 01.11.60.
4. Патент США 3753171, R.J. Butwell. Composite microwave window and waveguide transform, НКИ 333-98 P, пр. 05.04.71 г., опубл. 14.08.73 г.4. US patent 3753171, R.J. Butwell. Composite microwave window and waveguide transform, NKI 333-98 P, pr. 05.04.71, publ. 08/14/73
5. Патент США 4458223, W.Schmidt. Microwave window assembly having cooling means, НКИ 333-252, пр. 23.09.83 г., опубл.03.07.84 г.5. U.S. Patent 4,458,223, W. Schmidt. Microwave window assembly having cooling means, NKI 333-252, pr. 23.09.83, publ. 03.07.84.
6. Патент РФ №2207655, В.С.Галкин, Королев А.Н., Кутепов Ю.А., Лямзин В.М., Прокофьев Б.В., Симонов К.Г. Баночное окно ввода и/или вывода энергии СВЧ, МПК H0J23/36, Н01Р 1/08, пр. 10.04.02, опубл. 27.06.03 г.6. RF patent №2207655, V.S. Galkin, Korolev A.N., Kutepov Yu.A., Lyamzin V.M., Prokofiev B.V., Simonov K.G. The can window of the input and / or output of microwave energy, IPC H0J23 / 36,
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011103728/07A RU2451362C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Jar window for input and/or output of microwave energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011103728/07A RU2451362C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Jar window for input and/or output of microwave energy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2451362C1 true RU2451362C1 (en) | 2012-05-20 |
Family
ID=46230886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011103728/07A RU2451362C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Jar window for input and/or output of microwave energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2451362C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107949145A (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-20 | 长沙新材料产业研究院有限公司 | A kind of microwave-excited plasma device |
| RU2705563C1 (en) * | 2019-02-26 | 2019-11-08 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Input/output round-to-rectangular waveguide of microwave energy |
| RU2784583C1 (en) * | 2022-03-28 | 2022-11-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Waveguide window of can type |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2958834A (en) * | 1956-06-13 | 1960-11-01 | Varian Associates | Sealed wave guide window |
| US3439296A (en) * | 1967-04-20 | 1969-04-15 | Varian Associates | Microwave window employing a half-wave window structure with internal inductive matching structure |
| US3753171A (en) * | 1971-04-05 | 1973-08-14 | Varian Associates | Composite microwave window and waveguide transform |
| US4458223A (en) * | 1980-07-26 | 1984-07-03 | U.S. Philips Corporation | Microwave window assembly having cooling means |
| RU2207655C1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-06-27 | Галкин Валентин Сергеевич | Parison window for microwave energy input and/or output |
-
2011
- 2011-02-02 RU RU2011103728/07A patent/RU2451362C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2958834A (en) * | 1956-06-13 | 1960-11-01 | Varian Associates | Sealed wave guide window |
| US3439296A (en) * | 1967-04-20 | 1969-04-15 | Varian Associates | Microwave window employing a half-wave window structure with internal inductive matching structure |
| US3753171A (en) * | 1971-04-05 | 1973-08-14 | Varian Associates | Composite microwave window and waveguide transform |
| US4458223A (en) * | 1980-07-26 | 1984-07-03 | U.S. Philips Corporation | Microwave window assembly having cooling means |
| RU2207655C1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-06-27 | Галкин Валентин Сергеевич | Parison window for microwave energy input and/or output |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107949145A (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-20 | 长沙新材料产业研究院有限公司 | A kind of microwave-excited plasma device |
| RU2705563C1 (en) * | 2019-02-26 | 2019-11-08 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Input/output round-to-rectangular waveguide of microwave energy |
| RU2784583C1 (en) * | 2022-03-28 | 2022-11-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Waveguide window of can type |
| RU2802497C1 (en) * | 2022-11-30 | 2023-08-29 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А. И. Шокина" | Can window for output of microwave energy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH04229701A (en) | Space field power coupler | |
| US2990526A (en) | Dielectric windows | |
| CN108605406B (en) | Input coupler for acceleration cavity and accelerator | |
| US8803639B2 (en) | Vacuum insulating chamber including waveguides separated by an air gap and including two planar reflectors for controlling radiation power from the air gap | |
| RU2451362C1 (en) | Jar window for input and/or output of microwave energy | |
| Boot et al. | The cavity magnetron | |
| JP2014132536A (en) | Coaxial magnetron | |
| US3227915A (en) | Fluid cooling of hollow tuner and radio frequency probe in klystron | |
| RU2705563C1 (en) | Input/output round-to-rectangular waveguide of microwave energy | |
| RU2207655C1 (en) | Parison window for microwave energy input and/or output | |
| JP2014165032A (en) | Coaxial magnetron | |
| CN107863593B (en) | Circular waveguide mode suppressor for suppressing TE11 mode microwave and design method thereof | |
| EP3435402B1 (en) | Magnetron | |
| KR102381469B1 (en) | RF resonator power combiner | |
| CN100583367C (en) | Multiple frequency range and high-power spiral line row wave tube with direct ridge waveguide output | |
| Moulay et al. | Oversized Substrate-Integrated Waveguide for High-Power Millimeter-Wave Systems | |
| US3434076A (en) | Waveguide window having circulating fluid of critical loss tangent for dampening unwanted mode | |
| RU2784583C1 (en) | Waveguide window of can type | |
| US3360750A (en) | High frequency waveguide load comprising a dielectric window in contact with lossy coolant fluid | |
| US6369493B1 (en) | Microwave plasma applicator having a thermal transfer medium between a plasma containing tube and a cooling jacket | |
| US3940719A (en) | Microwave waveguide dissipative load comprising fluid cooled lossy waveguide section | |
| CN113422178A (en) | Waveguide window | |
| KR20210014934A (en) | High power input coupler for accelerating tube | |
| Fleury et al. | Average power limits of brazed-helix TWT's | |
| CN109698107A (en) | Surface wave plasma equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |