РЕЛЯТИВИСТКИЙ МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к конструкциям релятивистских импульсных магнетронов, катоды которых работают в режиме взрывной эмиссии, и может быть использовано для генерации сверхмощных СВЧ импульсов (10⁹-10¹⁰ Вт) наносекундной длительности как в однократном, так и в импульсно-периодическом режиме.

В настоящее время известны различные конструкции релятивистских импульсных магнетронов, катоды которых работают в режиме взрывной эмиссии, а в качестве источников питания используются сильноточные электронные ускорители.

Одной из основных проблем создания релятивистских магнетронных генераторов является разработка магнитной системы, обеспечивающей однородное магнитное поле достаточной величины в пространстве взаимодействия, поскольку использование в качестве источника питания сильноточных электронных ускорителей и работа катода релятивистского магнетрона в режиме взрывной эмиссии делает невозможным применение широко распространенных в технике приборов М-типа магнитных систем. Основные причины этого большой объем пространства взаимодействия (для 10 см релятивистского магнетрона объем, в котором создается магнитное поле, составляет порядка 100 см³), достаточно высокие значения магнитных полей (0,5-1 Т), наличие распространяющегося вдоль оси сильноточного диода электронного пучка. Вследствие этого для релятивистских магнетронов общепринятыми являются электроимпульсные магнитные системы, выполненные, как правило, в виде пары Гельмгольца, состоящей из двух катушек и расположенной снаружи анодного блока коаксиально с ним. Такая магнитная система позволяет обеспечить требуемые значения неоднородности магнитного поля ( < 5%), сравнительно просто осуществить вывод энергии из какого-либо резонатора с помощью волновода, в процессе эксперимента регулировать амплитуду напряженности магнитного поля. Однако имеются и серьезные недостатки. Наличие многорезонаторной анодной системы в магнитном зазоре приводит к экранировке импульсного магнитного поля, поэтому напряженность поля в пространстве взаимодействия оказывается существенно меньше напряженности поля, создаваемого катушками Гельмгольца. Это вызывает необходимость увеличения тока в катушках при фиксированной длительности импульса тока или увеличения длительности импульса тока для уменьшения эффекта экранировки.

Так, например, при длительности импульса напряжения на зазоре катод-анод магнетрона 10^-8 с приходится использовать для питания магнитной системы импульсы тока с длительностью 10^-2-10^-1 с, при этом экранировка, рассчитанная по известной методике, может достигать 30%
С другой стороны, импульсно-периодическая работа релятивистского магнетронного генератора еще усугубляет проблемы, связанные с потерями энергии, обеспечивающей питание электроимпульсной магнитной системы. Так, оценки, проведенные для установки, описанной в [Васильев В.В. Винтизенко И.И. Диденко А. Н. и др. Письма в ЖТФ, 1987, т.13, вып.12, с.762] показывают, что при средней мощности питания, потребляемой сильноточным электронным ускорителем 5 кВт, мощность, потребляемая импульсной магнитной системой, доходит до 40 кВт, причем потери на рассеивание в экранах и собственно катушках составляют ≈ 10 кВт. Понятно, что такие величины рассеиваемых мощностей требуют применения специальных мер охлаждения, что усложняет установку.

Альтернативной указанному способу создания магнитного поля для релятивистского магнетронного генератора может служить использование сверхпроводящих магнитных систем. Вместе с тем, очевидно, что этот путь существенно усложняет установку в целом, поскольку требуется создание и использование азотно-гелиевых криостатов, систем получения жидкого азота и гелия и т.д.

Цель изобретения снижение весогабаритных характеристик и увеличение общего КПД релятивистского магнетронного генератора.

Это достигается тем, что, как и в прототипе, устройство содержит многорезонаторную анодную систему, закрытую с обеих сторон торцевыми экранами, взрывоэмиссионный холодный катод, расположенный коаксиально с многорезонаторной анодной системой, источник анодного напряжения в виде сильноточного электронного ускорителя и магнитную систему, но в отличие от прототипа торцевые экраны выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов, образующих магнитную систему, причем внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов d_м≥d_a, где d_a внутренний диаметр многорезонаторной анодной системы, кольцевые радиально-намагниченные постоянные магниты замкнуты по наружному диаметру кольцевыми магнитопроводами, выполненными из магнитомягкого материала и соединенными между собой плоскими магнитопроводами из магнитомягкого материала, а на наружном диаметре многоорезонаторной анодной системы симметрично между кольцевыми радиально-намагниченными постоянными магнитами установлено дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных призматических постоянных магнитов.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично изображен предлагаемый генератор; на фиг.3 проиллюстрировано экспериментально снятое распределение аксиального магнитного поля в пространстве взаимодействия магнетрона.

Он включает многорезонаторную анодную систему 1, взрывоэмиссионный холодный катод 2, источник анодного напряжения 3, кольцевые радиально-намагниченные постоянные магниты 4, кольцевой магнитопровод 5, плоский магнитопровод 6, дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных призматических постоянных магнитов 7, вывод мощности 8.

Генератор работает следующим образом.

Два радиально-намагниченных кольца 4, расположенные на торцах многорезонаторной анодной системы 1, вместе с кольцевыми магнитопроводами 5, плоскими магнитопроводами 6 и аксиально-намагниченным кольцом 7, выполненным из отдельных призматических постоянных магнитов и расположенным на наружном диаметре многорезонаторной анодной системы 1, образуют единую магнитную систему, формирующую в пространстве взаимодействия магнетрона аксиальное магнитное поле необходимой величины, однородное по длине, соответствующей высоте многорезонаторной анодной системы. На взрывоэмиссионный холодный катод 2 от источника питания 3, выполненного в виде сильноточного электронного ускорителя, подается высоковольтный импульс напряжения отрицательной относительно заземленной многорезонаторной анодной системы полярности, что обеспечивает наличие между катодом и анодной системой радиального электрического поля, и в этом пространстве происходят все процессы, свойственные обычному многорезонаторному магнетрону: возбуждение СВЧ-колебаний, формирование электронных спиц и усиление СВЧ-колебаний. Вывод мощности осуществляется с помощью волновода 8, связанного щелью связи с одним из резонаторов магнетрона и расположенного между отдельными призматическими постоянными магнитами 7.

Ограничение на внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов связано с тем, что они одновременно выполняют роль торцевых экранов, являющихся неотъемлемой принадлежностью многорезонаторной анодной системы закрытого типа.

Для снижения неоднородности продольной составляющей однонаправленного магнитного поля между радиально-намагниченными кольцами устанавливается дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных блоков (магнитов призматической формы с аксиальной намагниченностью относительно оси системы). В зависимости от конструктивной особенности магнетрона можно менять количество блоков, но при этом необходимо учитывать, что несимметричность расположения блоков относительно оси системы вызывает появление неоднородности в распределении радиальной составляющей магнитного поля.

Таким образом, предлагаемый релятивистский магнетронный генератор обеспечивает следующие преимущества по сравнению с устройством-прототипом. Для указанной установки средняя потребляемая мощность снижается с 45 до ≈ 5 кВт и отсутствует необходимость применения специальных мер охлаждения.

Примером конкретного исполнения может служить следующий реально выполненный магнетронный генератор. Двенадцатирезонаторная анодная система (см. Винтизенко И.И. Сулакшин А.С. и др. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, N 8, с.482) имеет внутренний диаметр 60 мм и наружный 120 мм, диаметр катода 40 мм.

Магнитная система выполнена на основе кольцевых радиально-намагниченных магнитов из материала КС25ДЦ175 с радиальной текстурой и энергией (ВН)_мах≥175 кДж/м³, а в области рабочего зазора использовалось аксиально-намагниченное кольцо, состоящее из отдельных блоков из материала КС25ДЦ175 и энергией (ВН)_мах ≥175 кДж/м³. Величина рабочего зазора 76 мм, внутренний диаметр магнитной системы 60 мм.

Основные магнитные параметры:
Магнитная индукция 0,44 Тл
Неоднородность продольной составляющей ± 4,8%
Значение радиальной составляющей < 1,5%
Указанные параметры позволяют работать при анодном напряжении 300 кВ с выходной мощностью магнетрона до 500 МВт.

Использование в технике СВЧ, для генерации сверхмощных (10 + 10 Вт) СВЧ-импульсов наносекундной длительности в импульсно-периодическом режиме. Сущность изобретения в устройстве торцевые экраны многорезонаторной анодной системы выполнены в виде кольцевых радиально-намагниченных постоянных магнитов, а на наружном диаметре ее расположен дополнительный аксиально-намагниченный кольцевой магнит. Образованная магнитная система обеспечивает в пространстве взаимодействия релятивистского магнетрона аксиальное однородное магнитное поле требуемой величины. 3 ил.

РЕЛЯТИВИСТКИЙ МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий многорезонаторную анодную систему, закрытую с обеих сторон торцевыми экранами, взрывоэмиссионный холодный катод, расположенный коаксиально с многорезонаторной анодной системой, источник анодного напряжения в виде сильноточного электронного ускорителя и магнитную систему, отличающийся тем, что торцевые экраны выполнены в виде кольцевых радиально намагниченных постоянных магнитов, образующих магнитную систему, а на внешней цилиндрической поверхности многорезонаторной анодной системы симметрично между кольцевыми радиально намагниченными постоянными магнитами установлен дополнительный аксиально немагниченный кольцевой постоянный магнит.