МАГНЕТРОН С КОМБИНИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 1994 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к генераторам магнетронного типа, работающим в скрещенных магнитном и электрическом полях, применяемым, в основном, в медицинской физиотерапевтической и гепертермической аппаратуре. Одним из основных требований, предъявляемых к таким генераторам, является способность их работы в широком интервале изменения выходной мощности, включая низкие уровни.

Как известно, условия синхронизма средней скорости электронного потока с фазовой скоростью волны в магнетроне выполняются при значительном изменении анодного напряжения и тока, если одновременно осуществлять соответствующее изменение магнитного поля. Меняя величину магнитного поля, можно выбирать необходимый режим работы магнетрона по выходной мощности и анодному току.

Применение для этих целей электромагнита, в том числе электромагнита, включенного в анодную цепь магнетрона, нецелесообразно из-за существенного увеличения массы и габаритов магнитной системы и генератора. Наиболее распространенные схемы питания магнетрона не предусматривают изменения магнитного поля при изменении мощности магнетрона. Регулировка мощности в этих схемах основана на изменении анодного напряжения в первичной цепи анодного трансформатора. При малой мощности, когда магнетрон работает в начале рабочей (вольт-амперной) характеристики, в режим малого анодного тока генерация СВЧ-колебаний обычно неустойчива, со срывами основного вида, при одновременном возбуждении паразитных колебаний, что является существенным недостатком таких схем питания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа магнетрон с комбинированной магнитной системой, состоящей из набора плоских магнитов (дисков), размещенных внутри или снаружи вакуумной оболочки, и магнитопровода, состоящего из стальных дисков и цилиндра. Особенностью магнитной системы является то, что плоские магниты выполнены из материалов разной коэрцитивной силы для подстройки параметров магнетрона за счет изменения магнитного поля. Величина магнитного поля магнитов, имеющих малую коэрцитивную силу, изменяется путем их намагничивания или размагничивания, при этом магнитное поле магнитов с большой коэрцитивной силой не изменяется.

Недостатки описанного магнетрона следующие. Изменение магнитного поля при их намагничивании или размагничивании осуществляется в небольших пределах, поэтому оно не оказывает существенного влияния на изменение рабочего режима магнетрона. Оно служит лишь для подстройки, например фиксации точки возбуждения магнетрона.

Получение стабильной генерации СВЧ-колебаний в режиме малой мощности в начале вольт-амперной характеристики при этом невозможно и не предусматривается.

Целью изобретения является обеспечение устойчивой работы магнетрона в широком диапазоне мощностей.

Цель достигается тем, что в магнетроне с магнитной системой, включающей постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой, применены ферромагнитные цилиндры с надетыми на них катушками, образующими электромагнит, при этом электромагнит подключен к регулируемому источнику постоянного напряжения через переключатель полярностей.

Сущность изобретения состоит в том, что регулировка выходной мощности магнетрона в широких пределах осуществляется за счет работы магнетрона в двух режимах - режиме минимальной и максимальной мощности, которая осуществляется благодаря применению комбинированной магнитной системы, включающей в себя постоянные магниты с большой коэрцитивной силой, создающие рабочее магнитное поле в пространстве взаимодействия, и электромагниты, предназначенные для регулировки и стабилизации выходной мощности путем взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с полем электромагнита, объединенных в единую магнитную систему с общим ферромагнитным ярмом, причем при изменении магнитного поля электромагнитов в зависимости от их полярности рабочее магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, уменьшается в режиме минимальной мощности или увеличивается в режиме максимальной мощности.

Сопоставление заявляемого решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". Анализ других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение, не были выявлены и потому обеспечивают предлагаемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен магнетрон с комбинированной магнитной системой, общий вид; на фиг.2 представлена схема подключения электромагнита к источнику питания; на фиг. 3 приведены графики зависимости выходной мощности магнетрона при изменении тока электромагнита, создающего магнитное поле прямой (режим максимальной мощности) и обратной (режим минимальной мощности) полярности.

Магнетрон с комбинированной магнитной системой включает в себя корпус 1 с резонаторной системой 2, катод 3, катодные вводы 4, вывод 5 энергии, торцевые крышки 6 и 7. Расстояние между резонаторной системой 2 и катодом 3 образует пространство 8 взаимодействия. С каждой стороны торцовых крышек 6 и 7 установлены постоянные магниты 9 и 10, которые создают рабочее магнитное поле в пространстве взаимодействия. Другие торцы постоянных магнитов 9 и 10 соединены с ферромагнитными полюсными наконечниками 11, 12, которые вместе с катушками 13 и 14 образуют электромагнит. С целью уменьшения рассеяния магнитного поля постоянные магниты 9, 10, электромагниты, образованные ферромагнитными полюсными наконечниками 11, 12 и катушками 13 и 14, заключены в замкнутое ферромагнитное ярмо 15, образующее вместе с магнитами (постоянными и электромагнитом) единую магнитную систему. Концы обмоток обеих катушек выведены на плату 16 (фиг.2) и соединены между собой, например, последовательно - начало обмотки катушки 13 (Н₁₃ фиг.2) с концом обмотки катушки 14 (К₁₄ фиг.2), к концам обмоток катушек К₁₃ и Н₁₄ (фиг.2) через переключатель 17 полярности подается регулируемое постоянное напряжение.

Работа магнетрона в комбинированной магнитной системе происходит следующим образом. Анодное напряжение отрицательной полярности подается на катод 3 (фиг.1) магнетрона 1 через катодные вводы 4. Постоянные магниты 9 и 10 (фиг. 1) создают рабочее магнитное поле в пространстве 8 взаимодействия магнетрона 1 (фиг.1). Дополнительное магнитное поле прямой и обратной полярности создается электромагнитом, состоящим из катушек 13, 14 и ферромагнитных полюсных наконечников 11, 12 (фиг.1). Оба магнитных потока, алгебраически складываясь, замыкаются по внешней цепи через ферромагнитное ярмо 15 (фиг.1) и формируют рабочее магнитное поле в пространстве взаимодействия 8 магнетрона 1. Концы катушек 13 (К₁₃, Н₁₃) и 14 (К₁₄, Н₁₄) (фиг. 1) выведены на плату 16 (фиг.2) и подключены к источнику постоянного напряжения (на чертеже не показано) через переключатель 17 полярности (фиг.2). Необходимость изменения полярности электромагнита продиктована двухрежимной работой магнетрона. В режиме максимальной мощности магнитное поле, создаваемое электромагнитом, совпадает по направлению с полем постоянных магнитов - прямая полярность (магнитные поля складываются) и, наоборот, в режиме минимальной мощности магнитные поля направлены навстречу друг другу - обратная полярность (магнитные поля вычитаются). Одновременно при изменении полярности электромагнита анодное напряжение соответственно скачком изменяется.

В режиме минимальной мощности его величина примерно в два раза меньше, чем в режиме максимальной мощности. Переход с одного режима на другой осуществляется в любой момент времени с помощью переключателя 17 полярности (фиг.2) или автоматически с помощью, например, электронной схемы.

На фиг. 3 в качестве примера, поясняющего работу двухрежимного магнетрона в комбинированной магнитной системе, приведены экспериментальные усредненные характеристики зависимости выходной мощности от изменения тока электромагнита реального магнетрона, предназначенного для медицинского физиотерапев- тического аппарата.

Предположим, например, что магнетрон включается в режиме минимальной мощности при малом рабочем анодном напряжении (магнитные поля постоянных магнитов и электромагнита вычитаются) (фиг.3, участок А). Тогда при токе электромагнита I_эм=0 магнетрон не возбуждается, так как магнитное поле постоянных магнитов больше критического для данного анодного напряжения. По мере увеличения тока электромагнита суммарное магнитное поле в пространстве 8 взаимодействия (фиг. 1) магнетрона уменьшается. При токе электромагнита I_эм= -1 А (фиг.3, точка б) магнетрон стабильно генерирует минимальную мощность Р_в.ч.=2 Вт. Продолжая увеличивать ток электромагнита, суммарное магнитное поле в пространстве 8 взаимодействия (фиг.1) будет уменьшаться, а генерируемая мощность - увеличиваться. При токе электромагнита I_эм=3 А (фиг. 3, точка в) магнетрон генерирует максимальную мощность Р_в.ч.=20 Вт в данном режиме.

Дальнейшее увеличение мощности идет в режиме максимальной мощности (фиг. 2, участок б). Для этого необходимо, например, с помощью встроенного переключателя 17 полярности (фиг.2) изменить полярность электромагнитов, при этом ток, протекающий через катушки электромагнита, изменится лишь по направлению, а по величине останется тем же. В результате магнитное поле в пространстве 8 взаимодействия (фиг.1) увеличится. Одновременно с увеличением магнитного поля скачком переключается в режим максимальной мощности напряжение на катоде 3 магнетрона 1 (фиг.1), которое обеспечивает в этом режиме минимальную мощность Р_в.ч.=20 Вт. Максимальная мощность Р_в.ч.=200 Вт получается при оптимальном магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами, при токе электромагнита I_эм= 0. Таким образом, изменения мощностей (минимальной и максимальной для каждого режима) практически одинаковые и составляют примерно 10 раз. Это гарантирует стабильную работу 200-ваттного магнетрона в режиме 2 Вт.

На основе данного изобретения изготовлен действующий лабораторный образец магнетрона с комбинированной магнитной системой. Для создания постоянного магнитного поля применены магниты из самариево-кобальтового сплава. Диаметр постоянных магнитов 40 мм, высота 8 мм (фиг.1-9, 10). К постоянным магнитам с обеих сторон примыкают ферромагнитные полюсные наконечники (фиг.1-11, 12), выполненные из магнитомягкой стали ("АРМКО"), диаметром 40 мм, высотой 42 мм. На полюсные наконечники надеты катушки (фиг.1-11, 12), выполненные из пресс-шпана. Катушки намотаны медной проволокой прямоугольного сечения 1х3. Количество витков в каждой катушке - по 430. Таким образом, катушки и ферромагнитные полюсные наконечники образуют электромагнит.

С целью уменьшения рассеяния магнитного поля электромагнита и его концентрации в рабочем зазоре магнетрона 1 (фиг.1) ферромагнитные полюсные наконечники вместе с катушками размещены в стальной трубе из магнитомягкого материала диаметром 120 мм, длиной 130 мм, которая является магнитопроводом, замыкая свободные полюса электромагнита. Таким образом, постоянные магниты, электромагниты, стальная труба и магнетрон, установленный между двумя постоянными магнитами, представляет собой магнетрон с комбинированной магнитной системой.

Постоянное рабочее напряжение на катушках электромагнита не превышает 8 В при токе не более 3 А, что составляет мощность источника питания Р_ист=24 Вт. Анодное питание магнетрона осуществляется от бесфильтрового выпрямителя. В режиме максимальной мощности средняя максимальная мощность магнетрона Р_в.ч.=200 Вт, пиковое анодное напряжение U_aпик=2,4 кВ, ток анодный средней I_а.ср=110-120 мА, КПД магнетрона η = 70-75%, ток электромагнита I_эм=0. При средней мощности Р_в.ч.=20 Вт, среднем анодном токе I_а.ср=10 мА, U_aпик=3 кВ, КПД - 66%, ток электромагнита I_эм=3 А.

Во всем интервале мощностей от 200 до 20 Вт магнетрон имеет устойчивую генерацию без срывов и размытий огибающей мощности, что свидетельствует о стабильной работе.

В режиме малой мощности (от 0 до 20 Вт) анодное напряжение U_aпик=0,9 кВ, ток анода средней I_а.ср=80 mA, средняя максимальная мощность Р_в.ч.=20 Вт, ток электромагнита I_эм=-3 А.

В режиме малой мощности ток электромагнита имеет обратную полярность и равен I_эм=-3 А при максимальной мощности Р_в.ч.=20 Вт по отношению к режиму максимальной мощности, в котором при токе электромагнита I_эм=3 А магнетрон генерирует минимальную мощность Р_в.ч.=20 Вт.

Уменьшение мощности до минимальной величины (менее 2 Вт) достигается за счет уменьшения электромагнита и соответственно увеличения магнитного поля в пространстве взаимодействия, уменьшения среднего анодного тока I_а.ср средней мощности Р_в.ч. до минимальной величины. В этом режиме I_а.ср= 10 мА, U_aпик=1,2 кВ, I_эм=1 А, Р_в.ч.=2 Вт.

Экспериментальные исследования заявляемого двухрежимного магнетрона с комбинированной магнитной системой показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) заявляемое решение обеспечивает широкий диапазон изменения генерируемой мощности (от 2 до 200 Вт), стабильную и устойчивую работу магнетрона в режиме максимальной и минимальной мощности за счет того, что обеспечиваются практически одинаковые соотношения мощностей в каждом из режимов. Кроме того, предлагаемое устройство обладает автоматической стабилизацией выходной мощности за счет электромагнита, включенного в первичную цепь анодного трансформатора. Указанные достоинства повышают эксплуатационную надежность и качество медицинского аппарата в целом.

Использование: СВЧ-техника, в частности генераторы магнетронного типа. Сущность изобретения: магнетрон содержит комбинированную магнитную систему, включающую постоянные магниты в виде системы из двух постоянных цилиндрических (дисковых) магнитов, примыкающих одними торцами к торцевым крышкам магнетрона, а другими - к торцам ферромагнитных цилиндров с надетыми на них катушками, образующими вместе с ними электромагнит. Электромагнит подключен к регулируемому источнику постоянного напряжения через переключатель полярностей. 3 ил.

МАГНЕТРОН С КОМБИНИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ, содержащий по крайней мере две пары магнитов, одна из которых выполнена на постоянных магнитах, в виде дисков, примыкающих к торцам анодного блока, и магнитопровод, замыкающий разноименные полюса постоянных магнитов, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности в широком диапазоне мощностей, на магнитных дисках закреплены ферромагнитные цилиндры с надетыми на них катушками, образующие электромагнит, при этом электромагнит выполнен с возможностью подключения к регулируемому источнику постоянного напряжения через переключатель полярностей.