СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЛЯТИВИСТСКОМ МАГНЕТРОНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области релятивистской СВЧ электроники и предназначено для генерации СВЧ-импульсов гигаваттного уровня мощности в наносекундном диапазоне с высокой частотой следования импульсов.

Известные релятивистские магнетронные генераторы (РМ) [1,2,3] выполнены по образу классических магнетронов [4] и отличаются типом катода. В РМ это холодные катоды на основе взрывной эмиссии, а в классических - термокатоды. Ограничение мощности в классических магнетронах объясняется порогом начала, автоэлектронной (взрывной) эмиссии, когда на элементах конструкции средняя напряженность электрического поля превышает 5 кВ/мм, а в РМ напряженность электрического поля на катоде превышает 20 кВ/мм. Катод РМ работает в режиме взрывной эмиссии и с целью исключения закорачивания катода пучком в направлении силовых линий магнитного поля применяют ограничение тока пучка трубами дрейфа большего диаметра по сравнению с катод-анодным промежутком магнетрона [3] . В классических магнетронах эмиссионную поверхность катода ограничивают защитными шайбами, диаметр которых больше диаметра "эмиссионной втулки", что ограничивает ток катода на торцевые стенки магнетрона.

Известен способ генерации, при котором в классическом магнетроне электронную втулку создают между эмиссионным термокатодом и вспомогательным холодным [4 стр. 119], что позволяет перестраивать частоту генерации за счет изменения напряжения на вспомогательном электроде, так как изменяется диаметр электронной втулки в области взаимодействия, так называемые митроны или магнетроны, настраиваемые напряжением. Ограничение мощности в них также объясняется порогом начала взрывной эмиссии (искрением). Магнетроны с термокатодами не имеют ограничений по частоте следования импульсов и могут работать непрерывно.

При взрывной эмиссии происходит распыление материала катода, образование плазмы, которая со скоростью ~ 10⁴ м/с закорачивает промежуток поперек магнитного поля и со скоростью ~ 3•10⁴ м/с вдоль магнитного поля, что ограничивает длительность импульса [5], а при больших частотах следования ухудшает вакуум в приборе и является принципиальным ограничением по частоте срабатывания РМ.

Минимальное количество испаряемого вещества, необходимого для образования прикатодной плазмы, определяется величиной удельной эрозии, которая составляет k_m=(5 - 20)•10^-4 г/кл [5] в зависимости от свойств материала. Количество испаряемого материала примерно пропорционально площади катода, попадающей в критическое поле > 20 кВ/мм. Эмиссионная способность взрывных катодов очень большая ~10⁸ А/см² и для получения токов ~ 10⁴ А допустимы эмиссионные поверхности ~ 10^-4 см², что используется при генерации трубчатых пучков в магнитном поле с острийных цилиндрических катодов.

Для работы магнетрона как классического, так и релятивистского, необходимо образование так называемой "электронной втулки" с объемной плотностью заряда
ρ₀≈ ε₀E₀/2Δ, (1)
где E₀ - напряженность электрического поля у катода, ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость,
Δ = mE₀/eB²- (2)
ларморовский радиус, m,e - масса и заряд электрона, В - индукция магнитного поля.

Именно из электронной втулки захватываются электроны СВЧ-полем резонаторов, образуя анодный ток магнетрона и преобразуя потенциальную энергию электронов в СВЧ излучение.

При взрывной эмиссии возможна организация электронной втулки в магнитном поле пробочной конфигурации c использованием катода с наименьшей эмиссионной поверхностью. Это позволяет улучшить вакуумные условия, что очень важно при работе на больших частотах, так как большое газовыделение ограничивает время работы. Так, при токе инжекции 5•10³ А, длительности импульса 10^-7 с, частоте срабатывания 100 Гц уже необходимо испарять минимальную массу вещества
m≈k_mIt_uJ = 10³•5•10³•10^-7•100 = 5•10^-5 г/с, (3)
чтобы иметь минимальный по величине объем плазмы. Для газовой фазы величина m = 5•10^-5 г/с соответствует газовыделению ~ 3750 л/c при давлении 10^-5 мм рт. ст., при 10^-4 - 375 л/с и является принципиальным ограничением для повышения частоты срабатывания магнетрона. При давлении > 10 мм.рт.ст. наступает пробой вакуумных промежутков уже в наносекундном диапазоне, если вакуумная система откачки не имеет требуемой производительности.

С целью повышения частоты срабатывания магнетрона и времени его работы предлагается способ организации электронной втулки за счет инжекции трубчатого пучка в область резонансной системы магнетрона, накопления требуемой плотности заряда в электронной втулке за счет отражения части электронов пучка между реальным катодом и виртуальным катодом, образованным с помощью пробочной конфигурации магнитного поля магнетрона в области дрейфовых пространств с разными волновыми сопротивлениями. Пробочная конфигурация характеризуется отношением индукций B_min/B_max и в замагниченных пучках определяет соотношение продольной (вдоль силовых линий) скорости электронов к поперечной что можно использовать в области дрейфовых пространств с разными волновыми сопротивлениями.

Конструкция устройства, реализующего способ генерации СВЧ излучения в релятивистском магнетроне, показана на фиг. 1 и 2 и включает: 1 - анодный блок с резонаторами; 2 - катод; 3 - катушки магнитного поля; 4 - магнитный экран; 5 - обратный магнитовод; 6 - отводной вакуумный канал; 7 - труба дрейфа; 8 - волноводный переход с антенной; 9 - коллектор пучка с водоохлаждаемой рубашкой; 10 - ферромагнитный вкладыш; 11 - отражатель газового потока; 12 - источник питания - частотный ускоритель.

На фиг. 2 показано: 13 - величина индукции магнитного поля по оси x (пунктиром при отсутствии ферромагнитного материала); 14 - область электронной втулки; 15 - область виртуального катода.

У цилиндрической острой кромки катода 2 напряженность электрического поля максимальная и значительно превышает среднюю E₀ на электронной втулке (рабочая в области анодного блока 1), радиус которой примерно равен радиусу катода
(4)
где U₀ - потенциал катода; r_k, r_a - радиусы катода и анодного блока.

В замагниченных пучках, работающих в режиме ограничения объемным зарядом, выполняется условие (1) и практически отсутствует падение потенциала по длине пучка в направлении оси x в области дрейфа. В рассматриваемом случае цилиндрическая острая кромка катода 2 располагается на расстоянии d ≅ r_a-r_k, с тем чтобы иметь значительную составляющую E_x по полю, и E_r - поперек поля, обеспечивая соотношение продольной и поперечной скоростей как V_x ~ V_r. В магнитоизолированных диодах эмиссионная поверхность должна находиться в однородном или спадающем в направлении пучка поле. В этом случае удается реализовать максимальный ток пучка
(5)
где c - скорость света; γ = 1+eU₀/E₀- релятивистский фактор; E₀ - энергия покоя электрона. Получаемый ток I определяется волновым сопротивлением коаксиала Z для данного потенциала по длине x_a и в анодном блоке Z имеет наименьшее волновое сопротивление.

Радиальная составляющая электрического поля на катоде сообщает пучку дрейфовую скорость V_g = E_r/B₀, равную фазовой скорости СВЧ-волны, определяемой резонансной системой анода 7. Радиальный размер пучка определяется по (2) и равен ~2Δ. Объемная плотность пучка определяется соотношением продольной V_x и поперечной V_r скоростями электронов в пучке и при V_┴ > V_x стремится к (1).

В области трубы дрейфа 7 максимальный радиус скачком увеличивается, волновое сопротивление возрастает и образуется виртуальный катод, где поступательное движение электронов дополнительно преобразуется во вращательное. Часть электронов, отражаясь, возвращается назад к катоду, а другая часть с наименьших радиусов пучка переходит в дрейфовое пространство, образуя ток пучка в трубе дрейфа, определяемый волновым сопротивлением пространства, которое имеет другое большее значение Z (5). Процесс наполнения частиц в электронной втулке будет происходить пока не выполнится условие (1), а потенциал пучка по длине x_a станет равным потенциалу катода и от источника будет потребляться ток, определяемый условиями инжекции в трубе дрейфа. Если в области пространств с разными волновыми сопротивлениями (область виртуального катода 15) увеличивать магнитное поле, то будет увеличиваться поперечная скорость V_┴ электронов, объемная плотность заряда и уменьшаться радиус пучка, а следовательно, увеличиваться волновое сопротивление трубы дрейфа для пучка. Этот эффект "магнитных зеркал" используется для удержания частиц в горячей плазме. В рассматриваемой конструкции для создания пробочного поля использованы экран 4 и вкладыш 10 из ферромагнитного материала, выполняющие роль концентраторов магнитного поля за счет локализации внешних магнитных полей катушек, что позволяет создать магнитную пробку в области виртуального катода, не используя при этом дополнительных катушек с током.

При возбуждении резонансной системы магнетрона СВЧ-поле начинает забирать электроны из электронной втулки и появляется радиальный ток на анод, а с катода увеличивается поток электронов для восполнения пространственного заряда электронной втулки. В релятивистских магнетронах из-за высокого потенциала объемная плотность заряда в спицах электронного облака, создающего анодный ток, большая и за счет кулоновского рассталкивания наблюдается значительный осевой ток, который можно уменьшить также применением магнитных пробок, причем и со стороны источника питания. Для этого часть катододержателя необходимо выполнить из ферромагнитного материала, используя ферромагнитный вкладыш 10, который позволит повысить индукцию магнитного поля у анодного блока, как показано кривой 13 (сплошная линия). Без ферромагнитного вкладыша распределение магнитного поля показано пунктирной линией.

В предлагаемой конструкции расстояние между катушками 3 определяется шириной волноводного вывода 8, а минимальный радиус катушек - радиусом труб дрейфа, наименьшая величина которого ограничена максимальным диаметром резонансной системы анодного блока. При этом в области катододержателя напряженность электрического поля не должна вызывать взрывную эмиссию с поверхности катододержателя, что определяет минимальный радиус трубы дрейфа со стороны источника питания.

Потребляемая мощность для создания требуемых ампервитков в катушках 3 пропорциональна квадрату радиуса катушек, поэтому уменьшение диаметра труб дрейфа, а следовательно, и катушек приводит к уменьшению мощности системы питания катушек, а применение магнитных экранов - к снижению полей рассеяния, к увеличению пробочного отношения без увеличения ампервитков системы, поскольку внутренний радиус электромагнитного экрана 4 выполняет роль концентратора магнитного потока. Применение экрана 4 позволяет направить пучок электронов в трубе дрейфа на коллектор 9 с водоохлаждаемой поверхностью.

При вынесенном из анодного блока катоде разлет эмиссионной плазмы происходит в направлении от источника питания, газообразные продукты которой с помощью отводного вакуумного канала 6 и отражателя газового потока 11 направляют в вакуумный насос. Для ионов магнетрон можно рассматривать как магниторазрядный насос и использовать эффект направленного движения потока газа для поддержания требуемого вакуума, не применяя дополнительный откачной пост, который было бы необходимо устанавливать в конце трубы дрейфа.

Проведем оценку параметров для 10-ти сантиметрового магнетрона, у которого U₀ = 300 кВ, B₀ = 0,35 Тл, r_a = 21 мм, r_k = 8 мм, осевой размер x_a = 72 мм. Задаемся минимальным радиусом труб дрейфа, равным внешнему радиусу резонансной системы магнетрона, то есть r_g = 50 мм, он же является внутренним радиусом катушек 3.

В области катода напряженность радиального электрического поля
E = U_r/r_klnr_q/r_k = 300•10³/8•10³ln50/8=20•10⁶ В/м, т.е. 20•10³ кВ/мм, и уменьшается по длине катододержателя за счет увеличения его радиуса по длине x. В области анодного блока магнетрона при выполнения условия (1)
E_r=U₀/r_klnr_a/r_k=37•10⁶ В/м,
что соответствует дрейфовой скорости
V_g ≈ E₀/B₀=37•10⁶/0,35 = 1,05•10⁸ м/с
и поскольку V_g << C, релятивистскую поправку можно не учитывать.

Ларморовский радиус (2)

Согласно (1) в объеме электронной втулки можно накопить заряд

который при токе 10³ A будет накапливаться за время t=Q/I≈10^-9 с. Поэтому процессы, связанные с образованием электронной втулки, не будут определять задержку начала генерации при длительностях импульса напряжения > 50•10^-9 с.

Отметим, что в области виртуального катода имеется радиальный дрейф электронов, который вызван собственным полем заряда и градиентом магнитного поля, образованного вращающимся зарядом виртуального катода. Поэтому даже при r_∂ _→ ∞ ток катода будет определяться током на боковую поверхность анодного блока, который можно уменьшать за счет увеличения пробочного отношения.

Циркулирующий в электронной втулке ток создает собственное поле

то есть более 10% от поля B₀. В центре электронной втулки оно ослабляет B₀, а снаружи увеличивает. То же самое происходит и в области виртуального катода, где объемная плотность заряда максимальная и электроны имеют максимальную поперечную скорость.

Применение магнитных экранов для увеличения магнитного поля и создания катода пробочного соотношения в районе виртуального катода иллюстрируется кривыми 13, причем пунктиром показано поле без экранов. Катод находится в спадающем магнитном поле и может инжектировать ток в область анодного блока, согласно (5)

γ = 1,6
при забираемом токе на анод магнетрона 0,66 кА, что соответствует ~ 200•10 Вт мощности СВЧ излучения. Примерно 1,2 кА уходит в трубу дрейфа (0,9 кА) и на торцевую поверхность анодного блока магнетрона (0,3 кА). Для указанных размеров мощность, потребляемая магнитной системой, ~12 кВт, при условии, что минимальный радиус катушек равен максимальному радиусу анодного блока магнетрона ~ 50 мм.

Таким образом, применение магнитных полей пробочной конфигурации позволяет организовать электронную втулку в релятивистском магнетроне и обеспечить генерацию СВЧ излучения, используя кромочные катоды с наименьшей площадью взрывной эмиссионной поверхностью, а следовательно, газовыделением, что позволяет повысить частоту работы релятивистского магнетрона и создать однонаправленный поток продуктов испарения катода. Это в свою очередь позволяет обеспечить эффективную откачку системы. При этом мощность системы питания катушек минимальна, так как используются наименьшие радиальные размеры.

Литература
1. А.с. N 794683 Релятивистский магнетрон.

2. А. с. N 1609360 Способ генерации электромагнитного СВЧ излучения в релятивистском магнетроне и устройство для его осуществления.

3. Васильев В.В., Винтизенко И.И., Диденко А.Н. и др. // Письма в ЖТФ, 1987, т. 13, вып. 12, c. 762-766.

4. Березин В.М., Будяк Э.М., Гутцайт Э.М., Марин В.М. Кн.: Электронные приборы СВЧ. Москва, "Высшая школа", 1985, 296 с. (прототип с. 118-123).

5. Месяц Г. А., Проскуровский Л.И. Импульсный электронный разряд в вакууме, Новосибирск, Наука, 1984.

Предложен способ образования электронной втулки (ЭВ) в релятивистском магнетроне (РМ) за счет инжекции трубчатого пучка в рабочую зону РМ и накопления заряда в ЭВ за счет отражения электронов между взрывоэмиссионным катодом кромочного типа, вынесенным из анодного блока, и виртуальным катодом (ВК). Для увеличения числа электронов, отраженных в ЭВ от ВК в области его образования (при переходе пучком границы дрейфовых пространств с разными волновыми сопротивлениями), магнитное поле, образованное катушками постоянного поля, дополнительно усилено магнитными экранами, выполняющими роль концентраторов магнитного потока рассеяния. Техническим результатом является повышение частоты генерируемых импульсов и повышения КПД за счет снижения мощности системы питания катушек магнитного поля. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ генерации СВЧ излучения в релятивистском магнетроне, основанный на создании электронной втулки в области резонансной системы с помощью эмиссионного катода, отличающийся тем, что электронную втулку организуют за счет инжекции трубчатого пучка электронов в область резонансной системы и накопление заряда производят за счет отражения части электронов пучка между реальным катодом и виртуальным катодом, образованным с помощью магнитного поля пробочной конфигурации с максимальным значением в области дрейфовых пространств. 2. Релятивистский магнетрон для осуществления способа генерации СВЧ излучения, содержащий анодный блок, взрывоэмиссионный катод, катушки магнитного поля, трубы дрейфа, источник питания, отличающийся тем, что взрывоэмиссионный катод кромочного типа вынесен из анодного блока на расстояние d ≅ r_a - r_k, где r_a, r_k - радиусы катода и анодного блока, а катушки магнитного поля со стороны, противоположной источнику питания, окружены магнитным экраном, а часть катододержателя выполнена из ферромагнитного материала. 3. Релятивистский магнетрон по п.2, отличающийся тем, что он снабжен отводным вакуумным каналом со стороны трубы дрейфа и отражателем газового потока.