автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и разработка широкополосных многолучевых клистронов с выходной средней мощностью более 10 кВт и низковольтным управлением на пространственно-развитых резонаторах в средней части сантиметрового диапазона длин волн

Экз.№

На правах рукописи

ЮНАКОВ Алексей Николаевич

УДК.621.385.624

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ С ВЫХОДНОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТЬЮ БОЛЕЕ 10 КВТ И НИЗКОВОЛЬТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НА ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗВИТЫХ РЕЗОНАТОРАХ В СРЕДНЕ Й ЧАСТИ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Специальность 05.27.02 «Вакуумная и плазменная электроника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Фрязино 2011 г.

4856209

Диссертация выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Исток», г. Фрязино Московской обл.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Путнин Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Прокофьев Борис Владимирович

кандидат физико-математических наук Галдецкий Анатолий Васильевич

Ведущая организация: ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический

завод» г. Москва

Защита состоится 15 марта 2011 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 409.001.01 при ФГУП «НПП Исток» по адресу: 141120, г. Фрязино Московской обл., ул. Вокзальная, 2а, Большой конференцзал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НПП «Исток» Автореферат разослан 7 февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Погорелова Э. В.

Актуальность проблемы: Мощные широкополосные многолучевые клистроны (МЛК) нашли широкое применение в выходном каскаде усиления передатчиков мощных радиолокационных станций (РЛС) различного назначения. К современным клистронам для РЛС предъявляются ряд требований. Выходная импульсная мощность должна быть порядка сотен киловатт при уровне средней мощности не менее 10 кВт. Широкая полоса рабочих частот клистрона позволяет увеличить помехозащищенность станции и должна составлять несколько единиц процентов от центральной частоты. Большое значение имеет также величина питающих напряжений клистрона, уменьшение которых позволяет создавать более компактные передатчики.

В современных радиолокационных устройствах все более желательной является работа посылкой, состоящей из пачки очень коротких СВЧ импульсов, что позволяет получить высокую разрешающую способность, как по дальности, так и по скорости при одном коротком облучении. Высокая частота повторения импульсов исключает использование клистронов с анодной модуляцией и клистронов с модулирующим анодом, вследствие увеличения потребляемой мощности и габаритов модуляторов (пропорциональных и]^). Таким образом, в клистронах для мощных РЛС требуется применение специального управляющего электрода (сетки). Наличие такого электрода в клистроне, постоянно находящегося под высоким электрическим потенциалом, приводит к увеличению возможности возникновения пробоев между электродами. Обеспечение электрической прочности является одной из главных задач создания мощных широкополосных клистронов. Работа при больших длительностях импульса (до 1 миллисекунды) также является необходимым требованием к клистронам для мощных РЛС.

Таким образом, к клистронам, используемым в мощных РЛС, предъявляются следующие основные требования:

выходная средняя мощность более 10 кВт,

выходная импульсная мощность более 100 кВт,

рабочая полоса частот от 2 % до 6 % и более,

минимальное напряжение катода, управление по низковольтному электроду,

высокая электрическая прочность (минимальное количество пробоев в межэлектродных промежутках),

работа клистрона при длительностях импульса от десятых долей микросекунды до миллисекунды.

МЖ во многом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СВЧ источникам дня мощных РЛС. В СССР первые конструкции многолучевых клистронов были созданы в 60-е и 70-е годы благодаря работам С.А. Зусмановского, C.B. Королева и др. В дальнейшем на отечественных предприятиях "Исток" (г. Фрязино), "Торий" (г. Москва), "Светлана" (г. Санкт-Петербург), "Контакт" (г. Саратов) и других было создано большое количество МЖ с резонаторами, как на основном, так и на высших видах колебаний. Примерно с 1990-х годов за рубежом также активно развивалось направление многолучевых клистронов. Однако, исходя из имеющихся публикаций, к настоящему времени за рубежом не достигнут комплекс параметров MJIK для РЛС, соответствующий разработкам в РФ.

Таким образом, к началу 2000-х годов было разработано большое количество МЛК разного уровня мощности, в том числе и мощных широкополосных клистронов для РЛС. В большинстве случаев в разработанных широкополосных клистронах использовались резонаторы тороидального типа. Известно, что в средней части сантиметрового диапазона длин волн параметры клистронов с тороидальными резонаторами (выходная импульсная и средняя мощность, коэффициент усиления и полоса) ограничены из-за невозможности увеличения диаметра пролетной трубы более половины длины волны. В связи с этим в средней части сантиметрового диапазона длин волн возникает необходимость в использовании других типов резонаторов с увеличенными по сравнению с тороидальным типом размерами - пространственно-развитых резонаторов. К таким резонаторам следует относить резонаторы, развитые в поперечном относительно электронного луча направлении: резонаторы кольцевого типа, резонаторы на высших видах колебаний (кольцевого и тороидального типов), резонаторы, впервые предложенные для использования с ленточными пучками, так называемые резонаторы линейного типа, а также резонаторы, развитые в продольном относительно электронного луча направлении: многозазорные (в частности, двухзазорные) резонаторы.

Применение пространственно - развитых резонаторов известно

достаточно давно. Их использование позволяет увеличить число лучей по сравнению с тороидальными резонаторами на основном виде колебаний. Применение резонаторов на высших видах колебаний к тому же дает дополнительную свободу выбора количества многолучевых пролетных труб. В связи с этим представляет интерес исследование и сравнение электродинамических параметров различных резонаторов, используемых в мощных широкополосных МЛК.

Применение выходных двухзазорных тороидальных резонаторов в МЛК в средней части сантиметрового диапазона длин с уровнем средней выходной мощности порядка 10 кВт не известно.

Таким образом, к началу выполнения работы не были определены принципы построения мощных широкополосных многолучевых клистронов для РЛС с уровнем средней выходной мощности порядка 10 кВт и выходной импульсной мощности в сотни киловатт на пространственно-развитых резонаторах, в частности, не определены критерии выбора конкретного типа резонатора, а также не проведено сравнения параметров резонаторных систем на пространственно-развитых резонаторах.

Целью диссертационной работы явилось исследование резонаторных систем на пространственно-развитых резонаторах в средней части сантиметрового диапазона длин волн, направленных на определение конструктивных решений, позволяющих обеспечить максимальный комплекс выходных параметров мощных широкополосных клистронов и разработка, на основе этих исследований, МЛК для мощных РЛС.

Основные задачи исследований:

- определение взаимосвязей между конструкцией резонаторной системы, электронно-оптической системы и выходными параметрами клистронов;

- исследование электродинамических параметров и конструктивных особенностей различных типов резонаторов (тороидальных, кольцевых, линейных);

исследование характеристик и определение оптимальных конструкций резонаторов на высших видах колебаний с многолучевыми пролетными трубами;

выбор базовой конструкции мощного многолучевого широкополосного клистрона на основе резонаторов на втором виде

колебаний с многолучевой пролетной трубой;

- исследование электромагнитных полей и определение принципов конструирования линейных резонаторов с целью обеспечения равномерного распределения электрического поля в парциальных пролетных каналах резонатора;

- исследование путей увеличения рабочей полосы частот выходной секции, в том числе исследование возможности применения выходного двухзазорного резонатора в широкополосных клистронах с уровнем средней выходной мощности более 10 кВт.

Научная новизна работы:

1. Исследованы электродинамические характеристики различных типов резонаторов (тороидального, кольцевого и линейного) с одинаковым числом пролетных каналов и расстоянием между центрами каналов. Определено, что характеристическое сопротивление резонаторов при одинаковом числе пролетных каналов и одинаковом расстоянии между центрами каналов практически не зависит от типа резонатора.

2. Исследовано распределение электрического поля в пролетных каналах многолучевого линейного резонатора. На основе проведенных исследований автором предложена, защищенная патентом РФ, конструкция многолучевого линейного резонатора, в которой повышена равномерность распределения электрического поля в зазорах взаимодействия парциальных пролетных каналов.

3. Исследованы электродинамические характеристики резонаторов на высших видах колебаний с одинаковым числом пролетных каналов, а также параметры клистронов, построенных на основе этих резонаторов. Определено, что в МЛК с резонаторами на высших видах колебаний и многолучевыми пролетными трубами, при одинаковом общем числе лучей с увеличением вида колебаний КПД клистронов и характеристическое сопротивление резонаторов падает.

4. Исследованы резонаторная и электронно-оптические системы клистрона с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201. На основе расчетных и экспериментальных данных определена оптимальная конструкция резонаторной системы с активными резонаторами на втором виде колебаний. Определено, что в мощных широкополосных клистронах комплекс выходных параметров, требуемый для мощных РЛС (выходная

средняя мощность более 10 кВт, импульсная 200 - 600 кВт, максимальная длительность импульсов сотни микросекунд, полоса рабочих частот до 6 %) в средней части сантиметрового диапазона длин волн обеспечивается выбором активных резонаторов с рабочим типом колебаний Н201 и диаметром пролетной трубы (0,4-Ю,45)^, где X - длина волны. Показаны пути выравнивания электрического поля в зазорах взаимодействия входного и выходного резонаторов. Также определены принципы построения выходной фильтровой системы с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201. Данная конструкция защищена патентом РФ № 2244980.

5. Исследована возможность применения выходного двухзазорного резонатора в клистронах в средней части сантиметрового диапазона длин волн с выходной средней мощностью порядка 10 кВт и импульсной - сотни киловатт. Определено, что в двухзазорном резонаторе с большим диаметром пролетной трубы главным ограничивающим фактором для увеличения полосы является возбуждение паразитных колебаний. Увеличить разделение частот видов колебаний в двухзазорном резонаторе, нагруженном на выходную систему, позволяет уменьшение диаметра пролетной трубы менее 0,42Х. На основе расчетных и экспериментальных данных определена конструкция центральной перемычки двухзазорного резонатора, позволяющая изменять разделение частот между видами колебаний.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В многолучевых клистронах с выходной средней мощностью более 10 кВт, импульсной мощностью 200-600 кВт и длительностью импульса сотни микросекунд увеличение полосы рабочих частот до 6 % в средней части сантиметрового диапазона достигается применением активных резонаторов на втором виде колебаний, в которых высокое характеристическое сопротивление достигается выбором многолучевых пролетных труб с диаметром 0,4 -г- 0,45 от длины волны.

2. В мощных широкополосных клистронах с резонаторами на втором виде колебаний и многолучевыми пролетными трубами повышение КПД до 40 % достигается увеличением напряжения на ВЧ зазоре путем применения 4-хрезонаторной выходной системы, в которой для выравнивания электрического поля в пролетных каналах активный резонатор содержит две щели связи, смещенные к пролетным трубам.

3. В мощных клистронах с выходной средней мощностью более 10 кВт, импульсной мощностью 100-200 кВт полоса рабочих частот (6 - 7) % достигается применением двухзазорного выходного резонатора, в котором увеличение разделения частот рабочего синфазного вида колебаний и нерабочих противофазных (низкочастотного и высокочастотного) видов колебаний обеспечивается выбором диаметра пролетной трубы менее 0,42 от длины волны.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных исследований были использованы в двух опытно-конструкторских работах, а также при разработке 3 типов клистронов, проведенных в ФГУП «НПП «Исток». В целом, в результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, решена поставленная в данной диссертационной работе задача современной вакуумной СВЧ электроники - создание мощных широкополосных многолучевых клистронов на пространственно-развитых резонаторах в средней части сантиметрового диапазона длин волн, используемых в мощных РЛС.

В результате выполнения этих работ созданы опытные образцы 5-ти типов мощных широкополосных многолучевых клистронов для РЛС в диапазоне длин волн от 4 до 5,5 ГГц. Из них клистрон «Амарант» разработан в обеспечение ОКР «ВВО-АП» и предназначен для работы в качестве оконечного усилителя мощности в передающем устройстве РЛС 96Л6-АП. Клистрон «Вакуум» разработан в рамках ОКР целью, которой являлась разработка технологии производства вакуумных СВЧ приборов с повышенными электрическими характеристиками и долговечностью для модернизации существующих и разработки перспективных ЗРС и РЛС С-400 «Триумфатор», модернизируемых С-300 ПМУ «Фаворит», перспективных РЛС, систем «Зоопарк», «Аистенок», «Клинок», «Кредо», «Монумент» и др.

Апробация работы: Основные теоретические выводы и практические результаты работы доложены и обсуждены на 6-ти конференциях, по теме диссертации опубликовано 6 статей, получено 3 патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 90 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 12 таблиц,

а также титульный лист, оглавление на 3 страницах, список литературы на 5 страницах (52 наименования). Общий объем диссертации составляет 170 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении приведены результаты анализа требований, предъявляемых к параметрам клистронов, необходимых для современных мощных РЛС. На основе литературных данных проанализирован достигнутый уровень параметров мощных широкополосных СВЧ приборов разработанных как в России, так и за рубежом. С привлечением этого анализа обоснован выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен анализ различных типов резонаторов. На примере тороидального резонатора рассмотрены факторы, ограничивающие увеличение характеристического сопротивления за счет уменьшения диаметра пролетной трубы. Показано, что увеличение характеристического сопротивления резонаторов в средней части сантиметрового диапазона, а, следовательно, увеличение КПД, коэффициента усиления и рабочей полосы частот приводит к ухудшению одного или нескольких из параметров клистрона: увеличению плотности тока с катода (уменьшение срока службы), ухудшению электропрочности, уменьшению подводимой мощности и, соответственно, выходной мощности, увеличению тепловых нагрузок, а также возможно к ухудшению токопрохождения.

Автором предложена конструкция линейного резонатора, в которой центральные ряды пролетных каналов, расположены на участках резонаторов с наименьшей высотой резонатора, а расположенные по обе стороны от центральных рядов последующие ряды пролетных каналов размещены на участках активных резонаторов с большими высотами (рис. 1). Данная конструкция позволяет улучшить равномерность электрического поля резонатора в зазорах взаимодействия парциальных пролетных каналов, а также по сравнению с раннее известными способами повышения равномерности электрического поля упрощает конструкцию резонатора.

Рис. 1. Схематическое изображение 12-ти лучевого линейного резонатора

В диссертации проведен сравнительный анализ трех типов резонаторов: тороидального, кольцевого и линейного. Приведено сравнение электродинамических параметров (характеристическое сопротивление, неравномерность сопротивлений в пролетных каналах и разделение резонансных частот низших видов колебаний) в резонаторах с одинаковым числом лучей и расстоянием между центрами каналов.

По результатам анализа различных типов резонаторов определено:

- в резонаторах разной конструкции при одинаковом числе лучей и одинаковом расстоянии между пролетными каналами характеристические сопротивления резонаторов примерно равны и с точки зрения величины характеристических сопротивлений нет предпочтений в выборе какого-либо типа резонатора;

- резонаторы линейного и кольцевого типов имеют небольшое разделение частот между основным и вторым видами колебаний, что может накладывать ограничения на работу клистрона в широкой полосе частот.

Проведены исследования различных вариантов конструкций резонаторных систем на высших видах колебаний с многолучевыми пролетными трубами и построенных на их основе многолучевых клистронов в средней части сантиметрового диапазона длин волн. Исследования проводились для двух диапазонов - 5,5 и 10 ГТц. Для каждого диапазона частот суммарное количество лучей в резонаторе и расстояние между центрами пролетных каналов сохранялись одинаковыми. Изменялись число пролетных труб в резонаторе и число лучей в трубах. На основе

выполненных исследований сделан вывод о том, что при сохранении электропрочности, свойств теплорассеяния резонаторов и при близком количестве лучей, с увеличением числа ячеек (числа пролетных труб) КПД клистронов падает. Это связано с уменьшением характеристического сопротивления резонаторов.

Проведенные исследования характеристик резонаторов на высшем виде колебаний базировались на основе анализа их электродинамических характеристик. Использование резонаторов на высших видах колебаний позволяет уменьшить удельные нагрузки на элементы конструкции и, как следствие, достигать больших уровней средней подводимой мощности. Таким образом, получение максимального комплекса выходных параметров обусловлено оптимальным сочетанием числа труб и количества лучей, которые можно разместить в резонаторной ячейке без существенной потери величины характеристического сопротивления.

В главе 2 проведены исследование и создание базовой конструкции клистрона с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201 (на втором виде колебаний).

Определен оптимальный диаметр многолучевой пролетной трубы в резонаторах на втором виде колебаний. Показано, что в клистронах с резонаторами на втором виде колебаний с диаметром пролетной трубы равным половине длины волны невозможно получение высокого КПД и коэффициента усиления в широкой полосе частот. Расчетно-экспериментальным путем определено, что в широкополосных МЛК с активными резонаторами на втором виде колебаний требуемый для мощных РЛС комплекс выходных параметров (выходная средняя мощность более 10 кВт, импульсная 200 - 600 кВт, максимальная длительность импульсов сотни микросекунд, полоса рабочих частот до 6 %) достигается при выборе диаметра пролетной трубы в диапазоне 0,4 -г 0,45 от длины волны. Конкретное значение диаметра пролётной трубы прибора выбирается из указанного интервала значений с учётом наиболее плотной упаковки каналов в пролётной трубе, которая в свою очередь выбирается исходя из диаметров и количества пролетных каналов, а также из заданной рабочей частоты.

Проведены исследования выходных систем клистронов с резонаторами

на втором виде колебаний, в том числе четырехсвязных выходных систем. Определены принципы конструирования фильтровой системы, заключающиеся в следующем: для равномерной нагрузки пролетных труб активного резонатора с рабочим типом колебаний Н201 его связь с пассивным резонатором должна осуществляться через две щели, расположенные напротив каждой из пролетных труб. Первый пассивный резонатор также должен иметь рабочий тип колебаний Нмь Рабочим типом колебаний второго пассивного резонатора может быть тип НЮ1. При этом щель связь первого и второго пассивных резонаторов должна быть смещена относительно оси первого пассивного резонатора.

Показано, что в широкополосных МЛК при работе выходного резонатора в перенагруженном режиме (напряжение на зазоре выходного резонатора меньше, чем напряжение катода) переход с 3-х на 4-хсвязную выходную систему позволяет увеличить выходную мощность на величину до 10 %. Также отмечено, что с увеличением числа резонаторов и связей между ними значительно возрастает трудоемкость настройки 4-хсвязной системы по сравнению с 3-хсвязной системой. В связи с этим широкое применение 4-хсвязных систем может быть ограниченно из-за большой трудоемкости настройки таких систем.

Проведены исследования неравномерностей распределения электрического поля в зазорах взаимодействия резонаторов с рабочим типом колебаний Н2ом вызванных нагрузкой входного и выходного резонаторов (рис. 2).

Автором предложено в мощных широкополосных многолучевых клистронах с резонаторами с рабочим типом колебаний Н201 выравнивать электрическое поле в зазорах пролетных труб входного и выходного активных резонаторах путем использования резонаторов несимметричной формы, при которой расстояние Ы от стенки резонатора со щелями связи до пролётной трубы 2 -г- 2,5 раза меньше, чем расстояние Ь2 от противоположной стенки резонатора до пролётной трубы (рис. 2).

В главе 3 исследована возможность применения двухзазорного выходного резонатора в мощных широкополосных клистронах в средней части сантиметрового диапазона длин волн с выходной средней мощностью более 10 кВт.

2 - многолучевые пролетные трубы,

3 - щель связи активного резонатора с волноводом (или пассивным

резонатором),

4 - волновод (или пассивный резонатор),

5 - распределение электрического поля вдоль резонатора по оси г

Рис. 2. Схематический вид активного резонатора с рабочим типом колебаний Нгоь

нагруженного на волновод (пассивный резонатор)

Показано, что в двухзазорном резонаторе характеристическое сопротивление синфазного вида на 25-30 % большее сопротивления противофазного вида колебаний. К тому же при использовании пролетных труб с диаметром близким к половине длины волны равномерность электрического поля в пролетных каналах у синфазного вида колебаний значительно выше. Учитывая это, а также из-за проблемы с перегревом перемычки между зазорами в мощных широкополосных МЛК, предпочтительнее использовать синфазный вид колебаний. Проведенные для оценки токооседания на центральной перемычке двухзазорного выходного резонатора расчеты показали, что при начальном заполнении канала лучом равном 0,6 и 0,686 оседание на стенках каналов перемычки небольшое и составляет несколько единиц киловатт импульсной мощности. При начальном заполнении 0,8 на центральной перемычке двухзазорного резонатора осаждается пучок с импульсной мощностью порядка 47 кВт. Таким образом, определено, что при проектировании клистрона с двухзазорным выходным резонатором необходимо особое внимание

уделить электронно-оптической системе, которая должна обеспечивать заполнение канала хорошо сгруппированным электронным пучком на входе в выходной двухзазорный резонатор менее 0,7.

Расчетным путем определено, что в двухзазорном резонаторе с одной связью между зазорами разделение резонансных частот между низкочастотным противофазным и синфазным видами колебаний слабо зависит от диаметра пролетной трубы и составляет 12 + 18% от рабочей частоты. Разделение резонансных частот между синфазным и высокочастотным противофазным видами колебаний существенно зависит от диаметра пролетной трубы и составляет 45 4- 14,5 % от рабочей частоты. Причем, чем больше диаметр пролетной трубы, тем меньше разделение частот между видами (рис. 3).

8,5 8

? 7,5

= 7 л)

ё 6,5

§ 6

5 4,5

_

р ^

1

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 _отн. диаметр трубы

| —С—НЧ противофазный -^-синфазный -¡УВЧ противофазный |

Рис. 3. Зависимость частоты первых трех видов колебаний в двухзазорном резонаторе с одной связью между зазорами от диаметра пролетной трубы

В двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами разделение частот между низкочастотным противофазным и синфазным видами колебаний увеличивается до 22 + 24 %. Однако в таком резонаторе уменьшается разделение частот между синфазным и высокочастотным противофазным видами колебаний. При диаметре пролетной трубы равном 0,47 от длины волны частоты синфазного вида колебаний и высокочастотного противофазного вида колебаний совпадают (рис. 4).

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

_отн. диаметр трубы

1 -О-НЧ противофазный -^-синфазный -й-ВЧ противофазный |

Рис. 4. Зависимость частоты первых трех видов колебаний в двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами от диаметра пролетной трубы

Показано, что в двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами высокочастотный противофазный вид колебаний является (как и синфазный вид) резонансом типа Ни1 в коаксиальном резонаторе. Максимумы электрического поля этого вида колебаний находятся в районе связей между зазорами. Распределение напряженностей электрических полей синфазного и высокочастотного противофазного видов колебаний в двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами показано на рис. 5.

Указанные значения разделений частот синфазного и нерабочих видов колебаний определены без учета связи двухзазорного резонатора с фильтровой системой. В работе обсуждены различные варианты связи двухзазорного резонатора с первым пассивным резонатором. Показано, что для равномерной нагрузки обоих высокочастотных зазоров двухзазорный резонатор должен быть связан с пассивным резонатором (или выходным волноводом) щелью связи расположенной в области связи между зазорами.

Также определено, что такой способ вывода энергии нагружает синфазный вид колебаний, что приводит к уменьшению его частоты, при этом противофазные виды не связываются с выходным волноводом (или пассивным резонатором) и их частота не изменяется. Определено, что разделение частот между низкочастотным протифовазным и синфазным

- К111Я1ЯД I

ч чти«шиАШп '■чщпишшим

¿ЧИЧИткШЧШ'к*. ' <»i д»л i^^^kiLí^.^ г

'оиашшашши

...........

1 - пролетная труба,

2 - центральная перемычка,

3 - напряженность электрического поля

Рис. 5. Распределение напряженностей электрических полей в двухзазорном

резонаторе с двумя связями между зазорами а) синфазный вид, б) ВЧ противофазный вид

видами колебаний уменьшается на 300 + 400 МГц при нагрузке на выходную фильтровую систему с полосой 350 МГц. Таким образом, при введении нагрузки разделение частот между низкочастотным противофазным и синфазным видами колебаний в двухзазорном резонаторе с одной связью между зазорами уменьшается до 11% и до 24 % в двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами.

В работе рассмотрены различные пути увеличения разделений частот первых трех видов колебаний. Определено, что значительно увеличить разделение частот между синфазным и нерабочими видами колебаний можно только при уменьшении диаметра пролетной трубы. Показано, что

в двухзазорном резонаторе уменьшение диаметра пролетной трубы менее половины длины волны дает возможность применять конструкцию центральной перемычки различной формы. Проведенные исследования собственных частот в двухзазорном резонаторе показали, что применение различных конструкций центральной перемычки позволяет изменять разделение частот между рабочим синфазным и соседними видами колебаний. В двухзазорном резонаторе с диаметром пролетной трубы 0,42 от длины волны автором предложено изготавливать центральную перемычку с пазом в районе связи двухзазорного резонатора с первым пассивным резонатором и с выступом с противоположной стороны перемычки (рис. 6).

Окно связи двухзазорного

и паз

Проведены исследования разделения частот между первыми тремя видами колебаний при различных расстояниях между центрами ВЧ зазоров.

Известно, что каждому ускоряющему напряжению (напряжению катода) для обеспечения фазовых условий взаимодействия электронного потока с полем резонатора соответствует оптимальное расстояние между центрами ВЧ зазоров. С учетом этого, определено, что с увеличением напряжения катода за счет увеличения ширины центральной перемычки, при прочих равных условиях, разделение частот между первыми тремя видами колебаний уменьшается.

Экспериментально показана невозможность создания мощных широкополосных клистронов с одной и двумя связями между зазорами выходного активного резонатора с диаметров пролетной трубы близкой к половине длины волны. Также установлено, что введение поглотителя в двухзазорный резонатор не позволяет создавать клистроны с уровнем средней выходной мощности порядка 10 кВт.

Расчетно-экспериментальным путем определено, что в мощных клистронах с выходной средней мощностью более 10 кВт, импульсной мощностью 100-200 кВт полоса рабочих частот 6 - 7 % достигается применением двухзазорного выходного резонатора, в котором увеличение разделения частот рабочего синфазного вида колебаний и нерабочих противофазных (низкочастотного и высокочастотного) видов колебаний обеспечивается выбором диаметра пролетной трубы менее 0,42 от длины волны.

В главе 4 рассмотрены (созданные при участии автора в качестве заместителя главного конструктора) результаты разработки мощных широкополосных многолучевых клистронов на пространственно-развитых резонаторах.

Создан ряд мощных широкополосных клистронов на пространственно-развитых резонаторах. В клистронах использовались резонаторы на втором виде колебаний с многолучевыми пролетными трубами. На базе данной конструкции были созданы мощные - более 600 кВт импульсной выходной мощности и широкополосные - до 6 % клистроны. В таблице 1 приведены основные характеристики разработанных клистронов.

Созданные клистроны имеет схожую конструкцию. Основными узлами клистрона являются: резонаторная система, ввод и вывод энергии, электронная пушка, коллектор и электроразрядный насос. Резонаторная система включает в себя корпус с активными резонаторами, катодный

Таблица 1. Основные параметры разработанных клистронов

ПараметрШрибор | КФ-3-1К | КФ-3-1КМ | КФ-3-2КМ | Амарант | Вакуум

Электрические параметры

Рабочая длина волна, см 5,5 5,5 5,5 4 5,2

Рабочая полоса, МГц 175 350 200 180 250

Рвых. имп., кВт 170-300 170-300 450-700 90-150 200-300

Рвых. ср., Вт 11,1 11,1 12 15-25 11Д

Длительность импульса, МКС 1-512 1-512 1-150 1,6-500 1,6-500

Минимальный КПД, % 24 20 30 30 22

Напряжение луча, кВ 20-25 22-26 30-33 13-15 22-26

Напряжение модуляции, кВ 4,5-5,5 5-5,5 7-7,5 3,5-4,5 5-5,5

Конструктивные характеристики

Тип резонаторов НМь с многолучевыми пролетными трубами

Вид колебаний 2 2 2 2 2

Число лучей 30 30 30 30 30

Диаметр пролетной трубы, мм 22,5 22,5 22,5 20 22,5

Количество резонаторов 7 9 7 8 9

Масса, кг 28 32 28 30 32

и коллекторный полюса, систему охлаждения резонаторного блока, выходную систему и систему волноводов. Выходная система клистронов состоит из активного резонатора, работающего на втором виде колебаний и двух или трех пассивных резонаторов.

Для фокусировки электронных потоков в клистронах используется соленоид, который создает необходимое магнитное поле порядка 2000 Гс. Применение соленоида позволило добиться токопрохождения в статическом режиме 95-98 %, в динамическом режиме 85-96 %. Общий вид клистрона КФ-3-1К показан на рис. 7.

В работе также рассмотрены вопросы и обсуждены меры по обеспечению электрической прочности. Для достижения этой цели в конструкцию и технологию изготовления электронной пушки и прибора в целом заложен ряд решений.

Одной из основных мер по повышению электрической прочности в созданных клистронах явилось применение резонаторов на втором виде колебаний. Это позволило уменьшить напряженности электрического поля в межэлектродных промежутках за счет увеличения числа лучей, а также за счет снижения удельных тепловых нагрузок на элементы конструкции

Рис. 7. Общий вид клистрона КФ-3-1К

I

уменьшить локальные газовыделения, возникающие при работе в режиме длинного импульса.

Применение резонаторов на втором виде колебаний приводит к увеличению размеров катодно-подогревательного узла, а также мощности накала катода. Определено, что в процессе откачки и совмещенной термовакуумной обработки катода в приборе с мощным источником накала катода может происходить увеличение поверхностного газосодержания на 2-3 порядка относительно приборов с низкой тепловой нагрузкой пушки прибора. Прежде всего, это связано с локальным повышением температуры в области электронной пушки во время термовакуумной обработки катода. Показано, что для того, чтобы избавиться от "перегрева" катодной ножки обработку катода необходимо проводить при сниженной температуре на корпусе прибора, что позволяет значительно снизить газовыделение в процессе предварительной тренировки и, самое важное, в процессе динамических испытаний клистрона.

В работе исследована возможность тренировки клистронов импульсами наносекундной длительности. Показана эффективность тренировки комбинацией тренировки наносекундными импульсами и обычной тренировки методом разряда емкости через ограничительное сопротивление.

Отмечено, что кроме приведенных мер по увеличению электрической прочности в разработанных клистронах применены традиционные процессы

и конструктивные решения: улучшение чистоты поверхности электродов и степени их обезгаженности; уменьшение количества свободных частиц в объеме прибора; снижение окисления поверхностей деталей; повышение степени вакуума в приборе, уменьшение площади высоковольтных электродов, предварительная высоковольтная слаботочная тренировка.

В заключении подведены итоги диссертационной работы. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведено исследование взаимосвязей между конструкцией резонаторной системы, электронно-оптической системы и выходными параметрами клистрона. Рассмотрены факторы, ограничивающие увеличение характеристического сопротивления.

2. Предложен принцип конструирования линейного резонатора, позволяющий выравнивать электрическое поле в зазорах взаимодействия парциальных пролетных каналов резонатора.

3. Проведены исследования электродинамических характеристик тороидального, кольцевого и линейного типов резонаторов при одинаковом числе лучей и одинаковом расстоянии между центрами пролетных каналов. Определено, что характеристическое сопротивление резонаторов при одинаковом числе пролетных каналов и одинаковом расстоянии между центрами каналов практически не зависит от типа резонатора.

4. Проведен комплекс исследований МЛК с различными вариантами конструкций резонаторных систем на высших видах колебаний. Определено, что в мощных многолучевых широкополосных клистронах в средней части сантиметрового диапазона длин волн с резонаторами на высших типах волн и многолучевыми пролетными трубами, при одинаковом числе лучей с увеличением вида колебаний характеристическое сопротивление резонаторов и КПД клистронов падает.

5. На основе расчетных и экспериментальных данных определена конструкция резонаторной системы с активными резонаторами на втором виде колебаний. Определено, что в многолучевых клистронах с выходной средней мощностью более 10 кВт и импульсной 200-600 кВт полоса рабочих частот до 6 % достигается использованием активных резонаторов с рабочим типом колебаний Н201 с диаметром пролетной трубы (0,4-Ю,45)1, где X длина волны.

6. Предложены пути выравнивания электрического поля в зазорах взаимодействия входного и выходного резонаторов путем использования резонаторов несимметричной формы, при которой расстояние от стенки резонатора со щелями связи до пролётной трубы меньше, чем расстояние от противоположной стенки резонатора до пролётной трубы.

7. На основе расчётных и экспериментальных данных определены принципы построения выходной фильтровой системы с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201.

8. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены ограничения при использовании двухзазорного выходного резонатора с диаметром пролетной трубы порядка 0,5 от длины волны. Обнаружено наличие высокочастотного противофазного вида колебаний вблизи рабочего синфазного вида в двухзазорных резонаторах с диаметром пролетной трубы близким к половине длины волны. Предложены принципы конструирования мощных широкополосных клистронов с двухзазорным выходным резонатором.

9. Предложенные принципиальные и конструктивные решения были внедрены при разработке и последующем выпуске 5 типов мощных широкополосных МЛК на пространственно-развитых резонаторах.

Публикации по теме диссертации

1. Пугнин В.И., Юнаков А.Н., Мощные многолучевые клистроны. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 2003, № 1(481). с. 31-39.

2. Пугнин В.И., Юнаков А.Н., Проблемы создания мощных широкополосных многолучевых клистронов. // Радиотехника, 2, 2004, с. 17-21.

3. Корепин Г.Ф., Пугнин В.И., Юнаков А.Н., Определение источника газовыделения в процессе высоковольтной тренировки ЭВП, // Наукоемкие технологии, 5,2005, т.б, с.47 - 50.

4. Пугнин В.И., Юнаков А.Н. Мощные клистроны для радиолокации и научных исследований // Радиопромышленность, 2008, Вып. 2, стр. 116-122.

5. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП//Вакуумная техника и технология, 2,2010, т.Ю с.71-76.

6. В .П. Панов, A.A., Шишков, В.И. Юркин, В.П. Рыбачек, П.М. Мелешкевич, В.И. Пугнин, Е.А. Стройков, А.Н. Юнаков О создании приборов с большими углами пролета электронов // Вестник РГРТУ, №2, 2010г. с. 110-113

7. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Поверхностное газосодержание и термовакуумная обработка электронной пушки высоковольтных ЭВП // Материалы 12 научно- технической конференции «Вакуумная наука и техника», Судак, 2005. с 89-93.

8. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Вакуумная техника и технология - 2010", Санкт-Петербург, 2010г. с. 56.

9. В.И. Пугнин, А.Н. Юнаков, Т.Н. Бурдина, Многолучевой прибор О-типа. И Патент РФ № 2244980.

10. В.И. Пугнин, А.Н. Юнаков, СВЧ прибор О-типа. // Патент РФ № 2328053.

11. П.М. Мелешкевич, В.И. Пугнин, Е.А. Стройков, А.Н. Юнаков, В.П. Панов, A.A., Шишков, В.И. Юркин, В.П. Рыбачек Способ генерации СВЧ колебаний и устройство для его осуществления (варианты). // Патент РФ №2391739.

Подписано в печать 28.01.2011 Формат 60x80/16. Объем 1 усл.-печ. лист. Тираж 50 экз. ризограф ОАО «Исток Аудио Икгернэйшнл»

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ РЕЗОНАТОРОВ.

1.1 Основные проблемы разработки мощных широкополосных МЖ, работающих в средней части сантиметрового диапазона длин волн.

1.2 Исследование резонаторов линейного типа.

1.3 Сравнение параметров различных типов резонаторов.

1.4 Исследование резонаторных систем на высших видах колебаний с многолучевыми пролетными трубами.

1.4.1 Исследование параметров резонаторов на высших видах колебаний.

1.4.2 Исследование параметров клистронов с резонаторами на высших видах колебаний.

1.5 Выводы по главе 1.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ БАЗОВОЙ КОНСТРУКЦИИ КЛИСТРОНА С АКТИВНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ С РАБОЧИМ ТИПОМ КОЛЕБАНИЙ Н201.

2.1 Выбор диаметра пролетной трубы в активных резонаторах типаН201.

2.2 Исследование выходных систем клистрона с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201.

2.2.1 Четырехсвязная выходная система.

2.3 Уменьшение неравномерности поля во входном и выходном резонаторах на втором виде колебаний.

2.4 Выводы ПО главе 2.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХЗАЗОРНОГО ВЫХОДНОГО РЕЗОНАТОРА В MJIK С ВЫХОДНОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТЬЮ БОЛЕЕ 10 КВТ.

3.1 Исследования токооседания на центральной перемычке выходного двухзазорного резонатора.

3.2 Исследование видов колебаний в двухзазорном выходном резонаторе.

3.2.1 Исследование видов колебаний в ненагруженных двухзазорных резонаторах.

3.2.2 Исследование способов нагрузки двухзазорных резонаторов.

3.2.3 Исследование видов колебаний в нагруженных двухзазорных резонаторах различных конструкций с большим диаметром пролетной трубы.

3.2.4 Результаты теоретических исследований двухзазорного резонатора.

3.3 Экспериментальные исследования макетных образцов клистронов с двухзазорным выходным резонатором.

3.4 Выводы по главе 3.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗВИТЫХ РЕЗОНАТОРНЫХ СИСТЕМ.

4.1 Основные параметры клистронов, разработанных с ' , использованием проведенных исследований.

4.2 Конструкция и основные узлы созданных клистронов.

4.2.1 Резонаторная система, ввод и вывод энергии.

4.2.2 Коллектор клистрона.

4.2.3 Электронная пушка.

4.3 Проблемы обеспечения электрической прочности мощных многолучевых клистронов.

4.4 Выводы по главе 4.

Актуальность. Мощные многолучевые широкополосные клистроны нашли широкое применение в выходном каскаде усиления передатчиков мощных радиолокационных станциях различного назначения. Клистроны, используемые в таких РЛС, должны удовлетворять ряду требований.

Выходная мощность определяет максимальную дальность обнаружения целей и непременным требованием, является увеличение импульсной и средней выходной мощности клистронов.

Расширение полосы рабочих частот клистрона позволяет повысить электромагнитную совместимость станций, что особенно важно в условиях современных радиоэлектронных средств, насыщенных множеством электромагнитных излучателей. Поимпульсный переход от частоты к частоте в различных погодных условиях дает возможность оптимизации методов определения цели на максимальных расстояниях [1].

В современных радиолокационных устройствах все более желательной является работа посылкой, состоящей из пачки очень коротких СВЧ импульсов, что позволяет получить высокую разрешающую способность, как по дальности, так и по скорости при одном коротком облучении. Высокая частота повторения импульсов при использовании коротких импульсов приводит к увеличению мощности, потребляемой модулятором и определяемой по формуле:

Р -с-и1 -Б т потр МОД ПОВТ г V -1 У где С - емкость, на которую нагружен модулятор (емкость клистрона, монтажа и т.д.), имод - напряжение модуляции, Рповт - частота повторения импульсов.

Существует два вида модуляции электронного потока: анодная и. по управляющему электроду (низковольтное управление). Применения анодной модуляции предпочтительнее с точки зрения электропрочности. Однако, так как мощность перезаряда емкости зависит от напряжения- модуляции во второй степени, то данный режим работы не позволяет применять.анодную-модуляцию и приводит к необходимости применения низковольтного сеточного управления:

Использование низковольтного управления электронным потоком-приводит к необходимости применения управляющего электрода-в клистроне постоянно находящегося под высоким электрическим потенциалом. Это, а также работа при больших длительностях импульсов увеличивает возможность пробоя между электродами в электронной пушке: Обеспечение электрической прочности, является одной из, основных задач создания' МОЩНЫХ клистронов;

Использование импульсов с длительностью в сотни микросекунд (до миллисекунды)' приводит к большим импульсным мощностям, выделяемым на элементах конструкции. Это также накладывает определенные требования на конструкцию клистрона.

Использование клистронов в подвижной аппаратуре ограничивает максимальное напряжение катода.

Таким образом, к клистронам, используемым в мощных РЛС, предъявляются следующие основные требования: выходная средняя мощность более 10 кВт, выходная импульсная мощность более 100 киловатт, рабочая полоса частот от 2 % до 6 % и более, минимальное напряжение катода, управление по низковольтному электроду, высокая электрическая прочность (минимальное количество пробоев в межэлектродных промежутках), работа клистрона при различных длительностях импульса от десятых долей микросекунды до миллисекунд.

Многолучевые клистроны во многом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СВЧ источникам для мощных PJIC [2].

Идеи использования в клистронах одновременно нескольких электронных потоков высказывались давно, практически с момента появления первых клистронов. Так, в 1940-1941 г.г. В.Ф. Коваленко получил ряд авторских^ свидетельств на отражательные и пролетные клистроны и электронно-оптические системы к ним в которых разделение лучей обеспечивалось применением^ сеток [3,4,5]. Позднее, С.А. Зусмановским, С.С. Королевым и другими разработчиками был создан ряд многолучевых клистронов.

В 1967 г., впервые в мире, C.B. Королевым был создан первый промышленный многолучевой клистрон с резонаторами на основном виде колебаний. Его отличительными особенностями являлись: наличие общих пролетных труб с парциальными каналами и формирование всех лучей одним общим катодом. Таким образом, теоретически и практически была подтверждена идея о возможности уменьшения массы и габаритов МЛК по сравнению с аналогичными однолучевыми клистронами.

В дальнейшем на "Истоке" и других предприятиях было создано большое количество МЛК с резонаторами, как на основном, так и на высших видах колебаний.

За рубежом, в частности, в США в 60-х годах разрабатывались многолучевые клистроны на высшем виде колебаний резонаторов и многолучевые клистроны бегущей волны [6,7,8]. Затем эти работы были прекращены, о чем было заявлено в 1973 г. [9].

В 1980-е годы появились работы фирмы «Thomson-CSF» направленные на создание сверхмощного многолучевого клистрона [10].

С 1990-х годов после публикации в открытой печати результатов работ в «Истоке» по созданию многолучевых клистронов [11,12], появились сведения о возобновлении зарубежных разработок многолучевых клистронов. Однако, исходя; из имеющихся сообщений [13,14,15], к настоящему времени за рубежом не достигнут комплекс параметров в многолучевых клистронах для РЛС, соответствующий разработкам в РФ. Параметры некоторых мощных приборов созданных за рубежом приведены в таблице 1.

Многолучевые клистроны можно разделить, на два: типа: клистроны; с резонаторами на основном виде колебаний и клистроны с резонаторами на высших видах колебаний.

На рис. 1 схематически;изображена конструкция МЛК, работающего на основном; виде колебаний! резонатора. Резонаторы на^ основном; виде колебаний; — это резонаторы,: рабочим видом которых является низший; (основной) вид колебаний. В качестве резонаторов используются резонаторые тороидального и; кольцевого типов.

На рис. 2 схематическишзображена конструкция МЛК, работающего, на высшем виде колебаний. В резонаторам на высших видах колебаний укладывается N полуволн. В пучностях электрического поля резонатора устанавливаются N емкостных выступов (однолучевых или многолучевых), через которые проходят один или несколько электронных пучков; где они и взаимодействуют с полем. Традиционными и исторически- первыми были созданы МЛК на высшем виде с резонаторами кольцевого- типа. В резонаторах таких МЛК укладывалось 6 полуволн, и через каждый максимум электрического поля проходил один электронный пучок.

Позднее разрабатывались МЛК на высших видах колебаний, резонаторы которых представляют собой резонаторы типа Нп0т. Каждая, ячейка с типом колебаний Нцн (резонатор тороидального типа) такого резонатора может быть также однолучевой или многолучевой.

Таблица 1. Параметры широкополосных СВЧ приборов большой мощности, созданные за рубежом

Тип прибора £ГГц Af, % р А ВЫХ.ИМП.5 Р 1 ВЫХ.Ср.7 ^имп., КПД, % Ку, Цкат., 1кат.имп., Конструктивные кВт кВт МКС ДБ кВ А особенности

VTC-5763A2 ЛБВ, Varian, США 5,25-5,85 9,1 100 12 1000 47 42-45 13 ЛБВ наЦСР, напряжение на коллекторе 34 кВ

VTC-5764B ЛБВ, CPI, США 5,25-5,75 9,1 200 10 100 47 47-50 16 ЛБВ наЦСР

РТ6050 5,4-5-9 8,9 50 1 10 17 47 33 9 ЛБВ

ТН3103, Thomson tubes électroniques 5,4505,825 250 0,25 6 41 25 24 магнетрон

ТН2067А, Thaïes 5,710 5000 10 10 40 130 95 клистрон

Клистрон [14] S-band 13 500 12,5 28 42 41,6 18 лучей, тороидальные резонаторы

Клистрон [15] 3,2 2 600 5 40 30 45 30 8 лучей, тороидальные резонаторы

Рис. 1. Схематическое изображение а) многолучевого клистрона с резонаторами на основном виде колебаний: 1 - катод,

2- катодный полюс,

3 - резонаторы,

4 - пролетные трубы,

5 - коллекторный полюс,

6 - коллектор,

7 - вывод энергии,

8 - ввод энергии, резонатора многолучевого клистрона с резонаторами на основном виде колебаний и распределения электрического поля в резонаторе

Рис. 2. Схематическое изображение многолучевого клистрона с резонаторами на высшем виде колебаний

МЛК с резонаторами на основном виде колебаний являются-наиболее широкополосными. Однако, с уменьшением рабочей длины волны МЛК максимально возможный диаметр пролетной трубы, составляющий не более А./2, уменьшается, что приводит к увеличению напряженности, электрического поля в электронной ¡пушке, увеличению токоотбора с катода и перегреву элементов конструкции резонаторной системы. В' работе [2] показано, что требование обеспечения широкой полосы, большой выходной мощности и электропрочности носят противоречивый характер: Так, при' л рабочей длине волны, 3 см и плотности* тока с катода 15 А/см обеспечить полосу 200 МГц (2%) можно только" при относительно небольших подводимых импульсных мощностях 350.450 кВт при напряжениях 24.34 кВ соответственно. Также показано [2], что в средней части сантиметрового диапазона1 длин волн (3.5 см) максимальная< подводимая, мощность ограничена1 электрической прочностью, возможностью выполнения требований по »полосе и допустимой плотностью тока с катода.

Таким образом, при работе МЛК на основном виде колебаний в средней части сантиметрового диапазона длин волн появляются ограничения, связанные с максимальным диаметром пролетных труб [2].

В связи с этим в средней части сантиметрового диапазона длин волн возникает необходимость в использовании пространственно-развитых резонаторов. Термин пространственно-развитые резонаторы используется достаточно давно. К таким резонаторам следует относить резонаторы, развитые в поперечном относительно электронного луча направлении: резонаторы кольцевого типа, резонаторы на высших видах колебаний (кольцевого и тороидального типов) и резонаторы, впервые предложенные для использования с ленточными пучками, так называемые резонаторы линейного типа, а также резонаторы, развитые в продольном относительно электронного луча направлении: многозазорные (в частности, двухзазорные) резонаторы.

К пространсвенно-развитым резонаторам также можно: отнести; резонаторы,с увеличенной вдоль направления распространения электронного, потока областью взаимодействия. Проведенные исследования1 данных, резонаторов,- а также использование многолучевых конструкций* приборов^ позволило создать генераторы, с выходной- импульсной мощностью 100-200 кВт в средней части сантиметрового диапазона [16, 17].

Применение пространственно-развитых резонаторов, развитых в поперечном* относительно электронного луча! направлении, позволяет располагать! электронные: лучи на большем: друг от друга! расстоянии. Благодаря^ более благоприятным условиям теплорассеяния, имеющим место: при неплотном; расположении- электронных пучков;. МЯК на: пространственно-развитых: резонаторах, развитых в поперечном;; относительно электронного; луча« направлении позволяют увеличивать, выходную^ импульсную и среднюю мощность- по- сравнению с МЯК на« основном- виде: колебаний; Еще; одно: достоинство,' которое также: обусловлено- неплотным: расположением: пучков, заключается; в1, возможности; обеспечения большой; сходимости пучков в парциальных пушках, что позволяет "разгрузить" катоды. Как следствие, это ^повышает долговечность прибора;

Использование- многозазорных резонаторов позволяет увеличить рабочую полосу частот прибора (в отдельных случаях также увеличить. КПД прибора).

Применение пространственно-развитых резонаторов; в; качестве активных резонаторов клистронов известно. Уже в 1958 г. под руководством С.А. Зусмановского была выполнена НИР по созданию 6-ти лучевого мощного клистрона на кольцевых резонаторах. В 1974 году под руководством С.В. Королева был разработан клистрон, содержащий резонаторы на, высшем виде колебаний. В каждом резонаторе было расположено по две многолучевые пролетные трубы. Конструкцию таких клистронов можно назвать гибридной, в которой каждая отдельная ячейка, в виде тороидального резонатора, является многолучевой.

Позднее клистроны на1 пространственно-развитых резонаторах разрабатывались также на предприятиях "Исток", "Торий", "Светлана" и др. Эти клистроны имеют среднюю выходную мощность порядка 1-2 кВт [18]. На "Тории" был разработан ряд мощных клистронов с использованием кольцевых резонаторов.

В работе [19] представлены результаты разработки импульсного широкополосного и низковольтного усилительного клистрона 3-х сантиметрового диапазона длин волн. Данный прибор представляет собой конструкцию, в которой в единой вакуумной оболочке объединено два парциальных клистрона. Входные и выходные резонаторы каждого парциального клистрона в этой конструкции попарно связаны между собой и соединены с единым входом и выходом энергии, а промежуточные резонаторы группирователей работают только со своим клистроном без какой либо связи с соседним каналом. Использование данной конструкции позволило обеспечить выходные параметры (Рвых.имп:=15кВт, А£=5%) при относительно низком напряжении катода: 6,5-7 кВ. Известно также о разработке клистрона в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн с уровнем выходной импульсной мощности порядка 50 кВт в полосе рабочих частот 5% [18]. Предполагалось, что в данном клистроне будут использованы кольцевые резонаторы.

Работа [20] посвящена исследованию возможности создания мощных и сверхмощных клистронов. В работе рассматривается проект клистрона с выходной мощностью 250 кВт в непрерывном или квазинепрерывном режиме на частоте 2,45 ГГц. В предлагаемой конструкции многолучевого многопотокового клистрона содержится 8 параллельно расположенных пролетных труб, каждая из которых является многолучевой и содержит 8 электронных лучей. Предполагается, помимо связи по входу и выходу, на уровне третьих резонаторов связать все восемь потоков с помощью кольцевого резонатора на основном виде колебаний. В рассматриваемом в работе случае суммирование мощности происходит в выходном кольцевом резонаторе.

Известны также и другие разработки клистронов на пространственно-развитых резонаторах.

Таким образом, использование пространственно-развитых резонаторов (в частности, резонаторов на высших видах колебаний) является перспективным направлением в развитии СВЧ техники и позволяет достигать сложных комплексов выходных параметров при работе в средней части сантиметрового диапазона длин волн.

Применение пространственно-развитых резонаторов позволяет достигать требуемой подводимой мощности при использовании различных конструкций активных резонаторов отличающихся типом резонаторов и видами колебаний. В связи с этим при создании многолучевых клистронов на пространственно-развитых резонаторах возникает необходимость в выборе типа резонаторов, а в случае использования резонаторов на высших видах колебаний выбор вида колебаний и числа лучей в каждой отдельной ячейке. К тому же при выборе конструкции резонаторной системы необходимо учитывать ограничения связанные с работой клистрона при больших уровнях импульсной и средней мощности.

К началу выполнения работы не были определены принципы построения мощных широкополосных клистронов для РЛС на пространственно-развитых резонаторах, в частности, не определены критерии выбора конкретного типа резонатора, а также не проведено сравнения параметров резонаторных систем на пространственно-развитых резонаторах.

Таким образом, перед автором диссертации стояла задача исследования характеристик пространственно-развитых резонаторов, выработки принципов построения оптимальных конструкций таких резонаторов и создание на их основе мощных многолучевых широкополосных клистронов в средней части сантиметрового диапазона длин волн с выходной средней* мощностью более 10 кВт, импульсной выходной мощностью сотни киловатт и рабочей полосой частот - несколько единиц процентов.

Целью работы явилось исследование резонаторных систем на пространственно-развитых резонаторах в средней' части1 сантиметрового диапазона длин- волн, направленных на определение конструктивных решений, позволяющих обеспечить максимальный комплекс выходных параметров' мощных широкополосных клистронов и разработка, на основе этих исследований мощных широкополосных МЛК.

Постановка задачи. Для> достижения* поставленной цели необходимо было провести следующие работы и исследования:

- определение взаимосвязей между конструкцией резонаторной системы, электронно-оптической системы и выходными параметрами-клистрона;

- исследование электродинамических параметров и конструктивных особенностей различных типов резонаторов (тороидальных, кольцевых, линейных);

- исследование характеристик резонаторов на высших видах колебаний с многолучевыми пролетными трубами, определение оптимальных конструкций для получения максимального комплекса выходных параметров;

- исследование и выбор базовой конструкции мощного многолучевого широкополосного клистрона на основе тороидальных резонаторов на втором виде колебаний;

- исследование электромагнитных полей и определение принципов конструирования линейных резонаторов с целью обеспечения равномерного распределения электрического поля в пролетных каналах резонатора;

- исследование путей увеличения рабочей полосы частот выходной секции, в том числе исследование возможности применения выходного двухзазорного резонатора в широкополосных клистронах с уровнем средней выходной мощности более 10 кВт.

Объектом» исследования; служат мощные широкополосных многолучевые клистроны на пространственно-развитых резонаторах и их характеристики.

Предметом исследования' служат расчет и экспериментальные исследования электромагнитных полей пространственно-развитых резонаторов, их характеристические сопротивления- и распределение видов колебаний,, а также взаимосвязи различных параметров; мощных широкополосных клистронов. •

Достижение цели диссертационной работы основано на. сформулированных автором научных- положениях, .которые: выносятся- на, ■ защиту::. '.'■'■•

1; В многолучевых клистронах с выходной средней; мощностью более 10 кВт,, импульсной мощностью? 200-600- кВт и длительностью импульса» сотни* микросекунда увеличение полосы« рабочих частот. до-< 6> % в. средней» части сантиметрового« диапазона достигается» применением активных^ резонаторов, на? втором^ виде колебании; в; которых высокое характеристическое сопротивление- достигается выбором многолучевых пролетных груб с диаметром 0,4 -т- 0,45 от длины« волны.

2. В мощных широкополосных клистронах с резонаторами? на втором^ виде колебаний и многолучевыми? пролетными трубами повышение КПД до 40 % достигается увеличением; напряжения на ВЧ зазоре путем применения 4-хрезонаторнойг выходной' системы, в которой для выравниваниягэлектрического поля в пролетных каналах активный резонатор содержит две щели связи, смещенные к пролетным трубам.

3. 6 мощных« клистронах, с выходной» средней» мощностью? более 10* кВт, импульсной мощностью? 100-200 кВт полоса рабочих частот (6 - 7) % достигаетсяшрименением;двухзазорного выходного резонатора, в* котором увеличение разделения; частот* рабочего синфазного вида колебаний и нерабочих противофазных (низкочастотного и высокочастотного) видов колебаний обеспечивается выбором диаметра пролетной трубы менее 0,42 от длины волны.

Апробация и внедрение результатов исследования. Практическим результатом внедрения первых двух научных положений является создание базовой конструкции мощного широкополосного многолучевого клистрона с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201- На основе этих положений были разработаны и выпускаются клистроны КФ-3-1К, КФ-3-1КМ и КФ-3-2КМ. Данные положения также применены в ОКР «Амарант» и «Вакуум». Клистрон «Амарант» разработан в обеспечение ОКР «ВВО-АП» и предназначен для работы в качестве оконечного усилителя мощности в передающем устройстве РЛС 96Л6-АП. Клистрон «Вакуум» разработан в рамках ОКР целью, которой являлась разработка технологии производства вакуумных СВЧ приборов с повышенными электрическими характеристиками и долговечностью для модернизации существующих и разработки перспективных ЗРС и РЛС С-400 «Триумфатор», модернизируемых С-300 ПМУ «Фаворит», перспективных РЛС, систем «Зоопарк», «Аистенок», «Клинок», «Кредо», «Монумент» и др.

Созданные клистроны обладают уникальным комплексом параметров и применяются в современной радиолокационной аппаратуре.

Третье научное положение опробовано на экспериментальном образце мощного широкополосного клистрона и является перспективным направлением в области создания мощных клистронов для РЛС с рабочей полосой частот (6 — 7) % и более.

Основные положения работы и результаты исследований были представлены в виде докладов на Юбилейной конференции по СВЧ технике (Фрязино, ФГУП «НЛП «Исток», 2003), Научно-технической конференции молодых специалистов (Саратов, ФГУП «НИИ «Контакт» 2004), Международной Крымской конференции (КрыМиКо'2004) "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2004), 12 научно технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Украина, Судак, 2005), Научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника -2010» (Санкт - Петербург, 2010), Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Фрязино, ФГУП «НПП «Исток», 2010). По материалам диссертации опубликовано 6 статей. Созданные оригинальные конструкции защищены 3 патентами на изобретение. Проведенные исследования изложены также в 3 научно-технических отчетах по разработке мощных широкополосных клистронов.

Объем работы. Материал изложен на 90 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунков и 12 таблиц, а также титульный лист, оглавление на 3 страницах, список литературы на 5 страницах (52 наименования).

Содержание и результаты работы.

Во Введении приведены результаты анализа требований, предъявляемых к параметрам клистронов, необходимых для- современных мощных РЛС. На основе литературных данных проанализирован достигнутый уровень параметров мощных широкополосных СВЧ приборов разработанных как в России, так и за рубежом. С привлечением этого анализа обоснован выбор темы диссертации, определены цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость проведенных исследований и полученных в работе результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен анализ различных типов резонаторов. На примере тороидального резонатора рассмотрены факторы, ограничивающие увеличение характеристического сопротивления за счет уменьшения диаметра пролетной трубы. Показано, что увеличение характеристического сопротивления резонаторов в средней части сантиметрового диапазона, а, следовательно, увеличение КПД, коэффициента усиления и рабочей полосы частот приводит к ухудшению одного или нескольких из параметров клистрона: увеличению плотности тока с катода (уменьшение срока службы), ухудшению электропрочности, уменьшению подводимой мощности и, соответственно, выходной мощности, увеличению тепловых нагрузок, а также возможно к ухудшению токопрохождения.

Автором предложена конструкция линейного резонатора, в которой центральные ряды пролетных каналов, расположены на участках резонаторов с наименьшей высотой резонатора, а расположенные по обе стороны от центральных рядов последующие ряды пролетных каналов размещены на участках активных резонаторов с большими высотами. Данная конструкция позволяет улучшить равномерность электрического поля резонатора в зазорах взаимодействия пролетных каналов, а также по сравнению с раннее известными способами повышения равномерности электрического поля упрощает конструкцию резонатора.

В диссертации проведен сравнительный анализ трех типов резонаторов: тороидального, кольцевого и линейного. Приведено сравнение электродинамических параметров (характеристическое сопротивление, неравномерность сопротивлений в пролетных каналах и разделение резонансных частот низших видов колебаний) в резонаторах с одинаковым числом лучей и расстоянием между центрами каналов.

По результатам анализа различных типов резонаторов определено:

- в резонаторах разной конструкции при одинаковом числе лучей и одинаковом расстоянии между пролетными каналами характеристические сопротивления резонаторов примерно равны и с точки зрения величины характеристических сопротивлений нет предпочтений в выборе какого-либо типа резонатора;

- резонаторы линейного и кольцевого типов имеют небольшое разделение частот между основным и вторым видами колебаний, что может накладывать ограничения на работу клистрона в широкой полосе частот.

Проведены исследования различных вариантов конструкций резонаторных систем на высших видах колебаний с многолучевыми пролетными трубами и построенных на их основе многолучевых клистронов в средней части сантиметрового диапазона длин волн. Исследования проводились для» двух диапазонов - 5,5 и 10 ГГц. Для каждого диапазона частот суммарное количество лучей в резонаторе и расстояние между центрами пролетных каналов сохранялись одинаковыми. Изменялись число пролетных труб в резонаторе и число лучей в трубах. На основе выполненных исследований сделан вывод о том, что при сохранении электропрочности, свойств теплорассеяния резонаторов и при близком количестве лучей, с увеличением числа ячеек (числа пролетных труб) КПД клистронов падает. Это связано с уменьшением» характеристического сопротивления резонаторов.

Проведенные исследования характеристик резонаторов на высшем виде колебаний базировались на основе анализа их электродинамических характеристик. Использование резонаторов на высших видах колебаний позволяет уменьшить удельные нагрузки на элементы конструкции и, как следствие, достигать больших уровней средней подводимой мощности. Таким образом, получение максимального комплекса выходных параметров обусловлено оптимальным сочетанием числа труб и количества лучей, которые можно разместить в резонаторной ячейке без существенной потери величины характеристического сопротивления.

В главе 2 проведены исследование и создание базовой конструкции клистрона с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н201 (на втором виде колебаний).

Определен оптимальный диаметр многолучевой пролетной трубы в резонаторах на втором виде колебаний. Показано, что в клистронах с резонаторами на втором виде колебаний с диаметром пролетной трубы равным половине длины волны невозможно получение высокого КПД и коэффициента усиления в широкой полосе частот. Расчетноэкспериментальным путем определено, что в широкополосных МЛК с активными резонаторами на втором виде колебаний требуемый для мощных РЛС комплекс выходных параметров (выходная средняя мощность более 10' кВт, импульсная 200 — 600 кВт, максимальная длительность импульсов сотни микросекунд, полоса рабочих частот до 6 %) достигается- при выборе диаметра пролетной трубы в диапазоне 0,4 0,45 от длины волны. Конкретное значение диаметра пролётной трубы прибора выбирается из указанного интервала значений с учётом наиболее плотной упаковки каналов в пролётной трубе, которая в свою очередь выбирается исходя из диаметров и количества пролетных каналов, а также из заданной рабочей частоты.

Проведены исследования выходных систем клистронов с резонаторами на втором виде колебаний, в том числе четырехсвязных выходных систем. Определены принципы конструирования фильтровой системы, заключающиеся в следующем: для равномерной нагрузки пролетных труб активного резонатора с рабочим типом колебаний Н201 его связь с пассивным резонатором должна осуществляться через две щели, расположенные напротив каждой из пролетных труб. Первый пассивный резонатор также должен иметь рабочий тип колебаний Н201. Рабочим типом колебаний второго пассивного резонатора может быть тип Нюь При этом щель связь первого и второго пассивных резонаторов смещена относительно оси первого пассивного резонатора.

Показано, что в широкополосных МЛК при работе выходного резонатора в перенагруженном режиме (напряжение на зазоре выходного резонатора меньше, чем напряжение катода) переход с 3-х на 4-хсвязную выходную систему позволяет увеличить выходную мощность на величину до 10 %. Также отмечено, что с увеличением числа резонаторов и связей между ними значительно возрастает трудоемкость настройки 4-хсвязной системы по сравнению с 3-хсвязной системой. В связи с этим широкое применение 4-хсвязных систем может быть ограниченно из-за большой трудоемкости настройки таких систем.

Проведены исследования' неравномерности распределения электрического поля в пролетных трубах резонаторов с рабочим типом колебаний Н201, вызванные нагрузкой входного и выходного резонаторов; Автором* предложено вг мощных широкополосных многолучевых клистронах с резонаторами с рабочим типом колебаний Н201 выравнивать электрическое' поле в зазорах взаимодействия пролетных труб входного и выходного активных резонаторах путем использования^ резонаторов несимметричной формы, при которой расстояние Ы от стенкшрезонатора со щелями связи до пролётной трубы В1 2 V 2,5 раза меньше, чем расстояние Ь2 от противоположной стенки резонатора до пролётной трубы.

В главе 3 исследована возможность применения двухзазорного выходного резонатора в мощных широкополосных клистронах в средней части сантиметрового^диапазона^ длин волн с выходной-средней мощностью более 10 «кВт.

Показано, что в двухзазорном резонаторе характеристическое сопротивление синфазного вида на 25-30 % большее сопротивления противофазного вида колебаний. К тому же при использовании пролетных труб с диаметром близким к половине длины волны равномерность электрического поля в пролетных каналах у синфазного вида колебаний > значительно выше. Учитывая это, а также из-за проблемы с перегревом перемычки между зазорами в мощных широкополосных МЛК, предпочтительнее использовать синфазный вид колебаний. Проведенные для оценки токооседания на центральной перемычке двухзазорного выходного резонатора расчеты показали, что при начальном заполнении канала лучом равном 0,6 и 0,686 оседание на стенках каналов перемычки небольшое и составляет несколько единиц киловатт импульсной мощности. При начальном заполнении 0,8 на центральной перемычке двухзазорного резонатора осаждается пучок с импульсной мощностью порядка 47 кВт. Таким образом, определено, что при проектировании клистрона с двухзазорным выходным резонатором необходимо особое внимание уделить электронно-оптической системе, которая- должна обеспечивать заполнение канала хорошо сгруппированным электронным пучком на входе в выходной двухзазорный резонатор менее 0,7.

Расчетным путем определено, что в двухзазорном резонаторе с одной связью между зазорами разделение резонансных частот между низкочастотным противофазным и синфазным видами1 колебаний слабо зависит от диаметра пролетной трубы и составляет 12" + 18% от рабочей частоты. Разделение резонансных частот между синфазным и высокочастотным противофазным видами колебаний существенно зависит от диаметра пролетной* трубы и составляет 45 -г- 14,5 % от рабочей^ частоты. Причем, чем больше диаметр пролетной трубы, тем меньше разделение частот между видами.

В- двухзазорном« резонаторе' с двумя связями между зазорами разделение* частот между низкочастотным, противофазным и синфазным видами колебаний увеличивается« до 22 ч- 24 %. Однако в таком, резонаторе* уменьшается разделение частот между синфазным и высокочастотным противофазным видами колебаний. При диаметре пролетной трубы равном 0,47 от длины волны частоты синфазного вида1 колебаний и высокочастотного противофазного вида колебаний-совпадают. Показано,' что в двухзазорном резонаторе с двумя связями между зазорами высокочастотный противофазный вид колебаний является (как и синфазный вид) резонансом типа Н1П в коаксиальном резонаторе. Указанные значения разделений частот синфазного и нерабочих видов колебаний определены без учета связи двухзазорного резонатора с фильтровой системой.

В работе обсуждены различные варианты связи двухзазорного резонатора с первым пассивным резонатором. Показано, что для равномерной нагрузки обоих высокочастотных зазоров двухзазорный резонатор должен быть связан с пассивным резонатором (или выходным волноводом) щелью связи расположенной в области связи между зазорами. Также определено, что такой способ вывода энергии нагружает синфазный вид колебаний, что приводит к уменьшению- его частоты, при этом? противофазные- виды, не связываются с выходным волноводом (или? пассивным резонатором) и их частота не изменяется. Определено,; что» разделение частот между низкочастотным: протифовазиым и; синфазным видами колебаний уменьшается на З 00 -т- 400 МГц при нагрузке на выходную фильтровую систему с полосой 350 МГц.

В:; работе рассмотрены различные пути увеличения разделений! частот первых трех видов колебаний: Определено, что значительно увеличить разделение частот между синфазным и нерабочими видами колебанишможно только при уменьшении, диаметра пролетной трубы. Показано, что в двухзазорном резонаторе уменьшение диаметра пролетной трубы менее половины длины волны, дает возможность применять конструкцию/ центральной перемычки различной формы. Проведенные исследования собственных частот в двухзазорном резонаторе; показали, что применение; различных конструкций центральной перемычки позволяет изменять разделение частот между рабочим синфазным и соседними видами;; колебаний; В двухзазорном резонаторе с диаметром пролетной трубы 0,42 от длины волны автором предложено изготавливать центральную перемычку с пазом в районе связи двухзазорнош резонатора с первым пассивным резонатором и с выступом с противоположной стороны перемычки.

Проведены исследования разделения частот между первыми тремя видами; колебаний при различных расстояниях между центрами ВЧ зазоров. Известно, что каждому ускоряющему напряжению (напряжению катода) для обеспечения фазовых условий взаимодействия электронного потока с полем резонатора соответствует оптимальное расстояние между центрами ВЧ зазоров. С учетом этого, определено, что с увеличением напряжения катода за счет увеличения ширины центральной перемычки, при; прочих равных условиях, разделение частот между первыми тремя видами колебаний уменьшается.

Экспериментально показана невозможность создания мощных широкополосных клистронов с одной и двумя связями между зазорами выходного активного резонатора с диаметров пролетной трубы. близкой к половине длины1 волны. Также установлено, что введение поглотителя в двухзазорный резонатор не позволяет создавать клистроны с уровнем, средней выходной мощности порядка 10 кВт.

Расчетно-экспериментальным путем определено, что в мощных клистронах с выходной средней мощностью более' 10 кВт, импульсной мощностью 100-200 кВт полоса рабочих частот 6 — 7 % достигается применением двухзазорного выходного резонатора, в котором увеличение разделения частот рабочего синфазного- вида колебаний и нерабочих противофазных (низкочастотного и высокочастотного) видов колебаний обеспечивается выбором! диаметра пролетной трубы менее 0,42 от длины волны.

В главе 4 рассмотрены (созданные при участии автора в качестве заместителя главного конструктора) результаты разработки мощных широкополосных многолучевых клистронов на пространственно-развитых резонаторах.

Создан ряд мощных широкополосных клистронов на пространственно-развитых резонаторах. В клистронах использовались резонаторы на втором виде колебаний (тип Н2оО с многолучевыми пролетными трубами. На базе данной конструкции были созданы мощные — более 600 кВт импульсной выходной мощности и широкополосные - до 6 % клистроны.

Созданные клистроны имеет схожую конструкцию. Основными узлами клистрона являются: резонаторная система, ввод и вывод энергии, электронная пушка, коллектор и электроразрядный насос. Резонаторная система включает в себя корпус с активными резонаторами, катодный и коллекторный полюса, систему охлаждения резонаторного блока, выходную систему и систему волноводов. Выходная система клистронов состоит из активного резонатора, работающего на втором виде колебаний и двух или трех пассивных резонаторов.

Для фокусировки электронного потока в клистронах используется соленоид, который создает необходимое магнитное поле порядка 2000 Гс. Применение соленоида позволило добиться токопрохождения в статическом режиме 95-98 %, в динамическом режиме 85-96 %.

В работе также рассмотрены вопросы и обсуждены меры по обеспечению электрической прочности. Для достижения этой цели в конструкцию и технологию изготовления электронной пушки и прибора в целом заложен ряд решений.

Одной из основных мер по повышению электрической прочности в созданных клистронах явилось применение резонаторов на втором виде колебаний. Это позволило уменьшить напряженности электрического поля в межэлектродных промежутках за счет увеличения числа лучей, а также за счет снижения удельных тепловых нагрузок на элементы конструкции уменьшить локальные газовыделения, возникающие при работе в режиме длинного импульса.

Применение резонаторов на втором виде колебаний приводит к увеличению размеров катодно-подогревательного узла, а также мощности накала катода. Определено, что в процессе откачки и совмещенной термовакуумной обработки катода в приборе с мощным источником накала катода может происходить увеличение поверхностного газосодержания на 23 порядка относительно приборов с низкой тепловой нагрузкой пушки прибора. Прежде всего, это связано с локальным повышением температуры в области электронной пушки во время термовакуумной обработки катода. Показано, что для того, чтобы избавиться от "перегрева" катодной ножки обработку катода необходимо проводить при сниженной температуре на корпусе прибора, что позволяет значительно снизить газовыделение в процессе предварительной тренировки и, самое важное, в процессе динамических испытаний клистрона. В; работе исследована возможность, тренировки клистронов* импульсами наносекуидной длительности. Показана, перспективность тренировки; комбинацией тренировки наносекундными импульсами? и обычной? тренировки? методом; разряда емкости: через ограничительное сопротивление. : /

Отмечено, что кроме: приведенных: мер по увеличению электрической прочности? в разработанных.клистронах применены,традиционные!процессы, и конструктивные:: решения:: улучшение; чистоты поверхности: электродов и степени их обезгаженности; уменьшение количества свободных частиц в объеме: прибора;: снижение окисления поверхностей« деталей;, повышение: степени вакуума; в приборе, уменьшение площади: высоковольтных: электродов, предварительная высоковоль тная слаботочная тренировка.

В заключению подведены; итоги, диссертационной работы;. Основные: научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведено исследование взаимосвязей! между конструкцией? резонаторнош системы, электронно-оптической? системы и выходными параметрами клистрона: Рассмотрены факторы, ограничивающие увеличение^ характеристического сопротивления.

2. Предложен принцип конструирования, линейного резонатора; позволяющий выравнивать электрическое поля: в парциальных пролетных каналах резонатора.

3: Проведены исследования' электродинамических характеристик тороидального, кольцевого и линейного типов резонаторов при; одинаковом: числе лучей и одинаковом расстоянии между центрами пролетных каналов. Определено; что характеристическое сопротивление резонаторов при одинаковом числе пролетных каналов и одинаковом расстоянии, между центрами каналов практически не зависит от типа резонатора.

4. Проведен комплекс исследований МЛК с различными вариантами конструкций резонаторных систем: на высших видах колебаний; Определено, что в мощных многолучевых широкополосных клистронах в средней части сантиметрового диапазона длин волн с резонаторами на высших типах волн и многолучевыми пролетными трубами, при одинаковом числе лучей; с увеличением вида колебаний характеристическое сопротивление резонаторов и КПД клистронов падает.

5. На основе расчетных и экспериментальных данных определена^ оптимальная конструкция резонаторной системы с активными резонаторами на втором виде колебаний: Определено,* что в многолучевых' клистронах с выходной средней« мощностью более 10 кВт и импульсной 200-600 кВт полоса рабочих частот до 6» % достигается! использованием активных резонаторов с рабочим типом колебаний Н201 с диаметром пролетной трубы (0,4-Ю,45)А,, где А- длина волны.

6. Предложены пути выравнивания электрического поля в зазорах взаимодействия парциальных пролетных каналов входного и выходного резонаторов путем использования) резонаторов несимметричной формы, при которой расстояние от стенки резонатора со щелями связи до пролётной трубы меньше, чем расстояние от противоположной стенки резонатора до? пролётной трубы.

7. На основе расчётных и экспериментальных данных определены принципы построения выходной фильтровой системы с активными резонаторами типа Щоь

8. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены ограничения при использовании двухзазорного выходного резонатора, с диаметром пролетной трубы порядка 0,5 от длины волны. Обнаружено наличие высокочастотного противофазного вида колебаний вблизи рабочего синфазного вида в двухзазорных резонаторах с диаметром пролетной трубы близким к половине длины волны. Предложены принципы конструирования мощных широкополосных клистронов с двухзазорным выходным резонатором.

9. Предложенные принципиальные и конструктивные решения были внедрены при разработке и последующем выпуске 5 типов мощных широкополосных МЛК на пространственно-развитых резонаторах.

4.4 Выводы по главе 4

На основе проведенных исследований был создан ряд мощных широкополосных клистронов и проведены следующие работы:

1. отработана базовая конструкция мощных широкополосных многолучевых клистронов с активными резонаторами с рабочим типом колебаний Н2оь

2. проведены исследования проблем обеспечения электропрочности мощных широкополосных клистронов;

3. исследованы и введены в производство технологические операции, позволяющие увеличить электрическую прочность клистронов.

Заключение

Выполненные в работе исследования и выработанные на их основе научные положения ртправлены на решение актуальной проблемы, вакуумной , ОВЧ электроники, связанной: с созданием мощных широкополосных многолучевых клистронов на; основе пространственно-развитых резонаторов с выходной" импульсной, мощностью: сотни; киловатт, средней мощностью более 10 кВт, с низковольтным управлением, работающих при?длительностях импульса от долей до сотен микросекунд и предназначенных для применения в мощных РЛС различного назначения; Основные научные и: практические результаты работы, заключаются; в следующем:

1. Проведено исследование взаимосвязей между конструкцией; резонаторной системы, электронногоптической системы и- выходными параметрамш клистрона. Рассмотрены факторы, ограничивающие увеличение характеристического сопротивления.

2. Предложен принцип- конструирования линейного резонатора, позволяющий выравнивать электрическое поля в парциальных пролетных каналах резонатора.

3. Проведены исследования электродинамических характеристик тороидального, кольцевого и линейного типов резонаторов при; одинаковом числе лучей и одинаковом расстоянии между центрами пролетных каналов: Определено, что характеристическое сопротивление резонаторов? при одинаковом числе пролетных каналов и одинаковом расстоянии между центрами каналов практически не зависит от типа резонатора.

4. Проведен комплекс исследований МЛК с различными вариантами конструкций резонаторных систем на высших видах колебаний. Определено, что в мощных многолучевых широкополосных клистронах в средней части сантиметрового диапазона длин волн с резонаторами на высших типах волн и многолучевыми пролетными трубами, при одинаковом числе 'лучей с увеличением вида колебаний характеристическое сопротивление резонаторов и КПД клистронов падает.

5. На основе расчетных и экспериментальных данных определена оптимальная конструкция резонаторной системы с активными резонаторами на втором виде колебаний. Определено, что в многолучевых клистронах с выходной средней мощностью более 10 кВт и импульсной 200-600 кВт полоса рабочих частот до 6 % достигается использованием активных резонаторов с рабочим типом колебаний Н201 с диаметром пролетной трубы (0,4-Ю,45)А,, где А, длина волны.

6. Предложены пути выравнивания электрического поля в зазорах взаимодействия парциальных пролетных каналов входного и выходного резонаторов путем использования резонаторов несимметричной формы, при которой расстояние от стенки резонатора со щелями связи до пролётной трубы меньше, чем расстояние от противоположной стенки резонатора до пролётной трубы.

7. На основе расчётных и экспериментальных данных определены принципы построения выходной фильтровой системы с активными резонаторами типа Н2оь

8. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены ограничения при использовании двухзазорного выходного резонатора с диаметром пролетной трубы порядка 0,5 от длины волны. Обнаружено наличие высокочастотного противофазного вида колебаний вблизи рабочего синфазного вида в двухзазорных резонаторах с диаметром пролетной трубы близким к половине длины волны. Предложены принципы конструирования мощных широкополосных клистронов с двухзазорным выходным резонатором.

9. Результаты исследований защищены 3 патентами, опубликованы в б научно-технических статьях и обсуждены на 6-ти научно-технических конференциях.

10. Предложенные принципиальные и конструктивные решения были внедрены при разработке и последующем выпуске 5 типов мощных широкополосных МЛК на пространственно-развитых резонаторах.

1. Справочник по радиолокации под ред. М. Скольник М.: Советское радио, 1979, том 3.

2. В.И. Пугнин Оценка предельной мощности многолучевых клистронов с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС. //Радиотехника, 2000 г., №2 стр. 43-50.

3. A.c. № 64257 Электроннолучевая лампа В.Ф. Коваленко 1940.

4. А. с. № 63850 Электроннолучевая лампа В.Ф. Коваленко 1941.

5. A.c. № 72848 Электронно-лучевая лампа В.Ф. Коваленко 1941.

6. Patent № 3,248,597 Malcolm R. Boyd et al. Multiple-beam apparatus with periodic alternate capacitance loaded waveguide.

7. The multi-beam klystron. M.R. Boyd., R.A. Dehn, J.S. Hickey, T.G. Mihran, IRE. Trans. 1962. - Vol. ED-9, No 3. - P.247.

8. Pohl W.Y. The design and demonstration of wideband multiple-beam traveling-wave klystron. IEEE Trans. 1965. Vol. ED-12, No 6 - P.351.

9. Law L. High-power microwave tubes. Proc. Of the IEEE. 1973. Vol.61, No 3.-P.279-381.

10. Bres M., Failon G., Tran D. Compact multibeam klystron. International Electron Devices Meeting, Los Angeles, December 7-10, ,1986, Technical Digest, P.784-786.

11. A new generation of power klystron on the base of multiple-beam design. E.A. Gelvich, L.M. Borisov, V.l. Pugnin et al. Int. Microwave Symp. Dig. USA, 1991. Vol.3 -P. 251-245.

12. Gelvich E.A., Pugnin V.l. et al. A new generation multibeam klystrons. //IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., 1993, №1.

13. Ding Yaogen, Peng Jun, Niu Delu, Zhang Shichang, Fu Chunjiu, Liu Tieshan, Zhu Yunzu, Luo Jirun- Research Progress and Advances on High Power

14. Klystron Processing of International University Conference «Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies» St. Petersburg, Russia May 24-28, 1999 P.32-27.

15. David K. Abe and others Experimental Progress on the Development of a Multiple-Beam Klystron with 13% Bandwidth, IVEC 2009, P. 337-338.

16. K. Nguyen and others Multiple-Beam Amplifier Development at the Naval Research Laboratory, RF 2003, P. 68-78.

17. В.П. Панов, A.A., Шишков, В.И. Юркин, В.П. Рыбачек, П.М. Мелешкевич, В.И. Пугнин, Е.А. Стройков, А.Н. Юнаков О создании приборов с большими углами пролета электронов // Вестник РГРТУ, №2, 2010.

18. П.М. Мелешкевич, В.И. Пугнин, Е.А. Стройков, А.Н. Юнаков, В.П. Панов, А.А., Шишков, В.И. Юркин, В.П. Рыбачек Способ генерации СВЧ колебаний и устройство для его осуществления (варианты). // Патент РФ №2391739

19. Генераторы и усилители СВЧ, Под редакцией И.В. Лебедева. «Радиотехника», М. 2005.

20. А. А. Тув Трехсантиметровый мощный широкополосный низковольтный многолучевой усилительный клистрон двухствольной конструкции //Радиотехника, 2000 г., №2 стр.51-53.

21. B.C. Медовиков Создание мощных и сверхмощных низковольтных клистронов на основе многолучевых электронно-оптических систем //Радиотехника, 2000 г., №2 стр.58-61.

22. В.Ф. Коваленко. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М. Советское радио, 1975.

23. Law L. High-power microwave tubes. Proc. Of the IEEE 1973. Vol.61, №3.- P. 279-381.

24. Хайков А.З. Клистронные усилители. M., «Связь»,1974 с. 392.

25. В.П. Панов, А.Г. Анциперов, А.Н. Балябин, Д.Н. Горбатов, В.Я. Лысенко и A.A. Шишков Клистрон с ленточным лучом // A.C. №194975 СССР

26. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах. М., «Иностранная литература», 1960 с.619.

27. Захарова А.Н., Борисов Л.М., Зырин С.С. Программа расчета АЧХ и спектра выходного сигнала многорезонаторного клистрона и его оптимизации по основным параметрам в полосе частот // Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1979, Вып.11.

28. И.В. Алямовский Электронные пучки и электронные пушки. М., «Советское радио», 1966, с. 455.

29. Пугнин В.И., Юнаков А.Н., СВЧ прибор О-типа // Патент РФ №2328053

30. Пугнин В.И., Юнаков А.Н. Проблемы создания мощных широкополосных клистронов //Радиотехника, 2004, Вып. 6, стр. 17-21.

31. Румянцев С.А., Кушевская Т.П., Комплекс программ анализа электронно-оптических систем на ПЭВМ. /Тезисы докладов Всесоюзного семинара по методам расчета электронно-оптических систем. X семинар "Методы расчета ЭОС", Львов, 20-22 ноября, 1990 г., с.118.

32. Горовец C.B. Вторично-электронный резонанс в мощных электровакуумных приборах СВЧ (обзор) // Вопросы радиоэлектроники Сер.1, Электроника, 1962, №6. стр. 68-83.

33. Пугнин В.И., Юнаков А.Н. Мощные много лучевые клистроны //Электронная техника СВЧ, 2003, Вып.1, стр. 31-39.

34. Пугнин В.И., Юнаков А.Н., Бурдина Т.Н., Многолучевой прибор О-типа //Патент РФ №2244980

35. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, том 2, М., «Высшая школа», 1972 с. 370.

36. Бороденко В.Г., Варнавский А.Н. Аналитическая оценка КПД и полосы усиления клистрона с заданной выходной мощностью //Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1982, Вып. 10, стр. 25-28.

37. Лямзин В.М., Зырин С.С., Снегуров С.И. Комплекс программ "Каскад-М" для расчета волноводных устройств с плоскими неоднородностями на мини-ЭВМ в режиме диалога //Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1985, Вып.1, стр. 71-72.

38. С.С. Зырин Аналитическая модель большого сигнала для расчета на ЭВМ многоконтурных СВЧ-приборов О-типа //Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1989, Вып.5, стр. 25-32.

39. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. М., «Высшая школа», 1983 с. 368

40. Пугнин В.И., Юнаков А.Н. Мощные клистроны для радиолокации и научных исследований //Радиопромышленность, 2008, Вып. 2, стр. 116-122.

41. Н.В. Черепнин Сорбционные явления в вакуумной-технике. М. "Советское радио", 1973 стр. 262.

42. Пошехонов П.В. Исследование механизмов пробоя высоковольтных импульсных модуляторных приборов и методы повышения их электрической прочности, автореферат дисс. на соискание уч. Ст. д.т.н., Радиотехничексий институт, Рязань, 1966.

43. Латам Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения, пер. с англ., М., Энергоатомиздат, 1985.

44. Сливков И.Н., Михайлов В.И., Сидоров Н.И., Настюха А.И., Электрический пробой и разряд в вакууме, М., Атомиздат, 1966.

45. Татаринова Н.В., Влияние процессов в порах поверхностей электродов на вакуумную изоляцию, дисс. на соискание уч. Ст. д.ф.-м.н., МИФИ, М., 1998.

46. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Поверхностное газосодержание и термовакуумная обработка электронной пушки высоковольтных ЭВП

47. Материалы 12 научно- технической конференции «Вакуумная наука и техника», сентябрь 2005 (Крым), с.89-93.

48. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП /Тезисы докладов научно-технической конференции "Вакуумная техника и технология 2010"с.56.

49. М.И. Ингберман, М.С. Эпштейн. Оптимальные режимы применения и эксплуатации электровакуумных приборов. М., "Радио и связь", 1985.

50. Г.Ф. Корепин, В.И. Пугнин, А.Н. Юнаков, Определение источника газовыделения в процессе высоковольтной тренировки ЭВП, //Наукоемкие технологии, 5, 2005, т.6, с.47 50.

51. Г.Ф. Корепин, Проблемы откачки металлокерамических ЭВП СВЧ // Электронная техника, Сер.1, СВЧ техника, 2008, Вып.4, с.23 46.

52. Корепин Г.Ф., Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП //Вакуумная техника и технология, 2, 2010, т. 10, с.71-76.

53. A.A. Емельянов. Импульсное электрическое кондиционирование электродов в вакууме, Усть-Каменогорск/ВКТУ им. Д. Серикбаева, 1999.