ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 2000 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области электронной техники и, в частности, к магнетронам, используемым в передатчиках радиолокационных станций (РЛС) различного назначения, в источниках СВЧ-питания промышленных, медицинских и др. линейных ускорителей.

Во многих таких применениях требуется постоянство частоты генерируемых магнетроном колебаний при изменяющейся температуре анода независимо от природы изменения температуры, будь то изменение температуры окружающей среды или изменение режима работы магнетрона (например, скважности).

Известно, что задача поддержания частоты генерируемых колебаний в определенном, достаточно узком, диапазоне наряду с использованием следящих систем подстройки может решаться и более простым путем - введением в конструкцию магнетрона термокомпенсатора.

Достаточно распространенным построением термокомпенсатора является такое, при котором в резонаторную систему вводится элемент подстройки частоты, располагаемый в области локализации электромагнитного поля и меняющий свое геометрическое положение при изменении температуры. При этом указанное изменение положения элемента подстройки частоты достигается за счет использования в узле термокомпенсатора материалов с существенно различающимися коэффициентами теплового расширения (КТР).

Типичным техническим решением является введение в конструкцию магнетрона металлического штыря, консольно закрепленного в корпусе термокомпенсатора и входящего свободным концом в резонаторную систему (непосредственно в резонатор или над торцем резонаторной системы). При этом обычно термокомпенсатор располагается сбоку (ось штыря и корпуса термокомпенсатора перпендикулярна оси симметрии резонаторной системы) анодного блока. Тем самым тепловое удлинение штыря из материала с большим КТР при относительно малом удлинении корпуса термокомпенсатора (из материала с малым КТР) приводит к изменению глубины погружения штыря (как элемента подстройки) в область локализации СВЧ-магнитного поля резонаторной системы.

При этом степень воздействия элемента подстройки на СВЧ-магнитное поле и, следовательно, на изменение резонансной частоты зависит как от глубины погружения и исходного положения штыря, так и от формы его "погружаемого" в поле участка.

Если штырь вводится непосредственно в резонатор, то на изменение частоты влияет изменение глубины погружения (см. [1]). Если штырь располагается над торцем резонаторной системы, то на изменение частоты влияет и изменение глубины погружения (вылета штыря), и изменение расстояния от боковой поверхности штыря до торца резонаторной системы. Последний эффект аналогичен используемому в общеизвестных конструкциях магнетронов, где применяется плоское металлическое кольцо над торцем резонаторной системы.

В этом свете, например, аналогом предлагаемого изобретения является и магнетрон по заявке [2]. Из интересующих нас признаков, реализуемых в [2], отметим:
- расположение плоского настроечного элемента над торцем резонаторной системы анодного блока;
- боковое консольное крепление настроечного элемента (кольца). Отметим, что в [2] не решается задача термокомпенсации. Наиболее же близким аналогом и тем самым прототипом предлагаемого изобретения является магнетрон, конструкция которого представлена в кн. Д.Е.Самсонова "Основы расчета и конструирования магнетронов", М.Сов.радио, 1974 г., стр.38-41, рис. 11.1 (л) [3].

Существенными признаками магнетрона-прототипа [3] являются:
- боковое расположение корпуса и соосного с ним консольного штыря, размещенного во внутренней полости указанного корпуса;
- наличие в конструкции консольного штыря участка, погружаемого в резонаторную систему анодного блока (в один из резонаторов) и соответственно изменяющего резонансную частоту.

При этом в [3] отмечается, что указанная там на рис. 11.1 (л) конструкция магнетрона приведена по данным автора книги [1], в которой изложены соображения по использованию подобных устройств для термокомпенсации.

Практика создания термостабильных магнетронов с использованием компенсаторов из разнородных материалов (например, с корпусом из инвара и консольным штырем из меди) показывает, что для эффективной компенсации тепловых уходов частоты исходная осевая длина корпуса термокомпенсатора и консольного штыря должна быть весьма большой, чтобы при различных КТР результирующее изменение глубины погружения штыря оказалось достаточным при данном диапазоне изменения температур.

Большая исходная длина термокомпенсатора обусловливает 4 основных недостатка:
1. инерционность термокомпенсатора. При изменении температуры анодного блока вследствие преднамеренного изменения режима работы магнетрона температура элементов термокомпенсатора устанавливается с запаздыванием, т.е. возникают нескомпенсированные тепловые уходы частоты;
2. невиброустойчивость магнетрона. Наличие длинных консолей обуславливает заметные перемещения (колебания) свободного конца штыря относительно СВЧ-магнитных полей при вибрационных нагрузках, создающих составляющую ускорения поперек оси штыря.

Соответственно возникают модуляционные уходы частоты магнетрона на частотах вибрации;
3. возникновение паразитных резонансов во внутренних полостях компенсатора, электродинамически связанных с резонаторной системой магнетрона;
4. значительные габариты магнетрона. Первый из указанных недостатков является наиболее весомым и трудно преодолимым особенно для мощных магнетронов, работающих в режимах, предусматривающих изменение скважности. Длина термокомпенсатора могла бы быть существенно уменьшена, если бы удалось "усилить" воздействие свободного конца консольного штыря на СВЧ-магнитные поля резонаторной системы при уменьшенном результирующем тепловом удлинении штыря. Это может быть достигнуто, если расположить консольный штырь над торцем резонаторной системы (в торцевой полости анодного блока) и создать условия, при которых тепловое удлинение консольного штыря будет "автоматически" сопровождаться приближением его свободного конца к торцу резонаторной системы.

Целью настоящего изобретения является уменьшение тепловой инерционности термокомпенсатора, его габаритов, а также повышение виброустойчивости магнетрона и предотвращение возбуждения паразитных резонансов, т.е. достижение совокупности технических эффектов.

Указанная цель достигается тем, что в магнетроне, содержащем анодный блок с резонаторной системой, боковой компенсатор тепловых уходов частоты, включающий изготовленные из материалов с различающимися коэффициентами теплового расширения корпус и консольный штырь, расположенный во внутренней полости указанного корпуса вдоль его оси, свободный конец консольного штыря расположен в торцевой полости анодного блока над торцем резонаторной системы, причем консольный штырь и корпус компенсатора выполнены упруго контактирующими между собой на участке поверхностей трения, по меньшей мере одна из которых расположена наклонно к оси консольного штыря.

Предусмотрено исполнение штыря, при котором его участок, выступающий над торцем резонаторной системы, снабжен плоской лыской, обращенной к торцу резонаторной системы.

Предусмотрено, что упругий контакт корпуса с наклонным участком поверхности штыря выполнен регулируемым посредством установочного винта.

Предусмотрено, что по меньшей мере одна из поверхностей трения на участке упругого контакта выполнена конической.

Предусмотрено также, что ось штыря расположена в направлении, непересекающемся с осью симметрии резонаторной системы.

Аналогичных технических решений, содержащих сходную совокупность отличительных признаков, нами не обнаружено.

На фиг. 1 схематично показан в продольном разрезе предлагаемый магнетрон. На фиг. 2 показаны варианты форм штырей. На фиг. 3 показан в плане вариант исполнения с непересекающимися направлениями осей компенсатора и магнетрона. На фиг. 1 анодный блок 1 содержит резонаторную систему 2. Для конкретизации устройства эта система 2 выбрана связочной. Кольца связи 3, 4, 5, 6 расположены на торцах 7, 8 резонаторной системы 2. Отметим, что этот выбор не является принципиальным. Система 2 может быть и разнорезонаторной. Соосно с резонаторной системой 2 схематично показан катод 9, а в торцевых полостях 10, 11 анодного блока 1 расположены полюсные наконечники 12, 13, формирующие статическое магнитное поле магнетрона. В торцевой полости 10 радиально размещен свободный конец 14 консольного штыря 15, который расположен во внутренней полости 16 корпуса 17 вдоль его оси. Консольный штырь 15 жестко заделан в крышке 18, которая в свою очередь вакуумплотно соединена (например, пайкой) с корпусом 17. Корпус 17 закреплен вакуумплотно (запаян) в посадочном отверстии 19, выполненном в боковой стенке 20 анодного блока 1, таким образом, что свободный конец 14 консольного штыря 15 оказывается над торцем 7 резонаторной системы 2, т.е. в области локализации СВЧ-магнитных полей.

Корпус 17 выполнен из материала с низким КТР, например из инвара, а консольный штырь 15 - из упругого теплопроводного материала с высоким КТР, например из сплава медь-никель-кремний (МНК).

Согласно идее настоящего изобретения консольный штырь 15 и корпус 17 имеют участок взаимного упругого соприкосновения по поверхности трения 21, причем самым важным является то, что эта поверхность 21 выполнена наклонной относительно оси корпуса 17 и консольного штыря 15.

В исполнении, показанном на фиг. 1, конкретная реализация указанного построения достигается тем, что поверхность 21 корпуса 17 на участке соприкосновения с консольным штырем 15 выполнена конической. Конусным выполнен и соответствующий участок 22 консольного штыря 15. На штыре 15 выполнена боковая лыска 23. Тем самым на свободном конце 14 консольного штыря 15 образована плоскость, обращенная к торцу 7 резонаторной системы 2.

При этом лыска 23 должна быть срезана так, чтобы остающееся после этого тело штыря 15 в поперечном сечении представляло сегмент с высотой, меньшей радиуса, во избежание заклинивания штыря 15 в корпусе 17. Указанное построение является технологически наиболее простым, ибо и корпус 17, и штырь 15 могут быть изготовлены на токарных станках, а затем лыска 23 - на фрезерном. Однако той же идее изобретения отвечает конструкция, в которой поверхность трения 21 в корпусе 17 и поверхность участка 22 на консольном штыре 15 выполнены в форме наклонной плоскости (а не в форме конуса). При таком исполнении консольный штырь 15 будет иметь, например, прямоугольную форму поперечного сечения, благодаря чему одна из боковых граней штыря 15, в том числе на свободном его конце 14, располагается над торцем 7 резонаторной системы 2, т.е. по существу является той же лыской 23. Если штырь 15 с прямоугольной формой сечения изготавливается из цилиндрической заготовки, то таких лысок необходимо сделать по меньшей мере две: одну для формирования наклонной поверхности трения 22, а другую для формирования поверхности 23.

Вариантом исполнения, обеспечивающего упругое соприкосновение штыря 15 с корпусом 17, является и такой, в котором в корпусе 17 размещен установочный винт 24, упирающийся в наклонную поверхность 22 штыря 15. Такое построение позволяет легко осуществить регулировку исходного упругого соприкосновения штыря 15 и корпуса 17, а также исходного зазора между лыской 23 и торцем 7 резонаторной системы 2. При этом, естественно, осуществляется и регулировка резонансной частоты резонаторной системы.

На фиг. 2 показаны схематично перечисленные выше варианты исполнения. Фиг. 2a относится к штырю с конической поверхностью 22, фиг. 2б - к штырю с плоской поверхностью 22 и фиг. 2в - к исполнению с установочным винтом.

На фиг. 3 показан в плане вариант расположения компенсатора, в котором оси корпуса 17 и штыря 15 направлены не вдоль радиуса резонаторной системы 2, а "по хорде", т.е. не пересекают продольную ось симметрии резонаторной системы 2. Такое расположение может позволить оптимизировать общую компоновку магнетрона, но, главное, оптимизировать положение свободного конца 14 консольного штыря 15 относительно СВЧ-магнитных полей резонаторной системы 2 и СВЧ-электрических полей связок 3, 4 как в исходном состоянии, так и при изменении температуры элементов прибора. Кроме того, представляется относительно большая свобода в выборе формы и длины свободного конца 14 консольного штыря 15, что может быть важным с позиций воспрепятствования возбуждению паразитных резонансов резонаторной системы 2 и торцевой полости 10.

Применительно к фиг. 1 предложенное устройство работает следующим образом. При нахождении магнетрона в невключенном состоянии при самой низкой температуре из заданного диапазона консольный штырь 15 занимает положение, в котором обеспечивается плотный термомеханический контакт с корпусом компенсатора 17 по наклонным поверхностям 21 и 22. Это достигается надлежащим выбором исходных размеров соответствующих деталей и их сборкой.

При разогреве анодного блока 1 разогревается и консольный штырь 15, имеющий термомеханический контакт с корпусом 17 по поверхностям 21 и 22.

В генерирующем магнетроне консольный штырь 15 нагревается и за счет СВЧ-потерь, т. к. свободный конец 14 находится в области локализации СВЧ-магнитных полей резонаторной системы 2. За счет различия КТР корпуса 17 и штыря 15 и различия их температур штырь 15 при нагреве удлиняется больше, чем корпус 17 и глубже проникает в область локализации СВЧ-магнитных полей резонаторной системы 2.

За счет использования наклона поверхности 22 консольный штырь 15, удлиняясь, одновременно упруго отжимается в направлении, поперечном удлинению. В результате свободный конец 14 и лыска 23 приближаются к торцу 7 резонаторной системы 2, что дополнительно воздействует на СВЧ-магнитные поля, существенно усиливая эффект от удлинения штыря. Это означает, что чувствительность компенсатора к изменению температуры повышается. Следовательно, его длина может быть уменьшена. Все это уменьшает тепловую инерционность термокомпенсатора. При остывании магнетрона описанный эффект носит обратный характер.

В целом преимущества предложенного устройства сводятся к следующим:
1. уменьшается тепловая инерционность компенсатора и, следовательно, повышается стабильность частоты генерируемых магнетроном колебаний как при изменениях температуры окружающей среды, так и при изменении режимов работы магнетрона;
2. уменьшение длины консолей и введение упругого контакта штыря и корпуса компенсатора обеспечивает повышенную виброустойчивость магнетрона и предотвращает возбуждение паразитных резонансов;
3. уменьшаются общие габариты прибора.

В результате реализации указанных преимуществ достигается положительный эффект, состоящий как в улучшении частотных характеристик собственно магнетрона, так и в возможности упрощения (а следовательно, и удешевления) РЛС или иного устройства, в котором используется магнетрон.

Литература
1. Шлифер Э.Д. Расчет многорезонаторных магнетронов. -М.: МЭИ, 1966.

2. Заявка Великобритании N 2200242. H 01 J 23/20.

3. Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. -М.: Сов. Радио, 1974.

Изобретение относится к области электронной техники и предназначено для использования в передатчиках радиолокационных станций различного назначения, в источниках СВЧ-питания промышленных, медицинских и др. линейных ускорителей. Магнетрон содержит анодный блок с резонаторной системой, боковой компенсатор тепловых уходов частоты, включающий изготовленные из материалов с различающимися коэффициентами теплового расширения корпус и выступающий над торцом резонаторной системы консольный штырь, причем штырь и корпус компенсатора выполнены упруго контактирующими между собой на участке поверхностей трения, по меньшей мере одна из которых расположена наклонно к оси штыря. Технический результат: уменьшение тепловой инерционности и габаритов, а также повышение виброустойчивости и предотвращение возбуждения паразитных резонансов. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Термостабильный магнетрон, содержащий анодный блок с резонаторной системой, боковой компенсатор тепловых уходов частоты, включающий изготовленные из материалов с различающимися коэффициентами теплового расширения корпус и консольный штырь, расположенный во внутренней полости указанного корпуса вдоль его оси, отличающийся тем, что свободный конец консольного штыря расположен в торцевой полости анодного блока над торцом резонаторной системы, причем консольный штырь и корпус компенсатора выполнены упругоконтактирующими между собой на участке поверхностей трения, по меньшей мере одна из которых расположена наклонно к оси консольного штыря. 2. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что участок консольного штыря, расположенный в торцевой полости анодного блока над торцом резонаторной системы, снабжен плоской лыской, обращенной к торцу резонаторной системы. 3. Магнетрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что упругий контакт корпуса компенсатора с наклонным участком поверхности консольного штыря выполнен регулируемым посредством установочного винта. 4. Магнетрон по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из поверхностей трения корпуса и консольного штыря на участке их упругого контакта выполнена конической. 5. Магнетрон по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что ось консольного штыря расположена в направлении, не пересекающемся с осью симметрии резонаторной системы.