Магнетронный генератор Советский патент 1980 года по МПК H01J25/50 

(54) МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

1

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации сверхмощных СВЧ-импульсов наносекунд- ной длительности сильноточным релятивистским электронным пучком как в однократном, так и в многоимпульсном режимах.

Известны магнетронные генераторы 1 на основе использования сильноточных релятивистских электронных пучков. Подобные генераторы содержат многорезонаторный анодный блок, взрыво-эмиссионный холодный катод, в качестве источника анодного напряжения - двойную формирующую линию типа Блюмляйна, являющуюся промежуточным накопителем энергии сильноточного электронного ускорителя.

Использование сильноточных электронных пучков в приборах магнетронного типа позволяет резко увели ить мощность генерируемых СВЧ-колебаний. В 10-см диапазоне длин волн получен уровень порядка 2 X 03 Вт, а в 3-см диапазоне 500 МВт. Максимальный КПД преобразования мощности электронного пучка в мощность СВЧизлучения составил (35 + 40)°/о для экспериментов в 10-см диапазоне длин волн и 20°/о в 3-см диапазоне.

По своей конструкции все упомянутые генераторы однотипны, и поэтому мы ограничимся только описанием прототипа 2.

В качестве прототипа выбираем магнетронный генератор 2 на основе сильноточного релятивистского пуска.

Такой магнетронный генератор содержит цилиндрический холодный катод и коаксиальную с ним многорезонаторную анодную

10 структуру, расположенную снаружи катода, источник напряжения и магнитную систему. Источником напряжения служит сдвойная формирующая линия типа Блюмляйна, являющаяся промежуточным накопителем энергии сильноточного ускорителя элект15ронов.

Однако,возможности сильноточного электронного ускорителя в подобных магнетронных генераторах используются далеко не полностью. Это объясняется тем, что сравнительно низкоомные двойные формирующие

20 линии электронных сильноточных ускорителей нагружения значительно более высокоомные магнетронные диоды, работающие

в режиме магнитной изоляции. Так, например, эксперименты, были проведены с использованием 4-омной двойной формирующей линии ускорителя «Nereus, а сопротивление диода в максимуме генерируемой мощности составляет 25 Ом. Т. О. КПД линии составляет 16%.

В то же время очевидно, что оптимальным условием работы линии является ее согласование с нагрузкой, что позволяет полностью использовать энергию запасаемую в ней.

Этот же недостаток свойственен и другим магнетронным генераторам с использованием СЭУ. Так, например, КПД линии ускорителя «Тонус составляет 10%. Согласование же формирующей линии с нагрузкой уменьшением сопротивления диода (например, уменьшение зазора анод-катод) связано со значительными трудностями юстировки диода и выполнения условия магнитной изоляции.

Целью изобретения является увеличение полного КПД магнетронного генератора.

В соответствии с изобретением поставлеинная цель достигается тем, что катод выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого и коаксиально с ним расположена многорезонаторная анодная структура, причем расстояние катод-анод одинаково для обеих структур.

Устройство схематично изображено на чертеже. Магнетронный генератор состоит из внешней многорезонаторной анодной структу-Pbi 1, катода 2 и внутренней многорезонаторной анодной структуры 3. Устройство вывода энергии и магнитная система па чертеже не показаны.

Аноды 1 и 3, электрически соединенные между собой и катод 2 подключены к электродам сильноточного электронного ускорителя (аноды - к внешнему 4, катод - к внутреннему 5, 6 - средний электрод линии). Магнитное поле направлено, вдоль оси прибора. Импульс напряжения, приложенный между катодом 2 и анодами 1 и 3, создает в обоих катод-анод промежутках электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля и оси прибора,

В обоих катод-анодных промежутках происходят все процессы, свойственные обычному многорезисторному магнетрону: возбуждение колебаний, группирование электронов и усиление СВЧ-поля. Вывод мощности может осуществляться, например, от одного из резонаторов с помощью волновода. Кроме того, возможна работа обоих многорезонаторных структур в связи с внешним дополнительными резонаторами, т. е. что внещний магнетрон образует коаксиальный, а внутобращенно-коаксиальный магренниинетрон.

В предлагаемом устройстве Собственно генерирующая часть магнетронного генератора выполнена таким образом, что промежуточный накопитель сильноточного элечтронного ускорителя оказывается нагруженным на два параллельно включенных диода, что позволяет (при выполнении условия RI-суммарное статическое сопротивление диодов Кд- волновое сопротивление линии) снять с него энергию в 2 раза больщую, нежели в устройствепрототипе. Т. о., КПД линии, а следовательно и общий КПД магнетронного генератора, определяемый как произведение КПД линии и КПД собственно магнетронов, увеличивается в 2 раза. Кроме того, такое конструктивное выполнение не увеличивает габаритов генератора и может позволить при работе обоих магнетронов на одну нагрузку, увеличить выходную мощность магнетронного генератора.

С тем, чтобы кривизна анодов и катода мало влияла на магнитную изоляцию и оба диода находились в равных условиях необходим, чтобы выполнялись неравенства.

-Voi--VK « 1. ..VteMzi I

VK Уаг.

предлагаемый магнетронный генератор может быть использован для генерации наносекундных импульсов СВЧ сверхвысокой мощности, как в однократном, так и в многоимпульсном режимах. Подобные импульсы могут найти применение в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, в радиостанциях в сильнопоглощающих средах и на всерхдальние расстояния и т. д.

Формула изобретения

Магнетронный генератор, содержащий цилиндрический холодный катод и коаксиальную с ним мЕогорезонаторную анодную структуру, расположенную снаружи катода, источник напряжения и магнитную систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения полного КПД генератора катод выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого и коаксиально с ним расположена многорезонаторная анодная структура, причем расстояние анод-катод одинаковое для обеих структур.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Диденко А. Н. и др. Письма в ЖТФ, 4, в I, 1978, с. 10.

2. Phys., Rev Sett, 37, № б, 1976, p. 319 (прототип).