Мощные многолучевые клистроны и терагерцовые ректенны

Мощные клистроны для ускорителей

В современной вакуумной электронике создание мощных устройств СВЧ играет ключевую роль. Мощные электронно-лучевые генераторы и усилители СВЧ крайне необходимы для решения как задач научных исследований (космическая связь, радиоастрономия, ускорение частиц в суперколлайдерах), так и задач радиолокации, РЭБ и дальнего обнаружения. В настоящее время в отечественной вакуумной электронике вопрос повышения выходной мощности и эффективности усилителей СВЧ (клистронов) решается благодаря применению многолучевой конструкции устройств.

Научные исследования на кафедре по повышению эффективности мощных усилителей СВЧ (клистронов) направлены на поиск и совершенствование новых методов группирования электронного потока для достижения значительного улучшения качества электронных сгустков.

Суть разрабатываемого метода состоит в том, чтобы увеличить плотность конечного сгустка с помощью его частичной разгруппировки и последующего сбора периферийных электронов в высокочастотных электрических полях дополнительных резонаторов первой и второй гармоник рабочей частоты. В процессе разгруппировки сгустка более медленные электроны попадают в ускоряющую фазу высокочастотного поля резонаторов, а более быстрые электроны встечают тормозящую фазу высокочастотного поля. Ядро сгустка совершает при этом вынужденные колебания, необходимые для его устойчивости в процессе сбора периферийных электронов (рис.1). Показано, что возможно значительно (на 15–20%) повысить эффективность мощных клистронов одновременно с уменьшением длины группирователя.

Рис. 1 Фазовые траектории в клистроне (мощность 6 МВт, КПД >70%)

Экспериментальная проверка метода группировки проведена на предприятии ООО «Базовые технологии и компоненты вакуумных приборов», где были изготовлены два образца многолучевого клистрона ВТ258 с выходной мощностью 6 МВт. Испытания клистронов проведены на стендах ОЯИИ (Дубна) и ЦЕРН (Женева). На втором образце клистрона было достигнуто максимальное значение КПД — 66% (на 20% выше КПД прототипа) при выходной мощности 6,6 МВт и усилении 50 дБ.

Результаты проведенных испытаний подтвердили корректность нового метода группировки. Экспериментально доказана возможность значительного повышения КПД при одновременном уменьшении масс-габаритных параметров клистрона.

В настоящее время три зарубежные компании — СPI (США), Thales (Франция), Toshiba (Япония) — поставляют клистроны ( с мощностью 6 МВт) специально для ускорителей заряженных частиц (рис. 2). Сравнение характеристик этих однолучевых клистронов и разработанного многолучевого клистрона ВТ258 приведено в таблице. Эффективность отечественного многолучевого клистрона на 15–20% выше зарубежных аналогов, необходимое напряжение — в три раза ниже. Существенно (в 10–20 раз) снижены габариты высоковольтных источников питания, отсутствует необходимость в масляных баках для высоковольтных компонентов. Снижена масса магнитной системы за счет применения постоянных магнитов с периодической фокусировкой. Снижен уровень рентгеновского излучения со стороны коллектора. Возможна эксплуатация клистрона в мобильных установках.

Рис.2 Клистроны Thales, Toshiba, CPI, ВТ258

Проведенные исследования показали, что уровень выходной мощности клистрона может быть повышен до 10 МВт без существенного изменения конструкции. Обоснованность теоретических расчетов и компьютерного моделирования подтверждена результатами испытаний. Их внедрение позволит создать новое поколение мощных многолучевых клистронов, заметно превосходящих зарубежные аналоги.