РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН Российский патент 2002 года по МПК H01J25/50 H01J23/40 

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования стабильной работы приборов, в частности сохранения от импульса к импульсу амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ сигнала.

Известно устройство - классический магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. Сов. Радио, 1966, 224 с. ] , состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного посредством катододержателя с источником питания. Снаружи установлена магнитная система в виде постоянного магнита либо в виде электромагнита из двух катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между полюсами магнита проходит волноводный вывод мощности, связанный через щель связи с одним из резонаторов анодного блока. Анодный блок находится под земляным потенциалом, а на катод подается импульс отрицательной полярности от источника питания. В скрещенных электрическом радиальном поле между катодом и анодом и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают свою энергию СВЧ излучению и осуществляют радиальный дрейф к аноду. Энергия СВЧ излучения выводится через щель связи в одном из резонаторов и плавный волноводный переход.

Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями выходных параметров источника питания - напряжения и тока. Увеличению напряжения препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потере им эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя.

Известно также устройство - релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрическую трубу дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока, расположенный коаксиально анодному блоку катод, связанный посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания, и магнитную систему [Артюх И.Г., Сандалов А.Н., Сулакшин А.С. и др. Релятивистские СВЧ устройства сверхбольшой мощности: Обзоры по электронной технике. Сер. 1, Электроника СВЧ. - Вып. 17 (1490), М., 1989]. Это устройство выбираем за прототип. В качестве источника питания релятивистского магнетрона используются сильноточные электронные ускорители. В релятивистских магнетронах анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс напряжения отрицательной полярности длительностью 50-200 нc, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодным блоком и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, эмитированные под действием взрывной электронной эмиссии, осуществляют движение в двух направлениях. Как и в классическом магнетроне, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают потенциальную энергию энергии СВЧ излучения и осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцом катода. Этот ток образован действием скрещенных электрического краевого и продольного магнитного полей. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля.

Недостатком этого устройства является нестабильность выходных параметров, обусловленная следующими причинами. Во-первых, значительными изменениями выходного напряжения ускорителя в течение импульса, во-вторых, образованием катодной плазмы, которая при своем радиальном расширении в течение действия импульса уменьшает межэлектродный промежуток и увеличивает напряженность радиального поля в пространстве взаимодействия. Все это приводит к резкому изменению условий генерации магнетрона и, как следствие, к модовой нестабильности, проявляющейся в спонтанных переходах между типами колебаний, широком спектре излучения, низкой повторяемости амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ импульсов. Другой недостаток релятивистского магнетрона связан с ограничениями выводимой импульсной мощности за счет развития СВЧ пробоев в волноводном выводе мощности. Повышение мощности возможно за счет увеличения числа волноводных выводов мощности, как это сделано в работе Graig G., Pettibone J., Ensley D./ A symmetrically loaded relativistic magnetron. / Abstr. IEEE Int Conf. on Plasma Science, Montreal, 1979, р.44, в которой для шестирезонаторного анодного блока применено до 6 выводов. Экспериментально показано, что увеличение числа выводов приводит к росту уровня выходной мощности за счет устранения пробоев в волноводных выводах мощности и улучшения симметрии распределения СВЧ полей в пространстве взаимодействия магнетрона. Однако подобные релятивистские магнетронные системы не устраняют недостаток, связанный с низкой стабильностью амплитудных, временных и частотных параметров генерируемых СВЧ импульсов, в сравнении с классическими магнетронными генераторами. Также происходит значительное снижение нагруженной добротности генератора и, как следствие, ухудшение модовой стабильности прибора.

Классические магнетроны лишены вышеперечисленных недостатков, характерных для релятивистских магнетронов. Это обусловлено, в значительной мере, стабильностью питающих электрических и магнитных полей, низкими плотностями мощности, а также специальными конструктивными элементами, применяемыми для дополнительной стабилизации рабочего режима. В первую очередь к ним относятся связки, представляющие собой проволочные или ленточные кольца или скобки, соединяющие между собой соответственно только четные и только нечетные сегменты анодного блока и тем самым выравнивающие электрические потенциалы, а также использование разнорезонаторных анодных блоков, дополнительно увеличивающих разделение видов колебаний. Однако применение указанных способов стабилизации рабочего режима в релятивистских магнетронах ограничено высокими уровнями генерируемой мощности, что делает невозможным использование связок, а также, как уже упоминалось выше, нестабильностью питающих напряжений, что в разнорезонаторном магнетроне приводит к выполнению условия возбуждения для разных мод (видов колебаний) в течение импульса [Винтизенко И. И. и др. Экспериментальные исследования разнорезонаторного сильноточного магнетрона. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, 8, с.482-485].

Задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности амплитудных, временных и частотных параметров импульсов СВЧ излучения, генерируемого релятивистским магнетроном. Ожидаемый технический результат - устранение спонтанных переходов между видами колебаний, сужение за счет этого спектра СВЧ излучения и увеличение выходной мощности.

Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон, содержащий, как и прототип, цилиндрическую трубу дрейфа, многорезонаторный анодный блок с волноводными выводами мощности. Коаксиально анодному блоку расположен катод, связанный посредством катододержателя с источником питания. Магнитная система магнетрона выполнена из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между катушками размещены волноводные выводы мощности. В отличие от прототипа число волноводных выводов мощности составляет 2•m, ...N, где m=1,2,...N/2 - целое число. Волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов магнетрона соединены посредством одного или нескольких антенно-фидерных трактов длиной, кратной (2•q-1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, или кратной λ•q для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число, где N - число резонаторов анодного блока, q - положительное целое число, λ- рабочая длина волны, и в тракте выполнена щель связи для вывода СВЧ излучения. Устройство изображено на чертеже, где 1 - цилиндрическая труба дрейфа, 2 - многорезонаторный анодный блок, 3 - волноводные выводы мощности, 4 - катод, 5 - катододержатель, 6 - источник питания, 7 - магнитная система, 8 - антенно-фидерный тракт, 9 - щель связи, 10 - излучающая система.

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 7, работающая в непрерывном или импульсном режиме. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 6 формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). В промежутке катод 4 - многорезонаторный анодный блок 2 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. Успехи физ. наук. 1983, т. 139, с.265-302]. В скрещенных радиальном электрическом и аксиальном магнитном полях происходит образование электронных "спиц" пространственного заряда и процесс передачи энергии электронов в энергию СВЧ излучения осуществляется так же, как в классическом магнетроне. Наличие тракта связи 8 между выводами мощности 3 противоположных резонаторов анодного блока 2 приводит к взаимодействию СВЧ полей в резонаторах, что приводит к взаимному выравниванию амплитуды и фазы высокочастотного поля в противоположных секторах пространства взаимодействия. При этом фаза сигнала, поступающего на вход резонатора, определяется полной электрической длиной тракта связи. Как известно [Магнетроны сантиметрового диапазона, том 1, 2. Перевод с англ. под ред. С.А. Зусмановского. М. Сов. радио, 1950], для основного π-вида, для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, колебания противоположных резонаторов, при отсчете по азимуту, противофазны, а по отношению к выходным волноводам - синфазны. А для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, колебания противоположных резонаторов, при отсчете по азимуту, синфазны, а по отношению к выходным волноводам - противофазны. Для всех остальных видов колебаний фазовое распределение высокочастотного поля отлично от фазового распределения для π-вида. Поэтому если длина тракта связи подобрана так, что сигналы на его входе и выходе синфазны (для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число) либо противофазны (для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число), то будет происходить стабилизация π-вида и подавление всех остальных видов колебаний. Также происходит более симметричное распределение полей в пространстве взаимодействия и улучшение механизма энергообмена электронов с СВЧ полем.

Использование в тракте связи общей нагрузки - излучателя позволяет эффективно суммировать мощность с различных выводов релятивистского магнетрона при существенном повышении стабильности его работы. При этом открываются перспективы использования релятивистского магнетрона в качестве источника питания в системах антенных решеток для целей сверхдальней радиолокации, передачи энергии, радиоэлектронного подавления.

Схема конкретной реализации предложенного устройства полностью соответствует принципиальной, изображенной на чертеже. Два противоположных вывода 3 шестирезонаторного релятивистского магнетрона, питаемого секцией линейного индукционного ускорителя 6, соединяются волноводным трактом 8 через 3-дБ волноводный Н-тройник, который обеспечивает вывод энергии из системы через излучающую пирамидальную антенну 10. Магнитная система 7, изготовленная из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца, питается от регулируемого источника постоянного тока, имеет водяное охлаждение и обеспечивает магнитное поле с индукцией до 0,54 Тл. Релятивистский магнетрон 10 см диапазона длин волн имеет водяную рубашку охлаждения анодного блока и трубы дрейфа, графитовый катод 4 диаметром 19 мм. Анодный блок 2 содержит 6 резонаторов лопаточного типа. Внутренний диаметр анодного блока 43 мм, диаметр резонаторов 86 мм, длина анодного блока 72 мм. Диаметр и длина трубы 1 дрейфа 200 мм и 700 мм соответственно. Вывод СВЧ излучения из магнетрона осуществляется через щели связи в двух противоположных резонаторах и плавные волноводные переходы 3. Тракт связи 8 изготовлен из медного прямоугольного волновода с внутренним сечением 72•34 мм. Полная длина тракта связи, включая волноводные выводы мощности, составляла 2770 мм, что соответствует ~18λ на частоте 2840 МГц рабочего π-вида колебаний. Вывод энергии из системы осуществлялся через щель связи 9 в узкой стенке волновода, к которой была подключена пирамидальная рупорная антенна 10. Экспериментальная установка обеспечивает генерацию СВЧ импульсов с частотой следования до 320 Гц и отличается высокой повторяемостью рабочих характеристик.

В использованном релятивистском магнетроне основными конкурирующими видами колебаний являются π-вид и 2π/3-вид (и его (-1) гармоника), имеющие близкие напряжения возбуждения. Последний, в отличие от π-вида, характеризуется противофазностью колебаний в противоположных резонаторах, что при указанных длинах тракта связи приводит к его подавлению.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что огибающие СВЧ импульсов магнетрона с несвязанными выводами имеют глубокую изрезанность, отражающую нестабильность процесса генерации. Уровень мощности излучения с каждого вывода ~80 МВт, суммарная энергия в импульсе ~6 Дж. Нестабильность формы СВЧ сигналов коррелирует с колебаниями на регистрируемых осциллограммах тока и напряжения источника питания.

Объединение выводов магнетрона трактом связи резонаторов существенно изменило режим генерации СВЧ излучения. При электрически симметричном расположении нагрузки-излучателя выходная мощность возросла и достигла значения ~ 200 МВт, что соответствует суммированию в ней энергии рабочего π-вида колебаний. Энергия импульса повысилась до ~9 Дж. Огибающие СВЧ сигналов стали гладкими, что свидетельствует о более стабильной работе магнетрона.

Стабилизирующее влияние тракта связи резонаторов релятивистского магнетрона также проявляется и на спектральных характеристиках СВЧ импульсов. Магнетрон с несвязанными выводами имеет достаточно широкую полосу излучения, около 3% по уровню 3 дБ. В спектре наблюдаются два частотных максимума, соответствующих видам колебаний π и 2π/3. Объединение выводов резонаторов позволяет существенно сузить спектр излучения, приблизительно до 1-2%. При этом в спектре присутствует только один частотный максимум, соответствующий π-виду колебаний. Это однозначно указывает на отсутствие в системе модовой конкуренции.

Для сравнения экспериментальных результатов, полученных при исследовании предложенной системы, с известным данными на установке был испытан релятивистский магнетрон с одним волноводным выводом мощности, имеющий идентичный анодный блок. Для него СВЧ импульсы имеют меньшую длительность, ширина полосы излучения по уровню 3 дБ - приблизительно 3%. Уровень мощности и энергия в импульсе здесь несколько меньше, приблизительно 180 МВт и 7 Дж соответственно. Как видно, в отличие от прототипа, магнетрон с объединенными выводами в режиме суммирования обеспечивает более высокие значения выходных параметров и лучшие спектральные характеристики излучения.

Таким образом, использование в релятивистском магнетроне тракта связи резонаторов позволяет избавиться от спонтанных переходов между видами колебаний, за счет этого спектр СВЧ излучения сужается до 1-2% и на 25% возрастает выходная мощность.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Релятивистский магнетрон содержит цилиндрическую трубу дрейфа и многорезонаторный анодный блок с волноводными выводами мощности. Коаксиально анодному блоку расположен катод, связанный посредством катододержателя с источником питания. Магнитная система магнетрона выполнена из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между катушками размещены волноводные выводы мощности в количестве 2•m,..., N, где m=1,2,..., N/2 - целое число. Техническим результатом является повышение стабильности амплитудных, временных и частотных параметров генерируемых СВЧ импульсов. Волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов объединены посредством одного или нескольких антенно-фидерных трактов длиной, кратной (2•q-1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, или кратной λ•q для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число, где N - число резонаторов анодного блока, λ - рабочая длина волны, q - положительное целое число. Вывод энергии из системы осуществлялся через щель связи в антенно-фидерном тракте. 1 ил.

Релятивистский магнетрон, содержащий цилиндрическую трубу дрейфа, многорезонаторный анодный блок, коаксиально которому расположен взрывоэмиссионный катод, магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, между которыми размещены волноводные выводы мощности, отличающийся тем, что число волноводных выводов мощности составляет 2 • m, . . . N, где m = 1, 2, . . . , N/2 - целое число, и волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов соединены посредством одного или нескольких антенно-фидерных трактов длиной, кратной (2 • q - 1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, или кратной λ • q для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число, где N - число резонаторов анодного блока, q - положительное целое число, λ - рабочая длина волны, и в тракте выполнена одна щель связи для вывода СВЧ излучения.