Расчёт электронно-оптической системы клистрона

ГЛАВА 4

РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЫ КЛИСТРОНА

С 1968 года [4] на предприятии «Светлана-Электронприбор» используются многолучевые электронно-оптические системы (Рис).

Рис. Схема многолучевого клистрона

Они представляют собой систему из катода с сеткой (маской) и высокочастотной структуры с несколькими каналами. Отношение размера катода и размера луча в канале (сходимость электронного луча) небольшое. Чем больше лучей при заданном общем токе электронного потока, тем меньше первеанс каждого луча и меньше нежелательное влияние пространственного заряда (плотность пространственного заряда пропорциональна первеансу луча I/U^3/2). Число лучей ограничено технологическими трудностями изготовления, особенно в коротковолновых диапазонах. Но они успешно преодолеваются. Многолучевые системы позволили существенно снизить сопротивление электронного потока и увеличить общий первеанс усилителей в 7-40 раз по сравнению с однолучевым потоком. Это достигается увеличением площади катода и плотности тока с эмитирующей поверхности с соответствующим сокращением срока службы.

4.1 Расчёт классической электронно-оптической системы

4.1.1 Расчёт электронной пушки

Электронная пушка клистрона предназначена для формирования электронного потока и состоит из катодно-подогревательного узла, создающего необходимое количество свободных электронов,  электрода для формирования луча (фокусирующего электрода) и анодного отверстия в магнитном экране на входе в магнитную фокусирующую систему.

Катодный  узел может быть рассчитан, но параметры участвующих материалов при высоких рабочих температурах известны крайне ненадёжно. Кроме того, соединение деталей между собой производится сваркой с большей частью недостаточно определёнными переходными тепловыми сопротивлениями. Поэтому результаты расчёта носят сугубо ориентировочный характер, решающим является эксперимент. Стабильность параметров собранных узлов определяется степенью стабильности технологических приёмов.

В рассматриваемом случае в качестве фокусирующего электрода электронная пушка имеет плоский катод и фокусирующий электрод в виде диска с соосными с анодом отверстиями (сетка).

Сетка должна иметь минимальную толщину ради равномерности распределения эмиссии по поверхности катода и ради приближения электронного луча к идеально цилиндрической форме. Однако уменьшение толщины сетки ограничено уменьшением её жесткости и теплопроводности. Увеличение диаметра отверстий в сетке улучшает форму траекторий и уменьшает плотность эмиссии электронов. Но перемычки между отверстиями не могут быть слишком тонкими и определяются вместе с конструкцией резонатора. Так же действует уменьшение расстояния между сеткой и катодом, но малые расстояния хуже выдерживаются при сборке и эксплуатации.

Расчёт проводили по программе «Антра», для центрального луча многолучевой системы. При этом для простоты считается, что остальные лучи ведут себя одинаково с центральным.

Для обеспечения хорошего токопрохождения рекомендуется, чтобы электронный поток входил в магнитный экран с сходящимся траекториями, имея минимальный радиус на границе экрана. В дальнейшем это обеспечивает минимальные пульсации электронного потока. Желательно также, чтобы пересекающихся траекторий было как можно меньше.

На рис…. показана рассчитанная по программе «Антра» электронная пушка клистрона. Как видно из рисунка, приведенные выше рекомендации в необходимой степени выполняются.

На графике рис… представлена зависимость плотности тока с катода (от центра к периферии) от радиуса. При максимальной плотности тока 4А/см² может быть обеспечена долговечность в несколько тысяч часов.

Как показывает опыт разработки широкополосных усилительных клистронов, для получения полосы в несколько процентов и достаточного коэффициента усиления необходимо не менее шести резонаторов (входной,  4 промежуточных и выходной). Зная внутренние осевые размеры этих резонаторов, толщину стенок и минимально возможную длину пролётных труб можно определить длину резонансного блока, равную расстоянию между полюсами магнитной системы. Это расстояние получается равным