3.6.2. Параметры современных отечественных лбв
Лидирующая роль в разработке мощных ЛБВ в нашей стране принадлежит ФГУП «НПП «Торий». Для РЛС системы ПРО, обеспечивающей в дециметровом диапазоне мониторинг космического пространства, им разработана принципиально новая для своего времени мощная ЛБВ непрерывного действия. Использование в качестве замедляющей системы модифицированной спирали из охлаждаемых водой медных трубок, позволило решить проблему отвода тепла и поднять значение выходной мощности до 100 кВт в непрерывном режиме. Вместе с широкополосностью и уникальным комплексом других параметров эта ЛБВ значительно превышала зарубежный уровень и сегодня она является наиболее мощной лампой в мире. Использование в этой ЛБВ электронно-оптической системы, формирующей полый электронный поток, позволило получить рекордное время непрерывной работы лампы в аппаратуре - более 100 тыс. часов.
Однако в связи с прекращением работ по ПРО дальнейшее развитие ЛБВ пошло по пути разработок импульсных ЛБВ на замедляющих системах типа цепочки связанных резонаторов для РЛС наземного и самолетного базирования.
Развитие этих ЛБВ, в первую очередь, было связано с необходимостью уменьшения массы и габаритных размеров магнитных фокусирующих систем. Известным методом уменьшения массы ЛБВ являлось совмещение магнитных периодических фокусирующих систем (МПФС) с замедляющей системой, хотя это существенно усложняет разработку прибора, так как размеры замедляющей и фокусирующей систем нельзя менять независимо. К тому же становится принципиально невозможным создание гладкого пучка. Увеличение уровня мощности приводит к увеличению плотности тока в пучке, что затрудняет создание необходимого фокусирующего и формирующего пучок поля. Задача становится особенно сложной для приборов, работающих в коротковолновой части сантиметрового диапазона, где сильно уменьшаются допустимые размеры пролетного канала.
Основная проблема при разработках таких ЛБВ с МПФС связана с динамическим токооседанием. В ЛБВ с однородным фокусирущим полем токооседание, обусловленное динамической расфокусировкой или перефокусировкой потока может быть полностью исключено за счет роста фокусирующего поля. В ЛБВ с периодически меняющимся полем процессы баланса кулоновской, центробежной и лоренцевской сил выполняются в статическом пучке лишь в среднем за период. В нулях магнитного поля сила Лоренца отсутствует, а в пиках она в 4 раза превышает силу расталкивания. Поэтому радиальное ускорение пучка больше, чем в однородном поле, и, соответственно, больше доля перефокусированных электронов.
В мощных ЛБВ с МПФС за счет подбора магнитного поля можно обеспечить статическое токопрохождение не меньше 95-97 %. Динамическое токопрохождение оказывается значительно хуже. Обычно динамическое токооседание проявляется на оконечном участке прибора, приводя к сильному нагреву пролетного канала, а при большой средней мощности - даже к его расплавлению.
Достаточно эффективным средством борьбы с динамическим токооседанием является настройка МПФС. Она позволяет устранить конструктивную несоосность магнитного поля и геометрической оси прибора. К этой несоосности приводят вырезы в магнитах под ввод и вывод энергии, вырезы в полюсных наконечниках под окна связи, а также вырезы для размещения выносных нагрузок. Помимо конструктивных несоосностей обязательно присутствуют несоосности, связанные с разбросом размеров деталей и узлов в пределах заданных допусков. Все это вызывает наклон условной оси прибора относительно оси пушки на 20-40°.Установка шунтов и дополнительных магнитов в определенных местах позволяет получить токопрохождение более 90 % в динамическом режиме во всем диапазоне рабочих частот.
В качестве замедляющей системы в таких ЛБВ в большинстве случаев использовались системы типа диафрагмированного волновода. Диафрагмы совместно с окнами связи образовывали цепочку связанных резонаторов из трех секций, нагруженных на выносные согласованные нагрузки. Корпус ЗС и диафрагмы охлаждались водой. Дисперсионные характеристики секций выбирались таким образом, чтобы обеспечить усиление на единицу замедленной длины волны не менее 3,5дБ. Коллектор прибора был снабжен устройством, заставлявшим встречные электроны, отраженные от коллектора, оседать в области предколлектора. Катод пушки - оксидный, с активной присадкой циркония, что позволяло снимать с него плотность тока 4 А/см2 при длительности импульса до 30 мкс.
При использовании ЛБВ в бортовых РЛС в режиме "воздух-воздух" необходимы малая импульсная мощность и высокая частота повторения импульсов. В режиме "воздух-земля" наоборот, нужна высокая импульсная мощность при низкой частоте повторения. Причем средняя мощность должна быть высокой в обоих режимах.
Для создания такой ЛБВ необходима электронная пушка, мощность пучка которой меняется в 10 раз при переходе из одного режима работы в другой. При этом токопрохождение пучка не должно ухудшаться. Если учитывать, что в таких ЛБВ обычно используются для фокусировки потока МПФС, остро реагирующие на величину тока луча, то одной из самых важных задач при создании этих ЛБВ была проблема создания соответствующей электронно-оптической системы с низковольтным управлением по току луча.
Основным недостатком двухрежимной ЛБВ является низкий КПД в режиме малой импульсной мощности. Поэтому для увеличения КПД необходимо использовать коллекторы с рекуперацией, позволяющие получить КПД не менее 18 % .
В двухрежимных ЛБВ также, как и в обычных, применялась система типа ЦСР, причем для увеличения КПД и полосы использовалась настройка дисперсии отдельных секций так, что выходная секция обеспечивала максимальную мощность и КПД во всей полосе рабочих частот. Промежуточные секции имели низкочастотную границу полосы пропускания вблизи высокочастотной границы полосы рабочих частот, т. е. работали за пределами "холодной" полосы пропускания прибора [7]..
Некоторые технические данные разработанных ЛБВ приведены в таблице 3.1.
В настоящее время спрос на ЛБВ определяется в основном потребностями бортовых систем. Коэффициент полезного действия мощных ЛБВ даже с рекуперацией сильно уступает клистронам, которые являются их основным конкурентом на рынке СВЧ-приборов.