Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ОБРАЩЕННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ - Патент РФ 2185001
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОБРАЩЕННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
ОБРАЩЕННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

ОБРАЩЕННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к вакуумной и плазменной электронике, в частности к усилительным и генераторным приборам сверхвысоких частот (СВЧ) 0-типа, а конкретно к лампам бегущей волны (ЛБВ), используемым в радиоэлектронном оборудовании и технологических установках. Техническим результатом является обеспечение конструктивной возможности повышения средней и импульсной мощности коротковолновых ЛБВ и продвижение мощных приборов этого класса в диапазон миллиметровых волн без утраты стойкости, ресурса и надежности тепло- и электронагруженных элементов прибора при достижении улучшенных его массогабаритных показателей. Обращенная лампа бегущей волны (ОЛБВ) содержит соосные пролетный канал и граничащую с ним по боковой цилиндрической поверхности замедляющую систему в виде цепочки азимутально замкнутых резонаторов, каждый из которых электродинамически связан с пролетным каналом посредством кольцевого зазора, а по меньшей мере, в одном из резонаторов размещен СВЧ-поглотитель. Лампа снабжена выполненным из электропроводного немагнитного материала цилиндрическим участком вакуумно-плотной оболочки, в которой соосно размещена замедляющая система, при этом пролетный канал сформирован коаксиальными внутренней поверхностью оболочки и выполненной с кольцевыми зазорами внешней боковой поверхностью замедляющей системы, внутренняя боковая поверхность которой выполнена короткозамкнутой, а СВЧ-поглотитель размещен в резонаторе со стороны внутренней короткозамкнутой поверхности замедляющей системы и/или со стороны ее внешней боковой поверхности с кольцевыми зазорами. Предусмотрено, что цепочка азимутально замкнутых резонаторов замедляющей системы выполнена в виде последовательно чередующихся шайб и втулок, которые жестко закреплены на центральном стержне, а на периферии каждой шайбы выполнен обод, при этом торцевые поверхности соседних ободов разделены зазорами. Центральный стержень выполнен с осевым каналом охлаждения. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2185001
Класс(ы) патента: H01J25/34
Номер заявки: 2000132437/09
Дата подачи заявки: 26.12.2000
Дата публикации: 10.07.2002
Заявитель(и): Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина"
Автор(ы): Переводчиков В.И.; Шлифер Э.Д.
Патентообладатель(и): Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина"
Описание изобретения: Настоящее изобретение относится к области вакуумной и плазменной электроники. В более узком приложении заявляемый объект относится к усилительным и генераторным приборам сверхвысоких частот (СВЧ) 0-типа. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к лампам бегущей волны (ЛБВ), используемым в радиоэлектронном оборудовании и технологических установках.
Известны и описаны в общедоступной технической литературе конструкции ЛБВ, использующие замедляющие системы (ЗС) типа "цепочки связанных резонаторов" (далее ЦСР). ЗС ЦСР применяются во многих отечественных и зарубежных, как правило, мощных ЛБВ (см., например, Дж. Мендел "Лампы бегущей волны со спиралью и со связанными резонаторами" в сб. Мощные электровакуумные приборы СВЧ, "Мир", М. - 1974, с. 9-32 - [1]). Известно также использование ЗС ЦСР в отечественных плазменных ЛБВ (см., например, Л.А.Митин, В.И.Переводчиков и др. "Мощные широкополосные пучково-плазменные усилители и генераторы СВЧ". Физика плазмы, 1994, т.20, 7-8, с.733-746 - [2]).
В любом из известных построений ЛБВ (вакуумном и плазменном) каждый из резонаторов, составляющих ЦСР, представляет собой отрезок радиальной линии передачи, разомкнутой на внутреннем радиусе ЗС и короткозамкнутой на внешнем. При этом разомкнутые концы всей совокупности резонаторов, размещенных вдоль оси ЗС, образуют боковую цилиндрическую поверхность пространства взаимодействия (пролетного канала), представляющего собой последовательность труб дрейфа, расположенных на общей оси и отделенных одна от другой кольцевыми зазорами. Указанное пространство взаимодействия (пролетный канал) при описанном традиционном построении ЗС ЦСР расположено с внутренней стороны ЗС, т. е. охватывается замедляющей системой (в частности, трубами дрейфа и кольцевыми зазорами между ними). Соответственно, и инжектируемый вдоль оси ЗС электронный поток находится внутри ЗС, "охватывается" ею и в идеализированном представлении имеет форму луча круглого поперечного сечения с диаметром, несколько меньшим диаметра пролетного канала. И в вакуумной [1], и в плазменной [2] ЛБВ фокусировка и транспортировка указанного электронного потока осуществляется, как и во всех приборах О-типа, в продольном магнитном поле.
Продвижение мощных ЛБВ с традиционной конструкцией ЗС ЦСР в коротковолновый участок диапазона и/или достижение повышенных уровней средней мощности встречает ряд трудностей, в числе которых значительная часть обусловлена увеличением токовых и тепловых нагрузок на электроды, необходимостью формирования относительно плотных электронных пучков, их инжекции и транспортировки в пролетном канале, обеспечения электрической прочности зазоров при повышенных напряженностях электрических полей и др.
Указанные трудности могли бы быть если не преодолены, то отодвинуты на более далекую ступень, если бы удалось найти технические решения, позволяющие существенно увеличить поперечные размеры пространства взаимодействия, развить поверхности электродов, воспринимающие тепловые нагрузки и электронную бомбардировку. В СВЧ-приборах М-типа подобная задача была успешно решена созданием обращенно-коаксиальных магнетронов - ОКМ (см., например, Шлифер Э. Д. "Расчет и проектирование коаксиальных и обращенно-коаксиальных магнетронов", М., МЭИ, 1991, с. 167 - [3]), тогда как в ЛБВ О-типа такая задача, насколько нам известно, не решалась и даже не ставилась. Предлагаемое нами устройство по базовой идеологии и по терминологической аналогии будем называть "обращенная лампа бегущей волны (ОЛБВ)". При этом следует подчеркнуть, что кроме терминологической общности ("обращенная") каких-либо иных общих конструктивных признаков устройства между заявляемой ЛБВ и ОКМ не имеется. Поэтому прямых аналогов заявляемого объекта не существует. Тем не менее в качестве "прототипа" нами принято общеизвестное устройство, схематично показанное в [1] на фиг.14, стр. 20.
В ЛБВ-прототипе используется ЗС ЦСР, содержащая последовательность азимутально замкнутых резонаторов, расположенных друг за другом на общей продольной оси. Каждый резонатор представляет собой отрезок короткозамкнутой на периферии радиальной линии передачи. Короткое замыкание обеспечено единой для всех резонаторов металлической трубой, являющейся одновременно вакуумноплотной оболочкой, а сами радиальные линии передачи образованы металлическими диафрагмами, перпендикулярными оси ЗС. В диафрагмах выполнены окна межрезонаторной связи и "ступицы" с центральным круглым отверстием. Указанные ступицы с отверстием образуют полые трубки дрейфа, между соседними торцами которых имеются зазоры. Именно эти зазоры и обеспечивают разомкнутость отрезков радиальных линий на их входном конце, снабженном упомянутыми выше ступицами - трубками дрейфа. Осевая последовательность трубок дрейфа и зазоров между их торцами образует в целом центральный пролетный канал ЛБВ-прототипа.
Электронный поток, инжектируемый в пролетный канал имеет в поперечном сечении круглую форму, т.е. представляет собой тонкий осесимметричный луч. Резюмируя отмеченные признаки, подчеркнем, что короткозамкнутые стенки резонаторов располагаются на периферии (на внешнем радиусе) ЗС, а разомкнутые концы резонаторов и пролетный канал в целом - на внутреннем радиусе, т.е. пролетный канал и, соответственно, электронный поток, охватываются замедляющей системой.
Жесткость конструкции, возможность охлаждения (в т.ч. и жидкостного) развитой наружной поверхности ЗС ЦСР в ЛБВ-прототипе, а также относительная простота подключения входного и выходного СВЧ-трактов и компоновки с инжектором и коллектором электронов - все это очевидные достоинства ЛБВ-прототипа, хотя на фиг.14, стр. 20 [1] перечисленные элементы и узлы не показаны.
Недостатком прототипа является существенно ограниченная возможность достижения повышенных уровней средней и импульсной мощности в коротковолновых ЛБВ. Это серьезно сдерживает продвижение мощных ЛБВ в коротковолновый участок сантиметрового диапазона, а тем более в миллиметровый диапазон длин волн.
Указанный недостаток, как отмечалось в начале настоящего описания, обусловлен неизбежным при таком продвижении уменьшением поперечных размеров ЗС ЦСР и, в частности, диаметра пролетного канала (внутреннего диаметра трубок дрейфа и, соответственно, диаметра инжектированного в пространство взаимодействия электронного пучка), увеличением тепловых и токовых нагрузок и т.п.
Кроме того, с уменьшением внешнего диаметра ЗС ЦСР уменьшается механическая жесткость конструкции и на различных этапах технологического маршрута могут возникать (и возникают) прогибы ЛБВ, что нарушает прямолинейность пролетного канала и приводит к утрате требуемых электродинамических характеристик ЗС, а также к ухудшению электрических параметров прибора в целом.
Если ради увеличения жесткости конструкции увеличивать наружный диаметр ЗС прототипа, то сопутствующими результатами явятся ухудшение массогабаритных характеристик магнитофокусирующей системы и дополнительные трудности получения необходимой топографии фокусирующего магнитного поля в пролетном канале малого диаметра.
Обобщенной задачей предлагаемого технического решения является обеспечение конструктивной возможности повышения средней и импульсной мощности коротковолновых ЛБВ и продвижение мощных приборов этого класса в диапазон миллиметровых волн.
Частной целью в русле выше сформулированной задачи является создание конструкции ЗС ЦСР, обеспечивающей разгруженность электродов, увеличенные сечения пролетного канала и пучка без утраты достоинств, присущих традиционному построению ЗС ЦСР и ЛБВ в целом.
Идеология построения вакуумной или плазменной ЛБВ, отвечающей указанной цели, предусматривает вынесение пролетного канала и, соответственно, электронного потока за периферию ЗС.
Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении предлагаемого устройства, заключаются:
а) в достижении повышенных энергетических характеристик без утраты стойкости, ресурса и надежности тепло- и электронагруженных элементов прибора;
б) в достижении улучшенных массогабаритных показателей прибора в целом.
Указанные технические результаты и цели изобретения достигаются тем, что в обращенной лампе бегущей волны (ОЛБВ), содержащей соосные пролетный канал и граничащую с ним по боковой цилиндрической поверхности замедляющую систему в виде цепочки азимутально замкнутых резонаторов, каждый из которых электродинамически связан с пролетным каналом посредством кольцевого зазора, а по меньшей мере в одном из резонаторов размещен сверхвысокочастотный (СВЧ) поглотитель, лампа снабжена выполненным из электропроводного немагнитного материала цилиндрическим участком вакуумноплотной оболочки, в которой соосно размещена замедляющая система, при этом пролетный канал сформирован коаксиальными внутренней поверхностью оболочки и выполненной с кольцевыми зазорами внешней боковой поверхностью замедляющей системы, внутренняя боковая поверхность которой выполнена короткозамкнутой, а СВЧ-поглотитель размещен в резонаторе со стороны внутренней короткозамкнутой поверхности замедляющей системы и/или со стороны ее внешней боковой поверхности с кольцевыми зазорами.
Предусмотрено, что цепочка азимутально замкнутых резонаторов замедляющей системы выполнена в виде последовательно чередующихся шайб и втулок, которые жестко закреплены на центральном стержне, а на периферии каждой шайбы выполнен обод, при этом торцевые поверхности соседних ободов разделены зазором.
Предусмотрено, что СВЧ-поглотитель, размещенный в резонаторе со стороны короткозамкнутой поверхности замедляющей системы, выполнен в виде покрытия на внешней цилиндрической поверхности втулки.
Предусмотрено, что СВЧ-поглотитель, размещенный в резонаторе со стороны внешней боковой поверхности замедляющей системы с кольцевыми зазорами, выполнен в виде кольца из СВЧ-поглощающего материала, которое прилегает своей наружной боковой поверхностью к соседним ободам, а торцевыми поверхностями - к соседним шайбам.
Предусмотрено, что наружный диаметр и/или осевая длина по меньшей мере одной из втулок выбраны неравными наружному диаметру и/или длине соседней.
Предусмотрено также, что по меньшей мере одна из шайб выполнена с меняющейся вдоль ее радиуса толщиной.
Предусмотрено, что противолежащие торцевые поверхности по меньшей мере двух соседних ободов выполнены профилированными.
Предусмотрено также, что центральный стержень выполнен с осевым каналом охлаждения.
Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции обращенной ЛБВ с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявляемое устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 схематично показано в продольном разрезе устройство ОЛБВ.
На фиг.2 показано поперечное сечение ОЛБВ по А-А на фиг.1.
На фиг. 3 схематично показан фрагмент замедляющей системы со ступенчато меняющимися толщинами шайб.
На фиг.4 показан фрагмент с плавно меняющимися толщинами шайб и с СВЧ-поглотительным кольцом.
На фиг.5 показано разрезное СВЧ-поглотительное кольцо.
На фиг. 6, 7 показаны примеры исполнения ободов с профилированными (неплоскопараллельными) торцами (кольцевых зазоров с изменяющейся вдоль радиуса шириной).
На фиг.1 в продольном разрезе, а на фиг.2 - в поперечном сечении схематично представлена обращенная ЛБВ в исполнении, реализующем идеологию построения заявляемого объекта, без детализации узлов и устройств, не являющихся предметом изобретения в настоящей заявке.
Замедляющая система 1, как целое, представляет собой "цепочку связанных резонаторов". Каждый азимутально замкнутый резонатор 2, в свою очередь, образован короткозамкнутым на одном конце и разомкнутым на другом отрезком радиальной линии передачи. В изображенном на фиг.1 устройстве эти резонаторы 2 (отрезки радиальной линии передачи) составлены из металлических (например, медных) шайб 3, дистанцированных одна от другой вдоль общей продольной оси ОЛБВ посредством металлических же втулок 4, контактирующих торцами с плоскостями шайб 3, тем самым реализуется короткое замыкание шайб 3 и втулок 4 на требуемом диаметре dвн. И шайбы 3, и втулки 4 нанизаны на единый стержень 5 и жестко соединены с ним (например, припаяны к нему), образуя монолитную последовательность. На периферии шайб 3 выполнены соосно охватывающие шайбы обода 6. На фиг.1 они показаны в виде отдельных колец, припаянных к шайбам 3 по внутренней цилиндрической поверхности ободов. Это не является принципиальным. Каждая шайба 3 с ободом 6 может быть изготовлена (выточена) зацело, из единой заготовки. Это может обеспечить повышенную точность расположения шайб 3, упростить сборку и отчасти избежать изготовления и использования сложной технологической оснастки. Исполнение же, представленное на фиг.1, позволяет использовать листовой материал для шайбы 3 и трубу-заготовку для ободов 6.
В любом случае между торцами соседних ободов 6 имеется кольцевой зазор 7, величина которого lзаз может выбираться проектировщиком. Таким образом, резонаторы 2 в виде отрезков радиальных линий передачи имеют короткозамкнутый конец на внутреннем радиусе, что определяется диаметром dвн короткозамыкающих втулок 4, и разомкнутый конец на наружном радиусе, что определяется наличием зазоров 7 между торцами соседних ободов 6, имеющих наружный диаметр dнар.
Отметим, что в предлагаемом построении замедляющей системы 1 управление ее электродинамическими параметрами, в частности дисперсионной характеристикой, легко может быть осуществлено при настройке системы (до пайки) постановкой втулок 4 различного диаметра dвн, т.е. изменением длины радиальной линии передачи, образующей резонатор 2.
Определенная свобода в управлении дисперсионной характеристикой обусловлена также возможностью постановки втулок 4 с различной длиной (lвт), а также ободов 6 с различной шириной t (и то, и другое позволяет изменять величину зазора 7 - lзаз). Кроме того, шайбы могут иметь меняющуюся (монотонно и/или скачкообразно) толщину tш, в т.ч. переменную толщину tш вдоль радиуса шайбы 3.
Примеры реализации указанных возможностей показаны отдельно на фиг.3, 4, а на фиг.1, чтобы не усложнять чертежа, все шайбы 3, их обода 6 и короткозамыкающие втулки 4 и, соответственно, зазоры 7 изображены одинаковыми во всех резонаторах 2, по крайней мере не содержащих СВЧ-поглотителей 8, 9. СВЧ-поглотители 8, 9 в предложенном устройстве (фиг.1) показаны в двух различных исполнениях, которые могут использоваться в резонаторах 2 автономно, т.е. порознь, и в сочетании (одновременно). Они служат традиционной цели (предотвращению самовозбуждения ЛБВ) и, как обычно, располагаются в средней по длине части замедляющей системы (в нескольких резонаторах 2). На фиг.1 СВЧ-поглотители 8 и 9 показаны расположенными в одном и том же резонаторе 2 только для наглядности. Не противореча идее изобретения и ее конструктивному воплощению, СВЧ-поглотитель 8 может быть использован в некоторой части резонаторов 2 автономно, в другой части резонаторов 2 автономно может быть использован СВЧ-поглотитель 9, а еще в некоторой части резонаторов 2 могут быть использованы оба СВЧ-поглотителя 8, 9. Заметим, что, также не противореча идее изобретения, в обращенной ЛБВ может быть использован только один вид СВЧ-поглотителя (т. е. либо только позиция 8, либо только позиция 9). Рассмотрим сначала более детально СВЧ-поглотитель 8. Он представляет собой покрытие на наружной цилиндрической поверхности короткозамыкающей втулки 4, образующее проводящий слой, но обладающий высоким активным сопротивлением. Поскольку на короткозамкнутом конце резонатора 2 (т.е. у втулки 4) СВЧ-токи, как и тангенциальная составляющая СВЧ-магнитного поля, максимальны, постольку вносимые потери в указанном слое также максимальны. Конкретная реализация такого СВЧ-поглотителя 8 может быть осуществлена, например, в виде нанесенного и спеченного на поверхности втулки 4 слоя из композиционного материала, известного под названием "Альсифер" (алюминий, силиций, железо) и традиционно используемого в замедляющих системах типа цепочки связанных резонаторов и в ряде других СВЧ-резонансных устройств.
СВЧ-поглотитель 9 представляет собой монолитное тело из СВЧ-поглощающего материала, например из кремнеграфита или кермета с весьма низкой проводимостью и высокими СВЧ-потерями. Такими известными материалами являются, например, графитированная путем пропитки пористая керамика или известный тип кермета КТ-30, содержащий двуокись титана. Большие диэлектрические потери при низкой электропроводности в СВЧ-диапазоне обуславливают целесообразность размещения СВЧ-поглотителя 9 вблизи разомкнутых концов резонаторов 2, т.е. в области максимальной напряженности электрической составляющей СВЧ-электромагнитного поля. СВЧ-поглотитель 9 согласно фиг. 1, 2 выполнен в виде кольца, которое по наружной цилиндрической поверхности охвачено соседними ободами 6, а по торцам зафиксировано между плоскостями соседних шайб 3. На фиг.1, 2 СВЧ-поглотитель 9 показан в виде сплошного кольца. Однако оно может быть выполнено разрезным, как отдельно показано на фиг.5, или вообще составленным из отдельных сегментов (за очевидностью не показано). Эти технические решения не являются принципиальными, но могут оказаться полезными при использовании для шайб 3 и ободов 6 материалов с различными коэффициентами теплового расширения, при задании полей допусков на посадочные размеры с учетом возможных температурных режимов (при сборке, пайке и остывании, при работе прибора в целом в условиях воздействия различных тепловых факторов, в том числе низких и высоких температур окружающей среды). Небольшой, экспериментально и/или расчетно выбранный зазор 10 позволяет сохранять требуемую посадку кольцевого СВЧ-поглотителя 9 и предотвращает разрушение его при сборке и изменениях температуры самого поглотителя и сопрягаемых элементов.
Возвращаясь к фиг. 1, подчеркнем, что кольцевой зазор 7 между торцами соседних ободов определяет вышеуказанную разомкнутость отрезка радиальной линии передачи (т.е. резонатора 2) на внешнем радиусе замедляющей системы 1, тогда как короткозамкнутый конец, определяемый втулкой 4, расположен на внутреннем радиусе. Чередующиеся вдоль оси замедляющей системы 1 ободы 6 и кольцевые зазоры 7 формируют внутреннюю граничную цилиндрическую поверхность пролетного канала 11. Наружной цилиндрической граничной поверхностью пролетного канала является внутренняя поверхность участка электропроводной, например, металлической трубы 12, выполненной из вакуумно-плотного немагнитного материала. Эта труба 12 расположена соосно с замедляющей системой 1 и является частью общей вакуумной оболочки ОЛБВ. В результате указанного построения замедляющей системы 1 и пространства взаимодействия, последнее образует пролетный канал 11 кольцевого поперечного сечения, что наглядно представлено на фиг. 2 и соответствует возможности инжекции и транспортировки вдоль оси прибора полого или многолучевого электронного потока. Электронная пушка (инжектор) и коллектор на фиг.1 не показаны, как не показаны другие узлы, не являющиеся предметом изобретения.
В целом для удобства трактовки или наглядности представления устройство ОЛБВ, показанное на фиг.1, 2, может рассматриваться как некий коаксиальный волновод, на центральном проводнике 5 которого размещена замедляющая система 1, а наружный проводник образован участком оболочки (трубой 12). Так или иначе, выбирая тот или иной внутренний диаметр трубы 12, имеется возможность автономно менять размер поперечного сечения пролетного канала 11, не меняя поперечных размеров замедляющей системы 1, чего нельзя осуществить в необращенной конструкции ЛБВ.
Соответственно, в ОЛБВ имеются и большие возможности в выборе геометрических и электрических размеров электронного потока, а в плазменной ОЛБВ - еще и в выборе параметров плазменного "заполнения" пролетного канала 11.
На фиг.1 торцы соседних ободов 6, разделенные кольцевым зазором 7, показаны плоскопараллельными, лежащими в плоскостях, перпендикулярных продольной оси лампы. На фиг.6, 7 показаны фрагментарно иные формы торцов обода 6, которые могут быть востребованы как для управления степенью электродинамической связи резонаторов 2 ЗС 1 с пролетным каналом 11, так и для управления топографией электрического СВЧ-поля в пролетном канале 11 у зазоров 7. В частности, на фиг.6 торцы ободов 6 имеют скругления 13, а на фиг.7 - скосы 14. На этих же фиг. 6, 7 показаны мгновенные картины распределения силовых линий электрического СВЧ-поля. Естественно, что выбор тех или иных конфигураций торцов ободов 6 производится с учетом допустимых или требуемых влияний на электродинамические характеристики замедляющей системы 1 и, в частности, на сопротивление связи, а также с учетом электрической прочности зазоров 7 и тепловой стойкости торцов ободов 6 со округлениями 13 или скосами 14.
Скруглением 13 и скосом 14 не исчерпываются возможные формы торцов ободов 6 и, следовательно, границ кольцевых зазоров 7. В обобщенном виде конструктивное исполнение неплоскопараллельных (профилированных) торцов ободов 6 обуславливает переменную вдоль радиуса ширины обода 6 и, соответственно, ширину зазора 7 (lзаз=lзаз(r)=vаr). Так как в конструкции обращенной ЛБВ, как видно из фиг.1 и 2, пролетный канал 11 расположен на внешнем радиусе замедляющей системы 1 и, соответственно, электронный поток транспортируется в кольцевом канале существенно большего диаметра, чем в обычной ЛБВ, имеющей пролетный канал у внутреннего радиуса замедляющей системы, то, естественно, в обращенной ЛБВ могут быть достигнуты относительно большие токи и повышенные уровни средней и импульсной мощностей. Это означает, что нагрузки электродов лампы (тепловые и токовые) могут быть значительными. Для эффективного охлаждения замедляющей системы 1 в центральном стержне 5, на котором смонтированы шайбы 3 и втулки 4, выполнен канал 15, сообщающийся на входе и выходе с системой проточного жидкостного охлаждения (на фиг.1 не показана). На фиг.1, 2 показаны традиционные для замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов окна связи 16, выполненные в шайбах 3.
Из числа вневакуумных элементов конструкции обращенной ЛБВ на фиг.1 показаны только магниты 17 и внешний магнитопровод 18, образующие магнитопериодическую фокусирующую систему (МПФС), широко используемую в различных ЛБВ для транспортировки электронного потока вдоль пролетного канала 11. В изображенной на фиг. 1 обращенной ЛБВ магниты 17 представляют собой кольца (например, собранные из сегментов, изготовленных из самарий-кобальтового сплава) с радиальной намагниченностью. Полярность любых двух соседних магнитов 17 различна. Внешний магнитопровод 18 выполнен из магнитомягкого (ферромагнитного) материала, например из низкоуглеродистой стали - Ст10, Ст03ВИ, и имеет вид герметичной трубы, которая в сочетании с трубой 12 обеспечивает жесткость всей конструкции. Кольцевые магниты 17 собраны на переходном установочном кольце 19, которое так же, как и магнитопровод 18, изготовлено из магнитомягкого материала. Кольцо 19 по внутреннему диаметру контактно посажено на трубу 12. В кольцах 19 выполнены отверстия 20, число и форма которых выбирается проектировщиком. Отверстия 20 обеспечивают проток охлаждающей жидкости вдоль всей МПФС. Тем самым осуществлен теплоотвод и от трубы 12, ограничивающей вакуумно-плотно пролетный канал 11, и от магнитов 17.
В зависимости от выбранной проектировщиком ЛБВ периодичности в расстановке магнитов 17 вдоль оси внешний магнитопровод 18 может быть собран из соответствующего количества отдельных герметично и жестко стыкуемых секций, что облегчает монтаж. На фиг.1 для простоты секционированное построение МПФС не представлено.
Особенностью МПФС обращенной вакуумной или плазменной ЛБВ в сравнении с МПФС для необращенной (обычной) ЛБВ является не конструкция магнитофокусирующей системы, а улучшенные массогабаритные характеристики. Уменьшение размеров и массы магнитов 17 обусловлено тем, что пролетный канал 11, как подчеркивалось выше, в обращенной ЛБВ расположен на периферии замедляющей системы 1, т.е. в непосредственной близости к магнитам 17, тогда как в обычной ЛБВ пролетный канал находится на внутреннем радиусе, т.е. на удалении от МПФС. Это означает, что для достижения требуемой напряженности фокусирующего магнитного поля в пролетном канале необращенной ЛБВ понадобятся более "сильные" магниты, а в пролетном канале обращенной - более "слабые" (облегченные).
Следует отметить, что нами сознательно не показаны на фиг.1, 2 варианты отдельных технических решений, не характеризующихся, на наш взгляд, изобретательским уровнем или выходящие за рамки наших притязаний в настоящей заявке. Последнее, в частности, относится к устройству электронной пушки, формирующей полый (трубчатый) или многолучевой поток, к устройству элементов и участков вакуумной оболочки за пределами ЗС 1, к входному и выходному устройствам, электродинамически и конструктивно связанным с замедляющей системой 1, к устройству коллектора, воспринимающего отработавший электронный поток, а также к устройствам генераторов водорода и магнитоэлектроразрядных насосов, входящих традиционно [2] в конструкцию плазменной ЛБВ. В обращенной плазменной ЛБВ система магнитоэлектроразрядного насоса (согласно [2] - система дифференциальной откачки) в зоне электронной пушки, естественно, конструктивно отлична от аналогичной системы необращенной плазменной ЛБВ, однако это находится за рамками совокупности отличительных признаков, которыми мы ограничили заявляемый объект.
Предложенное устройство вакуумной или плазменной ОЛБВ работает следующим образом. При включении питающих напряжений и подаче входного СВЧ-сигнала сформированный непоказанной электронной пушкой трубчатый (полый) или многолучевой электронный поток, фокусируемый МПФС, поступает в пространство взаимодействия (в пролетный канал 11), а входной СВЧ-сигнал - в замедляющую систему 1. Во входной части замедляющей системы 1 (на фиг.1 - в цепочке резонаторов 2, расположенных слева от резонаторов 2, содержащих СВЧ-поглотители 8, 9), как и в традиционной (необращенной) ЛБВ, распространяется бегущая электромагнитная волна, фазовая скорость которой Vф соответствует средней групповой скорости Vгр электронного потока. Группирование электронного потока и усиление входного сигнала происходят так же, как и в необращенной ЛБВ. При этом СВЧ-поглотители 8 и/или 9 выполняют те же функции, что и в необращенной лампе - препятствуют ее самовозбуждению.
В выходной части замедляющей системы 1 (на фиг.1 - в цепочке резонаторов 2, расположенных справа от резонаторов, содержащих СВЧ-поглотители 8, 9) сгруппированный поток эффективно взаимодействует с СВЧ-полями у кольцевых зазоров 7 и, соответственно, нарастает амплитуда сигнала, что обуславливает достижение значительных уровней выходной мощности.
Отвод тепла от нагревающихся элементов замедляющей системы 1 осуществляется за счет пропускания по каналу 15 в центральном стержне 5 охлаждающей жидкости, подаваемой от внешней системы охлаждения, запускаемой в рабочий режим до подачи на ОЛБВ питающих напряжений. Отвод тепла от трубы 12, магнитов 17 и трубы 18 осуществляется также проточной жидкостью, поток которой прогоняется вдоль всей МПФС сквозь отверстия 20 в кольцах 19.
Работа предложенного устройства в "плазменном" режиме в части, относящейся к конструкции заявляемого нами объекта, не отличается от рассмотренной выше. Хотя физические механизмы взаимодействия электронного потока с электромагнитными полями замедляющей системы 1 и процессы в плазмозаполненном пролетном канале 11 имеют свои особенности, и плазменная ЛБВ, как отмечалось выше, содержит ряд нетрадиционных для "вакуумных" ЛБВ узлов (генераторы рабочего газа - водорода, систему дифференциальной откачки), конструкция, представленная в настоящей заявке, равно пригодна для работы и вакуумной, и плазменной ОЛБВ. При этом "обращенное" построение решает проблему продвижения этих приборов в диапазон повышенных уровней мощности и рабочих частот и одновременно позволяет получить улучшенные массогабаритные характеристики, что отвечает сформулированным в настоящей заявке целям и задачам.
Формула изобретения: 1. Обращенная лампа бегущей волны (ОЛБВ), содержащая соосные пролетный канал и граничащую с ним по боковой цилиндрической поверхности замедляющую систему в виде цепочки азимутально-замкнутых резонаторов, каждый из которых электродинамически связан с пролетным каналом посредством кольцевого зазора, а по меньшей мере в одном из резонаторов размещен сверхвысокочастотный (СВЧ) поглотитель, отличающаяся тем, что лампа снабжена выполненным из электропроводного немагнитного материала цилиндрическим участком вакуумно-плотной оболочки, в которой соосно размещена замедляющая система, при этом пролетный канал сформирован коаксиальными внутренней поверхностью оболочки и выполненной с кольцевыми зазорами внешней боковой поверхностью замедляющей системы, внутренняя боковая поверхность которой выполнена короткозамкнутой, а СВЧ-поглотитель размещен в резонаторе со стороны внутренней короткозамкнутой поверхности замедляющей системы и/или со стороны ее внешней боковой поверхности с кольцевыми зазорами.
2. ОЛБВ по п. 1, отличающаяся тем, что цепочка азимутально замкнутых резонаторов замедляющей системы выполнена в виде последовательно чередующихся шайб и втулок, которые жестко закреплены на центральном стержне, а на периферии каждой шайбы выполнен обод, при этом торцевые поверхности соседних ободов разделены зазором.
3. ОЛБВ по п. 2, отличающаяся тем, что СВЧ-поглотитель, размещенный в резонаторе со стороны короткозамкнутой поверхности замедляющей системы, выполнен в виде покрытия на внешней цилиндрической поверхности втулки.
4. ОЛБВ по п. 2, отличающаяся тем, что СВЧ-поглотитель, размещенный в резонаторе со стороны внешней боковой поверхности замедляющей системы с кольцевыми зазорами, выполнен в виде кольца из СВЧ-поглощающего материала, которое прилегает своей наружной боковой поверхностью к соседним ободам, а торцевыми поверхностями - к соседним шайбам.
5. ОЛБВ по п. 2, или п. 3, или п. 4, отличающаяся тем, что наружный диаметр и/или осевая длина по меньшей мере одной из втулок выбраны неравными наружному диаметру и/или осевой длине соседней.
6. ОЛБВ по п. 2, или п. 3, или п. 4, или п. 5, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из шайб выполнена с меняющейся вдоль ее радиуса толщиной.
7. ОЛБВ по п. 2, или п. 3, или п. 4, или п. 5, или п. 6, отличающаяся тем, что противолежащие торцевые поверхности по меньшей мере двух соседних ободов выполнены профилированными.
8. ОЛБВ по п. 2, или п. 3, или п. 4, или п. 5, или п. 6, или п. 7, отличающаяся тем, что центральный стержень выполнен с осевым каналом охлаждения.