РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН С ВНЕШНИМИ КАНАЛАМИ СВЯЗИ РЕЗОНАТОРОВ Российский патент 2008 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 стабильной работы приборов, в частности сохранения от импульса к импульсу амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ-сигнала, а также формирования СВЧ-излучения высокой направленности.

Известно устройство - магнетрон [Самсонов Д.Е., Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. М., 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 из двух магнитных катушек в виде пары Гельмгольца. В промежутке между катушками 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 в энергию СВЧ-излучения 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 напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности работы катода, потере эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя.

Известно также устройство - релятивистский магнетрон, состоящий из многорезонаторного анодного блока с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрической трубы дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока, коаксиально расположенного блоку катода, связанного посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания и магнитной системы [Винтизенко И.И., Заревич А.И., Новиков С.С. Патент РФ №2228560, МПК 7 H01J 25/50. Релятивистский магнетрон. Опубл. БИ, 2004, №13]. В качестве источника питания релятивистского магнетрона используются сильноточные электронные ускорители. В таких приборах анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс отрицательной полярности длительностью 50-200 нс, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В скрещенных электрическом радиальном 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 в классическом магнетроне электроны, вращаясь азимутально в «спицах», отдают потенциальную энергию в энергию СВЧ-излучения, осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцом катода. Этот ток образован действием скрещенных электрического краевого поля и продольного магнитного поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. Данный магнетрон содержит один или несколько волноводных выводов мощности из противоположно расположенных резонаторов, соединенных посредством одного или нескольких волноводных каналов длиной 1) кратной (2q+1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, 2) кратной λq для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, где q - положительное целое число, λ - длина волны, N - число резонаторов анодного блока, и в канале выполнены одна или несколько щелей связи для вывода СВЧ-излучения. Применение волноводного канала связи улучшает стабильность амплитудных, временных и частотных характеристик формируемых СВЧ-импульсов, а использование набора щелей позволяет формировать направленное СВЧ-излучение. Выходная мощность релятивистского магнетрона составляет от 200 МВт до нескольких ГВт при длительности импульса излучения десятки наносекунд.

Как показали исследования [Винтизенко И.И., Новиков С.С., Заревич А.И. Релятивистский магнетрон с распределенным выводом СВЧ-излучения. Письма в ЖТФ, 2005, т.31, в.9, с.63-68] для стабильной работы релятивистского магнетрона с волноводным каналом связи между резонаторами анодного блока необходимо применение центральной (согласующей) нагрузки (щели связи). Вносимые этой нагрузкой потери значительно снижают нагруженную добротность нерабочих видов колебаний магнетрона, что обеспечивает их быстрое затухание. Кроме того, регистрация уровня излучаемой мощности из центральной нагрузки позволяет контролировать настройку прибора. В описанных экспериментах использовались одна центральная и две излучающие щели связи, расположенные на узкой стенке волновода. Следует отметить, что щели связи могут находиться и на широкой стенке волноводного канала связи в соответствии с приведенными в статье требованиями на их расположение и длину волноводного канала. Подобная конструкция требовала больших размеров для изготовления канала связи, поскольку между излучающими щелями связи располагалась центральная (согласующая) щель связи. При этом для предотвращения СВЧ-пробоев на щелях связи со стороны воздуха были использованы рупорные антенны, т.е. применялись две излучающие антенны с расположенной между ними рупорной антенной для согласующей щели связи. Центральная щель связи не позволяла располагать излучающие щели с шагом λ/2. При этом сокращалось число излучающих щелей связи и понижалась направленность выводимого СВЧ-излучения. Размеры волноводного канала, следовательно, и релятивистского магнетрона были значительными, что и являлось главным недостатком этого устройства. Большие длины волноводного канала связи препятствуют быстрому установлению колебаний в волноводном канале, тем самым снижая выходные характеристики релятивистского магнетрона.

Задачей предлагаемого изобретений является минимизация размеров волноводных каналов связи за счет сокращения длины канала и увеличение количества излучающих щелей связи. Ожидаемый технический результат - уменьшение времени установления СВЧ-колебаний, увеличение амплитудных и частотных характеристик генерируемых СВЧ-импульсов, улучшение направленности СВЧ-излучения.

Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон с внешними каналами связи резонаторов, содержащий, как и прототип, взрывоэмиссионный катод, анодный блок с N резонаторами, цилиндрическую трубу дрейфа, магнитную систему в виде пары Гельмгольца и волноводные выводы мощности количеством n=2m, ... N, где m=1, 2, ... N/2 - целое число, при этом волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов соединены посредством m волноводных каналов прямоугольного сечения длиной, кратной (2q+1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, длиной, кратной λq для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, где q - положительное целое число, и в каналах выполнены щели связи длиной λ/2 для вывода СВЧ-излучения. В отличие от прототипа 2k щелей связи расположены на широкой стенке волноводного канала на расстоянии λ/2 между собой, и одна щель связи расположена на узкой стенке волноводного канала, причем: для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, оси щелей связи на широкой стенке волноводного канала расположены на расстоянии pλ/2+λ/4 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи на узкой стенке волноводного канала расположена на оси канала (р=0, ±1, ±2, ... ±k - целое число, λ - длина волны излучения релятивистского магнетрона в волноводном канале). Для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, оси щелей связи на широкой стенке волноводного канала расположены на расстоянии рλ/2 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи на узкой стенке волноводного канала расположена на расстоянии λ/4 от оси канала.

Устройство изображено на фиг.1-4. На фиг.1 показан релятивистский магнетрон с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число с одним внешним каналом связи, на фиг.2 - вид А фиг.1 иллюстрирует расположение щелей связи на стенках волноводного канала связи. На фиг.3 показан релятивистский магнетрон с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число с одним внешним каналом связи, на фиг 4 - вид А фиг.3 иллюстрирует расположение щелей связи на стенках волноводного канала связи.

Предлагаемый релятивистский магнетрон с внешними каналами связи резонаторов содержит, как и прототип, многорезонаторный анодный блок 1 с волноводными выводами мощности 2. Коаксиально анодному блоку 1 расположен катод 3, связанный посредством катододержателя с источником питания. С противоположной стороны от катододержателя расположена труба дрейфа электронов торцевого тока (на фигуре катододержатель, труба дрейфа и источник питания не показаны). Магнитная система 4 магнетрона выполнена из двух магнитных катушек в виде пары Гельмгольца. В промежутке между катушками проходят волноводные выводы 2 СВЧ-излучения. Волноводные выводы мощности 2 противоположно расположенных резонаторов соединены посредством одного или нескольких (n=2m, ... N, где m=1, 2, ... N/2 - целое число, N - число резонаторов анодного блока) волноводных каналов связи 5, 8 длиной: 1) кратной (2q+1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, 2) кратной λq для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, где q - положительное целое число, и в волноводном канале выполнены одна или несколько щелей связи 6, 9 для вывода СВЧ-излучения длиной λ/2. На фигурах показаны релятивистские магнетроны с одним внешним каналом связи с числом резонаторов анодного блока восемь (фиг.1, 2) и шесть (фиг.3, 4).

В отличие от прототипа для релятивистского магнетрона предлагается размещать щели связи 6, 9 и 7, 10 на разных стенках волновода (широкой и узкой), что позволяет достичь указанной выше цели минимизации размеров волноводного канала, а значит, уменьшения времени установления колебаний, соответственно, повышения стабильности параметров выходных импульсов и улучшения направленности СВЧ-излучения. При размещении щелей связи на широкой стенке волновода поочередно по разные стороны от средней линии на расстоянии λ/2 друг от друга они будут излучать синфазно (при размещении щелей связи на узкой стенке волновода для обеспечения синфазности расстояние между щелями должно быть кратно λ) [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.2 Антенны, М., Сов. радио, 1969, с.200-201]. Поэтому для минимизации размеров волноводного канала для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, оси щелей связи 6 числом 2k расположены на широкой стенке волновода и находятся на расстоянии pλ/2+λ/4 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а одна щель связи 7 расположена на узкой стенке волноводного канала на оси канала (р=0, ±1, ±2, ... ±k - целое число, λ - длина волны излучения релятивистского магнетрона в волноводе) - (фиг.1, 2).

Для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, оси щелей связи числом 2k расположены на широкой стенке волновода на расстоянии pλ/2 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи на узкой стенке волноводного канала расположена на расстоянии λ/4 от оси канала (фиг.3, 4).

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 4, работающая в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 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 1 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. Для уменьшения потерь электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона применяется цилиндрическая труба дрейфа [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия. // ЖТФ, 1983, т.53, №11, с.2266-2268]. Вывод СВЧ-излучения из резонаторов анодного блока осуществляется через щели в стенках резонаторов и далее через волноводные выводы 2 в волноводные каналы связи между резонаторами 5, 8. Длина волноводных каналов 5, 8 выбирается такой, чтобы она была: 1) кратной (2q+1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, 2) кратной λq для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, где q - положительное целое число, λ - длина волны излучения релятивистского магнетрона в волноводе. В этом случае СВЧ-сигналы пришедшие от противоположно расположенных резонаторов анодного блока 1, находятся в фазе с СВЧ-сигналами резонаторов.

Для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, на оси (середине) волноводного канала 5 образуется узел стоячей СВЧ-волны, образованной бегущими волнами от противоположных резонаторов анодного блока релятивистского магнетрона. Для расположения осей щелей связи должно выполняться условие: оси щелей связи 6 на широкой стенке волноводного канала 5 должны быть расположены на расстоянии pλ/2+λ/4 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки. Таким образом, щели связи окажутся в пучностях стоячей волны и будут синфазно излучать СВЧ-мощность. Для минимизации размеров волноводного канала щель связи 7, предназначенная для подавления нерабочих видов колебаний, располагается на узкой стенке волновода на оси канала 5. Для рабочих видов колебаний релятивистского магнетрона щель связи 7 располагается в узле стоячей волны и не излучает, а для нерабочих видов колебаний, т.е. для таких, у которых на волноводных выводах мощности 2 разность фаз генерируемых СВЧ-колебаний отлична от 180°, согласующая щель связи 7 будет излучать, тем самым подавляя генерацию на нерабочих видах.

Расположение щелей связи на широкой стенке волновода (расстояние от средней линии канала) и их ширину можно рассчитать, используя [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.2 Антенны, М., Сов. радио, 1969, с.194-210].

Аналогично, для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, на оси (середине) волноводного канала 8 образуется пучность стоячей СВЧ-волны, образованной бегущими волнами от противоположных резонаторов анодного блока релятивистского магнетрона. В этом случае оси щелей связи 9 на широкой стенке волновода необходимо размещать на расстоянии, кратном λ/2, от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки с шагом λ/2, т.е. должно выполняться условие pλ/2. Таким образом, оси щелей связи 9 окажутся в пучностях стоячей волны и будут синфазно излучать СВЧ-мощность. Для минимизации размеров волноводного канала 8 щель связи 10, предназначенная для подавления нерабочих видов колебаний, располагается на узкой стенке волновода на расстоянии λ/4 от оси волноводного канала. Для рабочих видов колебаний релятивистского магнетрона щель связи 10 располагается в узле стоячей волны и не излучает, а для нерабочих видов колебаний, т.е. для таких, у которых на выводах мощности 2 разность фаз генерируемых СВЧ-колебаний отлична от 180°, согласующая щель связи 10 будет излучать, тем самым подавляя генерацию на нерабочих видах.

Примером конкретного выполнения может служить релятивистский магнетрон 10 см диапазона длин волн (длина волны излучения в свободном пространстве 9,87 см) с восемью резонаторами лопаточного типа ФГНУ «НИИ ЯФ». Внутренний диаметр анодного блока, выполненного из нержавеющей стали, 43 мм, глубина резонаторов 21,5 мм, графитовый катод имеет диаметр 22 мм. Анодный блок имеет два волноводных вывода мощности из противоположных резонаторов. Выводы мощности связаны посредством волноводного канала (сечение волновода 72×34 мм²), на широкой стенке которого выполнено 4 излучающие щели связи, а на узкой стенке согласующая щель связи. Для рабочего π вида колебания противоположно расположенных резонаторов противофазны, поэтому длина волноводного канала выбрана 11λ и равна 149 см (длина волны излучения в волноводе λ=13,56 см). Размеры щелей связи выбраны следующими: длина 7 см (примерно λ/2), ширина 1 см. Относительно оси волноводного канала щели связи размещены следующим образом: согласующая щель, расположенная на узкой стенке волноводного канала, выполнена на оси и на средней линии стенки, излучающие щели на широкой стенке волноводного канала смещены относительно оси волноводного канала на 33,9 мм (примерно λ/4) и находятся на расстоянии 15 мм от средней линии стенки. Причем щели связи располагаются поочередно по разные стороны от средней линии стенки на расстоянии 67,8 мм между собой (примерно λ/2). Излучающие щели связи уплотняются диэлектрическими окнами из органического стекла и вакуумной резиной.

Выполнены экспериментальные исследования релятивистского магнетрона с одним внешним волноводным каналом связи на линейном индукционном ускорителе ЛИУ 04/6 ФГНУ «НИИ ЯФ». Измеренная диаграмма направленности СВЧ-излучения представляет собой электромагнитный лепесток с углом 19° на уровне половинной мощности в вертикальной плоскости и углом 60° в горизонтальной плоскости. Отмечена высокая повторяемость амплитудно-временных характеристик регистрируемых СВЧ-импульсов.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения. Релятивистский магнетрон с внешними каналами связи резонаторов имеет взрывоэмиссионный катод (3), анодный блок (1) с N резонаторами, цилиндрическую трубу дрейфа, магнитную систему (4) в виде пары Гельмгольца и волноводные выводы мощности (2) количеством n=2m, ... N, где m=1, 2, ... N/2 - целое число. Волноводные выводы мощности (2) противоположно расположенных резонаторов соединены посредством m волноводных каналов (5, 8) прямоугольного сечения длиной, кратной (2q+1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, длиной, кратной λq для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2- нечетное число, где q - положительное целое число. В волноводных каналах (5, 8) выполнены щели связи длиной λ/2 для вывода СВЧ-излучения. Щели связи (6, 9) числом 2k расположены на широкой стенке волноводного канала на расстоянии λ/2 между собой, и одна щель связи (7, 10) расположена на узкой стенке волноводного канала. Для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, оси щелей связи (6) на широкой стенке волноводного канала (5) расположены на расстоянии pλ/2+λ/4 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи (7) на узкой стенке волноводного канала (5) расположена на оси канала. Для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, оси щелей связи (9) на широкой стенке волноводного канала (8) расположены на расстоянии рλ/2 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи (10) на узкой стенке волноводного канала (8) расположена на расстоянии λ/4 от оси канала (р=0, ±1, ±2, ... ±k - целое число, λ - длина волны излучения релятивистского магнетрона в волноводном канале). 4 ил.

Релятивистский магнетрон с внешними каналами связи резонаторов, содержащий взрывоэмиссионный катод, анодный блок с N резонаторами, цилиндрическую трубу дрейфа, магнитную систему в виде пары Гельмгольца и волноводные выводы мощности количеством n=2m, ... N, где m=1, 2, ... N/2 - целое число, при этом волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов соединены посредством m волноводных каналов прямоугольного сечения таким образом, что для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, длина волноводного канала равна (2q+l)λ/2, где q - положительное целое число, λ - длина волны излучения релятивистского магнетрона в волноводном канале, для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, длина волноводного канала равна λq, и в волноводных каналах выполнены щели связи длиной λ/2 для вывода СВЧ-излучения, отличающийся тем, что 2k щелей связи расположены на широкой стенке волноводного канала на расстоянии λ/2 между собой и одна щель связи расположена на узкой стенке волноводного канала таким образом, что для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, оси щелей связи на широкой стенке волноводного канала расположены на расстоянии рλ/2+λ/4 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи на узкой стенке волноводного канала расположена на оси канала, для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, оси щелей связи на широкой стенке волноводного канала расположены на расстоянии рλ/2 от оси канала поочередно по разные стороны от средней линии стенки, а щель связи на узкой стенке волноводного канала расположена на расстоянии λ/4 от оси канала, где р=0, ±1, ±2, ... ±k - целое число.