RU2654537C1

RU2654537C1 - Method for forming high energy density clumps in electron flow and a drift klystron

Info

Publication number: RU2654537C1
Application number: RU2017129540A
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Гузилов; Олег Юрьевич Масленников
Original assignee: Демидова Елена Викторовна
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2018-05-21

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electronic microwave equipment, in particular, to powerful microwave O-type devices. Methods for forming clusters of high energy density in an electronic clump formed by an electron source, in which the formation of clumps subjected to final grouping before they exit from a number of microwave fields, can be realized in a transit klystron by stepwise modulating the velocity and density of electron distribution in an electron beam, in the nuclei of electron clumps by means of the influence of a number of microwave fields on the electron beam. In this case, the microwave fields are sequentially located in the direction of the flow and are separated by drift spaces. Clump of electrons is passed through a cascade of microwave fields containing at least one multi-resonator stage, which provides, in turn, the formation of a clump nucleus, increase in the density of the clump nucleus, ungrouping of the clump nucleus, and a final grouping of the clump.

EFFECT: achievement of a high current density in a clump, directed at the braking to convert its energy into microwave energy consumption, decrease in the energy consumption for a fixed output of the microwave power of the klystron and an increase in the efficiency of transit klystrons.

6 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области электронной СВЧ-техники, в частности к мощным СВЧ- приборам О-типа - пролетным клистронам, к способам повышения их КПД, в частности к способам формирования электронных сгустков высокой плотности энергии в потоке электронов в пролетных клистронах и пролетным клистронам для реализации таких способов.The invention relates to the field of electronic microwave technology, in particular to powerful O-type microwave devices - flying klystrons, to methods for increasing their efficiency, in particular to methods for forming high-density electron clusters in an electron stream in flying klystrons and flying klystrons for realization such methods.

Уровень техникиState of the art

Высокоэффективные клистроны являются очень привлекательными устройствами для большого количества приложений, таких, как ускорители, радары, устройства для передачи энергии, играют решающую роль для следующего поколения ускорителей.High-performance klystrons are very attractive devices for a large number of applications, such as accelerators, radars, power transmission devices, play a decisive role for the next generation of accelerators.

Создание СВЧ-приборов различного типа стало возможным в результате использования метода динамического управления электронным потоком путем модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и в передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе. При этом время пролета имеет решающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.The creation of microwave devices of various types became possible as a result of using the dynamic control of the electron beam by modulating the electrons in speed, turning the modulation in speed into modulation in density and in transferring vibrational energy from a modulated flux-density oscillatory system. In this case, the time of flight is crucial, since only in the process of electron motion does their grouping occur.

Известны проблемы повышения эффективности, пролетных клистронов, основанных на использовании времени пролета электронов при их кратковременном взаимодействии с высокочастотным электрическим полем многорезонаторного ряда внутри пролетной трубки.There are known problems of increasing the efficiency of flying klystrons, based on the use of the time of flight of electrons during their short-term interaction with the high-frequency electric field of a multi-cavity series inside the flying tube.

Все электроны, приходящие к первой сетке входного резонатора, имеют одинаковую скорость. При подаче сигнала между сетками входного резонатора существует переменное электрическое поле. В один полупериод поле между сетками дополнительно ускоряет электроны, в другой - тормозит их. Поэтому возникает модуляция скорости электронов с частотой сигнала. При дальнейшем движении по инерции внутри пролетной трубки электроны разных скоростей группируются в сгустки, при этом частота следования сгустков равна частоте сигнала. Поэтому область между двумя резонаторами называют пространством группирования, или дрейфа. Таким образом, скоростная модуляция превращается в модуляцию электронного потока по плотности. Пролетая между сетками выходного резонатора, сгустки вызывают в нем наведенный ток той же частоты. Если собственная частота выходного резонатора равна частоте сигнала, то наведенный ток создает наибольшее напряжение между сетками резонатора.All electrons coming to the first grid of the input resonator have the same speed. When a signal is applied between the grids of the input resonator, an alternating electric field exists. In one half-period, the field between the grids additionally accelerates the electrons, and in the other, it slows them down. Therefore, there is a modulation of the electron velocity with the signal frequency. During further inertial motion inside the transit tube, electrons of different speeds are grouped into bunches, while the bunches repetition rate is equal to the signal frequency. Therefore, the region between two resonators is called the space of grouping, or drift. Thus, high-speed modulation is transformed into modulation of the electron flux in density. Flying between the grids of the output resonator, the bunches induce induced current of the same frequency in it. If the natural frequency of the output resonator is equal to the frequency of the signal, then the induced current creates the greatest voltage between the networks of the resonator.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим полем и передачи энергии от модулированного по плотности электронного потока выходному резонатору, связанному с нагрузкой. Электроны, отдавшие часть своей кинетической энергии выходному резонатору, попадают на коллектор и рассеивают остальную часть кинетической энергии в виде тепла.In devices of type O, the kinetic energy of electrons is converted into microwave energy as a result of the deceleration of electrons by this field and the transfer of energy from the electron-beam modulated by the density of the electron beam output resonator associated with the load. The electrons that gave part of their kinetic energy to the output resonator fall on the collector and scatter the rest of the kinetic energy in the form of heat.

Специалистам в области создания электронных приборов известно, что в пространстве группирования при традиционной группировке электронных сгустков в основном в центральной части электронного потока всегда существует группа периферийных частиц - так называемых «аутсайдеров», которые подвергаются воздействию слабого электрического поля в зазорах резонаторов и имеют маленькую модуляцию скоростей. По этой причине, чтобы достичь сгустка, им необходимо время большее, чем электронам ядра сгустка. КПД клистрона непосредственно зависит от того, какую часть этих электронов удается сгруппировать в сгусток. Ту часть периферийных электронов, которая приходит в выходной резонатор в ускоряющей фазе и «отбирает» у СВЧ-поля энергию, вместо того, чтобы ее отдавать, называют еще «антисгусток». Влияние этой части электронов на эффективность пролетных клистронов значительно, так как эти электроны «портят» КПД. Для увеличения эффективности необходимо увеличить длину пространства взаимодействия и ждать, пока аутсайдеры присоединятся к сгустку.Specialists in the field of creating electronic devices know that in the grouping space with the traditional grouping of electron bunches, mainly in the central part of the electron beam, there always exists a group of peripheral particles - the so-called “outsiders”, which are exposed to a weak electric field in the cavity gaps and have small modulation of velocities . For this reason, in order to reach the bunch, they need more time than the electrons of the bunch core. The efficiency of a klystron directly depends on which part of these electrons can be grouped into a bunch. The part of the peripheral electrons that comes to the output cavity in the accelerating phase and “takes” energy from the microwave field, instead of giving it away, is also called the “anti-clot”. The influence of this part of the electrons on the efficiency of flying klystrons is significant, since these electrons "spoil" the efficiency. To increase efficiency, it is necessary to increase the length of the interaction space and wait for outsiders to join the bunch.

Обычно в большинстве клистронов электроны ядра сгустка подвергаются воздействию мощных сил в зазорах резонаторов и имеют достаточно большой разброс по скоростям (до 30-40%). При попытке увеличить КПД и собрать основную часть периферийных электронов в сгусток с помощью увеличения группирующих сил быстрые частицы ядра сгустка начинают обгонять медленные, сгусток разрушается, КПД взаимодействия с выходным резонатором падает.Usually, in most klystrons, the electrons of the bunch core are exposed to powerful forces in the gaps of the cavities and have a rather large spread in speeds (up to 30-40%). When trying to increase the efficiency and collect the bulk of the peripheral electrons into a bunch by increasing the grouping forces, fast particles of the bunch nucleus begin to overtake slow particles, the bunch collapses, and the efficiency of interaction with the output resonator decreases.

Таким образом, чтобы получить высокую эффективность в клистроне, следует собрать главную часть электронов в сгустки с короткой фазовой длиной.Thus, in order to obtain high efficiency in the klystron, it is necessary to collect the main part of the electrons in bunches with a short phase length.

Как правило, ядро сгустка состоит из группы медленных электронов во главе и быстрых электронов в хвостовой части. Электроны ядра подвергаются воздействию сильных полей в зазорах резонаторов и имеют достаточно большое различие по скоростям.As a rule, the bunch core consists of a group of slow electrons at the head and fast electrons in the tail. Electrons of the nucleus are exposed to strong fields in the gaps of the resonators and have a fairly large difference in speed.

Существует другая часть электронов, которая находится далеко от ядра, на расстоянии, приблизительно равном половине электронной длины волны.There is another part of the electrons, which is located far from the nucleus, at a distance approximately equal to half the electron wavelength.

В настоящее время для повышения КПД и коэффициента усиления в широкой полосе частот в современных усилительных клистронах используются многорезонаторные устройства группирования сгустков электронов, которые включают в себя все электродинамические системы клистрона, кроме выходной системы.Currently, to increase the efficiency and gain in a wide frequency band in modern amplification klystrons, multi-resonator electron bunching devices are used, which include all electrodynamic klystron systems, except the output system.

Известна электрическая преобразующая система (US, 2.242.275, А), выполненная в виде клистрона, содержащего два резонирующих устройства, и при этом одно из резонирующих устройств настраиваемое, и содержащего также:Known electrical conversion system (US, 2.242.275, A), made in the form of a klystron containing two resonating devices, and one of the resonating devices is customizable, and also containing:

- средство генерации электронного луча и создания электронного потока с практически одинаковой скоростью;- a means of generating an electron beam and creating an electron beam with almost the same speed;

- закрытую проводящую часть, имеющую проницаемые для электронов стенки, через которую электронный луч подают для целей управления, и представляющую собой камеру с расположенным в ней резонирующим устройством, внешняя поверхность которого свободна от переменного напряжения рабочей частоты клистрона;- a closed conductive part having walls permeable to electrons, through which an electron beam is supplied for control purposes, and which is a chamber with a resonating device located in it, the outer surface of which is free from alternating voltage of the operating frequency of the klystron;

- средство подачи энергии к одному из резонирующих устройств;- means for supplying energy to one of the resonating devices;

- средство создания ограниченного стоячего электромагнитного поля в резонирующем устройстве, имеющем часть электронного поля в предшествующей области;- a means of creating a limited standing electromagnetic field in a resonating device having a part of the electronic field in the preceding region;

- средство направления электронного потока через переменное электрическое поле резонирующего устройства для создания условий предполагаемого периодического варьирования скоростей в течение действия внутреннего поля в нем и прохождения поля для создания условий группирования электронов в группы;- means for directing the electron flow through the alternating electric field of the resonating device to create the conditions for the supposed periodic variation of the velocities during the action of the internal field in it and the passage of the field to create conditions for grouping electrons into groups;

- полый резонатор для поглощения энергии из электронов;- a hollow resonator for absorbing energy from electrons;

- средство экранирования поля от энергопоглощающего средства.- a means of shielding the field from energy absorbing means.

Система работает следующим образом.The system operates as follows.

Электроны в пучке, генерированном в средстве генерации и ускоренном постоянным напряжением U_o в проводящей части, попадают в зазор входного резонатора, в емкостном зазоре которого сигнал, подводимый через входной тракт, возбуждает переменное ВЧ-напряжение. Пройдя зазор, пучок электронов получает модуляцию по скорости: электроны, прошедшие зазор в ускоряющей фазе ВЧ-поля, увеличивают свою скорость, а электроны, прошедшие зазор в тормозящей фазе ВЧ-поля, уменьшают свою скорость. В свободном от электрического ВЧ-поля пространстве дрейфа между входным и выходным резонаторами скоростная модуляция приводит к модуляции пучка по плотности электронов. Электроны (назовем эти электроны центральными) группируются с образованием сгустка вокруг частиц, прошедших зазор входного резонатора в момент времени, когда величина ВЧ-поля равна нулю, а само ВЧ-поле при этом нарастает. Частицы, идущие сзади центральных, влетевшие в зазор входного резонатора позднее, догоняют их, а частицы, идущие впереди, влетевшие в зазор входного резонатора ранее, наоборот, притормаживают, также приближаясь к центральным. При этом происходит повышение плотности конвекционного тока вокруг центральных электронов, появляется высокочастотная составляющая тока, которая растет по мере удаления от зазора входного резонатора, достигая максимума на некотором расстоянии от него, которое тем больше, чем меньше амплитуда входного ВЧ-напряжения. Затем быстрые электроны сгустка обгоняют центральные, а медленные начинают от него отставать, что приводит к разрушению сгустка. Емкостной зазор выходного резонатора располагают на пути электронов, в месте, где находится максимум первой гармоники конвекционного тока электронов. Высокочастотный ток индуцирует ВЧ-напряжение в выходном резонаторе, энергия модулированного по плотности электронного потока преобразуется в ВЧ-энергию, которая передается затем в выходной тракт. Эффективность преобразования кинетической энергии электронов модулированного потока в ВЧ-энергию зависит от качества сгустка - его фазовой протяженности, количества электронов потока, находящихся в сгустке, распределения их скоростей. Недостатком описанного выше клистрона является низкая эффективность преобразования кинетической энергии в ВЧ-энергию в выходном устройстве (не более 30%) из-за низкого качества сгустка из-за малого количества электронов, собранных в него. Неиспользованная энергия выделяется в виде тепла в коллекторе.The electrons in the beam generated in the means of generation and accelerated by a constant voltage U _o in the conductive part fall into the gap of the input resonator, in the capacitive gap of which a signal supplied through the input path excites an alternating RF voltage. Having passed the gap, the electron beam receives modulation in speed: the electrons passing the gap in the accelerating phase of the RF field increase their speed, and the electrons passing the gap in the inhibiting phase of the RF field decrease their speed. In the drift-free space between the input and output cavities, which is free of the electric RF field, velocity modulation leads to modulation of the beam by electron density. Electrons (we call these electrons central) are grouped with the formation of a bunch around particles that have passed the gap of the input resonator at a time when the RF field is equal to zero and the RF field itself increases. Particles coming back from the center, later flying into the gap of the input resonator, catch up with them, and particles coming in front, flying into the gap of the input cavity earlier, on the contrary, slow down, also approaching the central ones. In this case, the convection current density around the central electrons increases, a high-frequency component of the current appears, which increases with distance from the gap of the input resonator, reaching a maximum at a certain distance from it, which is greater, the smaller the amplitude of the input RF voltage. Then, fast electrons of the bunch overtake the central ones, and slow ones begin to lag behind it, which leads to the destruction of the bunch. The capacitive gap of the output resonator is located in the path of the electrons, in the place where the maximum of the first harmonic of the convection current of electrons is located. The high-frequency current induces an RF voltage in the output resonator, the energy of the electron-modulated electron density is converted to RF energy, which is then transmitted to the output path. The efficiency of converting the kinetic energy of the electrons of the modulated stream into RF energy depends on the quality of the bunch — its phase length, the number of flow electrons in the bunch, and their velocity distribution. The disadvantage of the klystron described above is the low efficiency of converting kinetic energy into RF energy in the output device (not more than 30%) due to the low quality of the bunch due to the small number of electrons collected in it. Unused energy is released as heat in the collector.

Известно, что для улучшения качества сгустка используются многорезонаторные конструкции клистрона (Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-е. М., «Высшая школа», 1972, т. 2, стр. 154), при этом между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные промежуточные резонаторы, настроенные на частоты, близкие к частоте основного сигнала. Известно, что ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, поэтому даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на промежуточном резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку электронного потока в пространстве дрейфа после выхода потока из этого промежуточного резонатора. В результате, распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться промежуточными резонаторами. Для группировки электронов промежуточные резонаторы настраивают на частоты, более высокие по сравнению с частотой основного сигнала. Использование многорезонаторной конструкции в клистроне позволяет уменьшить фазовую протяженность, увеличить плотность электронов в сгустке и, в результате, увеличить эффективность преобразования кинетической энергии в ВЧ-энергию. При этом значительно увеличивается коэффициент усиления, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору.It is known that to improve the quality of the clot, multi-resonator klystron designs are used (Lebedev I.V. Technique and devices of superhigh frequencies. Ed. 2-nd M., Higher School, 1972, v. 2, p. 154), while between the input and output resonators are placed additional unloaded intermediate resonators tuned to frequencies close to the frequency of the main signal. It is known that an unloaded intermediate resonator is a high-Q system, therefore, even with a small amplitude of convection current, the voltage created on its grids will be large. In steady state, the current and voltage in the second resonator have the same frequency as the frequency of the input signal. The voltage induced on the intermediate resonator causes a strong modulation of the electron velocity and a strong grouping of the electron flux in the drift space after the flux leaves this intermediate resonator. As a result, the distribution of electrons in clusters of their density will be determined by intermediate resonators. To group electrons, intermediate resonators are tuned to frequencies higher than the frequency of the main signal. The use of a multi-cavity design in the klystron allows one to reduce the phase length, increase the electron density in the bunch and, as a result, increase the efficiency of the conversion of kinetic energy into RF energy. In this case, the gain increases significantly, since the grouping of electrons is carried out at a significantly lower amplitude of the input signal supplied to the first resonator.

Известен усилительный клистрон (RU, 1764460, С), содержащий входной и выходной резонаторы, промежуточные резонаторы основной частоты и по меньшей мере один резонатор удвоенной частоты, размещенный перед выходным резонатором, при этом с целью повышения КПД в многочастотном режиме работы резонатор удвоенной частоты выполнен в соответствии с выражениямиKnown amplifying klystron (RU, 1764460, C), containing input and output resonators, intermediate resonators of the main frequency and at least one double frequency resonator located in front of the output resonator, while in order to increase the efficiency in multi-frequency operation, the double frequency resonator is made in matching expressions

;

,

;

,

где Q₀ - собственная добротность резонатора удвоенной частоты;where Q ₀ - intrinsic Q-factor of the resonator of double frequency;

F₀ - центральная частота рабочего диапазона частот клистрона, МГц;F ₀ is the central frequency of the working range of the klystron frequencies, MHz;

Δf_p - ширина рабочего диапазона частот, МГц;Δf _p is the width of the working frequency range, MHz;

f₂ - частота настройки резонатора удвоенной частоты, МГц.f ₂ - tuning frequency of the resonator doubled frequency, MHz.

Резонатор удвоенной частоты, расположенный перед выходным резонатором, при оптимальных значениях собственной добротности Q_o и резонансной частоты f₂ воздействует на формируемые электронные сгустки таким образом, что меняется фаза и уменьшается амплитуда второй гармоники конвекционного тока и происходит уменьшение относительного уровня комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала. При этом затухание резонатора удвоенной частоты практически не сказывается на амплитудах сигналов основных частот.The double frequency resonator located in front of the output resonator, at optimal values of the intrinsic Q factor Q _o and resonant frequency f _2, acts on the generated electron bunches in such a way that the phase changes and the amplitude of the second harmonic of the convection current decreases and the relative level of the combination components in the output signal spectrum decreases . In this case, the attenuation of the cavity of the doubled frequency practically does not affect the amplitudes of the signals of the fundamental frequencies.

Однако в связи с тем, что резонатор удвоенной частоты находится перед выходным резонатором, длины трубы дрейфа после него составляет не более одной электронной длины волны и недостаточна, чтобы сгруппировать периферийные электроны в основной сгусток, поэтому увеличение КПД незначительно.However, due to the fact that the double-frequency resonator is located in front of the output resonator, the drift tube length after it is no more than one electronic wavelength and is insufficient to group peripheral electrons into a main bunch, therefore, the increase in efficiency is insignificant.

Известны клистроны, содержащие входную электродинамическую систему, содержащую как минимум активный (пронизываемый потоком) резонатор и, в общем случае, связанные с ним пассивные резонаторы, и промежуточные электродинамические системы (также в общем случае содержащие и пассивные резонаторы), образующие усилитель-группирователь.Klystrons are known that contain an input electrodynamic system containing at least an active (permeable to a stream) resonator and, in the general case, passive resonators associated with it, and intermediate electrodynamic systems (which also include passive resonators in the general case), which form an amplifier-grouper.

Известен мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным КПД (RU, 1075860, С), в котором вместо предвыходного резонатора используют одна система из двух резонаторов, настроенных на кратные частоты, с расположенными последовательно зазорами взаимодействия, причем один из резонаторов настроен на основную частоту усиливаемого сигнала, а другой - на удвоенную частоту. Величины зазоров взаимодействии и расстояния между зазорами в резонаторах предвыходной системы выбирают из условия оптимального группирования электронного потока после системы и получения максимальной амплитуды первой гармоники конвекционного тока в выходном резонаторе. Величину оптимального соотношения между амплитудами и фазами высокочастотного напряжения на зазорах резонаторов системы корректируют путем соответствующей расстройки этих резонаторов по частоте с помощью узлов настройки. Допускается такое расположение предвыходной системы клистрона, при котором ближе к выходному резонатору находится резонатор, настроенный на удвоенную частоту сигнала. Кроме того, с целью повышения КПД клистрона за выходным резонатором может быть установлен второй дополнительный резонатор, настроенный на ту же частоту, что и первый, и связанный с ним по высокой частоте. При этом в указанном клистроне резонатор второй гармоники позволяет усилить воздействие на группировку периферийных электронов, увеличить степень группировки в сгусток и повысить КПД.A powerful span multi-cavity klystron with increased efficiency is known (RU, 1075860, C), in which instead of a pre-output cavity, one system of two resonators tuned to multiple frequencies with successive gaps of interaction is used, one of the resonators being tuned to the main frequency of the amplified signal, and the other at twice the frequency. The magnitudes of the interaction gaps and the distance between the gaps in the resonators of the pre-output system are selected from the condition of optimal grouping of the electron flux after the system and obtaining the maximum amplitude of the first harmonic of the convection current in the output resonator. The value of the optimal ratio between the amplitudes and the phases of the high-frequency voltage at the gaps of the resonators of the system is adjusted by the corresponding detuning of these resonators in frequency using the tuning nodes. The arrangement of the pre-exit klystron system is allowed, in which a resonator tuned to the doubled signal frequency is located closer to the output resonator. In addition, in order to increase the efficiency of the klystron behind the output resonator, a second additional resonator can be installed, tuned to the same frequency as the first, and associated with it at a high frequency. At the same time, in the indicated klystron, the second harmonic resonator allows one to enhance the effect on the grouping of peripheral electrons, increase the degree of bunching and increase the efficiency.

Однако при попытке усилить группировку возможен обгон электронов ядра сгустка или пересечение фазовых траекторий электронов. Это приводит к ограничению КПД не более 65%.However, when trying to strengthen the grouping, it is possible to overtake the electrons of the bunch core or intersect the phase trajectories of the electrons. This leads to a limitation of efficiency of not more than 65%.

Известна идея повышения КПД клистрона с помощью группировки сгустков в условиях колебаний пространственного заряда ядра сгустка (A.Yu. Bajkov, D.M. Petrov «Problems of creation powerfull and super-power klystrons with efficiency up to 90%», International University Conference "Electronics and Radio physics of Ultra-high Frequencies", St. Petersburg, May 24-28, 1999, pp. 5-8). Процесс колебаний возможен, если существуют силы, которые разгруппируют ядро электронного сгустка. Такими силами могут быть силы пространственного заряда самого ядра сгустка. Показано, что при использовании сил пространственного заряда для осуществления колебательных движений ядра сгустка КПД клистрона может быть увеличен до 90%. Метод получил название СОМ (по-английски Core Oscillation Method). Однако при этом длина клистрона возрастает до величины 15-20 электронных длин волн L_e (электронная длина L_e - расстояние, которое электрон со скоростью v_o проходит за период колебаний СВЧ-поля), где

; v_o - средняя скорость электронов; Т=1/f₀ - период колебаний СВЧ-поля и ƒ₀ - частота колебаний СВЧ-поля, U₀ - рабочее напряжение, е - заряд электрона, m - масса электрона. Основным недостатком этих клистронов является огромная длина пространства взаимодействия в клистроне с колебательными движениями электронов ядра сгустка, осуществляемыми с помощью сил пространственного заряда: например, если f_o=1 Ггц, U_o=100 кВ, тогда L_e=18,8 см, а длина пространства взаимодействия L=15 L_e=2,8 м, что недопустимо при практическом использовании. Поэтому такие клистроны не нашли применения на практике.The idea of increasing the efficiency of a klystron by grouping bunches under conditions of fluctuations in the spatial charge of the bunch nucleus is known (A.Yu. Bajkov, DM Petrov "Problems of creation powerfull and super-power klystrons with efficiency up to 90%", International University Conference "Electronics and Radio physics of Ultra-high Frequencies ", St. Petersburg, May 24-28, 1999, pp. 5-8). The oscillation process is possible if there are forces that ungroup the core of the electron bunch. Such forces may be the space charge forces of the bunch core itself. It is shown that when using space-charge forces to carry out oscillatory motions of the core of the bunch, the efficiency of the klystron can be increased to 90%. The method is called COM (in English Core Oscillation Method). However, the length of the klystron increases to a value of 15-20 electronic wavelengths L _e (the electronic length _Le is the distance that an electron travels with a speed v _o during the period of oscillations of the microwave field), where

; v _o is the average electron velocity; T = 1 / f ₀ is the period of the microwave field and ƒ ₀ is the frequency of the microwave field, U ₀ is the operating voltage, e is the electron charge, m is the electron mass. The main disadvantage of these klystrons is the huge length of the interaction space in the klystron with the oscillatory motions of the electrons of the bunch nucleus carried out using space charge forces: for example, if f _o = 1 GHz, U _o = 100 kV, then _Le = 18.8 cm, and the length of the interaction space L = 15 L _e = 2.8 m, which is unacceptable in practical use. Therefore, such klystrons have not found practical application.

Известна микроволновая трубка с модуляцией скоростей, использующая для повышения КПД гармонический предгруппирователь (US, 3811065, А) и являющаяся наиболее близкой к настоящему изобретению. Трубка включает в себя электронную пушку с протяженными каналами для проведения потоков электронов от катода до коллектора. Входной контур и выходной контур расположены на начальном и конечном участках потока электронов, через входной контур СВЧ-сигнал поступает в трубку, в выходном контуре усиленная энергия извлекается из потока электронов. Предпоследний резонансный контур, резонансная частота которого близка к полосе пропускания трубки, является предгруппирователем и обеспечивает непосредственно перед выходным контуром группировку электронов с ростом плотности электронов в сгустке, который затем поступает в выходной контур. Между входным резонатором и предпоследним резонатором размещен резонатор второй гармоники с переменной частотой. Резонатор второй гармоники настроен на частоту выше гармоники частоты низкочастотного края полосы пропускания трубки. Резонатор второй гармоники необходим для предварительной группировки электронов сгустка перед их окончательной группировкой в пространстве после предпоследнего резонатора. Комбинированное действие предварительного группирователя, настроенного на гармонику основного сигнала, и следующего за ним группирователя на резонаторах основной гармоники способствует дополнительному воздействию на периферийные электроны и частичному сбору их в сгусток.Known microwave tube with modulation of speeds, using to increase the efficiency of the harmonic pregroup (US, 3811065, A) and which is closest to the present invention. The tube includes an electron gun with extended channels for conducting electron flows from the cathode to the collector. The input circuit and the output circuit are located on the initial and final sections of the electron stream, the microwave signal enters the tube through the input circuit, and the amplified energy is extracted from the electron stream in the output circuit. The penultimate resonant circuit, the resonant frequency of which is close to the passband of the tube, is a pregroup and provides an electron grouping directly in front of the output circuit with increasing electron density in the bunch, which then enters the output circuit. Between the input resonator and the penultimate resonator is a second-harmonic resonator with a variable frequency. The second harmonic resonator is tuned to a frequency above the harmonic of the frequency of the low-frequency edge of the tube bandwidth. The second harmonic resonator is necessary for preliminary bunching of bunch electrons before their final bunching in space after the penultimate resonator. The combined action of a preliminary grouper tuned to the harmonic of the main signal, and the next grouper on the fundamental harmonic resonators, contributes to an additional effect on peripheral electrons and their partial collection in a bunch.

Однако более высокая плотность тока в ядре сгустка и короткая общая длина пространства дрейфа после резонатора второй гармоники и после предпоследнего резонатора приводят к уменьшению КПД преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном тракте до величин не более 70%.However, a higher current density in the bunch core and a shorter total length of the drift space after the second harmonic cavity and after the penultimate cavity lead to a decrease in the conversion efficiency of the kinetic energy of electrons into RF energy in the output path to values of no more than 70%.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Специалистам в области электронной СВЧ-техники известно, что при реализации динамического управления электронным потоком путем модуляции электронов по скорости и превращения модуляции по скорости в модуляцию по плотности во время перемещения электронного потока в каналах многорезонаторного блока СВЧ-устройства всегда существует группа периферийных электронов, которые подвергаются воздействию слабого электрического поля в зазорах резонаторов, и, по этой причине, чтобы достичь сгустка, им необходимо время большее, чем электронам ядра сгустка. Причем КПД клистрона непосредственно зависит от того, какую часть этих электронов удается сгруппировать в сгусток. Ту часть периферийных электронов, которые приходят в выходной резонатор в ускоряющей фазе и отбирают у СВЧ-поля энергию, вместо того, чтобы ее отдавать, называют еще «антисгусток», так как эти электроны уменьшают КПД клистрона.Specialists in the field of electronic microwave technology know that when implementing dynamic control of the electron beam by modulating the electrons in speed and turning the modulation in speed into density modulation during the movement of the electron beam in the channels of the multi-cavity unit of the microwave device, there is always a group of peripheral electrons that are the influence of a weak electric field in the gaps of the resonators, and, for this reason, in order to reach the bunch, they need more time than the electrons of the nucleus clot. Moreover, the efficiency of the klystron directly depends on which part of these electrons can be grouped into a bunch. That part of the peripheral electrons that enter the output cavity in the accelerating phase and take energy from the microwave field, instead of giving it away, is also called the “anti-clot”, since these electrons reduce the efficiency of the klystron.

Проведенные исследования показали, что недостатком известной микроволновой трубки с модуляцией скоростей, использующей для повышения КПД гармонический предгруппирователь (US, 3811065, А) в виде предпоследнего резонансного контура, резонансная частота которого близка к полосе пропускания трубки, и при этом между входным резонатором и предпоследним резонатором размещен резонатор второй гармоники с переменной частотой выше гармоники частоты низкочастотного края полосы пропускания трубки, является неоднородность группировки электронов ядра сгустка и периферийных электронов.The studies showed that the disadvantage of the known microwave tube with speed modulation, which uses a harmonic pregroup (US, 3811065, A) to increase the efficiency in the form of the penultimate resonant circuit, the resonant frequency of which is close to the passband of the tube, and between the input resonator and the penultimate resonator a second-harmonic resonator with a variable frequency is placed above the harmonic of the frequency of the low-frequency edge of the passband of the tube, the inhomogeneity of the electron bunch is poison and bunch, and the peripheral electrons.

Как показано на Фиг. 1 фазовых траекторий электронов в пролетных каналах указанной выше трубки (US, 3811065, А), где Т - время, Т_o - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, зоны 1, 2, 3, 4, 5 по продольной координате - емкостные зазоры резонаторов, при движении в пролетных каналах трубки электроны подвергаются синусоидальному воздействию электрического поля в зазорах зон 2-4 промежуточных резонаторов. При этом, из-за синусоидальности воздействия, электроны ядра сгустка группируются быстрее, чем периферийные электроны «е», для которых электрическое поле в зазорах меньше. Чтобы получить высокий КПД, необходимо собрать как можно большее количество электронов в сгусток, включая периферийные электроны «е». При увеличении группирующих сил в зазорах зон 2-4 промежуточных резонаторов с целью сбора в сгусток периферийных электронов, электроны ядра сгустка приобретают значительный разброс по скоростям (до 30-40%), что приводит к разрушению ядра сгустка. Быстрые частицы ядра сгустка обгоняют медленные (этому соответствует пересечение электронных траекторий на фиг. 1), и ядро сгустка разрушается (область «Q» между зазорами зон 3 и 4). При этом уменьшается КПД взаимодействия электронов сгустка с зоной 5 выходного резонатора.As shown in FIG. 1 phase trajectories of electrons in the passage channels of the above tube (US, 3811065, A), where T is the time, T _o is the period of the microwave field, Z is the longitudinal coordinate, zones 1, 2, 3, 4, 5 along the longitudinal coordinate - capacitive gaps of the resonators, when moving in the passage channels of the tube, the electrons are subjected to a sinusoidal electric field in the gaps of the zones 2-4 intermediate resonators. Moreover, due to the sinusoidal effect, the electrons of the bunch nucleus are grouped faster than the peripheral electrons "e", for which the electric field in the gaps is smaller. To obtain a high efficiency, it is necessary to collect as many electrons as possible in a bunch, including peripheral electrons “e”. With an increase in the grouping forces in the gaps of the zones of 2–4 intermediate resonators in order to collect peripheral electrons into the bunch, the electrons of the bunch nucleus acquire a significant velocity spread (up to 30–40%), which leads to the destruction of the bunch core. The fast particles of the bunch core overtake the slow ones (this corresponds to the intersection of the electron trajectories in Fig. 1), and the bunch core is destroyed (region “Q” between the gaps of zones 3 and 4). In this case, the efficiency of the interaction of the bunch electrons with the zone 5 of the output resonator decreases.

Целью создания настоящего изобретения являлось создание высокоэффективного способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов, приемлемого для реализации в пролетном клистроне, имеющем при его малых габаритах и массе высокую выходную мощность при уменьшенном количестве потребляемой им энергии.The aim of the present invention was the creation of a highly efficient method of forming high energy clots in an electron stream, suitable for implementation in a flyby klystron, which, with its small size and mass, has high output power with a reduced amount of energy consumed by it.

При создании настоящего изобретения была поставлена техническая задача разработки способа формирования сгустков высокой энергии в потоке электронов путем поэтапного последовательного формирования ядра электронных сгустков и ступенчатого повышения плотности пространственного заряда ядра электронных сгустков с помощью изменения скорости движения электронов в условиях колебания пространственного заряда ядра сгустка, и создание пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию такого способа.When creating the present invention, the technical task was to develop a method for the formation of high-energy clumps in an electron stream by phased sequential formation of an electron bunch core and a stepwise increase in the space charge density of an electron bunch core by varying the speed of electrons in the conditions of a fluctuation of the space charge of a bunch nucleus klystron, providing the implementation of this method.

При этом ожидаемым техническим результатом использования изобретения являлось достижение высокой плотности тока в сгустке, направляемом на торможение для преобразования его энергии в СВЧ-энергию потребления, уменьшении потребляемой энергии при фиксированной выходной СВЧ-мощности клистрона и повышение КПД пролетных клистронов.In this case, the expected technical result of using the invention was the achievement of a high current density in the bunch directed to braking to convert its energy into microwave energy of consumption, reducing energy consumption at a fixed output microwave power of the klystron and increasing the efficiency of the flying klystrons.

Поставленная задача была решена разработкой способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, в котором с помощью последовательного воздействия на электронный поток ряда СВЧ-полей, расположенных по направлению потока и разделенных между собой пространствами дрейфа, осуществляют:The problem was solved by the development of a method for the formation of high energy density bunches in an electron stream formed by an electron source, in which, by successive exposure to the electron stream, a number of microwave fields located in the direction of the stream and separated by drift spaces carry out:

- формирование первоначальных сгустков электронов в потоке путем модулирования скорости электронов в потоке под воздействием входного СВЧ-поля указанного ряда СВЧ-полей;- the formation of the initial electron clusters in the stream by modulating the speed of the electrons in the stream under the influence of the input microwave field of the specified series of microwave fields;

- формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей для их последующего торможения с преобразованием энергии сгустков в СВЧ-энергию, путем последовательного модулирования плотности распределения электронов в сгустках под воздействием последующих после входного СВЧ-полей указанного ряда СВЧ-полей;- the formation of bunches to be finally grouped before they leave the indicated series of microwave fields for their subsequent braking with the conversion of the energy of the bunches into microwave energy by sequentially modulating the electron distribution density in the bunches under the influence of the following series of microwave fields following the input microwave fields ;

- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей,- the final grouping of electron bunches before they exit the specified series of microwave fields,

отличающегося тем, что:characterized in that:

- формирование сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей, осуществляют путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных сгустках и в ядрах сгустков с помощью пропускания потока, содержащего сгустки электронов, через каскад СВЧ-полей, размещенный в указанном ряду СВЧ-полей перед полями окончательного группирования сгустков, содержащий по меньшей мере одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, включающую СВЧ-поля, обеспечивающие последовательно:- the formation of bunches to be finally grouped before they leave the indicated series of microwave fields is carried out by stepwise modulating the speed and density of the distribution of electrons in the indicated electron beam, in the formed bunches and in the nuclei of the bunches by transmitting a stream containing electron bunches through the microwave cascade -fields, placed in the indicated row of microwave fields in front of the fields of the final bunching, containing at least one multiresonator stage of electron of clumps of high energy density, characterized by oscillations of the space charge of their nucleus, including microwave fields, providing sequentially:

- образование ядра сгустка за счет группирования электронов в центральной части потока под воздействием по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;- the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the stream under the influence of at least one microwave field having a frequency higher than the frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields;

- увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала;- an increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core under the influence of a microwave field having a frequency below the double frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields, but above the frequency of the main signal;

- разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре сгустка и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов под воздействием СВЧ-поля, имеющего частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей;- ungrouping the bunch core by reducing the electron density in the bunch core and reducing the scatter of the longitudinal components of the electron velocity under the influence of a microwave field having a frequency below the frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields;

- окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда СВЧ-полей осуществляют за счет повышения плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, под воздействием на сгустки по меньшей мере одного СВЧ-поля, имеющего частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей.- the final grouping of electron bunches before they leave the indicated series of microwave fields is carried out by increasing the space charge density of the nuclei of high-density electron bunches formed in the indicated cascade and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus under the influence of at least one microwave field having a frequency above the frequency of the main signal of the passband of the specified series of microwave fields.

При этом согласно изобретению возможно использовать каскад СВЧ-полей, содержащий по меньшей мере в одной многорезонаторной ступени формирования сгустков перед выходом из нее дополнительное СВЧ-поле, обеспечивающее дополнительное увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка и имеющее частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала.Moreover, according to the invention, it is possible to use a cascade of microwave fields containing at least one multiresonator stage of clot formation before exiting it from an additional microwave field, providing an additional increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core and having a frequency lower double frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields, but higher than the frequency of the main signal.

При этом согласно изобретению целесообразно в многорезонаторной ступени формирования сгустка частоты СВЧ-полей выбирать в следующих диапазонах:Moreover, according to the invention, it is advisable to select in the following ranges in the multi-cavity stage of the formation of a bunch of frequencies of microwave fields

- частоты ƒ₁ СВЧ-полей выше частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей выбирать в диапазоне 0,95 ƒ₀<ƒ₁<1,3 ƒ₀;- frequencies ƒ _{1 of} microwave fields above frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the indicated series of microwave fields, select in the range of 0.95 ƒ ₀ <ƒ ₁ <1.3 ƒ ₀ ;

- частоту ƒ₂ СВЧ-полей ниже двойной частоты 2,0 ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей, но выше частоты основного сигнала выбирать в диапазоне 1,5 ƒ₀<ƒ₂<2,0 ƒ₀;- a frequency of СВ ₂ microwave fields below the double frequency of 2.0 ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified series of microwave fields, but above the frequency of the main signal, select in the range of 1.5 ƒ ₀ <ƒ ₂ <2.0 ƒ ₀ ;

- частоту ƒ₃ СВЧ-поля ниже частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания указанного ряда СВЧ-полей выбирать в диапазоне 0,7 f₀<ƒ₃<f₀.- frequency ƒ ₃ microwave fields below frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified series of microwave fields, select in the range 0.7 f ₀ <ƒ ₃ <f ₀ .

Поставленная задача была также решена созданием пролетного клистрона, обеспечивающего реализацию указанного выше способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке и содержащего:The problem was also solved by the creation of a flying klystron, which provides the implementation of the above method of forming clots of high energy density in the electron beam and containing:

- источник электронов, обеспечивающий формирование потока электронов;- a source of electrons, providing the formation of a stream of electrons;

- ряд резонаторов СВЧ-полей, последовательно расположенных по направлению потока электронов и разделенных между собой пространствами дрейфа, включающий:- a number of microwave field resonators sequentially located in the direction of the electron flow and separated by drift spaces, including:

- входной резонатор, настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков электронов в электронном потоке;- an input resonator tuned to a frequency close to the frequency of the main signal of the klystron passband, providing initial modulation of the electrons in speed to form the initial electron bunches in the electron beam;

- многорезонаторную систему формирования электронных сгустков, подлежащих окончательному группированию перед их выходом из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей;- a multi-cavity system for the formation of electron bunches to be finally grouped before they leave the indicated series of microwave cavity resonators;

- предвыходную резонаторную систему, обеспечивающую окончательное группирование электронных сгустков перед их выходом из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей,- pre-output resonator system, providing the final grouping of electron bunches before they exit the specified series of resonators of microwave fields,

- выходной резонатор, обеспечивающий торможение электронных сгустков, сформированных в многорезонаторной системе формирования электронных сгустков, и содержащий систему преобразования их энергии в СВЧ-энергию;- an output resonator that provides braking of electron bunches formed in a multi-resonator system for the formation of electron bunches, and containing a system for converting their energy into microwave energy;

- коллектор для сбора электронов после их выхода из указанного ряда резонаторов СВЧ-полей, отличающегося тем, что:- a collector for collecting electrons after they exit the specified series of resonators of microwave fields, characterized in that:

- многорезонаторная система выполнена в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, обеспечивающих формирование электронных сгустков высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке, в образованных электронных сгустках и в ядрах сгустков, размещенного в указанном ряду резонаторов СВЧ-полей перед предвыходной резонаторной системой и включающего по меньшей мере одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, содержащую:- the multi-resonator system is made in the form of a cascade of microwave field resonators, providing the formation of electron clusters of high energy density by stepwise modulating the speed and density of the distribution of electrons in the indicated electron stream, in the formed electron clusters and in the nuclei of the bunches placed in the indicated series of microwave resonators in front of pre-output resonator system and comprising at least one multi-cavity stage of formation of electron clots of high energy density, arakterizuyuschihsya space-charge oscillations their nuclei, comprising:

- по меньшей мере один резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;- at least one microwave field resonator tuned to a frequency above the frequency of the main signal of the klystron passband, providing the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the electron stream;

- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;- a microwave cavity resonator tuned to a frequency below the double frequency of the main signal of the klystron passband, but higher than the frequency of the main signal, providing an increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core;

- резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов;- a microwave cavity resonator tuned to a frequency below the frequency of the main signal of the klystron passband, which ensures the ungrouping of the bunch core due to a decrease in the electron density in the nucleus and a decrease in the scatter of the longitudinal components of the electron velocity;

- предвыходная резонаторная система содержит по меньшей мере один резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.- the pre-output resonator system contains at least one microwave field resonator tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the klystron passband, which provides an increase in the space charge density of the nuclei of high-density electron bunches formed in the indicated cascade and characterized by oscillations of the space charge of their core.

При этом согласно изобретению в указанном каскаде резонаторов СВЧ-полей по меньшей мере одна многорезонаторная ступень формирования сгустков может содержать перед выходом из ступени дополнительный резонатор СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, и обеспечивающий дополнительное увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка.Moreover, according to the invention, in said cascade of microwave field resonators, at least one multi-cavity clot forming stage may comprise, before leaving the stage, an additional microwave field resonator tuned to a frequency below the double frequency of the main signal of the klystron passband, but higher than the frequency of the main signal, and providing an additional increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы многорезонаторная ступень формирования сгустка содержала резонаторы СВЧ-полей, настроенные на частоты, выбранные в следующих диапазонах:Moreover, according to the invention, it is advisable that the multiresonator stage of clot formation contains microwave field resonators tuned to frequencies selected in the following ranges:

- частоту ƒ₁ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту выше_частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, в диапазоне 0,95 ƒ₀<ƒ₁<1,3 ƒ₀;- frequency ƒ ₁ tuning resonators of microwave fields having a frequency higher than frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, in the range of 0.95 ƒ ₀ <ƒ ₁ <1.3 ƒ ₀ ;

- частоту ƒ₂ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту ниже двойной частоты 2,0 ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, в диапазоне 1,5 ƒ₀<ƒ₂<2,0 ƒ₀;- frequency ƒ ₂ tuning of resonators of microwave fields having a frequency below the double frequency of 2.0 ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, but higher than the frequency of the main signal, in the range of 1.5 ƒ ₀ <ƒ ₂ <2.0 ƒ ₀ ;

- частоту ƒ₃ настройки резонаторов СВЧ-полей, имеющих частоту ниже частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, выбирают в диапазоне 0,7 ƒ₀<ƒ₃<ƒ₀.- frequency ƒ ₃ tuning resonators of microwave fields having a frequency below frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, is selected in the range of 0.7 ƒ ₀ <ƒ ₃ <ƒ ₀ .

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется примерами осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению, реализованному в пролетном клистроне согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых представлены:The invention is further illustrated by examples of the method for forming high energy density clots in an electron beam according to the invention, implemented in a fly-through klystron according to the invention, and the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 - изображение фазовых траекторий электронов в каналах микроволновой трубки с модуляцией скоростей предгруппирователем и резонатором второй гармоники согласно прототипу;FIG. 1 - image of the phase trajectories of electrons in the channels of the microwave tube with speed modulation pregroup and resonator of the second harmonic according to the prototype;

Фиг. 2, 3 - конструктивные схемы пролетного клистрона согласно изобретению, содержащего каскад резонаторов СВЧ-полей, включающий одну многорезонаторную ступень формирования электронных сгустков согласно изобретению в двух вариантах ее выполнения;FIG. 2, 3 are structural diagrams of a fly-through klystron according to the invention, comprising a cascade of microwave resonators, including one multi-cavity stage of formation of electron clots according to the invention in two versions of its implementation;

Фиг. 4 - изображение фазовых траекторий электронов по тракту пролетного клистрона согласно изобретению.FIG. 4 is an image of phase trajectories of electrons along the path of a flying klystron according to the invention.

При этом приведенные примеры осуществления способа формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению и пролетного клистрона согласно изобретению не являются исчерпывающими, не выходят за рамки формулы изобретения и не ограничивают возможности реализации изобретения.Moreover, the examples of the method for the formation of clots of high energy density according to the invention and the flying klystron according to the invention are not exhaustive, do not go beyond the scope of the claims and do not limit the possibility of implementing the invention.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке согласно изобретению может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, выполненных в различных конструктивных вариантах, содержащих различные варианты многорезонаторных рядов с различными вариантами каскадов и многорезонаторных ступеней в зависимости от первеанса луча клистрона и требуемой длины пространства взаимодействия и эффективности.The method of forming clots of high energy density in the electron beam according to the invention can be implemented in flyby klystrons according to the invention, made in various design options, containing different versions of the multi-cavity series with different types of cascades and multi-cavity stages depending on the perveance of the klystron beam and the desired length of the interaction space and effectiveness.

Авторами были подвергнуты исследованиям способы формирования сгустков высокой плотности энергии, реализованные в пролетных клистронах S-диапазона с выходной импульсной мощностью 6 МВт в вариантах их выполнения 1 и 1а согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.The authors studied the methods of forming high-energy-density clots implemented in S-range fly-by-rail klystrons with an output pulse power of 6 MW in embodiments 1 and 1a according to the invention, the structural schemes of which are shown in FIG. 2 and 3.

Как показано на Фиг. 2, 3, пролетные клистроны 1 и 1а согласно изобретению содержали размещенные последовательно: источник 2 электронов, обеспечивающий формирование потока 3 электронов; многорезонаторный ряд 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3), содержащие разделенные между собой пространствами дрейфа 5 резонаторы СВЧ-полей, последовательно расположенные по направлению потока 3 электронов и обеспечивающие формирование электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, и их торможение с преобразованием их энергии в СВЧ-энергию, и коллектор 6 для сбора электронов после их выхода из указанного многорезонаторного ряда 4 или 4а.As shown in FIG. 2, 3, the flying klystrons 1 and 1a according to the invention contained arranged sequentially: a source of 2 electrons, providing the formation of a stream of 3 electrons; multiresonator row 4 (Fig. 2) or 4a (Fig. 3), containing microwave field resonators separated by drift spaces 5, sequentially located in the direction of electron flux 3 and providing the formation of electron bunches 3b of high energy density, characterized by oscillations of their space charge nuclei, and their inhibition with the conversion of their energy into microwave energy, and a collector 6 for collecting electrons after they exit the specified multi-cavity series 4 or 4a.

При этом многорезонаторные ряды 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) содержали:Moreover, the multi-cavity rows 4 (Fig. 2) or 4a (Fig. 3) contained:

- входной резонатор 7 (Фиг. 2, 3), настроенный на частоту, близкую к частоте основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, обеспечивающий подвод энергии и начальное модулирование электронов по скорости для формирования первоначальных сгустков 3а электронов в электронном потоке 3;- input resonator 7 (Fig. 2, 3) tuned to a frequency close to the frequency of the main signal of the passband of klystron 1 or 1a, providing energy input and initial modulation of electrons in speed to form the initial electron bunches 3a in the electron beam 3;

- одну многорезонаторную систему СВЧ-полей, выполненную в виде одного каскада 8 (Фиг. 2) или в виде одного каскада 8а (Фиг. 3) резонаторов СВЧ-полей, размещенных, соответственно, в указанном ряду 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) для формирования электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, перед предвыходной резонаторной системой;- one multi-resonator system of microwave fields, made in the form of a single cascade 8 (Fig. 2) or in the form of a single cascade 8a (Fig. 3) of microwave resonators placed, respectively, in the indicated row 4 (Fig. 2) or 4a (Fig. 3) for the formation of electron bunches 3b of high energy density, characterized by oscillations of the space charge of their nucleus, in front of the output resonator system;

- предвыходные резонаторные системы 9 (Фиг. 2) или 9а (Фиг. 3), содержащие, один резонатор 10 СВЧ-поля (Фиг. 2) или два резонатора 10 СВЧ-поля (Фиг. 3), настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а, соответственно, обеспечивающую повышение плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, сформированных в указанном каскаде 8 или 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра, путем окончательного группирования электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, полученных из указанного каскада 8 или 8а перед их выходом, соответственно, из указанного многорезонаторного ряда 4 (Фиг. 2) или 4а (Фиг. 3) резонаторов СВЧ-полей;- pre-output resonator systems 9 (Fig. 2) or 9a (Fig. 3), containing one microwave field resonator 10 (Fig. 2) or two microwave field resonators 10 (Fig. 3) tuned to a frequency higher than the fundamental frequency the signal of the passband of the klystron 1 or 1a, respectively, providing an increase in the space charge density of the nuclei of high-density electron bunches 3b formed in the indicated cascade 8 or 8a and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus by final grouping of high-density electron bunches 3b lots of energy obtained from the indicated cascade 8 or 8a before they exit, respectively, from the indicated multi-cavity series 4 (Fig. 2) or 4a (Fig. 3) of microwave resonators;

- выходной резонатор 11 (Фиг. 2, 3), обеспечивающий торможение указанных электронных сгустков 3b высокой плотности энергии, полученных из предвыходной резонаторной системы 9, и имеющий систему отвода и преобразования энергии указанных сгустков в СВЧ-энергию.- output resonator 11 (Fig. 2, 3), which provides braking of the indicated electron bunches 3b of high energy density obtained from the pre-output resonator system 9, and having a system for removing and converting the energy of these bunches into microwave energy.

При этом указанный каскад 8 (Фиг. 2) включал в себя одну многорезонаторную ступень 12 формирования сгустков электронов 3b высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке 3, в образованных электронных сгустках 3b и в их ядрах, которая содержала:Moreover, the indicated cascade 8 (Fig. 2) included one multi-cavity stage 12 of forming high-energy density electron bunches 3b by stepwise modulating the speed and distribution density of electrons in said electron beam 3, in the formed electron bunches 3b and in their nuclei, which contained :

- один резонатор 13 СВЧ-поля, настроенный на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;- one microwave field resonator 13 tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the klystron passband, ensuring the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the electron stream;

- резонатор 14 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;- a microwave field resonator 14 tuned to a frequency below the double frequency of the main signal of the klystron passband, but higher than the frequency of the main signal, providing an increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core;

- резонатор 15 СВЧ-поля, настроенный на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов.- a microwave field resonator 15 tuned to a frequency below the frequency of the main signal of the klystron passband, which ensures the ungrouping of the bunch core due to a decrease in the electron density in the nucleus and a decrease in the scatter of the longitudinal components of the electron velocity.

Согласно изобретению, указанный каскад 8а (Фиг. 3) включал в себя одну многорезонаторную ступень 12а формирования сгустков электронов 3b высокой плотности энергии путем ступенчатого модулирования скорости и плотности распределения электронов в указанном электронном потоке 3, в образованных электронных сгустках 3b и в их ядрах, которая содержала:According to the invention, said cascade 8a (Fig. 3) included one multi-resonator stage 12a of forming high electron energy density bunches 3b by stepwise modulating the speed and distribution density of electrons in said electron beam 3, in the formed electron bunches 3b and in their nuclei, which contained:

- два резонатора 13 СВЧ-поля, настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, обеспечивающих образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов;- two resonators 13 microwave fields tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the klystron passband, ensuring the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the electron stream;

Многорезонаторная ступень 12а (Фиг. 3) также содержала дополнительный резонатор 16 СВЧ-поля, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков 3b, сформированных в каскаде 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.The multi-cavity stage 12a (Fig. 3) also contained an additional microwave field resonator 16, which provides an increase in the space charge density of the nuclei of electron bunches 3b formed in cascade 8a and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus.

При этом многорезонаторный ряд 4 (Фиг. 2) клистрона 1 содержал предвыходную резонаторную систему 9 (Фиг. 2), включающую один указанный резонатор 10, а многорезонаторный ряд 4а (Фиг. 3) клистрона 1а содержал предвыходную резонаторную систему 9а (Фиг. 3), включающую два указанных резонатора 10 СВЧ-поля, настроенных на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 или 1а.In this case, the multi-resonator row 4 (Fig. 2) of the klystron 1 contained a pre-exit resonator system 9 (Fig. 2), including one specified resonator 10, and the multi-cavity row 4a (Fig. 3) of the klystron 1a contained a pre-output resonator system 9a (Fig. 3) comprising two of these microwave cavity resonators 10 tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the klystron passband 1 or 1a.

Авторами был исследован способ формирования сгустков высокой плотности энергии согласно изобретению, реализованный в пролетных клистронах 1 и 1а согласно изобретению, конструктивные схемы которых представлены на Фиг. 2 и 3.The authors investigated the method of forming high energy density clots according to the invention, implemented in flyby klystrons 1 and 1a according to the invention, the structural schemes of which are shown in FIG. 2 and 3.

Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетных клистронов 1 (Фиг. 2) и 1а (Фиг. 3) согласно изобретению был осуществлен следующим образом.The method of forming clots of high energy density in the electron beam of passing klystrons 1 (Fig. 2) and 1a (Fig. 3) according to the invention was carried out as follows.

С помощью источника 2 электронов, в качестве которого использовали термоэлектронный катод, генерировали электронный поток 3 и направляли его во входной резонатор 7 СВЧ-поля многорезонаторного ряда 4 или 4а.Using a source of 2 electrons, which was used as a thermionic cathode, an electron beam 3 was generated and sent to the input cavity 7 of the microwave field of the multi-cavity series 4 or 4a.

При поступлении входного сигнала СВЧ-поля через ввод энергии во входной резонатор 7 взаимодействие электронного потока 3 с СВЧ-полем приводило к модуляции потока 3 электронов по скорости, в результате которой в пространстве дрейфа 5 после входного резонатора 7 происходила первоначальная группировка электронов потока 3 в электронные сгустки 3а по плотности, появлялась высокочастотная переменная составляющая конвекционного тока электронов.When the input signal of the microwave field through the energy input to the input resonator 7, the interaction of the electron beam 3 with the microwave field led to the modulation of the electron flow 3 in speed, as a result of which in the drift space 5 after the input resonator 7 the initial grouping of the electrons of the stream 3 into electronic clumps 3a in density, a high-frequency alternating component of the convection current of electrons appeared.

Затем электронный поток 3а поступал в многорезонаторную ступень 12 формирования электронных сгустков (Фиг. 2) указанного каскада 8 или в многорезонаторную ступень 12а каскаде 8а (Фиг. 3), в которых обеспечивали ступенчатое повышение плотности пространственного заряда электронных сгустков 3а с помощью воздействия резонаторов СВЧ-полей указанных каскадов 8 или 8а СВЧ-полей, вызывающих колебания пространственного заряда их ядра, с постепенным сбором периферийных электронов в образующиеся сгустки 3b.Then, the electron flux 3a entered the multicavity stage 12 of forming electron clots (Fig. 2) of the indicated cascade 8 or the multicavity stage 12a of cascade 8a (Fig. 3), which provided a stepwise increase in the space charge density of electron clumps 3a by the action of microwave resonators fields of these cascades 8 or 8a of microwave fields, causing oscillations of the space charge of their nucleus, with the gradual collection of peripheral electrons in the resulting clumps 3b.

По мере продвижения электронов и первоначальных сгустков 3а в многорезонаторной ступени 12 или 12а, через каналы последовательно размещенных резонаторов 13, группирующих ядро сгустка, резонатора 14, собирающего периферийные электроны в ядро, развивались колебательные процессы в ядрах сгустков, и в резонаторе 15, разгруппирующем ядро сгустков, выравнивалась неоднородность группировки центральных и периферийных электронов сгустка, связанная с синусоидальным воздействием на электроны СВЧ-полей в резонаторах 13 и 14.As electrons and the initial bunches 3a move in the multi-cavity stage 12 or 12a, through the channels of sequentially placed resonators 13 grouping the bunch nucleus, the resonator 14 collecting the peripheral electrons into the nucleus, oscillatory processes developed in the bunch nuclei, and in the resonator 15, which ungroups the bunch bunch , the heterogeneity of the grouping of the central and peripheral electrons of the bunch, related to the sinusoidal action of the microwave fields on the electrons in the resonators 13 and 14, was leveled.

В связи с тем, что электроны ядра сгустков в резонаторе 15 под воздействием сил обратного знака, и ускоренные в группирующих резонаторах 13 электроны попадали в тормозящую фазу СВЧ-поля резонатора 15, а замедленные электроны попадали в ускоряющую фазу СВЧ-поля резонатора 15, то при прохождении через резонатор 15 электроны ядра сгустка совершали колебательные движения, сначала приближаясь к центру сгустка, а потом удаляясь от него.Due to the fact that the electrons of the bunch nucleus in the resonator 15 under the influence of forces of the opposite sign, and the electrons accelerated in the grouping resonators 13 fell into the braking phase of the microwave field of the resonator 15, and the slowed-down electrons fell into the accelerating phase of the microwave field of the resonator 15, then passing through the resonator 15, the electrons of the bunch nucleus made oscillatory movements, first approaching the center of the bunch, and then moving away from it.

Для получения эффекта изменения фазы СВЧ-поля тормозящей фазы вначале, до появления центра сгустка в резонаторе 15, и последующей ускоряющей фазы - фазы обратного знака, выходной резонатор 11 настраивали на частоту ниже частоты основного сигнала полосы пропускания клистронов.To obtain the effect of changing the phase of the microwave field of the inhibitory phase, first, before the appearance of the center of the bunch in the resonator 15, and the subsequent accelerating phase, the phase of the opposite sign, the output resonator 11 was tuned to a frequency below the frequency of the main signal of the klystron passband.

После обеспечения колебательного процесса ядра в емкостных зазорах резонаторов 13, 14, 15 со сбором периферийных электронов проводили окончательную группировку электронов в двух группирующих резонаторах 10, настроенных на частоту ƒ₅ выше частоты ƒ₀ основного сигнала.After providing the oscillatory process of the nucleus in the capacitive gaps of the resonators 13, 14, 15 with the collection of peripheral electrons, the final grouping of electrons was carried out in two grouping resonators 10 tuned to a frequency of ƒ ₅ above the frequency of ƒ _{0 of the} main signal.

Так осуществляли вынужденное с помощью внешних сил колебание ядра сгустка, что позволило на короткой длине тракта ступеней 12 и 12а собрать периферийные электроны в сгусток, не разрушив при этом само ядро сгустка. Во время этого колебательного процесса периферийные электроны монотонно приближались к центру сгустка.Thus, the bunch core was forced to oscillate with the help of external forces, which made it possible to collect peripheral electrons into a bunch over a short path length of steps 12 and 12a without destroying the bunch core itself. During this oscillatory process, the peripheral electrons monotonously approached the center of the bunch.

При наличии в многорезонаторной ступени 12а дополнительного резонатора 16 СВЧ-поля, обеспечили повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков 3b, сформированных в каскаде 8а и характеризующихся колебаниями пространственного заряда их ядра.In the presence of an additional microwave field resonator 16 in the multi-cavity stage 12a, an increase in the density of space charges of the nuclei of electron bunches 3b formed in cascade 8a and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus is provided.

Возможность достижения заявленного технического результата была подтверждена экспериментальными данными работы пролетных клистронов S-диапазона ВТ258 с выходной импульсной мощностью 6,0 МВт, содержащих в многорезонаторном ряду согласно изобретению девять резонаторов, схема расположения которых представлена на Фиг. 3: входной резонатор 7 начальной модуляции электронов; резонаторы многорезонаторной ступени согласно изобретению, обеспечивающие колебания ядра сгустка: два резонатора 13 образования ядра сгустка, резонатор 14 сбора электронов в ядро сгустка, резонатор 15 разгруппирования ядра сгустка, резонатор 16 повышения плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков; два резонатора 10 повышения плотности пространственного заряда ядер электронных сгустков высокой плотности энергии, выходной резонатор 11, обеспечивающий торможение указанных электронных сгустков 3b высокой плотности энергии.The possibility of achieving the claimed technical result was confirmed by the experimental data of the operation of S-band transit klystrons of VT258 with an output pulse power of 6.0 MW, containing nine resonators in the multi-cavity series according to the invention, the arrangement of which is shown in FIG. 3: input resonator 7 of initial electron modulation; resonators of the multiresonator stage according to the invention, providing vibrations of the bunch core: two bunch formation core resonators 13, a bunch collection electron resonator 14, a bunch core ungroup cavity resonator 15, an electron bunch bunch space density increasing cavity 16; two resonators 10 for increasing the space charge density of the nuclei of high-energy density electron bunches, an output resonator 11 for braking said high-density electron bunches 3b.

Работа пролетного клистрона 1а, содержащего каскад 8а со ступенью 12а, проиллюстрирована изображением на Фиг. 4 фазовых траекторий электронов в каналах резонаторного блока ступени 12а, где Т - время, Т_o - период колебаний СВЧ-поля, Z - продольная координата, при этом показаны области траекторий электронов:The operation of the flying klystron 1a comprising a cascade 8a with a stage 12a is illustrated by the image in FIG. 4 phase trajectories of electrons in the channels of the resonator block of stage 12a, where T is time, T _o is the period of oscillation of the microwave field, Z is the longitudinal coordinate, while the areas of electron trajectories are shown:

- емкостной зазор А входного резонатора 7, настроенного на частоту, близкую к частоте ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, в котором происходит начальная модуляция электронов;- capacitive gap A of the input resonator 7 tuned to a frequency close to the frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the klystron 1a, in which the initial modulation of the electrons occurs;

- емкостной зазор В двух резонаторов 13, настроенных на частоту ƒ₁ выше частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, обеспечивающих образование ядра сгустка за счет группирования электронов центральной части потока электронов, сопровождающееся ростом пространственного заряда ядра сгустка;- capacitive gap B of two resonators 13 tuned to a frequency of ƒ ₁ above a frequency of ƒ _{0 of the} main signal of the klystron 1a passband, ensuring the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the electron flow, accompanied by an increase in the space charge of the bunch core;

- емкостной зазор С резонатора 14, настроенного на частоту ƒ₂ ниже двойной частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1 а, но выше частоты ƒ₀ основного сигнала: ƒ₀<ƒ₄<2,0 ƒ₀, обеспечивающий увеличение количества электронов в ядре сгустка за счет направления периферийных электронов к ядру сгустка;- capacitive gap C of the resonator 14 tuned to a frequency of ƒ ₂ below the double frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband 1 a, but above the frequency ƒ _{0 of the} main signal: ƒ ₀ <ƒ ₄ <2.0 ƒ ₀ , providing an increase in the number of electrons in bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core;

- емкостной зазор D резонатора 15, настроенного на частоту ƒ₃ ниже частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, обеспечивающий разгруппирование ядра сгустка за счет уменьшения плотности электронов в ядре и уменьшения разброса продольных компонент скорости электронов;- capacitive gap D of the resonator 15 tuned to a frequency of ƒ ₃ below a frequency of ƒ _{0 of the} main signal of the klystron 1a passband, which ensures the ungrouping of the bunch core due to a decrease in the electron density in the nucleus and a decrease in the spread of the longitudinal components of the electron velocity;

- емкостной зазор F дополнительного резонатора 16 СВЧ-поля, настроенного на частоту ƒ₄ ниже двойной частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а, но выше частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона: ƒ₀<ƒ₄<2,0 ƒ₀, обеспечивающий повышение плотности пространственных зарядов ядер электронных сгустков за счет увеличение количества электронов в ядре сгустка при направлении периферийных электронов к ядру сгустка;- capacitive gap F of the additional cavity 16 of the microwave field tuned to a frequency of ƒ ₄ below the double frequency of the main signal of the klystron passband 1a, but above the frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband: ƒ ₀ <ƒ ₄ <2.0 ƒ ₀ , which ensures an increase in the density of space charges of the nuclei of electron bunches due to an increase in the number of electrons in the nucleus of the bunch in the direction of peripheral electrons to the nucleus of the bunch;

- емкостной зазор Е двух резонаторов 10 предвыходной резонаторной системы 9а, настроенных на частоту ƒ₅ выше частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона 1а.- capacitive gap E of two resonators 10 of the pre-output resonator system 9a tuned to a frequency of ƒ ₅ above a frequency of основного _{0 of the} main signal of the passband of the klystron 1a.

При этом на Фиг. 4 показана область К ядра сгустка.Moreover, in FIG. 4 shows the region K of the nucleus of the clot.

Из Фиг. 4 фазовых траекторий электронов следует, что в зазорах резонаторов 13 (зазор В на Фиг. 4) происходит подготовка плотности ядра сгустка, в зазорах резонаторов 14, 15 и 16 (зазоры С, D, F на Фиг. 4) производится вынужденное колебание плотности пространственного заряда ядра сгустка, в зазорах резонаторов 10 (Е на фиг. 4) - повышение плотности пространственного заряда сгустка.From FIG. 4 phase trajectories of electrons it follows that in the gaps of the resonators 13 (gap B in Fig. 4), the density of the bunch core is prepared, in the gaps of the resonators 14, 15 and 16 (gaps C, D, F in Fig. 4) a forced oscillation of the spatial density the charge of the bunch core, in the gaps of the resonators 10 (E in Fig. 4), an increase in the space charge density of the bunch.

Таким образом, с помощью способа согласно изобретению формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке пролетного клистрона согласно изобретению были обеспечены процессы вынужденных колебаний электронов ядра сгустка, что позволило увеличить плотность пространственного заряда сгустка, наиболее полно собрать электроны потока в сгусток, уменьшить количество «вредных» (с точки зрения взаимодействия с ВЧ-полем выходного резонатора) электронов «антисгустка» и таким образом повысить эффективность преобразования кинетической энергии электронов в ВЧ-энергию в выходном устройстве пролетного клистрона.Thus, using the method according to the invention for the formation of clots of high energy density in the electron flow of the flying klystron according to the invention, processes of forced oscillations of the electrons of the bunch nucleus were ensured, which made it possible to increase the space charge density of the bunch, most fully collect the flow electrons into the bunch, and reduce the number of (from the point of view of interaction with the RF field of the output resonator) of the electrons of the “anti-clot” and thus increase the efficiency of kin transformation cal energy of the electrons in the high-frequency energy in the output device klystron.

В результате проведенных исследований авторами были также найдены предпочтительные диапазоны частот настройки резонаторов СВЧ-полей, используемых в пролетных клистронах согласно изобретению, а именно:As a result of the research, the authors also found the preferred frequency ranges of tuning resonators of the microwave fields used in flyby klystrons according to the invention, namely:

- частота входных резонаторов 7 СВЧ-поля - близкая к частоте ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания указанного клистрона;- the frequency of the input resonators 7 of the microwave field is close to the frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified klystron;

- частота ƒ₁ настройки резонаторов 13 СВЧ-полей, имеющих частоту выше частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, - в диапазоне 0,95 ƒ₀<ƒ₁<1,3 ƒ₀;- setting the frequency ƒ ₁ resonators 13 microwave field having a frequency above the frequency ƒ ₀ main signal bandwidth of the klystron, - in the range 0.95 ₀ ƒ <ƒ ₁ <1.3 ƒ _0;

- частота ƒ₂ настройки резонаторов 14 и 16 СВЧ-полей, имеющих частоту ниже двойной частоты 2,0 ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, но выше частоты основного сигнала, - в диапазоне 1,5 ƒ₀<ƒ₂<2,0 ƒ₀;- frequency ƒ ₂ tuning of the resonators 14 and 16 microwave fields having a frequency below the double frequency 2.0 ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, but higher than the frequency of the main signal, in the range of 1.5 ƒ ₀ <ƒ ₂ <2.0 ƒ ₀ ;

- частота ƒ₃ настройки резонаторов 15 СВЧ-полей, имеющих частоту ниже частоты ƒ₀ основного сигнала полосы пропускания клистрона, - в диапазоне 0,7 ƒ₀<ƒ₃<ƒ₀.- frequency ƒ ₃ tuning of resonators 15 microwave fields having a frequency below frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, - in the range of 0.7 ƒ ₀ <ƒ ₃ <ƒ ₀ .

На примере работы известного клистрона марки КИУ-168 производства ФГУП «НПП «Торий», по конструкции близкого к прототипу - микроволновой трубке, использующей для повышения КПД гармонический предгруппирователь, содержащий один резонатор второй гармоники (US, 3811065, А), и содержащего 6 резонаторов: 5 резонаторов первой гармоники и один резонатор второй гармоники, причем все резонаторы первой гармоники настроены на частоту выше частоты основного сигнала полосы пропускания клистрона, и работы пролетного клистрона согласно изобретению было установлено, что в пролетном клистроне согласно изобретению, содержащем многорезонаторную систему в виде каскада резонаторов СВЧ-полей, включающего многорезонаторную ступень согласно изобретению, содержащую два резонатора 13 и резонаторы 14-16 (Фиг. 3), КПД был увеличен с 42% до 64,5%.By the example of the work of the famous KIU-168 brand klystron manufactured by FSUE NPP Toriy, the design is close to the prototype — a microwave tube that uses a harmonic pregroup containing one second harmonic resonator (US, 3811065, A) to increase the efficiency and containing 6 resonators : 5 resonators of the first harmonic and one resonator of the second harmonic, with all the resonators of the first harmonic tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the klystron passband, and the flyby klystron according to the invention was set up It is stated that in the flyover klystron according to the invention, containing a multi-cavity system in the form of a cascade of microwave resonators, including a multi-cavity stage according to the invention, containing two resonators 13 and resonators 14-16 (Fig. 3), the efficiency was increased from 42% to 64, 5%.

Повышение КПД по сравнению с клистроном марки КИУ-168 (близкого к прототипу) позволило в 1,5 раза снизить рабочий ток прибора (с 300 до 200 А) и при сохранении рабочего напряжения 50 кВ сократить в 1,5 раза количество потребляемой энергии.The increase in efficiency compared to the KIU-168 brand klystron (close to the prototype) made it possible to reduce the operating current of the device by 1.5 times (from 300 to 200 A) and, while maintaining an operating voltage of 50 kV, reduce the amount of energy consumed by 1.5 times.

Способ формирования сгустков высокой плотности энергии в электронном потоке, образованном источником электронов, согласно изобретению, может быть реализован в пролетных клистронах согласно изобретению, с использованием известных технологических приемов, материалов и оборудования, и может найти широкое применение в сфере источников СВЧ-энергии в ускорителях медицинского применения, в ускорителях для карго сканнеров, мощных радарах, устройствах для передачи энергии.The method of forming high energy density bunches in an electron stream formed by an electron source according to the invention can be implemented in flyby klystrons according to the invention using known techniques, materials and equipment, and can be widely used in the field of microwave energy sources in medical accelerators applications in accelerators for cargo scanners, powerful radars, devices for energy transfer.

Claims

1. The method of forming clots of high energy density in an electron beam formed by an electron source, in which, by exposing the electron beam to a series of microwave fields, successively located in the direction of the stream and separated by drift spaces, they carry out:

- the formation of the initial electron clusters in the stream by modulating the speed of the electrons in the stream under the influence of the input microwave field of the specified series of microwave fields;

- the formation in the stream after the input microwave field of electron clusters to be finally grouped before they leave the specified series of microwave fields for their subsequent braking with the conversion of the energy of the clusters into microwave energy by sequentially modulating the electron distribution density in the clusters under the influence of the specified series of microwave Fields

- the final grouping of electron bunches before they exit the specified series of microwave fields,

characterized in that:

- the formation of bunches to be finally grouped before they leave the indicated series of microwave fields is carried out by stepwise modulating the speed and density of the distribution of electrons in the indicated electron beam, in the formed bunches and in the nuclei of the bunches by transmitting a stream containing electron bunches through the microwave cascade -fields, placed in the indicated row of microwave fields in front of the fields of the final bunching, containing at least one multiresonator stage of electron of clumps of high energy density, characterized by oscillations of the space charge of their nucleus, including microwave fields, providing sequentially:

- the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the stream under the influence of at least one microwave field having a frequency higher than the frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields;

- an increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core under the influence of a microwave field having a frequency below the double frequency of the main signal of the passband of the specified series of microwave fields, but higher than the frequency of the main signal of the passband of the specified series of microwave fields;

- ungrouping the bunch core by reducing the electron density in the bunch core and reducing the scatter of the longitudinal components of the electron velocity under the influence of a microwave field having a frequency below the frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields;

- the final grouping of electron bunches before they leave the indicated series of microwave fields is carried out by increasing the space charge density of the nuclei of high-density electron bunches formed in the indicated cascade and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus under the influence of at least one microwave field having a frequency above the frequency of the main signal of the passband of the specified series of microwave fields.

2. The method according to p. 1, characterized in that in the multi-cavity stage of forming a bunch of frequencies of microwave fields is selected in the following ranges:

- the frequency ƒ ₁ microwave fields above the frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified series of microwave fields is selected in the range of 0.95 ƒ ₀ <ƒ ₁ <1.3 ƒ ₀ ;

- the frequency of СВ ₂ microwave fields below the double frequency of 2.0 ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified series of microwave fields, but above the frequency of the main signal is selected in the range of 1.5 ƒ ₀ <ƒ ₂ <2.0 ƒ ₀ ;

- the frequency ƒ ₃ microwave fields below the frequency ƒ _{0 of the} main signal of the passband of the specified series of microwave fields is selected in the range of 0.7 f ₀ <ƒ ₃ <f ₀ .

3. The method according to p. 1, characterized in that they use a cascade of microwave fields containing at least one multicavity stage of clot formation before exiting from it an additional microwave field, providing an additional increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core and having a frequency below the double frequency of the main signal of the passband of the indicated series of microwave fields, but higher than the frequency of the main signal.

4. Fly klystron containing:

- a source of electrons, providing the formation of a stream of electrons;

- a number of microwave field resonators sequentially located in the direction of the electron flow and separated by drift spaces, including:

- an input resonator tuned to a frequency close to the frequency of the main signal of the klystron passband, providing initial modulation of the electrons in speed to form electron clusters in the electron beam;

- a multi-cavity system that provides the formation of electron bunches that are subject to final grouping before they leave the indicated series of microwave cavity resonators;

- pre-output resonator system, providing the final grouping of electron bunches before they exit the specified series of resonators of microwave fields,

- an output resonator providing braking of electron bunches formed in a multi-resonator system for forming electron bunches, comprising a system for converting their energy into microwave energy;

- a collector for collecting electrons after they exit the specified series of resonators of microwave fields,

characterized in that:

- the multi-resonator system is made in the form of a cascade of microwave field resonators, providing the formation of electron clusters of high energy density by stepwise modulating the speed and density of the distribution of electrons in the indicated electron stream, in the formed electron clusters and in the nuclei of the bunches placed in the indicated series of microwave resonators in front of pre-output resonator system and including at least one multiresonator stage of formation of electron bunches characterized by oscillations s of the space charge of the nucleus comprising:

- at least one microwave field resonator tuned to a frequency above the frequency of the main signal of the klystron passband, providing the formation of a bunch core due to the grouping of electrons in the central part of the electron stream;

- a microwave cavity resonator tuned to a frequency below the double frequency of the main signal of the passband, but higher than the frequency of the main signal of the klystron, providing an increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core;

- a microwave cavity resonator tuned to a frequency below the frequency of the main signal of the klystron passband, which ensures the ungrouping of the bunch core due to a decrease in the electron density in the nucleus and a decrease in the scatter of the longitudinal components of the electron velocity;

- the pre-output resonator system contains at least one microwave field resonator tuned to a frequency higher than the frequency of the main signal of the space charge nuclei of electron bunches formed in the indicated cascade and characterized by oscillations of the space charge of their nucleus.

5. The fly-through klystron according to claim 4, characterized in that in said cascade of microwave cavity resonators, at least one multi-cavity clot forming stage comprises an additional microwave field resonator tuned to a frequency lower than the double frequency of the main signal of the klystron passband before leaving the stage , but higher than the frequency of the main signal and providing an additional increase in the number of electrons in the bunch core due to the direction of peripheral electrons to the bunch core.

6. The flyover klystron according to claim 4, characterized in that the multiresonator clot formation stage contains microwave field resonators tuned to frequencies selected in the following ranges:

- frequency ƒ ₁ tuning resonators of microwave fields having a frequency above frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, is selected in the range of 0.95 ƒ ₀ <ƒ ₁ <1.3 ƒ ₀ ;

- frequency ƒ ₂ settings of the resonators of microwave fields having a frequency below the double frequency of 2.0 ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, but above the frequency of the main signal is selected in the range of 1.5 ƒ ₀ <ƒ ₂ <2.0 ƒ ₀ ;

- frequency ƒ ₃ tuning resonators of microwave fields having a frequency below frequency ƒ _{0 of the} main signal of the klystron passband, is selected in the range of 0.7 ƒ ₀ <ƒ ₃ <ƒ ₀ .