РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН Российский патент 2004 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования к стабильной работе приборов, в частности к сохранению 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 термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потери 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 выводом отрицательной полярности 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 не, 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, уменьшению их энергии. 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, P.44], в которой для шестирезонаторного анодного блока применено до 6 выводов. Экспериментально показано, что увеличение числа выводов приводит к увеличению допустимого 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. Это, в свою очередь, ограничивает возможности практического применения релятивистского магнетрона для питания антенных излучающих структур, формирования стабильного пространственного распределения энергии СВЧ колебаний.

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 или 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 стабилизация амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ импульсов релятивистского магнетрона, повышение эффективности вывода энергии СВЧ колебаний. Ожидаемый технический результат - устранение спонтанных переходов между видами колебаний, сужение за счет этого спектра СВЧ излучения, увеличение энергии в импульсе.

Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок, перпендикулярно оси которого расположены выводы мощности резонаторов, а на оси расположены взрывоэмиссионный катод и цилиндрическая труба дрейфа, внешнюю магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, отличающийся тем, что выводы мощности двух противоположных резонаторов соединены посредством прямоугольного волновода, в узкой стенке которого выполнены k(k≥3) излучающих щелей таким образом, что при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2, центральная щель расположена на оси электрической симметрии системы, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4, где k - нечетное число, N - число резонаторов анодного блока, m, n - положительное целое число, λ - рабочая длина волны; при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - нечетное число, длина волновода равна λ·m, центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на λ/2, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4.

Устройство изображено на фиг.1, где 1 - цилиндрическая труба дрейфа, 2 - многорезонаторный анодный блок, 3 - катод, 4 - катододержатель, 5 - источник питания, 6 - магнитная система, 7 - волноводные выводы мощности, 8 - прямоугольный волновод, 9, 10, 11 - излучающие щели.

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 6, работающая в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 5 формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). В промежутке катод 3 - 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. Отрезок прямоугольного волновода 8 связывает через выводы мощности 7 противоположные резонаторы анодного блока 2, что приводит к взаимодействию СВЧ полей в резонаторах. При этом фаза сигнала, поступающего на вход резонатора, определяется электрической длиной волновода 8. Как известно [Магнетроны сантиметрового диапазона. Т 1, 2. Пер. с англ. под ред. С.А.Зусмановского. М., Сов. радио, 1950], для основного рабочего 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 волноводным выводам мощности - 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 волноводным выводам мощности - противофазны. Для всех остальных видов колебаний фазовое распределение высокочастотного поля отлично от фазового распределения для π-вида.

С целью стабилизации π-вида колебаний длина волновода 8 подобрана так, что для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 -нечетное число, длина волновода равна λ·m, а для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2. Для вывода и распределения СВЧ излучения и стабилизации рабочего вида колебаний магнетрона в узкой стенке прямоугольного волновода выполнены k (k=3,5,...) излучающих щелей 9, 10, 11. По своему функциональному назначению и расположению излучающие щели подразделяются на три вида: центральная излучающая щель 10, группа излучающих щелей 9 левого резонатора и группа излучающих щелей 11 правого резонатора. В рассмотрении их влияния на стабильность процесса генерации ограничимся случаем магнетрона с числом резонаторов N, удовлетворяющим условию N/2 - четное число, когда центральная излучающая щель 10 расположена на оси электрической симметрии волновода. Для рабочего π-вида колебаний сигналы с выходов резонаторов поступают в центральную излучающую щель в противофазе, то есть вычитаются. При равенстве амплитуд сигналов на центральной щели возникает динамическое короткое замыкание и щель не возбуждается. Короткое замыкание через отрезок линии передачи с электрической длиной π/2 трансформируется в бесконечное сопротивление. Следовательно, располагая излучающие щели левой и правой групп на расстоянии нечетно кратном λ/4 от центральной, получаем их эффективное возбуждение.

Далее, располагая боковые излучающие щели в каждой группе на расстоянии, кратном λ друг от друга, получаем синфазное возбуждение всех щелей в группах. При равенстве волновых сопротивлений излучающих щелей реализуется равномерное распределение выходной энергии магнетрона. Если волновые сопротивления излучающих щелей неодинаковы, то реализуется неравномерное распределение энергии магнетрона.

Приведенные рассуждения справедливы только для той частоты генерации релятивистского магнетрона, на которой для π-вида реализуются указанные электрические длины отрезков тракта связи и фазовые соотношения колебаний в резонаторах магнетрона. При возникновении процессов генерации с частотами и фазовыми соотношениями, отличными от таковых для π-вида, в центральной щели начинает выделяться мощность, что эквивалентно внесению дополнительных потерь в резонансную систему релятивистского магнетрона. Это приводит к быстрому затуханию указанных процессов и тем самым к повышению стабильности работы магнетрона и заданного амплитудно-фазового распределения излучения на системе выходных излучающих щелей.

Схема конкретной реализации предложенного устройства изображена на фиг.2. Два противоположных вывода 7, 6-резонаторного релятивистского магнетрона, питаемого секцией линейного индукционного ускорителя 5, соединяются через плавные волноводные переходы 12 с волноводом 8, в котором выполнены три излучающие щели 9, 10, 11. Магнитная система 6, 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 имеет водяную рубашку охлаждения анодного блока и трубы дрейфа, графитовый катод 3 диаметром 22 мм, закрепленный на катододержателе 4. 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 дрейфа 7 200 и 700 мм соответственно. Экспериментальная установка обеспечивает генерацию СВЧ импульсов с частотой следования до 320 Гц и отличается высокой повторяемостью рабочих характеристик.

Волновод 8 изготовлен из отрезка медного прямоугольного волновода, внутренним сечением 72 × 34 мм. Полная длина тракта, включая волновод 8 и плавные волноводные переходы 12, составляла 2770 мм, что соответствует ~18λ (где λ - длина волны в волноводе) на частоте 2840 МГц рабочего π-вида колебаний магнетрона. Вывод энергии СВЧ излучения из системы осуществлялся через излучающие щели 9, 10, 11 в узкой стенке волновода, к которым были подключены пирамидальные рупорные антенны 13, 14, 15. Поскольку в нашем случае число резонаторов магнетрона N=6, и N/2=3 - нечетное число, то центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на угол π (~77,8 мм). Расстояние между центральной излучающей щелью 10 и излучающей щелью 9 левого резонатора составляло 194,5 мм, а между центральной излучающей щелью 10 и излучающей щелью 11 правого резонатора - 272,3 мм, что соответствует 5/2π и 7/2π соответственно. Результирующее расстояние между излучающими щелями 466,8 мм соответствовало 6π, благодаря чему обеспечивалось их синфазное возбуждение.

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 размерах элементов волноводного тракта приводит к его подавлению.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что огибающие СВЧ импульсов магнетрона с несвязанными выводами имеют глубокую изрезанность, отражающую нестабильность процесса генерации, вызванную конкуренцией видов колебаний. 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 резонаторов релятивистского магнетрона волноводным трактом связи резонаторов существенно изменило режим генерации СВЧ излучения. Уровень мощности с каждого из боковых излучателей составил ~75 МВт, с центрального излучателя ~20 МВт. Суммарная энергия в импульсе повысилась до ~9 Дж за счет улучшения прямоугольности импульса. Огибающие СВЧ сигналов стали гладкими, что свидетельствует о более стабильной работе магнетрона. Внешняя связь резонаторов магнетрона также значительно влияет на спектральные характеристики. Полоса излучения магнетрона с несвязанными выводами около 3% по уровню 3 дБ. В спектре сигнала четко выражены два максимума, соответствующие генерации π и 2π/3-видов колебаний в течение одного импульса. Объединение выводов при длинах антенно-фидерного тракта, близких к оптимальной, позволяет сузить спектр излучения приблизительно до 1,5%. Спектр значительно видоизменяется, наблюдается один четко выраженный частотный максимум, соответствующий π-виду, что однозначно указывает на отсутствие в системе межвидовой конкуренции. Наблюдающиеся на спектрограмме боковые интерференционные максимумы обусловлены большой длиной волноводного тракта.

Эффект стабилизации амплитудно-фазового распределения энергии СВЧ импульсов на системе излучающих щелей волноводного тракта наглядно иллюстрируется измеренной в эксперименте диаграммой излучения релятивистского магнетрона. На фиг.3 показана диаграмма направленности отдельно взятой рупорной антенны, использованной в эксперименте (кривая 16), и результирующая диаграмма направленности рассматриваемой системы (кривая 17). Наличие глубоких интерференционных минимумов (более 10 дБ) на диаграмме направленности однозначно указывает на синфазность и равенство амплитуд СВЧ сигналов боковых излучателей.

Таким образом, использование в релятивистском магнетроне волноводного тракта связи резонаторов позволяет избавиться от спонтанных переходов между видами колебаний, за счет этого спектр СВЧ излучения сужается до 1,5% и на 50% возрастает энергия импульса.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок, перпендикулярно оси которого расположены выводы мощности резонаторов, а на оси расположены взрывоэмиссионный катод и цилиндрическая труба дрейфа, внешнюю магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца. Техническим результатом является стабилизация амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ импульсов релятивистского магнетрона, повышение эффективности вывода энергии СВЧ колебаний. В магнетроне выводы мощности двух противоположных резонаторов соединены посредством прямоугольного волновода, в узкой стенке которого выполнены k(k≥3) излучающих щелей таким образом, что при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2, центральная щель расположена на оси электрической симметрии системы, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/2, где k - нечетное число, N - число резонаторов анодного блока, m, n - положительное целое число, λ - рабочая длина волны; при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - нечетное число, длина волновода равна λ·m, центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на λ/2, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4. 3 ил.

Релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок, перпендикулярно оси которого расположены выводы мощности резонаторов, а на оси расположены взрывоэмиссионный катод и цилиндрическая труба дрейфа, внешнюю магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, отличающийся тем, что выводы мощности двух противоположных резонаторов соединены посредством прямоугольного волновода, в узкой стенке которого выполнены k (k ≥ 3) излучающих щелей таким образом, что при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2, центральная щель расположена на оси электрической симметрии системы, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4, где k - нечетное число, N - число резонаторов анодного блока, m, n - положительное целое число, λ - рабочая длина волны; при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - нечетное число, длина волновода равна λ·m, центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на λ/2, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4.