МИКРОВОЛНОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК H03B1/02 

Настоящее изобретение относится в целом к микроволновым генераторам для микроволновых печей, а более конкретно, к конструктивному усовершенствованию таких микроволновых генераторов, которые позволяют получить высокий эксплуатационный КПД микроволновых генераторов и высокие выходные характеристики при сохранении стабильных рабочих параметров в случае подачи низкого рабочего напряжения.

Описание аналогов
На фиг. 1-3 представлена конструкция типичного микроволнового генератора. Как показано на чертежах, микроволновый генератор содержит четное число направляющих элементов 15. Элементы 15 вытянуты в радиальном направлении от внутренней поверхности анодного цилиндра 13, выполненного, например, в виде медной трубки. Направляющие элементы 15 расположены относительно друг друга с одинаковыми зазорами, образуя, таким образом, резонансные полости для индуцирования сверхвысокочастотных колебаний. Анодный цилиндр 13 и направляющие элементы 15 образуют анод 16 генератора.

Генератор также содержит внутреннее и наружное соединение связками 15a и 15b для изменения емкости и, таким образом, для получения однородной резонансной частоты. Упомянутые соединения связками 15a и 15b расположены на направляющих элементах 15 таким образом, что соединения связками 15a и 15b поочередно входят в контакт с верхними и нижними сторонами направляющих элементов 15 свободных торцов направляющих элементов 15. В упомянутом анодном цилиндре 13 цилиндрический рабочий объем 12 определяется пространством внутри свободных торцов радиально вытянутых направляющих элементов 15.

Внутри объема 12 концентрично расположен проволочный нагреватель 17, который обеспечивает высокотемпературный нагрев. Упомянутый проволочный нагреватель 17 (ниже он называется просто "подогреватель") выполнен в виде спирально закрученной проволоки из спеченного сплава вольфрама W и оксида тория ThO₂.

Верхняя и нижняя торцевые шапки 20 и 21 прикреплены к обоим концам подогревателя 17, соответственно. Упомянутые шапки 20 и 21 препятствуют потере термоэлектронов или тока так, чтобы они не вносили вклад в какую-либо форму или вид колебаний упомянутого генератора, кроме излучения к центральной оси цилиндра 13. В центре нижней шапки 21 выполнено центральное отверстие. Центральный держатель или первый катодный держатель 23, выполненный из молибдена, аксиально вытянут вверх, он проходит через центральное отверстие шапки 21 и далее приварен к нижней поверхности верхней шапки 20. Второй катодный держатель 25, выполненный из молибдена, приварен к нижней поверхности упомянутой нижней шапки 21 на участке, не совпадающем с местом первого катодного держателя 23.

Первый держатель 23 проходит сквозь подогреватель 17 и поддерживает верхнюю шапку 20. Нижние участки первого и второго катодных держателей 23 и 25 также аксиально проходят через изолирующий керамический элемент 27 и присоединяются затем к электрическому контакту, имеющему первый и второй наружные контактные выводы 29 и 31, соответственно. Керамический элемент 27 удерживает катод генератора. Выводы 29 и 31 соединены с выводами 30b и 32b источника питания соответственно, поэтому катодные держатели 23 и 25 выполняют функцию электродов подогревателя для подачи электроэнергии к подогревателю 17.

Первый и второй контактные выводы 29 и 31 электрически соединены с первым и вторым дросселями 30 и 32 соответственно, т.е. один конец каждого дросселя 30 или 32 направлен к соответствующему выводу 29 или 31. Другие концы дросселей 30 и 32 обычно направлены к емкости 34, закрепленной на боковой стенке коробки фильтра микроволнового генератора. Для поглощения рабочего шума в дроссели 30 и 32 аксиально вставлены ферриты 30а и 32а соответственно.

Верхний и нижний магнитные полюсные наконечники 33 и 35, имеющие форму раструба, приварены к верхнему и нижнему краям анодного цилиндра 13 соответственно. Полюсные наконечники 33 и 35 формируют путь магнитных силовых линий в анодном цилиндре 13 и, таким образом, формируют внутри объема 12 однородное магнитное поле.

К верхней и нижней поверхностям упомянутых полюсных наконечников 33 и 35 без зазоров приварены верхний и нижний экранирующие цилиндры 37 и 39. Для сохранения герметичности и поддержания вакуума в анодном цилиндре 13 антенный и изолирующий керамические элементы 45 и 27 без зазоров, герметично, приварены к верхнему и нижнему краям экранирующих цилиндров 37 и 39 соответственно.

Верхний и нижний экранирующие цилиндры 37 и 39 окружены снаружи кольцевыми магнитами 41 и 43. Магниты 41 и 43 обеспечивают однородное распределение магнитного поля внутри анодного цилиндра 13. Верхний экранирующий цилиндр 37 образует выходную часть микроволнового генератора. Цилиндрический антенный керамический элемент 45 приварен к верхнему краю упомянутого цилиндра 37 и изолирует антенный стакан, который будет описан ниже.

Выходная трубка 47, выполненная из меди, прикреплена к верхней части цилиндрического антенного керамического элемента 45. Антенна 49 отходит от направляющих элементов 15 и проходит через отверстие в верхнем полюсном наконечнике 33, а затем аксиально направлена внутри вдоль керамического элемента 45 и выходной трубки 47 до места крепления в выпуклой верхней части трубки 47. Антенна 49 выводит микроволновое излучение, генерируемое в резонансных полостях, образованных между направляющими элементами 15.

Трубка 47, в свою очередь, закрыта антенным стаканом 51. Этот антенный стакан 51 защищает участок трубки 47, к которому приварена антенна, и препятствует образованию искрового разряда за счет фокусировки электростатического электричества. Он функционирует как микроволновая антенна и выполняет функцию окна для вывода микроволнового излучения наружу из микроволнового генератора.

Вокруг анодного цилиндра 13 размещены два ярма 53 и 55, верхнее и нижнее. Упомянутые два ярма 53 и 55 устанавливают величину магнитного потока внутри цилиндра 13 для того, чтобы происходило замыкание магнитного потока. Внутри верхнего ярма 55 аксиально снаружи вдоль цилиндра 13 установлено множество охлаждающих ребер 57 с одинаковыми зазорами между ребрами. Ребра 57 выполнены из алюминия и закреплены с помощью ряда фиксаторов 55a, расположенных на боковой стенке ярма 55. Анодный цилиндр 13, кольцевые магниты 41 и 43 и охлаждающие ребра 57 обычно окружены верхним и нижним ярмами 53 и 55, которые также формируют путь магнитных силовых линий.

Как показано на фиг. 2 и 3, расстояние от центральной оси подогревателя 17 до свободных торцов направляющих элементов 15 составляет r_a, а радиус подогревателя 17 составляет r_c.

При работе микроволнового генератора на первый и второй контактные выводы 29 и 31 подается электроэнергия, таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь, содержащая первый контактный вывод 29 - первый катодный держатель 23 -верхнюю торцевую шапку 20 - подогреватель 17 - нижнюю торцевую шапку 21 - второй катодный держатель 25 - второй контактный вывод 31. Следовательно, на подогреватель 17 подается рабочее напряжение и он нагревается.

Когда подогреватель 17 нагревается, то начинается испускание термоэлектронов в объем 12 внутри анодного цилиндра 13.

В упомянутом состоянии рабочее напряжение, подаваемое на второй катодный держатель 25 и на анод 16 генератора, создает сильное электрическое поле внутри объема 12, образованного между подогревателем 17 и направляющими элементами 14. Упомянутое электрическое поле направлено от направляющих элементов 15 к подогревателю 17.

Между тем, магнитный поток, создаваемый кольцевыми магнитами 41 и 43, распределен в магнитной цепи, которая состоит из ярма 53 и ярма 55, полюсных наконечников 33 и 35 и объема 12. Следовательно, индукция магнитного поля в объеме 12 увеличивается.

Таким образом, термоэлектроны, испускаемые подогревателем 17 в объем 12, первоначально движутся в направлении к направляющим элементам 15 или к анодному цилиндру 13 под действием сильного электрического поля в объеме 12, т. е. термоэлектроны предполагают двигаться в радиальном направлении в объеме 12. Кроме того, на термоэлектроны в упомянутом состоянии, которые первоначально движутся к аноду 16, действует сила в направлении, перпендикулярном к радиальному направлению в объеме 12, обусловленная высокой индукцией магнитного поля в объеме 12. В результате термоэлектроны, испускаемые подогревателем 17, вращаются в объеме 12.

В упомянутом состоянии сила, действующая на термоэлектроны со стороны электрического поля в объеме 12, почти сбалансирована силой, обусловленной магнитной индукцией в этом объеме 12.

Когда термоэлектроны вращаются в объеме 12, то они взаимодействуют с резонатором 10 внутри анода 16, возбуждая при этом в резонаторе 10 радиочастотное (RF) электромагнитное поле.

Потенциальная энергия термоэлектронов в упомянутом состоянии преобразуется в кинетическую энергию. В свою очередь, около 70% упомянутой кинетической энергии преобразуется в энергию RF электромагнитного поля, за счет оставшейся кинетической энергии термоэлектроны ударяются в направляющие элементы 15. Таким образом, сохранившаяся кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию.

Энергия RF электромагнитного поля, генерируемая в резонаторе 10 в упомянутом состоянии, выводится наружу из генератора через антенну 49. Если на противоположные концы эмиттера 19 и направляющих элементов 15 подается рабочее напряжение 4 кВ, то упомянутый микроволновой генератор имеет высокую эксплуатационную эффективность, не ниже 70%.

В микроволновых печах, в которых используется описанный генератор, предпочтительно, чтобы рабочее напряжение V_a для микроволновых генераторов было уменьшено до минимального уровня, поскольку низкое рабочее напряжение V_a может обеспечить ряд преимуществ с точки зрения эксплуатационной стабильности и стоимости генератора, т.е. такое низкое рабочее напряжение V_a позволяет конструктивно улучшить генератор, при этом уменьшается стоимость электрической схемы источника электропитания, уменьшается рабочий шум, экономятся деньги на изоляционных схемах и улучшается эксплуатационная эффективность генератора.

Начальное (стартовое) рабочее напряжение V_st для упомянутого микроволнового генератора, т. е. напряжение, при котором с подогревателя 17 начинают испускаться термоэлектроны, представлено в виде следующего уравнения (1), соответствующего уравнению Хартри.

где
w_н=(e•B)/m;
w = 2πf (f - рабочая частота);
n =N/2 - число, равное половине направляющих элементов;
r_a - расстояние от центральной оси подогревателя до свободных концов направляющих элементов;
e - величина электрического заряда термоэлектрона (1,62•10^-19Кл);
m - масса термоэлектрона.

Обычно w_н примерно 1,3 - 2 w, если начальное рабочее напряжение V_st для генератора, работающего при напряжении 550 В, составляет 12 - 20 В.

Из уравнения (1) видно, что начальное рабочее напряжение V_st для микроволнового генератора может быть уменьшено либо путем увеличения числа N направляющих элементов 15, либо путем уменьшения расстояния r_a от центральной оси подогревателя до свободных концов направляющих элементов 15.

Однако увеличение числа направляющих элементов 15 также приводит, к сожалению, к возникновению некоторых проблем, т.е. увеличенное число направляющих элементов 15 вызывает не только проблему, связанную с изготовлением таких генераторов, но также это приводит к уменьшению эксплуатационной стабильности генераторов из-за того, что в генераторе возникают одна или несколько нежелательных мод колебаний. Кроме того, число N направляющих элементов 15 в генераторе, работающем при напряжении 550 В, должно быть увеличено примерно в 53 раза, если микроволновый генератор, рассчитанный на рабочее напряжение 4 кВ, используется при более низком рабочем напряжении. Такое увеличение числа направляющих элементов 15, к сожалению, также приводит к увеличению анодного объема при одновременном уменьшении эксплуатационной эффективности (КПД) генератора.

С другой стороны, уменьшение расстояния r_a от центральной оси нити накала до свободных концов направляющих элементов 15 приводит к тому, что термоэлектроны легко испускаются с наружных концов скрученного подогревателя 17, вследствие чего уменьшается рабочее напряжение V_a для генератора. Однако уменьшенное расстояние r_a также приводит к увеличению скорости дрейфа термоэлектронов в тот момент, когда термоэлектроны достигают направляющих элементов 15. Это, к сожалению, сопровождается увеличением тепловых потерь и уменьшением эксплуатационной эффективности генератора.

Потери тепла или потерянная тепловая энергия W_diss, обусловленная увеличением скорости дрейфа термоэлектронов, выражается следующим уравнением (2).

Wdiss=m•v²/2
где
m - масса термоэлектрона;
v - скорость дрейфа термоэлектронов.

Отношение преобразования потенциальной энергии термоэлектронов в энергию RF электромагнитного поля или электронный КПД η_e будет представлен в виде следующего уравнения (3).

η_e= 1-[Wdiss/(e•V_a)] (3)
где
e - величина электрического заряда термоэлектрона;
V_a - рабочее напряжение.

Из приведенных уравнений (2) и (3) очевидно, что увеличение скорости дрейфа термоэлектронов приводит к увеличению тепловых потерь, и при уменьшении расстояния r_a происходит уменьшение эксплуатационной эффективности генератора.

Таким образом, в описанном генераторе, имеющем рабочее напряжение V_a 4 кВ, эксплуатационная эффективность будет уменьшаться до уровня, не превышающего 55%, если будет уменьшаться рабочее напряжение V_a.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание конструктивно улучшенного микроволнового генератора, в котором могут быть преодолены упомянутые проблемы и который имеет "межпальцевую" конструкцию резонатора для медленной волны М-типа, благодаря чему достигается высокая эксплуатационная эффективность, не ниже 70%, в условиях пониженного рабочего напряжения. В генераторе согласно этому изобретению термин "М-типа" означает прямую волну, в которой магнитное поле действует на электроны в направлении, перпендикулярном к направлению движения электрона или к направлению действия электрического поля, а термин "межпальцевый" означает сцепление направляющих элементов, которое подобно сжатым рукам, когда сцепляются пальцы обеих рук.

Для осуществления упомянутой цели в предпочтительном варианте изобретения микроволновый генератор содержит подогреватель катода, обеспечивающий получение высокой температуры при подаче электроэнергии на два катодных держателя, анод, окружающий подогреватель, имеющий рабочий объем, образованный вокруг подогревателя, и обеспечивающий генерацию микроволнового излучения, и антенну, обеспечивающую вывод микроволнового излучения из анода наружу из генератора, при этом анод включает верхний резонансный диск, снабженный несколькими направляющими элементами, вытянутыми в направлении вниз, и определяющий верхнюю резонансную камеру резонатора, нижний резонансный диск, снабженный несколькими направляющими элементами, вытянутыми в направлении вверх, и определяющими нижнюю резонансную камеру резонатора, и средний резонансный диск, размещенный между верхним и нижним резонансными дисками для отделения верхней и нижней резонансных камер друг от друга. Упомянутый генератор дополнительно содержит эмиттер, установленный между подогревателем и анодом и обеспечивающий эмиссию термоэлектронов в рабочий объем, когда эмиттер нагревается подогревателем.

Упомянутая цель, а также другие цели, особенности и преимущества изобретения будут более понятны из подробного описания, представленного вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 - сечение, показывающее конструкцию обычного микроволнового генератора;
фиг. 2 - разрез, выполненный вдоль линий A-A на фиг. 1, показывающий взаимное расположение подогревателя и направляющих элементов внутри анодного цилиндра;
фиг. 3 - разрез, выполненный вдоль линий B-B на фиг. 2, иллюстрирующий одинаковое расстояние от центральной оси подогревателя до внешних краев скрученного в витки подогревателя и до свободных торцов направляющих элементов;
фиг. 4 - сечение, показывающее конструкцию микроволнового генератора согласно предпочтительному варианту изобретения;
фиг. 5 - разрез по линиям C-C на фиг.4, показывающий взаимное расположение подогревателя, эмиттера и направляющих элементов внутри анода;
фиг. 6 - разрез по линиям C-C на фиг. 4, показывающий формирование электронной группы внутри рабочего объема;
фиг. 7 - изображение в разобранном перспективном виде конструкции анода генератора согласно изобретению;
фиг. 8 - сечение, показывающее связь между антенной и резонатором в генераторе, выполненном согласно изобретению;
фиг. 9 - изображение направляющих элементов со стороны катода, иллюстрирующее систему замедления "межпальцевого" типа резонатора согласно изобретению;
фиг. 10 - электрическая схема подачи электроэнергии на генератор, соответствующий изобретению.

На фиг. 4 - 10 показан микроволновый генератор и его элементы согласно наилучшему (предпочтительному) варианту изобретения. Большинство элементов этого варианта совпадают с элементами варианта генератора, известного из уровня техники. Поэтому на фиг. 4 - 10 элементы, аналогичные элементам известного варианта генератора, обозначены одними и теми же цифровыми позициями и их описание не приводится.

Как показано на фиг. 4 и 5, катод 102 и анод 104 в генераторе согласно изобретению расположены концентрично относительно рабочего объема 102, образованного между ними. Анод 104 представляет собой цилиндрическое тело с резонатором 106. Резонатор 106 взаимодействует с электронами, движущимися в рабочем объеме 100, таким образом, происходит формирование радиочастотного (RF) электромагнитного поля внутри объема 100. Резонатор 106, который образован между несколькими направляющими элементами 108, 148 и 150, анодом 104, а также верхним и нижним резонансными дисками 138 и 146, разделяется средним резонансным диском 136 на две резонансные камеры, т.е. на верхнюю и нижнюю резонансные камеры. Средний резонансный диск 136 в целом простирается в горизонтальном направлении между направляющими элементами 108 и анодом 104.

Катод 102 включает скрученную в витки нить накала или подогреватель плоского типа 114. Подогреватель 114 катода подсоединен к первому и второму наружным контактным выводам 110 и 112 и обеспечивает высокую температуру, когда на него через выводы 110 и 112 подается электропитание. Катод 102 также содержит цилиндрический эмиттер 116. Эмиттер 116 окружает подогреватель 114 и объединен вместе с подогревателем 114 в единый элемент, таким образом, когда осуществляется нагрев с помощью подогревателя 114, происходит испускание термоэлектронов в объем 100. Катод 102 дополнительно содержит пару катодных держателей 118. Катодные держатели 118 не только обеспечивают подвод электроэнергии к подогревателю 114, но также удерживают эмиттер 116, объединенный с подогревателем 114.

Катод 102 изготовляется путем выполнения следующего технологического процесса. BaOY₂О₃S₂О термически разлагается на стронций + барий оксид перед тем, как они измельчаются в порошок. Получившийся в результате порошок затем добавляется в ацетат и за счет связующего вещества образуется покрытие. Далее получившееся покрытие распыляется по катоду 102, таким образом покрывая катод 102. Для улучшения вторичной электронной эмиссии в генераторе электроны генерируется в результате термоэмиссии, которая происходит с катода, использующего холодный ThO₂, в который добавлено 0,25% вольфрама (W). В упомянутом процессе температура поднимается лишь незначительно. Ранее испущенные электроны возвращаются в свое первоначальное положение, при этом они сталкиваются с другими электронами и, таким образом, происходит возбуждение других электронов. Следовательно, в генераторе генерируются и практически используются вторичные электроны.

Верхний и нижний магнитные полюсные наконечники 120 и 122, имеющие форму раструба, приварены к верхнему и нижнему торцам анода 104 соответственно. Полюсные наконечники 120 и 122 определяют путь магнитного поля внутри анода 104 и, таким образом, формируют однородное магнитное поле в объеме 100, заключенном между эмиттером 116 и направляющими элементами 108, 148 и 150.

К верхней и нижней поверхностям полюсных наконечников 120 и 122 плотно, без зазоров, приварены верхний и нижний экранирующие цилиндры 104 и 126. Для того чтобы герметизировать и вакуумировать анод 104, антенный и изолирующий керамические элементы 128 и 130 плотно, без зазоров, приварены к верхнему и нижнему торцам экранирующих цилиндров 124 и 126 соответственно.

Верхний экранирующий цилиндр 124 составляет выходную часть микроволнового генератора. Цилиндрический антенный керамический элемент 128 приварен к верхнему торцу цилиндра 124 и изолирует антенну 134, которая будет описана ниже. К вершине антенного керамического элемента 128 прикреплена выходная трубка 132, выполненная из меди.

Антенна 134 простирается от направляющих элементов и проходит через отверстие в верхнем полюсном наконечнике 120 и затем аксиально вытянута внутри керамического элемента 128 и выходной трубки 132 до места прикрепления одним своим концом к вершине трубки 132.

Антенна 134 выводит микроволновое излучение, генерируемое в резонаторе 106, который ограничивается объемом между направляющими элементами и анодом 104. Другой конец антенны 134 присоединен к среднему резонансному диску 136. Антенна 134 проходит через верхний резонансный диск 138, поэтому диск 138 снабжен отверстием 140 для надежного удерживания антенны 134.

На участке под нижним полюсным наконечником 122, в зазоре между подогревателем 114 катода и катодным держателем 118, размещено цилиндрическое первое изолирующее кольцо 142, таким образом осуществляется изоляция подогревателя 114 катода от держателя 118. Под первым кольцом 142 находится цилиндрическое второе изолирующее кольцо 144, которое изолирует катодный держатель 118 от первого контактного вывода 110, и благодаря этому катодный держатель 118 подключается только ко второму контактному выводу 112.

На фиг. 7 и 8 показана конструкция той части генератора, которая определяет резонатор 106 внутри анода 104. Для формирования резонатора 106, включающего две резонансные камеры внутри анода 104, верхний резонансный диск 138, имеющий несколько направляющих элементов 148, вытянутых вниз, горизонтально расположен в верхней части анода 104. Верхний диск 138 определяет верхнюю резонансную камеру резонатора 106. Нижняя резонансная камера резонатора 106 определяется с помощью нижнего резонансного диска 146. Нижний диск 146 снабжен несколькими направляющими элементами 150, направленными вверх, и горизонтально установлен в нижней части анода 104. Верхний и нижний диски 138 и 146 с направляющими элементами 148 и 150 имеют одинаковую конфигурацию за исключением того, что направляющие элементы 148 и 150 ориентированы в противоположных направлениях. В верхнем и нижнем дисках 138 и 146 соответствующие направляющие элементы 148 и 150 расположены на одних и тех же местах.

Верхняя и нижняя резонансные камеры резонатора 106 отделены друг от друга средним резонансным диском 136, который установлен горизонтально в средней части, между верхним и нижним дисками 138 и 146. Средний диск 136 снабжен направляющими элементами 108, вытянутыми вверх и вниз.

Каждая группа соответствующих направляющих элементов 108 среднего диска 136, отходящая из одного и того же места на внутреннем торце диска 136, направлена в противоположных направлениях. Направляющие элементы 108 среднего диска, направленные вверх, и направляющие элементы 148 верхнего диска 138 не входят в контакт друг с другом, а расположены поочередно. Аналогичным образом направляющие элементы 108 среднего диска 136, направленные вниз, и направляющие элементы 150 нижнего диска 146 не входят в контакт друг с другом, а также расположены поочередно, т.е. направляющие элементы 108 среднего диска 136 сцепляются с направляющими элементами 148 и 150 верхнего и нижнего дисков 138 и 146, образуя "межпальцевую" структуру, подобную той, которая возникает при сцеплении пальцев обеих рук.

Например, межпальцевая структура направляющих элементов 108 и 148 дисков 136 и 138 показана на фиг. 9.

На фиг. 10 показана электрическая схема подачи электроэнергии к упомянутому микроволновому генератору. Схема содержит первый диод D1 и конденсатор C1 для выпрямления положительного напряжения переменного тока, подаваемого от источника 99 электропитания переменного тока. Электрическая схема также содержит второй диод D2 и конденсатор C2 для выпрямления отрицательного напряжения переменного тока, подаваемого от источника 99. Электрическая схема дополнительно содержит защитную катушку индуктивности L1 для согласования импеданса в цепи и защиты генератора 101.

Работает генератор следующим образом.

В упомянутом генераторе резонатор 106 внутри анода 104 имеет "межпальцевую" конструкцию для медленной волны М-типа. В резонаторе 106 выражение "М-типа" означает прямую волну, в которой магнитное поле прикладывается к электронам в направлении, перпендикулярном к направлению движения электронов или в направлении действия электрического поля. Выражение "межпальцевый" означает чередующуюся структуру направляющих элементов, подобную той, которая образуется при сцеплении рук, когда связываются пальцы обеих рук.

В генераторе, который генерирует колебания сверхвысокой частоты 2456 МГц при 600 - 900 W согласно этому изобретению, число направляющих элементов 108, 148 и 150 находится в диапазоне от 24 до 30, а высота каждого из направляющих элементов 108, 148 и 150 составляет примерно 20 мм. Радиус анода равен примерно 4,5мм.

Напряженность магнитного поля для отклонения электронов внутри объема 100 составляет 1200 - 1300 Гс. Каждый зазор между направляющими элементами составляет примерно 1 мм.

В низковольтном микроволновом генераторе, выполненном согласно изобретению, невозможно использовать катод, рассчитанный на 4 кВ, который изготавливается из перемешенной и спеченной металлокерамики W-ThO₂ и обычно используется в традиционных микроволновых печах.

Этот вывод основан на том факте, что анодный ток в генераторе обратно пропорционален рабочему напряжению, используемому в генераторе, т.е. анодный ток увеличивается при уменьшении рабочего напряжения. Поскольку для низковольтного микроволнового генератора требуется электрический ток в 3-4 А, площадь поперечного сечения катода должна быть увеличена до 3 см³. На подогреватель 114 в упомянутом генераторе должна подаваться электрическая мощность 200 Вт.

Следовательно, генератор, выполненный согласно изобретению, испускает электроны за счет эмиссии термоэлектронов. Ранее испущенные электроны возвращаются в свое начальное положение и при этом выбивают при столкновении другие электроны. Таким образом, происходит генерация вторичных электронов, которые практически затем используются в генераторе. С этой точки зрения, в генераторе согласно изобретению используется катод из холодного ThO₂.

Между тем, мощность Р, которая определяет выходную мощность микроволнового генератора, может быть выражена в виде следующего уравнения (4).

P = w•W/Q (4)
где
w = 2πf (f - рабочая частота);
W - запасенная энергия;
Q - показатель качества, равный отношению потерянной тепловой энергии Wdiss к запасенной энергии W.

Упомянутая запасенная энергия W может быть выражена в виде следующего уравнения (5).

W=V²•C•N (5)
где
N - число направляющих элементов;
C -емкость;
V - радиочастотное напряжение.

При подстановке уравнения (5) в уравнение (4) величина выходной мощности Р генератора может быть выражена в виде следующего уравнения (6).

P=w•V²•C•N/Q (6)
Из уравнения (6) можно установить относительный коэффициент для уменьшения рабочего напряжения генератора, т.е. в низковольтном микроволновом генераторе на 550 В число N направляющих элементов 108, 148 и 150 увеличивается до 24, что в 2,4 раза больше, чем число направляющих элементов в обычном генераторе на 4 кВ. Кроме того, показатель качества Q становится равным 30, что в 6,7 раза меньше по сравнению с аналогичной величиной в обычном генераторе, рассчитанном на 4 кВ. Емкость С увеличивается почти в два раза. С этой точки зрения настоящее изобретение позволяет создать осциллирующую трубку, подходящую для использования с обычным микроволновым генератором.

В соответствии с изобретением конструкция резонатора осциллирующей трубки предпочтительно представляет собой "межпальцевую" конструкцию с подходящей емкостью, как показано на фиг. 4 - 9.

"Межпальцевая" конструкция резонатора не только обеспечивает подходящую емкость в узком объеме, но также формирует, по меньшей мере, один резонатор внутри анода, таким образом успешно улучшая выходные характеристики микроволнового генератора при пониженном напряжении.

При работе упомянутого микроволнового генератора низкое напряжение подается на анод 104 и на катод 102 через первый и второй контактные выводы 110 и 112. В результате на подогреватель 114 подается рабочий ток и вследствие этого он нагревается.

Когда подогреватель 114 нагревается, как описано выше, эмиттер 116, который полностью окружает подогревателя 114, получает тепловую энергию от подогревателя 114 и начинает испускать в рабочий объем 100 термоэлектроны. В объеме 100 создается высокая напряженность электрического поля, величина которой между эмиттером 116 и направляющими элементами 108, 148 и 150 определяется рабочим напряжением, подаваемым на катод 102 и анод 104. Сильное электрическое поле в упомянутом состоянии действует в направлении от направляющих элементов 108, 140 и 150 к эмиттеру 116.

Магнитный поток, создаваемый магнитами 41 и 43, распределяется в замкнутой магнитной цепи, которая состоит из полюсных наконечников 120 и 122 и объема 100. Следовательно, величина магнитной индукции в объеме 100 увеличивается.

Таким образом, термоэлектроны, испускаемые с нагретого эмиттера 116 в объем 100, образуют электронную группу вследствие сильного электрического поля, распределенного в пространстве между катодом 102 и анодом 104. На упомянутую группу электронов в упомянутом состоянии также действует сила в направлении, перпендикулярном к радиальному направлению в объеме 100, вызванная магнитной индукцией в объеме 100. В результате, группа электронов в объеме 100 совершает вращательное движение.

Когда электронная группа достигает среднего резонансного диска 136, совершая при этом вращательное движение в объеме 100, диск 136 приобретает положительный потенциал, обеспечивая прохождение электрического тока к направляющим элементам 148 верхнего резонансного диска 138. Электронная группа "a" в упомянутом состоянии движется вертикально вверх в резонаторе 106 внутри анода 104 и вращается в объеме 100, как показано на фиг. 6.

На фиг. 6 показан в увеличенном масштабе рабочий объем 100 между катодом 102 и направляющими элементами 108 и 148 для более подробной иллюстрации образования электронной группы "a" внутри объема 100.

Таким образом, сверхвысокочастотные колебания, примерно 2450 МГц, генерируются в резонаторе 106 благодаря электронному взаимодействию в объеме между направляющими элементами 108 и 148. Микроволновая энергия, запасенная в резонаторе 106, действует в виде периодически повторяющегося воздействия на стенку резонатора 106.

Кроме того, средний резонансный диск 136 представляет собой область концентрации энергии, генерируемой в верхней и нижней резонансных камерах, поэтому предпочтительно, чтобы антенна 134 была направлена от среднего диска 136 к выходу микроволнового генератора.

Для удерживания антенны 134, вытянутой вверх от среднего диска 136 и проходящей через верхний диск 138 и выходную трубку 132 наружу от генератора, в верхнем диске 138 выполнено отверстие 140 для антенны.

В упомянутом генераторе электронная группа "a", которая образуется в объеме 100 за счет термоэлектронов, испущенных с катода 102, как показано на фиг. 6, должна эффективно взаимодействовать в резонирующей системе. Для достижения упомянутой цели требуется, чтобы были созданы условия для синхронизации между электронной группой "a" и микроволновым электрическим полем.

Как показано на фиг. 6, условия для синхронизации достигаются за счет того, что электронная группа "a" полностью проходит две резонансные камеры 106 за один период осцилляций, что выражается следующим уравнением (7).

ν = 2d/T,
где
T=1/f, поэтому
ν = 2df (7)
где
ν - скорость электронной группы, движущейся в резонаторе;
d - пространственный период, соответствующий резонансу;
T - период осцилляций;
f - частота осцилляций.

В генераторе согласно изобретению скорость ν электронной группы "a" выражается соотношением: ν = (2eV_c/m)^1/2 , поэтому напряжение синхронизации V_c для генератора может быть выражено в виде соотношения V_c = 2d³f² m/e, получающегося при подстановке соотношениями ν = (2eV_c/m)^1/2 в уравнение (7).

Таким образом, максимальный электронный КПД может быть выражен в виде следующего уравнения (8).

В приведенном уравнении (8) V_a представляет анодное напряжение генератора, поэтому для получения соответствующего электронного КПД η_e должно быть выполнено следующее условие.

V_c/V_a=10
Из указанного условия можно определить напряжение синхронизации V_c для низковольтного микроволнового генератора. Можно также установить, что напряжение синхронизации V_c для низковольтного микроволнового генератора, рассчитанного на рабочее напряжение 550 В, должно быть примерно 50 В. Пространственный период, соответствующий резонансу, при этих условиях составляет примерно 0,7 - 0,8 мм.

Таким образом, можно заметить, что изготовить низковольтный микроволновый генератор обычным образом почти невозможно из-за трудностей, связанных с установлением режима. Для разрешения этой проблемы требуется создать резонирующую систему с одиночным резонатором. Такая резонирующая система должна быть оснащена системой замедления, показанной на фиг. 9. Радиальный резонатор 106, показанный на фиг. 9, формирует колебание π-моды при выполнении условий : минимальная колебательная мода, постоянное электрическое поле, направленное по касательной, и противоположные фазы направляющих элементов 108 и 148 в замедляющей системе.

В случае, если магнитное поле направлено по касательной, то электрическое поле ориентируется точно аксиально, а связь между антенной 134 и резонатором 106 осуществляется за счет магнитного контура, как показано на фиг. 8.

Как описано выше, настоящее изобретение предлагает структурно усовершенствованный микроволновый генератор. В таком генераторе резонирующая система имеет "межпальцевую" структуру резонатора медленной волны М-типа. Поскольку структура резонатора согласно изобретению представляет собой структуру "М-типа" или "типа прямой волны", магнитное поле действует на электроны в направлении, перпендикулярном направлению движения электронов или направлению действия электрического поля. Кроме того, направляющие элементы в катоде упомянутого генератора расположены поочередно, образуя "межпальцевую" структуру резонатора, подобную той, которая возникает при сцеплении рук, когда сцепляются пальцы рук. Благодаря "межпальцевой" резонаторной структуре для медленной волны М-типа генератор согласно изобретению обеспечивает получение высокого эксплуатационного КПД, не менее 70%, при низком рабочем напряжении.

Несмотря на то что для иллюстрации были описаны наилучшие варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны различные модификации, добавления и замены без выхода за рамки объема и сущности изобретения, которые раскрыты в формуле изобретения. .

Предлагаемый микроволновый генератор имеет "межпальцевую" структуру резонатора для медленной волны М-типа. В указанном генераторе анод имеет верхний, средний и нижний резонансные диски. Верхний диск имеет вытянутые вниз направляющие элементы и определяет верхнюю резонансную камеру, а нижний диск имеет вытянутые вверх направляющие элементы и определяет нижнюю резонансную камеру. Верхняя и нижняя резонансные камеры отделены друг от друга средним резонансным диском, который имеет направляющие элементы, вытянутые вверх и вниз. Между подогревателем катода и анодом размещен эмиттер, который испускает термоэлектроны в рабочий объем, когда он нагревается подогревателем. Вытянутые вверх направляющие элементы среднего диска входят в зацепление с направляющими элементами верхнего диска по типу "межпальцевого" сцепления, подобно сцепленным рукам. Вытянутые вниз направляющие элементы среднего диска входят в зацепление с направляющими элементами нижнего диска аналогичным образом. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Микроволновый генератор, содержащий подогреватель катода, выполненный с возможностью создания высокотемпературного нагрева при подаче на него через пару катодных держателей электроэнергии, анод, окружающий подогреватель катода, с рабочим объемом, образованным между ними, и выполненный с возможностью генерации сверхвысокочастотных колебаний, и антенну для вывода сверхвысокочастотных колебаний, генерируемых в аноде, наружу из генератора, отличающийся тем, что анод включает верхний резонансный диск, снабженный несколькими направляющими элементами, вытянутыми вниз, и выполненный с возможностью образования верхней резонансной камеры резонатора, нижний резонансный диск, снабженный несколькими направляющими элементами, вытянутыми вверх, и выполненный с возможностью образования нижней резонансной камеры резонатора, и средний резонансный диск, размещенный между верхним и нижним резонансными дисками для разделения верхней и нижней резонансных камер друг от друга, и эмиттер, размещенный между подогревателем катода и анодом и выполненный с возможностью испускания термоэлектронов в упомянутый рабочий объем при нагреве упомянутого эмиттера упомянутым подогревателем катода. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен из холодного ThO₂, который сначала испускает электроны вследствие эмиссии термоэлектронов, и далее первоначально испущенные электроны возбуждают другие электроны, генерируя при этом практически используемые вторичные электроны, когда первоначально испущенные электроны возвращаются в свои первоначальные положения, обеспечивая работу эмиттера при низком рабочем напряжении. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что анод имеет "межпальцевую" структуру резонатора и снабжен несколькими направляющими элементами, которые формируют только один резонатор. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что анод имеет радиус 4 - 5 мм, благодаря чему он работает при низком рабочем напряжении. 5. Генератор по п.3, отличающийся тем, что число направляющих элементов заключено в диапазоне 22 - 30, обеспечивая работу при низком рабочем напряжении. 6. Генератор по п.3, отличающийся тем, что направляющие элементы каждого резонансного диска имеют высоту 20 ± 3 мм и пространственный интервал между ними составляет 0,6 - 1,0 мм. 7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что верхний резонансный диск выполнен с отверстием для прохождения и удерживания антенны. 8. Генератор по п.1, отличающийся тем, что нижний резонансный диск имеет такую же конфигурацию, как и верхний резонансный диск, когда верхний резонансный диск повернут, а направляющие элементы верхнего и нижнего резонансных дисков выступают из соответствующих положений. 9. Генератор по п.1, отличающийся тем, что средний резонансный диск имеет несколько направляющих элементов, вытянутых вверх, входящих в зацепление с направляющими элементами, направленными вниз, верхнего резонансного диска по типу "межпальцевого" сцепления, когда связываются пальцы обеих рук при сцеплении рук. 10. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что средний резонансный диск имеет несколько направляющих элементов, направленных вниз, входящих в зацепление с направляющими элементами, направленными вверх, нижнего резонансного диска по типу "межпальцевого" сцепления, когда связываются пальцы обеих рук при сцеплении рук. 11. Генератор по п.1, отличающийся тем, что антенна проходит от среднего резонансного диска и выводит микроволновую энергию наружу из генератора. 12. Генератор по п.5, отличающийся тем, что число направляющих элементов устанавливается в соответствии с показателем качества и емкостью в "межпальцевом" зазоре в "межпальцевой" структуре резонатора, аналогичной сцепленным рукам.