Авторезонансный СВЧ-генератор Российский патент 2018 года по МПК H01J25/68 

Предполагаемое изобретение относится к области техники генерации электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.

Целью предполагаемого изобретения является создание эффективного устройства для генерации электромагнитных волн в волноводах сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Аналогом предполагаемого изобретения является многорезонаторный магнетрон, фиг. 1, фиг. 2, БСЭ, т. 15, с. 159. Аналог состоит из электродинамической системы 1 в форме кольца с системой СВЧ резонаторов 2, на геометрической оси, которой размещен цилиндрический термокатод 3. Все устройство снабжено вакуумированным корпусом и помещено между полюсами постоянного магнита, поле которого направлено параллельно оси симметрии устройства. Термокатод изолирован и к нему подается высокое напряжение и таким образом между термокатодом 3 и системой СВЧ резонаторов 2 создается постоянное электрическое поле Каждый СВЧ резонатор состоит из двух лопаток на кольцевом корпусе и снабжен окном связи 4 с кольцевым резонатором 5, с которым совмещен волновод вывода СВЧ генерации 6. Габаритный размер системы СВЧ резонаторов 2 соразмерен с длиной генерируемой электромагнитной волны . Магнетрон изобретен Хиллом в США в 1921 г. и вскоре подвергся всесторонним исследованием в технически развитых странах. Во времена второй мировой войны, магнетрон использовался в радиолокации. Причем, советские радиолокаторы превосходили германские, БСЭ ВОВ М. 1985, с. 603. В настоящее время, он используется даже как бытовой прибор для приготовления пищи. Импульсные магнетроны питают микротроны - ускорители электронов. Серийно магнетроны изготовляют для генерации СВЧ колебаний в диапазоне с частотами от 3000 до 10000 Мгц, что соответствует волнам от 10 до 3 см. Мощность колебаний в импульсе составляет несколько Мвт. КПД магнетронов порядка 80%.

Действует магнетрон по известным законам электродинамики. Отличительная его особенность определяется условием для полей в рабочем пространстве:

Величина магнитной индукции определяет длину генерируемой волны , а уровень генерируемой мощности Р определяется величиной электрического поля

Под действием электрического поля электроны с термокатода 3 устремляются к лопаткам СВЧ резонаторов 2. При этом на электроны начинает действовать магнитное поле и в результате совместного действия системы этих взаимно перпендикулярных, с крещенных полей электроны совершают радиально-азимутальное движение по плоской траектории в рабочем пространстве между термокатодом 3 и СВЧ резонаторами 2.

По известному закону электрической индукции, электрический заряд, приближаясь к металлу индуцирует в нем вторичный электрический заряд противоположного знака. Совместное действие множества электронов с термокатода 3 и индуцированных электрических зарядов создает электрические токи переменной частоты в лопатках СВЧ резонаторов 2. Совпадение частоты вращения электронов с собственной резонансной частотой СВЧ резонаторов 2 создает сильный резонансный эффект, что обеспечивает высокую эффективность генерации СВЧ колебаний в магнетронах.

С позиций теоретической физики движение отдельного электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях определяется уравнением в форме Ньютона суммой сил Кулона и Лоренца

где m - масса электрона,

e - электрический заряд электрона,

- скорость электрона.

Это уравнение имеет решение для скорости в трех компонентах:

Физически эти решения означают:

1, аксиально электроны могут дрейфовать,

2, азимутальная скорость электронов определяется произведением величины аксиального магнитного поля и интегралом по времени от радиальной скорости движения ,

3, радиальная скорость электронов определяется суммой произведения величины радиального электрического поля на время движения t и произведения величины аксиально-магнитного поля на интеграл азимульной скорости по времени движения.t.

В итоге, траектории электронов имеют сложное азимульно-радиальное движение.

Для конструирования и проектирования устройств со скрещенными полями используют уравнения равновесных движений электронов. Уравнение баланса потенциальной и кинетической энергии имеет вид откуда следует

что скорость электрона определяется квадратным корнем от ускоряющего напряжения и удвоенным отношением его заряда к массе.

Ускоренный электрон в поперечном магнитном поле равномерно движется по кругу радиуса R, который определяется равенством центростремительной и электромагнитной сил из которого определяется параметр магнитной жесткости формулой

а радиус кривизны траектории

Период кругового движения тоже определяется величиной магнитного поля

Частота кругового движения прямо пропорциональна величине магнитной индукции

По формулам 5 и 6 проведены расчеты скоростей электронов, соответствующих магнитных: жесткостей и радиусов кривизны для разных ускоряющих напряжений . Результаты сведены в таб. 1. Результаты вполне согласуются с релятивистскими расчетами для энергии 1 Мэв и более, Арцемович Р.А. «Справочник по ядерной физики», М. 1963, с. 220-222. Гринберг Л.П. «Методы ускорения заряженных частиц», М-Л. 1950, с. 13. Из анализа таб. 1 следует, что при увеличении ускоряющего напряжения в 100 раз скорость электронов возрастает в 10 раз. Уже при напряжении 10 Кв скорость электрона составила 0.2 скорости света. Следовательно, для ответственных расчетов нужно учитывать релятивистский эффект увеличения массы

По формулам 9 и 10 составлена таб. 2. Анализ ее содержимого показывает, что с ростом частоты СВЧ колебаний с 3 Гц до 30 Гц магнитное поле в магнетроне должно возрасти с 1 Кгс до 10 Кгс. Это еще можно реализовать, но при дальнейшем роете частоты до 300 Гц магнитное поле должно возрасти до 100 Кгс, а это уже не реализуется в постоянных магнитах.

Далее, сам СВЧ резонатор в диапазоне 1 мм, если и удастся его изготовить при современных технологиях, то его добротность (при 10 см это тысячи) пропадет, потому что скажется явление скин-эффекта, БСЭ т. 23, с. 506.

Таким образом, главный недостаток магнетрона состоит в ограниченности диапазона рабочих частот сугубо сантиметровым диапазоном. Второй недостаток магнетрона состоит в невозможности перестраивать его рабочую частоту генерации СВЧ колебаний. Если уединенный СВЧ резонатор как-то можно деформировать для изменения его рабочей частоты не нарушая его работоспособности, то деформировать синхронно систему СВЧ резонаторов невозможно… Непрерывно менять частоту колебаний можно только в проволочном колебательном контуре, состоящем из соленоидальной индуктивности и пластинчатого конденсатора, раздвигая его пластины. Но это возможно в метровом диапазоне.

Прототипом предполагаемого изобретения является экспериментальная установка для исследования СВЧ генерации в авторезонансном ускорителе электронов, фиг. 3, защищенная аспирантская диссертация, Ишков А.П. «Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов», Томск, 1969, ТПИ НИИЯФ, с. 69-72.

Прототип состоял из инжектора 7, магнитной системы 8, ускоряющего волновода 9, волномера ВМТ 10, магнетрона 11, поглощяющей нагрузки 12 и вакуумной системы непрерывной откачки 13.

Инжектор 7 представлял собой сильноточную импульсную электронную пушку Мюллера с током 40 а в импульсе длительностью 2 мк сек при ускоряющем напряжении: 20, 25 и 30 Кв. Диаметр электронного пучка 8-10 мм.

Магнитная система представляла собой модификацию катушек Гельмгольца. Отличие состояло в применении тонкой компенсирующей катушки между двумя толстыми основными. Снаружи катушки были охвачены магнитопроводом из мягкой стали толщиною 30 мм. Катушки охлаждались латунными дисками с проточной водой по проточенным спиралям Архимеда. Конструктивно они притягивались попарно к каждой катушке. Питание осуществлялось сварочным генератором ПСО-300. Однородность магнитного поля 1-3% в канале диаметром 100 мм длиною 200 мм. Магнитное поле задавалось в пределах 1000-3000 гс. При токе 100 а магнитная система обеспечивала поле 1000 гс в течении 5 мин., а дальше шел перегрев.

Ускоряющий волновод 9 прямоугольной формой был изготовлен из стандартного медного сечением 72×44 мм² посредством пайки оловянным припоем большим электропаяльником мощностью 1 Квт предварительно нарезанных кусков. Рабочая часть волновода имела удвоенную ширину 144 мм, а высота линейно увеличивалась с 44 до 88 мм. Это нужно было для обеспечения режима ускорения в соответствии с теорией авторезонанса. Фазовая скорость волны основного типа Н₁₀ равнялась 1,07 скорости света.

Волномер малой точности ВМТ 10 обеспечивал регистрацию СВЧ генерации и его показания по длине генерируемой волны вполне совпадали с величиной магнитного поля в магнитной системе 8.

Магнетрон 11 (при эксперименте обесточен) и поглощающая нагрузка 12 стандартные, 10 см диапазона. Вакуумная система состояла из форвакуумного РВН-20 и диффузионного ЦВЛ-100 насосов обеспечивала непрерывную вакуумную откачку при эксперименте. Рабочий вакуум был 6-8⋅10^-6 мм. рт. столба.

Действие прототипа осуществлялось по тому же принципу, что и аналог - возбуждение подвижными электронами инжектированного пучка зарядов противоположного знака в широкой стенке волновода, которые в совокупности генерировали волну Н₁₀. Однако, механика движения инжектированных электронов совсем другая, в аналоге движение электронов плоское, а в прототипе авторезонансное движение электронов по объемной спирали: спираль параболоидная в координатах , фиг.5 и коническая в координатах , фиг. 6.

Оснополагающее уравнение авторезонансного движения уединенного электрона имеет вид

где релятивистский множитель массы электрона,

скорость электрона,

компоненты плоской электромагнитной волны ТЕМ типа,

наложенное продольное постоянное магнитное поле определяемое частотой ТЕМ волны по формуле

Авторы авторезонансного движения Коломенский А.А., Лебедев А.Н., ДАН 1962, т. 14, с. 145. ЖЭТФ 1963, т. 44, с. 264. Давыдовский В.Я., ЖЭТФ 1962, т. 43, с. 886.

Физически авторезонансное движение является модификацией циклотронного движения заряженной частицы. Отличие состоит в замене стационарного переменного электрического поля плоской электромагнитной волной ТЕМ типа бегущей вдоль наложенного постоянного магнитного поля.

Для циклотрона система уравнений имеет вид

где заряд иона,

масса иона в начале движения,

время начала движения,

текущее время движения,

частота ускоряющего электрического поля,

постоянное магнитное поле,

ускоряющее напряжение.

Решение этой системы уравнений имеет вид

где , .

Это уравнение раскручивающейся плоской спирали Архимеда. Оно было опубликовано авторами циклотронного резонанса:

Lawrece EO, Edlefson NF, Scince 1930, v. 72, p 376-377.

Lawrece EO, Livingston MS. Phys Rev 1931, v. 37, p 1707, A.

Ливингуд Дж, «Принципы работы циклических ускорителей», М, 1963, с. 376.

Для системного анализа трех типов устройств со скрещенными полями составлена сравнительная таблица, таб. 3.

Специфической особенностью магнетрона и циклотрона является несогласованность частоты вращения частицы (электрона, протона) в магнитном поле с ростом ее массы вследствии ее взаимодействия (ускорения или торможения) с электрическим полем (постоянным или переменным). Это ограничивает энергетический диапазон допустимых энергий. Для магнетрона предел анодного напряжения 30 Кв, а для циклотрона предельная энергия ускорения протонов 10 Мэв.

Существенное отличие авторезонанса состоит в том, что магнитная компонента ТЕМ волны при ускорении электрона создает дополнительный импульс, который продвигает ускоряемый электрон по направлению распространения волны, т.е. по оси . При этом автоматически сохраняется резонанс вращательного движения электрона с ускоряющей волной независимо от релятивистского роста массы электрона. Аналогичный (но обратный) процесс происходит и при генерации СВЧ колебаний ускоренным электроном, что и было экспериментально показано в прототипе. Технические устройства авторезонансного типа при этом в принципе могут быть реализованы с КПД на уровне 100% без ограничения энергии на старте или финише.

На фиг. 4 представлены итоги эксперимента по схеме фиг. 3. По общей оси абсцисс совмещены график длины генерируемой волны и система графиков генерируемой СВЧ мощности Р в зависимости от величины наложенного постоянного магнитного поля В, которое менялось в интервале от 1,0 до 3,0 Кгс.

СВЧ генерация наблюдалась в интервале от 3 до 10 см при изменении магнитного поля от 3 до 1 Кгс, зависимость была обратная линейная. Мощность СВЧ колебаний зависела от величины напряжения инжекции, которая менялась скачками: 20, 25 и 30 кв. Максимумы генерации пришлись на 6 и 9 см. С ростом напряжения инжекции мощность СВЧ генерации росла прямо пропорциональных. Традиционно проверку ускорителей на генерацию проводят для определения качества общей электродинамической настройки.

Мощность инжектированного под углом 45° пучка электронов составляла от 20×20=400 Квт до 40×30=1200 Квт в импульсах длительностью 2 мксек с частотою следования 400 Гц. Мощность зарегистрированных СВЧ колебаний составляла 3-6 вт в непрерывном режиме, что в пересчете на импульсный режим составляла 3-6 Квт в импульсе. Следовательно, КПД СВЧ генерация в прототипе не превышал 1%. Однако, надо учесть, что устройство предназначалось для ускорения электронов и электроны были ускорены до 1,2 Мэв. Электродинамическая система прототипа была сконструирована для взаимодействия с пучком электронов на раскручивающейся спирали, т.е. при движении электронов вблизи широких стенок волновода. В режиме генерации - же только первые витки спирали были в нужном месте, а дальше они все больше приближались к оси расширяющегося волновода, т.е. удалялись от широких стенок волновода, фиг. 3. В принципе, эффективность генерации в прототипе можно было бы повысить при соответствующей настройке, но тема исследований была ускорительная…

Недостатки прототипа состоят в следующем.

1. Отсутствие резонансных свойств в электродинамической системе устройства в форме отрезка прямоугольного волновода, который даже не был согласован по длине ускоряющей волны.

2. Не было согласования профиля волновода электродинамической системы с профилем спирали генерирующего пучка электрона, что не способствовало эффективной СВЧ генерации.

В качестве примера, предполагаемое изобретение представлено на чертежах: фиг. 7, 8, 9 и 10.

Устройство состоит из соленоида 14, через который проходит кольцевой волноводный резонатор, бегущей волны 15, в который на торце соленоида вмонтирован инжектор электронов 16. С геометрическим центром торца соленоида совмещено начало координат . Затухающей синусоидой 17 представлены траектории генерирующих электронов. Системой стрелок 18 представлена структура электрической компоненты волны Н₁₀ в рабочей части кольцевого волновода 15.

Соленоид 14 предполагаемого изобретения предполагается по патенту Ишкова А.П. RU 2521867 (автора-заявителя). Конструктивно он отличается профилированными торцовыми обмотками 19, которые намотаны поверх основной однородной обмотки и вся система обмоток окружена внешним магнитопроводом 20, который состоит из оболочки и двух фланцев. Внутренний размер обмотки соленоида 14 согласован с профилем внутреннего волновода 21. Режим питания обмотки рассчитан на создание продольного однородного магнитного поля заданной величины (10).

При СВЧ генерации в сугубо миллиметровом диапазоне, когда потребуется создавать магнитные поля величиною 10 Кгс и более, целесообразно применить соленоид Ишкова А.П. RU 2509386. Существенным его отличием является применение трубчатого проводника для обмотки с проточной охлаждающей жидкостью, например, водой.

Кольцевой волноводный резонатор 15 состоит из трех разных форм. Внутренний водновод 21 размещается внутри соленоида 14. Он представляет собой модификацию прямоугольного волновода, боковые его стенки скруглены выпуклой кривизной наружу. Это важно для снижения фазовой скорости волны в волноводе. Таково условие авторезонанса. Вертикальный размер волновода между горизонтальными (широкими) стенками волновода определен траекторией генерирующих электронов 17. В начале координат веркальный размер максимален и определяется магнитной жесткостью инжектированных электронов, таб. 1 На выходе соленоида зазор между широкими стенками волновода минимален и определяется многими факторами и электрической прочностью волновода при достигнутом уровне СВЧ генерации прежде всего.

Верхний волновод 22 размещен над соленоидом 14, имеет стандартный вид и предназначен для размещения устройств вывода генерируемой СВЧ волны известным способом. В случае непрерывной вакуумной откачки, тут будет стыковаться вакуумный насос. Стандартное сечение волновода будет фильтровать основной тип СВЧ колебаний в основном волноводе 21.

Боковые участки кольцевого волновода 23 и 24 являются рупорными полукруглыми плавными переходами от нестандартного внутреннего волновода 21 к верхнему стандартному 22.

Кольцевой волноводный резонатор достаточно сложен, но вполне доступен современному машиностроению для успешного изготовления.

Кольцевой волноводный резонатор должен работать в режиме бегущей волны, таково условие теории авторезонанса

Инжектор электронна 16 - это типовая электронная пушка высокой интенсивности и высокой энергии инжектированных электронов. От параметров инжектора зависит мощность СВЧ генерации. Этих инжекторов может быть и несколько. При этом они должны обеспечивать эффективную инжекцию электронов на стартовую орбиту.

На фиг. 9 и 10 представлен вариант СВЧ генерации волны Н₂₀ с применением двух инжекторов 25 и 26, которые расположены рядом с первым инжектором 16, в остальном устройства остается прежним.

Согласно теории электродинамики СВЧ, Фельдштейн А.Л. и другие «Справочник по элементам волноводной техники», М-Л, Госэнергоиздат, 1963, с. 38. Волна Н₂₀ при том же сечении волновода имеет частоту примерно в два раза больше, чем волна Ню. Такую смену волны можно использовать для повышения частоты СВЧ генерации в том-же самом устройстве. Величину продольного магнитного поля при этом нужное будет удваивать.

В принципе, возможен и вариант генерации волны Н₃₀ при увеличении величины продольного магнитного поля и применении трех инжекторов.

Увеличение частоты СВЧ генерации возможен и на основном типе волны Н₁₀ за счет увеличения кратности резонанса в кольцевом волноводным резонаторе. Если в волноводе установлен резонанс для n волн по оси кольцевого волноводного резонанса, то возможен и резонанс для n+1 волн. И если для первого режима был для волны то для второго режима волна будет , где e длина кольцевого волноводного резонатора. Аналогично и для n+2, n+3, n+4. При этом нужно будет соответственно увеличивать магнитное поле в соленоиде для обеспечения авторезонанса.

Достоинства предполагаемого изобретения.

1. Частота СВЧ генерации определяется величиною магнитного поля , которую в соленоиде можно менять изменением его электрического питания. Кольцевой волноводный резонатор по своей физической природе многоволновой и оператор волен выбирать резонанс самостоятельно.

2. При авторезонансе автоматически поддерживается синхронизм движения генерирующего электрона с генерируемой электромагнитной волной независимо от релятивистского изменения массы электрона. Это обеспечит высокую энергетическую эффективность генерации в предполагаемом изобретении.

3. Предполагаемое изобретение способно эффективно генерировать в миллиметровом диапазоне в силу простоты электродинамической системы и явление скин-эффекта будет незначительным.

Литература

1. БСЭ т. 15, с. 159.

2. БСЭ, ВОВ, М 1985, с. 603.

3. БСЭ, т. 23, с. 506.

4. Ишков А.П., Кандидатская диссертация, Томск 1969. ТПИ, НИИЯФ, с. 69-72.

5. Коломенский А.А., Лебедев А.Н., ДАН 1962, т. 14, с. 145.

6. Коломенский А.А., Лебедев А.Н., ЖЭТФ, т. 44, с. 264.

7. Давыдовский В.Я., ЖЭТФ 1962, т. 43, с. 886.

8. Lawrence ЕО, Edlefson NF, Scince 1930, v. 72, p. 376-377.

9. Lawrence EO, Livingston MS, Phys, Rev. 1931, v. 37, p. 1707. A.

10. Ливингуд Д.Ж. «Принципы работы циклических ускорителей», М. 1963, с. 376.

11. Ишков А.П., RU 2521867.

12. Ишков А.П., RU 2509386.

13. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. «Справочник по элементам волноводной техники», М-Л 1963, с. 38.

14. Арцимович Л.А. «Справочник по ядерной физике», М. 1963, с. 220-222.

15. Гринберг А.П. «Методы ускорения заряженных частиц», М-Л 1950, с.

16. Капица С.П., Мелехин В.Н. «Микротрон», М. Наука 1963

17. Ишков А.П., СВЧ генератор. Заявка 2016107667, от 02.03.2016 МПК H01S 1/00.

Спецификация

Фиг. 1 - конструкция многорезонаторного магнетрона.

Фиг. 2 - электродинамическая система многорезонаторного магнетрона.

Фиг. 3 - экспериментальная установка для СВЧ генерации в авторезонансном ускорителе электронов.

Фиг. 4 - графики СВЧ генерации в авторезонансном ускорителе.

Фиг. 5 - траектория электрона при авторезонансе в координатах XYZ.

Фиг. 6 - траектория электрона при авторезонансе в координатах XYt.

Фиг. 7 - СВЧ генератор в продольном вертикальном сечении.

Фиг. 8 - СВЧ генератор, вид с торца при снятом фланце магнитопровода.

Фиг. 9 - СВЧ генератор на волне Н₂₀ в продольном разрезе.

Фиг. 10 - СВЧ генератор на волне Н₂₀, вид с торца.

1. - электродинамическая система многорезонаторного магнетрона.

2. - отдельный СВЧ резонатор.

3. - цилиндрический термокатод.

4. - окно связи отдельного СВЧ резонатора с кольцевым волноводным резонатором.

5. - кольцевой волноводный резонатор.

6. - фланец вывода СВЧ генерации.

7. - инжектор.

8. - магнитная система.

9. - ускоряющий волновод.

10. - волномер ВМТ.

11. - магнетрон.

12. - поглощающая нагрузка.

13. - вакуумная система непрерывной откачки.

14. - соленоид.

15. - кольцевой волноводный резонатор бегущей волны.

16. - инжектор электронов для генерации волны Н₁₀.

17. - траектория генерирующих электронов.

18. - электрическая компонента волны Н₁₀.

19. - профилированные торцовые обмотки.

20. - внешний магнитопровод соленоида.

21. - внутренний уширенный волновод.

22. - внешний стандартный волновод.

23. - рупорный полукруговой волновод со стороны инжектора.

24. - рупорный полукруговой волновод со стороны высыпания отработанных электронов.

25. - верхний инжектор для СВЧ генерации волны H₂₀.

26. - нижний инжектор для СВЧ генерации волны Н₂₀.

Предложенное изобретение относится к технике генерации колебаний сверхвысоких частот, в частности к авторезонансным СВЧ-генераторам. Техническим результатом является создание эффективного устройства для генерации электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазона. Предложенный авторезонансный СВЧ-генератор содержит вакуумированный волновод увеличенного сечения, соленоид с однородным магнитным полем и внешним магнитопроводом, инжектор электронов, профили волновода и внутреннего сечения соленоида взаимно согласованы и обеспечивают оптимальные условия авторезонансной СВЧ-генерации волны магнитного типа, высота волновода в месте инжекции электронов согласована с энергией инжектируемых электронов, инжектор вмонтирован в волновод на торце соленоида, волновод вне соленоида замкнут в резонансное волноводное кольцо с частотой авторезонанса, сечение волновода вне соленоида стандартное, а переходы между внутренним уширенным и внешним стандартным выполнены рупорными полукруглыми волноводами, вывод СВЧ-энергии известного типа с внешнего волновода стандартного сечения. 10 ил., 3 табл.

Авторезонансный СВЧ-генератор, состоящий из герметичного вакуумированного волновода увеличенного сечения для снижения фазовой скорости волны магнитного типа, помещенного в соленоид с однородным магнитным полем с внешним магнитопроводом и инжектором электронов типа сильноточной высоковольтной электронной пушки, отличающийся тем, что профили волновода и внутреннего сечения соленоида взаимно согласованы и обеспечивают оптимальные условия авторезонансной СВЧ-генерации волны магнитного типа, высота волновода в месте инжекции электронов согласована с энергией инжектируемых электронов, инжектор частично вмонтирован в волновод на торце соленоида, волновод вне соленоида замкнут в резонансное волноводное кольцо с частотой авторезонанса, сечение волновода вне соленоида стандартное, а переходы между внутренним уширенным и внешним стандартным выполнены рупорными полукруговыми волноводами, вывод СВЧ-энергии известного типа с внешнего волновода стандартного сечения.