МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЙ МАГНЕТРОН Российский патент 2008 года по МПК H01J25/58 

Изобретение относится к области конструирования мощных СВЧ-приборов магнетронного типа.

Многорезонаторный магнетрон является широко применяемым источником мощности в диапазоне СВЧ. Вместе с тем, его возможности ограничены целым рядом факторов. Во-первых, количество резонаторов N нельзя увеличивать произвольным образом, так как это приводит к недопустимому уплотнению спектра резонансных частот и потере устойчивости генерации. Как правило, N≤18. Во-вторых, размеры магнетрона в направлении постоянного магнитного поля в магнетроне традиционной конструкции делаются не превышающими половины рабочей длины волны в свободном пространстве, попытки увеличения высоты анода наталкиваются на проблемы, связанные с увеличением веса магнитной системы, а способы применения в приборах М-типа реверсных фокусирующих систем на постоянных магнитах, имеющих хорошие весогабаритные характеристи, до сих пор не известны. (И.В.Алямовский. Электронные пучки и электронные пушки. М., Изд-во «Советское радио», 1966 г., стр.145-172). В силу этих обстоятельств поверхность катода существенно ограничена, и максимально достижимая мощность магнетрона при фиксированном анодном напряжении определяется плотностью предельного тока применяемого катодного материала. Поэтому для увеличения мощности магнетронов необходимо существенно увеличить площадь катода.

Ближайшим прототипом изобретения является многорезонаторный магнетрон с размерами анода и катода вдоль направления постоянного магнитного поля, превышающими длину волны в свободном пространстве (Бут. Магнетроны с длинным анодом. Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. Пер. с англ. под ред. М.М.Федорова, т.2. - М., Изд. иностр. лит-ры, 1961, стр.236-248).

Магнетроны с длинным анодом обеспечивают высокие значения выходной мощности за счет многократного увеличения поверхности катода. Их недостатком является большой вес магнитной системы, которую обычно выполняют в виде соленоида.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в улучшении массогабаритных характеристик мощных магнетронов.

Технический результат от применения изобретения заключается в использовании в магнетроне с длинным анодом реверсной магнитной системы.

Указанный технический результат достигается в настоящем изобретении, согласно которому в многорезонаторном магнетроне с размерами анода и катода вдоль направления постоянного магнитного поля, превышающими длину волны в свободном пространстве, в конструкцию его анода включена периодическая система дисков, изготовленных из магнитомягкого материала, профиль поперечного сечения которых полностью повторяет профиль резонаторов, к которым присоединены постоянные магниты с радиальной или осевой намагниченностью, полярность которой на соседних дисках меняется на противоположную, а в конструкцию катода введены кольца, изготовленные из магнитомягкого материала, расположенные симметрично относительно поперечных плоскостей, проходящих через середину каждого из вышеуказанных дисков.

На фиг.1 представлена конструкция магнетрона (для простоты изображена конструкция с двумя реверсами).

На фиг.2 показана конфигурация статических магнитного и электрического полей в магнетроне с четырьмя реверсами (приведены их осевые составляющие).

Магнетрон включает соосные анод 1 и катод 2. Анод состоит из резонаторной системы 3 и вывода энергии 4. Резонаторная система с длиной вдоль оси, большей длины волны в свободном пространстве, представляет собой систему эквидистантно размещенных металлических пластин 5, ориентированных вдоль радиальных плоскостей и соединенных с экраном 6, являющимся вакуумной оболочкой. В резонаторе периодически размещены парные кольцевые связки 7. Магнитная система магнетрона состоит из двух внешних магнитопроводов 8 и 9 и периодической системы магнитопроводов 10, размещенных внутри резонаторной системы. Внутренние магнитопроводы представляют собой диски из магнитомягкого материала, в которых сделаны пазы, полностью повторяющие профиль поперечного сечения резонаторной системы. К внешним и внутренним магнитопроводам присоединены обоймы 11, содержащие постоянные магниты 12 с радиальным намагничиванием. Вектор намагниченности в соседних обоймах - противоположной направленности. Катод представляет собой несущую трубу 13, на которой с применением дисков 14 смонтированы керны 15 с нанесенным на последние эмиссионным материалом. К дискам 14 прикреплены полюсные наконечники 16, размещенные в тех же поперечных сечениях, что и магнитопроводы 10. Катодный узел 2 в месте ввода анодного напряжения 17 присоединен к аноду 1 через керамический изолятор 18, являющийся вакуумной оболочкой магнетрона. На противоположном конце катодный узел 2 центрируется по отношению к аноду 1 внутривакуумным изолятором 19. Для простоты изображения катодный подогреватель и система охлаждения катода 2, размещаемая в полости 20, на фигурах не показаны. Охлаждение катодного узла 2 требуется в тех случаях, когда рабочая температура катодного материала выше точки Кюри материала полюсных наконечников 16.

Пространство взаимодействия магнетрона состоит из нескольких областей, характеризующихся аналогичной конфигурацией магнитного поля. Каждая из этих областей включает зоны как с почти однородным полем, направленным вдоль оси, так и зоны с существенно неоднородным полем, расположенные вблизи полюсных наконечников 16.

Магнетрон работает следующим образом. При подаче на катод 2 отрицательного напряжения, равного рабочему, и при рабочей температуре катодной поверхности зоны пространства взаимодействия с однородным, направленным вдоль оси магнитным полем будут функционировать как парциальные магнетроны. Так как магнитная индукция в каждом из этих магнетронов будет одинаковой и поскольку резонаторная система 3 этих магнетронов едина, они будут генерировать на общую нагрузку на одной - рабочей - частоте. Этому не может быть помехой противоположность направления вектора напряженности магнитного поля в соседних парциальных магнетронах, так как при работе на π-виде ВЧ поле является полем стоячей волны, и, хотя электронный поток взаимодействует с бегущей волной, распространяющейся в зависимости от направления магнитного поля или по часовой, или против часовой стрелки, в результате взаимодействия обе составляющие стоячей волны всегда будут равны по амплитуде.

Конфигурация магнитного и электрического полей сверху и снизу от полюсных наконечников 16 такова (Фиг.2), что подавляющая часть электронов из областей, прилегающих к срединным плоскостям магнитопроводов 10, отражается в регулярные зоны пространства взаимодействия (полюсные наконечники 16, помимо основной функции, играют роль электрических экранов). Поэтому потери, связанные с попаданием части электронов на магнитопроводы, минимальны.

Масса реверсной магнитной системы во много раз меньше массы магнитной системы, создающей однонаправленное магнитное поле той же величины в магнитном зазоре, равном сумме магнитных зазоров реверсной системы. За счет этого достигается значительное улучшение массогабаритных характеристик магнетрона с длинным анодом.

Изобретение относится к электротехнике, к конструированию мощных СВЧ-приборов магнетронного типа. Технический результат состоит в улучшении массогабаритных характеристик за счет использования в магнетроне с длинным анодом реверсной магнитной системы. Многорезонаторный магнетрон имеет размеры анода и катода вдоль направления постоянного магнитного поля, превышающие длину волны в свободном пространстве. В конструкцию анода включена периодическая система дисков, изготовленных из магнитомягкого материала. Профиль их поперечного сечения полностью повторяет профиль резонаторов, к которым присоединены постоянные магниты с радиальной или осевой намагниченностью, полярность которой на соседних дисках меняется на противоположную. В конструкцию катода введены кольца, изготовленные из магнитомягкого материала, расположенные симметрично относительно поперечных плоскостей, проходящих через середину каждого из вышеуказанных дисков. 2 ил.

Многорезонаторный магнетрон с размерами анода и катода вдоль направления постоянного магнитного поля, превышающими длину волны в свободном пространстве, отличающийся тем, что в конструкцию его анода включена периодическая система дисков, изготовленных из магнитомягкого материала, профиль поперечного сечения которых полностью повторяет профиль резонаторов, к которым присоединены постоянные магниты с радиальной или осевой намагниченностью, полярность которой на соседних дисках меняется на противоположную, а в конструкцию катода введены кольца, изготовленные из магнитомягкого материала и расположенные симметрично по отношению к поперечным плоскостям, проходящим через середину каждого из дисков.