Магнетрон с тонким катодом Российский патент 2019 года по МПК H01J25/50 

Изобретение относится к электронной технике, конкретно к мощным многорезонаторным магнетронам сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и может быть использовано в передающих устройствах перспективных радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.

В науке и технике импульсные многорезонаторные магнетроны обычной конструкции в зависимости от импульсной мощности Р_и классифицируются на мощные Р_и>10 кВт и маломощные Р_и<10 кВт. Наибольшая мощность и коэффициент полезного действия (КПД) магнетронов могут достигать: в сантиметровом диапазоне на частоте f=10 ГГц мощность Р_и=1 МВт при КПД около 55%; в миллиметровом диапазоне на частоте f=35 ГГц мощность Р_и=100 кВт при КПД около 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 271 с. С. 31].

Общим недостатком этих магнетронов является значительное снижение генерируемой мощности с ростом рабочей частоты, что объясняется соответствующим уменьшением конструктивных размеров анодного блока с резонаторами и катода, а также пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем. При этом поперечные размеры анода (анодного отверстия) и катода магнетрона характеризуются соответствующими радиусами r_A, r_C (диаметрами d_A, d_C), а пространство взаимодействия - разностью (r_A-r_C).

Известно, что в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазоне КПД магнетрона уменьшается до значений менее 10%, а подводимая мощность более чем на 90% преобразуется на аноде в тепло (патент на изобретение 2539973 С2, опубл. 27.01.2015).

Очевидно, что недостатком, способствующим снижению генерируемой мощности, является резкое падение электронного и в целом полного КПД с ростом рабочей частоты, что не объясняется ни уменьшением конструктивных размеров магнетронов, ни существующей классической теорией магнетронов и многочисленными аналитическими моделями.

Известен выбранный в качества аналога многорезонаторный магнетрон, содержащий магнитную систему, анод, катод, пространство взаимодействия, резонаторную систему, устройство вывода энергии. Указанные признаки аналога являются общими с заявленным изобретением и совпадают с существенными признаками изобретения «Магнетрон с тонким катодом». В многорезонаторных магнетронах применялись также и тонкие катоды. Например, испытывался магнетрон с числом резонаторов N=8 как с тонким вольфрамовым катодом (d_C=0,5 мм), так и с более толстым вольфрамово-бариевым катодом (d_C=4 мм) при диаметре анода d_A=16 мм [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. - М.: Сов. Радио. 1974. 328 с. С. 141].

Известный аналог в конструктивном отношении выполнен с учетом эмпирической формулы для нахождения соотношения δ радиусов катода и анода

где N - число резонаторов.

Число резонаторов N выбирается на основании ориентировочных опытных данных в зависимости от рабочего диапазона длин волн (табл. 1).

В табл. 1 λ - длина волны в свободном пространстве. Применяют и другие эмпирические формулы для определения соотношения δ, которые как и формула (1) не являются единственно правильными [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. - М.: Сов. Радио. 1966. 224 с. С. 40, 94, 123].

Недостатком известного магнетрона является отсутствие оптимизации его энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик. Опыт разработки магнетронов показывает, что при N≤8 выражение (1) дает заниженное (δ≤0,333), а в случае N≥20 - завышенные (δ≥0,733) значения для параметра δ=r_C/r_A, что приводит к погрешности в математическом расчете конструктивных характеристик магнетрона по формуле (1) и требует оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетрона.

К недостаткам известного аналога относится и то, что улучшение энергетических показателей (КПД, выходной мощности) вызывает ухудшение качественных показателей (массогабаритных характеристик), а также усложнение конструкции магнитной системы, катодного узла.

Известен аналог «Магнетрон» (патент на полезную модель RU 168920 U1, опубл. 28.02.2017), в катодном узле которого используется автоэмиссионное покрытие на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок. Указанные наноструктурированные покрытия отличаются высокой механической прочностью (удельная прочность углеродных нанотрубок в 25 раз выше, чем у высокопрочной стали), высокой теплопроводностью, высокой термической устойчивостью и химической стойкостью. Однако рассмотренные выше недостатки многорезонаторного магнетрона относятся и к данному аналогу.

Эти недостатки частично устранены в другом, выбранном в качестве прототипа, известном техническом решении магнетрона, у которого наряду с общими с аналогом признаками использован катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия, выполненным с возможностью обеспечения максимального значения электронного КПД подбором соответствующего рабочего напряжения U_A и магнитной индукции В магнитной системы. [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С. 192-195; Плахотник А.С. Основы микроскопической флуктуационной теории. Избранные труды Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. Москва, РАН. 2011. - 154 с. С. 106-115].

При этом электронный КПД находится по формуле

где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U_A;

- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;

- постоянная Планка;

е - элементарный электрический заряд;

U_A - рабочее напряжение магнетрона;

В - магнитная индукция магнитной системы;

r_A и r_C - радиусы анода и катода;

m - масса элементарного заряда;

α - относительная нестабильность частоты;

Δf_n - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, Δf_n=1 Гц;

N - четное число резонаторов.

Аналогичные зависимости (2) формулы представлены в ряде работ [Плахотник А.С. Флуктуационная модель энергетических потерь в приборах магнетронного типа. // Успехи современной радиоэлектроники. №8. 2005. С. 76; Плахотник А.С. Неопределенность в пространственном заряде прибора сверхвысокой частоты и в измерении. // Успехи современной радиоэлектроники. №8. 2009. С. 71].

Исследование зависимости (2) показывает, что при радиусе анода r_A=const электронный КПД магнетрона имеет наибольшее значение при некотором оптимальном размере радиуса катода.

Таким образом, с помощью формулы (2) в процессе расчета электронного КПД установлены катоды с оптимальными размерами радиусов r_Copt (табл. 2), что открывает возможности оптимизации энергетических, конструктивных параметров и массогабаритных характеристик магнетронов. Расчет электронного КПД с помощью формулы (2) позволил установить основные конструктивные характеристики магнетронов табл. 2, при которых электронный КПД имеет наибольшее значение. Полученные результаты соответствуют основным закономерностям теории и практики разработки магнетронов [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С. 198-199].

В прототипе оптимальные размеры радиуса катода увеличиваются с ростом размеров радиуса анодного отверстия. Но, начиная с некоторых значений радиуса анода r_A, оптимальные значения размеров радиуса катода начинают уменьшаться.

Графический анализ выявил соответствующие тонким катодам ветви L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C), представленной на фиг. 1 и построенной на базе численных экспериментов, фрагмент расчетных данных которых сведен в табл. 2. Ветви L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C) иллюстрируют тонкие катоды магнетронов, а также указывают на значительный рост радиуса анода r_A и пространства взаимодействия (r_A - r_C) с ростом частоты (увеличением числа резонаторов N).

Заметим, что для упомянутого выше магнетрона с тонким катодом и числом резонаторов N=8 соотношение δ=d_C/d_A=0,5 мм/16 мм=0,03125. Для магнетрона с числом резонаторов N=8 на основании табл. 2 соотношение . Численные значения соотношения δ для обоих приборов практически совпадают, что указывает на идентификацию их как магнетронов с тонкими катодами. Известный из опыта для обычных многорезонаторных магнетронов диапазон значений соотношения 0,333≤δ≤0,733 для случая магнетронов с тонкими катодами не подходит. Новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ для магнетронов с тонкими катодами с числом резонаторов вплоть до N=66 включительно равен 0,006≤δ≤0,2.

Знаменатель дроби в квадратных скобках формулы (2) представим в виде (r_A²-r_C²)²=(r_A-r_C)²(r_A+r_C)². За фигурные скобки правой части формулы (2) можно вынести общий знаменатель (r_A-r_C)² слагаемых в фигурных скобках:

Таким образом, уменьшение радиуса тонкого катода r_C, значительный рост радиуса анода r_A и пространства взаимодействия (r_A-r_C) согласно формуле (3) приводит к снижению энергетических потерь (на аноде) и, как следствие, к увеличению электронного КПД и генерируемой мощности.

Оптимизация радиусов катода прекращается после некоторых максимальных значений радиусов анода: например, для магнетронов с числом резонаторов N=8 радиус r_Amax=6 мм, при N=18 радиус r_Amax=14 мм и т.д. Максимальным значениям радиусов анода соответствуют минимальные значения радиусов катода: для магнетронов с числом резонаторов N=8 радиус r_{Copt min}=0,19 мм, в случае N=18 радиус r_{Copt min}=0,2 мм и т.д.

Оптимизация конструктивных и энергетических характеристик магнетрона квазиклассическим методом по формулам (2), (3) выявила закономерность увеличения максимальных размеров анода r_Amax с ростом рабочей частоты (увеличением числа резонаторов N). Эта закономерность не противоречит существующим эмпирическим подходам. В магнетроне со связками в сантиметровом диапазоне длин волн максимальные значения диаметра анода d_A связаны с длиной волны λ ориентировочным соотношением d_A≤0,3 λ. В магнетроне в миллиметровом диапазоне длин волн используют диаметр анода с учетом увеличения соотношения d_A/λ до значения d_A≤(1,5…2) λ [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. Электровакуумные приборы СВЧ. - М.: Изд. «Высшая школа». 1972. 375 с. С. 297-298].

В обычных магнетронах увеличение диаметра анода позволяет значительно повысить генерируемую мощность, но КПД магнетрона при этом падает. Генерируемая мощность и КПД магнетрона повышаются с увеличением площади эмитирующей поверхности катода, зависящей от радиуса катода r_C.

Для прототипа (магнетрона с оптимальным размером радиуса катода) с целью достижения максимального значения электронного КПД и получения высокой генерируемой мощности магнетрона следует выбирать максимальные значения радиусов катода и соответствующие радиусы анода. В этом случае недостатками магнетрона с катодом с оптимальным размером радиуса являются небольшие максимальные значения радиусов катода, размеры которых не превышают нескольких миллиметров (табл. 2), а также ограниченные размеры соответствующих радиусов анода, что в целом ведет к уменьшению генерируемой мощности. Указанные ограничения открывают возможность соединения в единой конструкции нескольких магнетронов с установленными оптимальными размерами радиусов катодов, что позволяет в разы увеличить выходную мощность «Многосекционного магнетрона» (патент на полезную модель RU 130451 U1, опубл. 20.07.2013), в котором осуществляется суммирование мощности k≥2 идентичных секций (магнетронов без магнитных систем).

Увеличения генерируемой мощности и КПД магнетрона можно достигнуть путем расширения пространства взаимодействия (r_A-r_C) за счет увеличения размеров радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода согласно формуле (3). Это достигается реализацией ветвей L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C) в новых конструкциях магнетронов с тонким катодом. При этом увеличения генерируемой мощности магнетрона можно достигнуть также путем обеспечения работы тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка нового магнетрона с тонким катодом, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить КПД и генерируемую мощность в широком диапазоне длин волн.

Реализация указанной технической задачи заявленным изобретением обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

- тонкий катод например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C) на фиг 1 имеет установленный в процессе расчета электронного КПД по формуле (2) или (3) оптимальный размер радиуса r_Copt, для обеспечения максимального значения электронного КПД магнетрона с тонким катодом выбором соответствующего рабочего напряжения U_A и магнитной индукции В магнитной системы повышают на 20…30% электронный КПД магнетрона;

- тонкий катод с оптимальным размером радиуса, в результате чего увеличивается размер радиуса анода, а пространство взаимодействия (r_A-r_C) магнетрона расширяется за счет увеличения размера радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода согласно формуле (3), что приводит к увеличению электронного КПД и генерируемой мощности;

- подбором тонкого катода обеспечивается дополнительное увеличение электронного КПД и генерируемой мощности за счет уменьшения радиуса тонкого катода вплоть до r_{Copt min} включительно, значительного увеличения радиуса анода r_A и расширения пространства взаимодействия (r_A-r_C) согласно формуле (3);

- новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ=r_C/r_A для магнетронов с тонкими катодами с числом резонаторов вплоть до N=66 включительно равен 0,006≤δ≤0,2;

- работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, обеспечивается использованием автоэмиссионного покрытия на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок;

- реализация автоэмиссионного наноструктурированного покрытия тонкого катода обеспечивает мгновенную готовность магнетрона с тонким катодом к работе;

- работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, обеспечивается использованием металлопористых вольфрамо-бариевых термокатодов, работающих при температуре 1650-2000°К [Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат. 1976. 1006 с. С. 445].

Для достижения указанного технического результата предложен «Магнетрон с тонким катодом», содержащий магнитную систему, анод, тонкий катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, устройство вывода энергии.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что используется тонкий катод с оптимальным размером радиуса, в результате чего увеличивается размер радиуса анода, а пространство взаимодействия (r_A-r_C) магнетрона расширяется за счет увеличения размера радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода согласно формуле

,

где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U_A;

- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;

- постоянная Планка;

е - элементарный электрический заряд;

U_A - рабочее напряжение магнетрона;

В - магнитная индукция магнитной системы;

r_A и r_C - радиусы анода и катода;

m - масса элементарного заряда;

α - относительная нестабильность частоты;

Δf_n - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, Δf_n=1 Гц;

N - четное число резонаторов.

Дополнительными отличиями является то, что новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ=r_C/r_A для магнетронов с тонкими катодами с числом резонаторов вплоть до N=66 включительно равен 0,006≤δ≤0,2, а уменьшение радиуса тонкого катода осуществляется вплоть до r_{Copt min} включительно.

Другими дополнительными отличиями является то, что работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, обеспечивается использованием автоэмиссионного покрытия на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок, а реализация автоэмиссионного наноструктурированного покрытия тонкого катода обеспечивает мгновенную готовность магнетрона с тонким катодом к работе. Работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока может обеспечиваться использованием металлопористых вольфрамо-бариевых термокатодов, работающих при температуре 1650-2000°К.

Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения значительно увеличенной генерируемой мощности за счет увеличения радиуса анода r_A и пространства взаимодействия (r_A-r_C), за счет работы тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, что обеспечивается использованием автоэмиссионного покрытия на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок или использованием металлопористых вольфрамо-бариевых термокатодов, работающих при температуре 1650-2000°К, значительного повышения электронного и в целом полного КПД магнетрона и генерируемой мощности за счет применения оптимального размера радиуса тонкого катода r_Copt, за счет уменьшения радиуса тонкого катода r_C вплоть до значения r_{Copt min} включительно и значительного увеличения при этом радиуса анода r_A и пространства взаимодействия (r_A-r_C) согласно формуле (3).

Именно наличие в заявленном изобретении общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет повысить основные энергетические параметры такие, как генерируемая мощность и КПД мощных магнетронов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- фиг. 1 - Магнетрон с тонким катодом, зависимость r_A-r_C=f(N, r_C);

- фиг.2 - Магнетрон с тонким катодом, общий вид, вид спереди.

На фиг. 1 представлена зависимость r_A-r_C=f(N, r_C):

- зависимость r_A-r_C=f(N, r_C) для магнетронов с катодом с оптимальным размером радиуса r_Copt, построенная на базе расчетов по формуле (2) или (3), фрагмент расчетных данных которых сведен в табл. 2. Ветвь К вначале соответствует одинаковым значениям размеров анодов (до r_A=2 мм) с одинаковыми или близким значениями оптимальных размеров катодов для магнетронов с числом резонаторов от N=8 до N=40, а затем разветвляется до максимальных значений катодов. Далее следуют выделенные жирными линиями ветви L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C), соответствующие тонким катодам вплоть до размеров r_{Copt min} включительно;

- зависимость r_A-r_C=f(N, r_C) для ряда экспериментальных моделей магнетронов М₁ М₂, М₃, М₄, М₅. (Модели М₁ М₂ - Д.Е. Самсонов. Основы расчета и конструирования магнетронов. - М.: Сов. Радио, 1974, 327 с. С. 128, 176. Модели М₃, М₄, М₅ - Д.Е. Самсонов. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. - М.: Сов. Радио, 1966, 224 с. С. 134, 103, 129).

Ветвь К как и зависимость r_A-r_C=f(N, r_C) для ряда экспериментальных моделей магнетронов М₁ М₂, М₃, М₄, М₅ подтверждает вывод об увеличении электронного КПД с увеличением зазора между анодом и катодом (r_A-r_C) или с уменьшением отношения δ=r_C/r_A, что полностью соответствует теории и практике разработки магнетронов. В магнетроне с оптимальным размером радиуса катода r_Copt„ содержащем тонкий катод вплоть до размеров r_{Copt min} включительно, например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C) на фиг 1, соответствующий радиус анода r_A и пространство взаимодействия (r_A-r_C) значительно увеличиваются, за счет чего обеспечивается дополнительное увеличение электронного коэффициента полезного действия и генерируемой мощности магнетрона согласно формуле (3).

На фиг. 2 представлен Магнетрон с тонким катодом, общий вид, вид спереди:

1. Анод (d_A - диаметр анода);

2. Катод (d_{Copt min} - оптимальный минимальный размер диаметра тонкого катода);

2.1. Наноструктурированное покрытие тонкого катода;

3. Пространство взаимодействия;

4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);

5. Устройство вывода энергии;

6. Магнитная система.

В магнетроне с тонким катодом применяется анод 1 фиг. 2 с тонким катодом 2, размеры которого могут быть рассчитаны по формуле (2), (3) или выбраны из табл. 2 и соответствуют, например, одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r_A-r_C=f(N, r_C) на фиг 1, отличающиеся оптимальным соотношением радиусов (диаметров) анода (анодного отверстия) и тонкого катода δ=r_Copt/r_A=d_Copt/d_A. В данном случае на фиг. 2 показан минимальный размер диаметра тонкого катода d_Coptmin с наноструктурированным покрытием тонкого катода 2.1 фиг. 2. В пространстве взаимодействия 3 фиг. 2 с подачей рабочего напряжения действуют скрещенные (взаимно перпендикулярные) постоянное электрическое поле и постоянное магнитное поле магнитной системы 6 фиг. 2. Число резонаторов резонаторной системы 4 фиг. 2 четное и выбирается на основании табл. 1.

Вывод электромагнитной энергии из магнетрона с тонким катодом осуществляется посредством устройства вывода энергии 5 фиг. 2, представляющего собой щель в одном из резонаторов резонаторной системы (PC) 4 фиг. 2. Принцип функционирования магнетрона с тонким катодом полностью аналогичен принципу работы многорезонаторного магнетрона.

Заявленное изобретение «Магнетрон с тонким катодом» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленного изобретения, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности в широком диапазоне длин волн. Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:

- тонкий катод (например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r_A - r_C=f(N, r_C) на фиг 1) имеет установленный в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2) или (3) оптимальный размер радиуса r_Copt, позволяющий выбором соответствующего рабочего напряжения U_A и магнитной индукции В магнитной системы повысить на 20…30% электронный КПД и генерируемую мощность магнетрона;

- подбором тонкого катода вплоть до r_{Copt min} включительно обеспечивается дополнительное увеличение электронного КПД и генерируемой мощности за счет уменьшения радиуса тонкого катода r_C, значительного увеличения радиуса анода r_A и пространства взаимодействия (r_A-r_C) согласно формуле (3);

- работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, обеспечивается использованием автоэмиссионного покрытия на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок и позволяет значительно повысить генерируемую мощность магнетрона с тонким катодом;

- реализация автоэмиссионного наноструктурированного покрытия тонкого катода обеспечивает мгновенную готовность магнетрона с тонким катодом к работе;

- работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока, что достигается форсированием рабочей температуры, обеспечивается использованием металлопористых вольфрамо-бариевых термокатодов, работающих при температуре 1650 - 2000°К и позволяет значительно повысить генерируемую мощность магнетрона с тонким катодом.

Заявленное устройство промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства многорезонаторных магнетронов обычной конструкции.

Изобретение относится к СВЧ-приборам. Магнетрон с тонким катодом предложен для генерации мощных СВЧ-колебаний в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн может быть использован в передающих устройствах перспективных радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева. Магнетрон с тонким катодом содержит магнитную систему, анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, устройство вывода энергии. Принципиальное отличие от прототипа заключается в том, что используется тонкий катод с оптимальным размером радиуса, в результате чего увеличивается размер радиуса анода, а пространство взаимодействия (r_A - r_C) магнетрона расширяется за счет увеличения размера радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода. При этом генерируемая мощность и КПД магнетрона с тонким катодом значительно увеличивается. Технический результат – повышение коэффициента полезного действия в широком диапазоне длин волн. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Магнетрон с тонким катодом, содержащий магнитную систему, анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, устройство вывода энергии, отличающийся тем, что используется тонкий катод с оптимальным размером радиуса, в результате чего увеличивается размер радиуса анода, а пространство взаимодействия (r_A-r_C) магнетрона расширяется за счет увеличения размера радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода согласно формуле

где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U_A;

- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;

- постоянная Планка;

е - элементарный электрический заряд;

U_A - рабочее напряжение магнетрона;

В - магнитная индукция магнитной системы;

r_A и r_C - радиусы анода и катода;

m - масса элементарного заряда;

α - относительная нестабильность частоты;

Δf_n - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, Δf_n=1 Гц;

N - четное число резонаторов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ=r_C/r_A для магнетронов с тонкими катодами с числом резонаторов вплоть до N=66 включительно равен 0,006≤δ≤0,2.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока обеспечивается использованием автоэмиссионного покрытия на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных пленок, а реализация автоэмиссионного наноструктурированного покрытия тонкого катода обеспечивает мгновенную готовность к работе магнетрона с тонким катодом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что работа тонкого катода в режиме больших плотностей тока обеспечивается использованием металлопористых вольфрамо-бариевых термокатодов, работающих при температуре 1650-2000 К.