АНОДНЫЙ БЛОК ДЛЯ МАГНЕТРОНА И МАГНЕТРОН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК H01J25/587 

Настоящее изобретение относится к магнетронам и, более конкретно, к анодным блокам, используемым в магнетронах.

Магнетроны представляют собой известный класс микроволновых вакуумных приборов и обычно содержат центральный катод, окруженный цилиндрическим анодным блоком, который определяет границы множества объемных резонаторов. Например, анодный блок может содержать цилиндрическое анодное кольцо, внутри которого размещено множество радиально расположенных анодных секций.

Известен магнетрон, описанный в заявке ЕР-А-0519803, в котором анодный блок включает множество анодных секций, причем тонкостенные анодные секции расположены поочередно с более толстыми анодными секциями, с их концов размещен катод, имеющий ту же площадь поверхности.

Известен анодный блок, описанный в заявке GB-A-740182, в котором анодные секции сформированы в виде сегментов Т-образной формы, причем горизонтальные части Т-образных сегментов сформированы на внешней стенке анодного блока.

Известные устройства являются наиболее близкими к заявленным и могут быть выбраны в качестве прототипов.

Магнетроны могут использоваться для генерации микроволнового излучения в частотном диапазоне, зависящем от геометрии и размеров анодного блока.

Однако магнетроны в основном считаются неподходящими для использования в генерации низкочастотного излучения, например частот 400 МГц или ниже. Хотя эти низкие частоты могут быть достигнуты посредством увеличения размеров конструкции известных магнетронов, это приводит к тому, что прибор будет занимать большой объем, а также будет неприемлемо тяжел и механически недостаточно прочен. В любом случае для создания более крупного прибора необходимо не только увеличить количество используемых материалов, но также различные элементы должны быть более массивными, чтобы противостоять механическим напряжениям, вызываемым большей конструкцией, и выдерживать требуемые условия по вакууму.

Настоящее изобретение является попыткой создания магнетрона и анодного блока для использования в таком магнетроне, который способен работать на относительно низких частотах, но вместе с тем является относительно компактной и легкой конструкцией.

Согласно первому аспекту изобретения предлагается анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее таким образом, чтобы определить границы объемных резонаторов, причем каждая анодная секция имеет радиально протяженную часть по существу такой же толщины на цилиндрической детали, как и другие анодные секции, причем каждая из множества анодных секций имеет по существу радиально протяженную первую часть и на внутреннем ее конце вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет множество анодных секций, расположенных внутри нее таким образом, чтобы определить границы объемных резонаторов, причем каждая анодная секция, расположенная внутри цилиндрической детали, имеет по существу радиально протяженную первую часть и на внутреннем ее конце вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении.

Согласно третьему аспекту изобретения предлагается анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее таким образом, чтобы определить границы объемных резонаторов, причем каждая анодная секция из множества анодных секций имеет по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении, и при этом анодные секции из множества анодных секций расположены поочередно внутри цилиндрической детали с анодными секциями такого набора анодных секций, в котором каждая анодная секция имеет по существу только радиально протяженную часть, имеющую по существу равномерную толщину.

Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее таким образом, чтобы определить границы объемных резонаторов, причем каждая анодная секция из множества анодных секций имеет по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении и на одном из своих концов примыкает к первой части анодной секции.

В обычном магнетроне анодные секции содержат только радиально протяженные части. В анодном блоке в соответствии с любым из аспектов настоящего изобретения вторая часть анодных секций эффективно увеличивает длину пути протекания тока вокруг анодных резонаторов, увеличивая таким образом индуктивность в анодном блоке. Поскольку рабочая частота магнетрона обратно пропорциональна корню квадратному из индуктивности, умноженной на емкость, то любое увеличение индуктивности, достигнутое посредством использования настоящего изобретения, дает эффект понижения рабочей частоты магнетрона. Таким образом, для данного полного диаметра анодного блока и того же самого числа анодных резонаторов посредством использования настоящего изобретения может быть достигнута значительно более низкая рабочая частота по сравнению с обычной структурой.

В преимущественном варианте осуществления первого и второго аспектов изобретения, например, первые части по меньшей мере некоторых (анодных секций) из упомянутого множества анодных секций присоединяются к соответствующим вторым частям в середине длины второй части. Это дает Т-образную анодную секцию. Т-образная конфигурация анодных секций имеет преимущество вследствие симметрии, которой она обладает. Однако некоторые аспекты изобретения могут быть осуществлены с использованием анодных секций, которые имеют, например, L-образную форму. Каждая из них может быть расположена по окружности цилиндрической анодной детали с той же самой ориентацией или с другим расположением, ориентация чередующихся анодных секций L-формы может, например, реверсироваться (менять направление на обратное).

В особенно выгодном варианте осуществления первого аспекта настоящего изобретения, например, упомянутое множество анодных секций включает все анодные секции анодного блока. Такое расположение сохраняет высокую степень симметрии и относительно большое увеличение индуктивности. Однако для некоторых применений может быть желательным, например, чередовать анодные секции, имеющие круговую часть, с анодными секциями, которые имеют обычную конфигурацию, являющуюся просто радиально протяженной в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения.

Выгодно, чтобы на одном конце (торце) анодного блока было включено более двух анодных связок. Далее, предпочтительно, чтобы на каждом конце анодного блока было включено более двух анодных связок. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере на одном конце анодного блока было включено четыре анодных связки. В других конфигурациях три или более четырех анодных связок могут быть включены, по меньшей мере, на одном конце анодного блока.

Использование многочисленных анодных связок вместо обычно используемых двух анодных связок позволяет получить большую емкость в анодной схеме. Емкость существует между направленными друг к другу поверхностями анодных связок, и, при использовании более двух анодных связок, следовательно, эта емкость может быть увеличена без необходимости изменять размеры или пространственное разнесение связок относительно тех, которые обычно считаются подходящими в таких случаях. Добавляется также емкость между поверхностями анодных связок и направленными к ним поверхностями анодной секции. Таким образом, емкость может быть увеличена посредством увеличения площадей направленных друг к другу поверхностей в анодной схеме, не вызывая трудностей с допусками или проблем с электрическим пробоем, которые могли бы возникнуть, если бы для достижения увеличения емкости была предпринята попытка переместить связки ближе друг к другу. Увеличение емкости по сравнению со стандартным блоком таких же габаритных размеров дает снижение рабочей частоты магнетрона.

В одном выгодном расположении, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере одна из анодных связок имеет зазор по своей окружности, расположенный на второй части одной из анодных секций упомянутого множества. Один или более зазоров могут быть включены в анодную связку без ущерба для достижения разделения мод, поскольку большая длина в круговом направлении секции по сравнению с обычной чисто радиальной секцией позволяет надежно устанавливать связки в хорошем электрическом контакте с секцией, а также регулировать зазор. Однако это приводит к некоторому снижению емкости и не всегда может быть приемлемо.

Согласно первой особенности изобретения магнетрон содержит анодный блок в соответствии с любым аспектом изобретения, а катод расположен коаксиально внутри анодного блока.

Магнетрон в соответствии с настоящим изобретением может быть меньше одной тридцатой части по весу обычного магнетрона, рассчитанного для работы на той же самой частоте. В качестве дальнейшего сравнения следует отметить, что уменьшение диаметра, достижимое с использованием настоящего изобретения, приводит к анодному блоку диаметром 264 мм по сравнению с диаметром 1.2 м для обычного магнетрона, предназначенного для работы на той же самой частоте 100 МГц.

Дальнейшее снижение частоты может быть достигнуто посредством обеспечения высокого магнитного поля между анодным блоком и катодом. Предпочтительно, напряженность магнитного поля находится в диапазоне 500-2000 Гс, при котором рабочая частота магнетрона находится в диапазоне приблизительно 100-400 МГц. Для увеличения рабочей частоты требуется увеличение магнитного поля. Для сравнения, при работе в диапазоне 100-400 МГц и в обычной конструкции предполагается использование магнитного поля величиной приблизительно 100-400 Гс.

Согласно второй особенности настоящего изобретения магнетрон содержит средство для создания между анодным блоком и катодом магнитного поля, имеющего напряженность в диапазоне 500-2000 Гс, при котором рабочая частота магнетрона находится в диапазоне 100-400 МГц.

В особенно выгодном варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением цилиндрическая деталь анодного блока обеспечивает контур замыкания силовых линий магнитного поля. В одной конструкции цилиндрическая деталь изготовлена из стали с медным покрытием на ее внутренней поверхности. Это дает компактную структуру, в которой нет необходимости отдельно обеспечивать контур замыкания силовых линий магнитного поля.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 схематично иллюстрирует вид сверху анодного блока согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 схематично изображает сечение по линии II-II фиг.1 анодной секции анодного блока фиг.1;
фиг.3 схематично изображает в продольном сечении магнетрон согласно настоящему изобретению; и
фиг.4 и 5 схематично иллюстрируют соответствующие различные анодные блоки в соответствии с изобретением.

На фиг.1 анодный блок 1 содержит цилиндрическую деталь 2 корпуса анода, которая в этом варианте осуществления изготовлена из стали и имеет внутреннюю поверхность, покрытую тонким медным слоем. В других вариантах осуществления цилиндрическая деталь 2 может быть полностью медной, как в обычных магнетронах. Внутри цилиндрической детали 2 расположено шесть анодных секций 3. Каждая секция 3 имеет радиально протяженную часть 3а и вытянутую по окружности часть 3b на внутреннем конце секции. Таким образом, каждая анодная секция 3 по существу является Т-образной в поперечном сечении и представляет частично цилиндрическую поверхность 3c, направленную внутрь области, в которой в собранном магнетроне располагается катод. Радиально протяженные части имеют одну и ту же толщину d в том месте, где они примыкают к цилиндрической детали 2. Т-образные секции 3 показывают более высокую индуктивность, чем индуктивность, которая имела бы место в случае обычной геометрии анодного блока, в котором каждая секция состоит только из радиальной компоненты. Путь для токов, текущих вокруг каждого анодного резонатора, увеличивается, поскольку этот путь также включает Т-"плечи", то есть вытянутые по окружности части 3b. Каждая анодная секция может представлять собой соединение двух отдельных частей - радиальной и круговой, которые соединяются, или может быть единым монолитным элементом конструкции.

Анодный блок также включает отверстие 4 связи, через которое энергия может выводиться в процессе работы собранного магнетрона, используя обычные механизмы связи.

Как ясно видно на фиг.2, анодный блок включает четыре концентрические анодные связки 5, 6, 7 и 8, расположенные коаксиально внутри цилиндрической детали 2. Связки 5-8 имеют прямоугольное поперечное сечение в этом варианте осуществления, однако при желании могут использоваться другие конфигурации. Анодная секция 9, изображенная на фиг.2, включает вырезанную часть 10 в круговой части 3b, внутри которой расположены связки 5-8. Выступающие вверх ребра 11 и 12 включены внутри вырезанной части 10 и расположены так, чтобы быть в электрическом контакте с двумя связками 6 и 8. Другие две связки 5 и 7 не имеют электрического контакта с анодной секцией 9. Нижний край анодной секции 9, как изображено, также включает вырезанную часть 13, внутри которой расположены четыре дополнительные кольцевые анодные связки 14, 15, 16 и 17. Анодные связки 14 и 16 электрически соединяются с анодной секцией 9 посредством выступов 18 и 19, а другие анодные связки 15 и 17 не имеют с ней электрического контакта. Чередующиеся анодные секции по кругу цилиндрической детали 2 соединяются таким же образом, как и те, что изображены на фиг.2, а остающиеся между ними анодные секции соединены противоположным образом.

Между направленными друг к другу поверхностями смежных анодных связок имеется емкость, зависящая от протяженности направленных друг к другу областей. Кроме того, емкость также существует между наиболее удаленной поверхностью внешней связки 5, например, и направленной к ней части анодной секции 9 и аналогично для нижней внешней связки 14, а также для внутренних поверхностей двух внутренних связок 8 и 17, которые также обращены к анодной секции 9. Между нижней поверхностью, например, анодной связки 5 и обращенной к ней части анодной секции 9 также существует емкость.

Поскольку анодные связки 5-8 и 14-17 установлены в вытянутых по кругу протяженных частях 3b анодных секций 3, доля емкости, которая существует между ними и обращенными к ним частями анодных секций, увеличивается по сравнению с тем, что имело бы место в обычной конструкции, в которой каждая анодная секция имеет только радиальный элемент и ограниченную ширину.

Некоторые анодные связки включают зазоры или разрезы на их окружности для простоты изготовления, например связка 5, которая электрически соединена с анодной секцией 20, смежной анодной секции 9, имеет зазор 21. Круговая часть анодной секции 20 гарантирует, что хороший электрический контакт для получения разделения мод все еще достижим. Однако включение зазора или зазоров в анодные связки уменьшает емкость, и, следовательно, для того чтобы максимизировать емкость в большинстве случаев желательно сохранять анодные связки как полные круговые кольца.

На фиг. 3 магнетрон, включающий анодный блок 1, проиллюстрированный на фиг. 1 и 2, также включает цилиндрический катод 2, коаксиально расположенный внутри анодного блока 1 вдоль продольной оси Х-Х через магнетрон. Магнетрон включает постоянные магниты 22 и 23, установленные таким образом, чтобы создавать магнитное поле относительно высокой напряженности в зазоре между катодом 2 и анодным блоком 1. Например, в случае, когда магнетрон предназначен для работы на частоте 100 МГц, в зазоре в осевом направлении обеспечивается магнитное поле приблизительно 500 Гс. Хотя в этом варианте осуществления для обеспечения магнитного поля включены постоянные магниты, может использоваться другое средство. Например, вместо них можно использовать электромагнит. Замкнутый контур силовых линий магнитного поля обеспечивается посредством связок 24, через стальную цилиндрическую деталь 2 и посредством связок 25. Цилиндрическая деталь 2 образует часть микроволновой (СВЧ) схемы. Она также определяет границы вакуумной оболочки магнетрона, а также выполняет третью функцию - функцию обеспечения контура замыкания силовых линий магнитного поля. Связки, соединяющие магниты с цилиндрической деталью 2, могут быть заменены едиными компонентами в других вариантах осуществления.

Анодный блок, изображенный на фиг.1 и 2, конечно, может быть включен в магнетроны, имеющие обычный контур замыкания силовых линий магнитного поля, в которые включены дополнительные элементы и нет необходимости использования магнитного поля высокой напряженности. Однако в результате рабочие частоты оказываются более высокими.

Преимущество использования цилиндрической детали 2 для обеспечения контура замыкания силовых линий магнитного поля состоит в том, что она снижает число требуемых элементов конструкции. Также, поскольку используется сталь, имеется экономия веса. Если используется медь, как в случае обычного магнетрона, она должна быть намного толще, чтобы выдерживать возникающие нагрузки. Такая конструкция также минимизирует рассеяние магнитного потока для обеспечения хорошей эффективности магнетрона и увеличения эффективности снижения затрат.

Фиг. 4 схематически иллюстрирует другой анодный блок 26, имеющий цилиндрическую деталь 27, которая содержит множество Т-образных анодных секций 28, расположенных по кругу цилиндрической детали 27, поочередно с набором анодных секций 29, имеющих только радиально протяженную часть и не имеющих круговую часть.

Фиг. 5 схематически изображает еще один анодный блок 30, имеющий L-образные секции 31, расположенные внутри цилиндрической детали 32.

Анодный блок, изображенный как на фиг.4, так и на фиг.5, может быть включен вместо анодного блока 1 в магнетрон, изображенный на фиг.3, или, конечно, может быть включен в конструкцию обычного магнетрона, в котором содержится отдельный контур замыкания силовых линий магнитного поля и используется более слабое магнитное поле.

Анодный блок для магнетрона содержит Т-образные анодные секции, имеющие радиально протяженную часть и протяженную по окружности часть, причем в собранном магнетроне цилиндрические поверхности протяженных по окружности частей обращены к катоду. Использование Т-образных секций увеличивает индуктивность и, следовательно, позволяет генерировать низкочастотное излучение без увеличения размеров магнетрона по сравнению с размерами обычного магнетрона. Также для дополнительного снижения частоты увеличивается емкость путем использования более двух анодных связок и предпочтительно четырех анодных связок на каждом конце анодного блока. Предпочтительно анодный блок встраивается в магнетрон, в котором используется сильное магнитное поле порядка 500 Гс и работающий на частоте 100 МГц. Анодный корпус сам по себе может составлять часть контура замыкания силовых линий магнитного поля. Техническим результатом является создание устройства, которое способно работать на относительно низких частотах и является относительно компактной и легкой конструкцией. 6 с. и 28 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее так, чтобы определить границы объемных резонаторов, причем каждая анодная секция имеет радиально протяженную часть по существу такой же толщины на цилиндрической детали, что и другие анодные секции, отличающийся тем, что каждая из множества анодных секций имеет по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении. 2. Анодный блок по п.1, отличающийся тем, что первая часть по меньшей мере некоторых из упомянутого множества анодных секций присоединяется к соответствующей второй части в середине длины второй части анодной секции. 3. Анодный блок по п.1, отличающийся тем, что упомянутое множество включает все анодные секции анодного блока. 4. Анодный блок по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на одном конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 5. Анодный блок по п.4, отличающийся тем, что на каждом конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 6. Анодный блок по п.4 или 5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном конце анодного блока содержится четыре анодные связки. 7. Анодный блок по п. 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что анодные связки соединены со вторыми частями упомянутого множества анодных секций. 8. Анодный блок по п.7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из анодных связок имеет по своей окружности зазор, расположенный на второй части одной из анодных секций из упомянутого множества анодных секций. 9. Анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет множество анодных секций, расположенных внутри нее так, чтобы определить границы объемных резонаторов, отличающийся тем, что каждая анодная секция, расположенная внутри цилиндрической детали, имеет по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении. 10. Анодный блок по п.9, отличающийся тем, что первая часть, по меньшей мере, некоторых из упомянутого множества анодных секций присоединяется к соответствующей второй части в середине длины второй части анодной секции. 11. Анодный блок по п.9 или 10, отличающийся тем, что на одном конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 12. Анодный блок по п.11, отличающийся тем, что на каждом конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 13. Анодный блок по п.11 или 12, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном конце анодного блока содержится четыре анодные связки. 14. Анодный блок по п.11, или 12, или 13, отличающийся тем, что анодные связки соединены со вторыми частями упомянутого множества анодных секций. 15. Анодный блок по п.14, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из анодных связок имеет по своей окружности зазор, расположенный на второй части одной из анодных секций из упомянутого множества анодных секций. 16. Анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее так, чтобы определить границы объемных резонаторов, отличающийся тем, что множество анодных секций имеют по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении, и расположены по кругу цилиндрической детали поочередно с набором анодных секций, имеющих только радиально протяженную часть. 17. Анодный блок по п.16, отличающийся тем, что первая часть, по меньшей мере, некоторых из упомянутого множества анодных секций присоединяется к соответствующей второй части в середине длины второй части анодной секции. 18. Анодный блок по п.16 или 17, отличающийся тем, что на одном конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 19. Анодный блок по п.18, отличающийся тем, что на каждом конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 20. Анодный блок по п.18 или 19, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном конце анодного блока содержится четыре анодные связки. 21. Анодный блок по п.18, или 19, или 20, отличающийся тем, что анодные связки соединены со вторыми частями упомянутого множества анодных секций. 22. Анодный блок по п.21, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из анодных связок имеет по своей окружности зазор, расположенный на второй части одной из анодных секций из упомянутого множества анодных секций. 23. Анодный блок для магнетрона, содержащий цилиндрическую деталь, которая имеет анодные секции, расположенные внутри нее так, чтобы определить границы объемных резонаторов, отличающийся тем, что каждая анодная секция из множества анодных секций имеет по существу радиально протяженную первую часть и на ее внутреннем конце - вторую часть, которая является протяженной по существу в круговом направлении и на одном из своих концов примыкает к первой части анодной секции. 24. Анодный блок по п.23, отличающийся тем, что упомянутое множество включает все анодные секции анодного блока. 25. Анодный блок по п.23 или 24, отличающийся тем, что на одном конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 26. Анодный блок по п.25, отличающийся тем, что на каждом конце анодного блока содержится более двух анодных связок. 27. Анодный блок по п.25 или 26, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном конце анодного блока содержится четыре анодные связки. 28. Анодный блок по п.25, или 26, или 27, отличающийся тем, что анодные связки соединены со вторыми частями упомянутого множества анодных секций. 29. Анодный блок по п.28, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из анодных связок имеет по своей окружности зазор, расположенный на второй части одной из анодных секций из упомянутого множеств анодных секций. 30. Магнетрон, содержащий анодный блок по любому из пп.1-29 и катод, расположенный коаксиально внутри него. 31. Магнетрон по п. 30, отличающийся тем, что содержит средство для создания между анодным блоком и катодом магнитного поля, имеющего напряженность в диапазоне 500-2000 Гс, при котором рабочая частота магнетрона находится в диапазоне 100-400 МГц. 32. Магнетрон по п.30 или 31, отличающийся тем, что цилиндрическая деталь анодной структуры обеспечивает замыкание силовых линий магнитного поля. 33. Магнетрон по п.32, отличающийся тем, что цилиндрическая деталь изготовлена из стали с медным слоем на ее внутренней поверхности. 34. Магнетрон, содержащий средство для создания между анодным блоком и катодом магнитного поля, отличающийся тем, что магнитное поле имеет напряженность в диапазоне 500-2000 Гс, при этом рабочая частота магнетрона находится в диапазоне 100-400 Мгц.