Магнетрон

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения и может быть использовано для создания генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения. Техническим результатом данного решения является повышение эффективности взаимодействия электронов с электрическим полем резонаторов и, как следствие, повышение КПД генерации СВЧ-излучения. Магнетрон включает размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру. В вакуумной камере расположены запредельный волновод, подключенный к внешнему источнику питания, диод, состоящий из катода и анода с резонаторами в форме пазов, средство вывода сверхвысокочастотного излучения. Пазы резонаторов анода выполнены вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону средства вывода излучения. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения и может быть использовано для создания генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Известно устройство генерации мощного СВЧ-излучения [1] (В.В.Васильев, И.И.Винтизенко, А.Н.Диденко, Е.И.Луконин, А.С.Сулакшин, Г.П.Фоменко, Э.Г.Фурман. "Релятивистский магнетрон, работающий в режиме цуга импульсов", Письма в ЖТФ, 1987, т.13, вып. 12, с.762). Это устройство представляет собой размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру, в которой установлен диод, состоящий из катода, анодного блока (анода) с резонаторами, расположенными параллельно оси системы. За диодом следует средство вывода СВЧ-излучения в виде антенны. При подаче импульса напряжения на катод с его поверхности инжектируется пучок электронов. Под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля электроны вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. При взаимодействии электронов с электрическим полем резонаторов возникает электромагнитное излучение, которое выводится с помощью антенны в свободное пространство.

Однако движение электронов происходит не только в плоскости, перпендикулярной оси системы, но и вдоль оси системы. В результате их движение происходит вдоль винтовой линии, из-за чего взаимодействие с указанными резонаторами не является энергетически оптимальным, что является причиной малого КПД генерации излучения.

Наиболее близким по техническому решению к заявленному устройству является магнетрон с дифракционным выводом излучения [2] (Н.Ф.Ковалев, Б.Д.Кольчугин, В.Б.Нечаев и др. "Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом электромагнитного излучения", Письма в ЖТФ, 1977, т.3, вып. 20, с.1048). Магнетрон представляет собой размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру, внутри которой установлен электрически связанный с источником питания диод, включающий в себя катод и анодный блок с резонаторной частью в виде восьми одинаковых резонаторов, выполненных в форме пазов, ориентированных вдоль (параллельно) оси системы. Со стороны источника питания пространство взаимодействия генератора ограничено частью вакуумной камеры, являющейся запредельным для рабочей моды коаксиальным волноводом, при этом внутренним электродом волновода является держатель графитового катода. Магнитное поле вдоль оси магнетрона обеспечивается импульсным соленоидом. Во время импульса напряжения, прикладываемого к катоду, с его цилиндрической поверхности происходит инжекция электронов, которые под воздействием магнитного поля закручиваются вокруг катода. При этом происходит взаимодействие электронов и электрического поля резонаторов анода, в результате чего возникает СВЧ-излучение. Из области взаимодействия излучение через стеклянное вакуумплотное окно выводится с помощью рупора в свободное пространство. Давление остаточного газа во внутренних полостях генератора не превышает 2·10^-5 тор.

Магнитное поле внутри системы имеет продольную составляющую, которая создается импульсным соленоидом, и поперечную, которая создается продольным током, протекающим по катоду. Движение электронов перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, поэтому они двигаются вдоль винтовой линии. Отсюда вытекает недостаток данного устройства: так как траектории электронов не перпендикулярны линиям резонаторов, которые направлены параллельно оси системы, кинетическая энергия электронов не эффективно передается в электромагнитную энергию резонаторов.

В связи с этим ставится задача - создание усовершенствованного магнетрона с повышенным КПД генерации излучения.

Техническим результатом данного решения является повышение эффективности взаимодействия электронов с электрическим полем резонаторов и, как следствие, повышение КПД генерации СВЧ-излучения.

Технический результат в магнетроне достигается тем, что в отличие от известного магнетрона, включающего размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру с расположенными в ней запредельным волноводом, подключенным к внешнему источнику питания диодом, состоящим из катода и анода с резонаторами в форме пазов, а также средством вывода сверхвысокочастотного излучения, в предлагаемом устройстве резонаторы анода представляют собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону средства вывода излучения.

Выбор формы выполнения резонаторов связан с особенностью движения электронов в области взаимодействия. Электроны, инжектируемые с катода, под действием магнитного поля, создаваемого соленоидом, начинают двигаться по эпициклоидным траекториям вокруг катода, взаимодействуя с резонаторами. Под действием магнитного поля, создаваемого катодным током, они смещаются в сторону средства вывода излучения. По мере приближения к дифракционному выводу значение катодного тока уменьшается, в связи с чем уменьшается магнитное поле, создаваемое катодным током. Таким образом, результирующее движение электронов будет происходить вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся в сторону средства для вывода излучения. В то же время структура резонаторов повторяет форму траектории движения электронов, что обеспечено благодаря использованию резонаторов анода в форме пазов, выполненных вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения, причем с таким углом поворота относительно оси системы, что траектории движения электронов оказываются параллельны линиям электрического поля резонаторов, что позволяет им более энергетически эффективно взаимодействовать, в результате чего увеличивается мощность СВЧ-излучения.

Рассмотрим, чем обусловлен выбор шага винтовой линии. Паз резонатора параллелен суммарному магнитному полю, полученному сложением магнитного поля, создаваемого соленоидом, и магнитного поля, создаваемого катодным током. Магнитное поле соленоида постоянно, магнитное поле катодного тока непостоянно и так же, как и катодный ток, уменьшается от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения. Тангенс угла поворота паза резонатора относительно оси системы определяется отношением значения магнитного поля катодного тока к значению магнитного поля соленоида.

Таким образом, достигается повышение КПД генерации за счет роста эффективности использования энергии электронов, что обеспечено использованием резонаторов, представляющих собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения.

На фиг.1 схематически изображен магнетрон с модернизированными резонаторами анода и подключение питания к устройству, на фиг.2 более подробно изображен анод и структура резонаторов.

Заявляемый генератор представляет собой расположенный в вакуумной камере 8 диод, состоящий из катода 2 и анода 4 с резонаторами в виде пазов 5, выполненных вдоль винтовой линии. С левой стороны пространство взаимодействия ограничено частью вакуумной камеры в виде запредельного для рабочей моды коаксиального волновода 3, а за диодом следует средство вывода излучения. Вакуумная камера расположена в системе осевого магнитного поля в виде соленоида 6. Из генератора микроволновое излучение выводится с помощью дифракционного вывода 7. Далее, через диэлектрическое вакуумплотное окно 10 излучение выводится в свободное пространство с помощью рупора 9. К диоду, содержащему катод 2 и анод 4, прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 1.

В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения, выполненный, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов", - М.: Атомиздат, 1972).

Устройство работает следующим образом. При подаче отрицательного напряжения от внешнего источника питания 1 на размещенный в вакуумной камере 8 диод с поверхности катода 2 начинается эмиссия электронов, которые двигаются в сторону анода 4. Под воздействием магнитного поля, создаваемого соленоидом 6, электроны отклоняются от прямолинейного движения и начинают двигаться по эпициклоидным траекториям в плоскости, перпендикулярной оси системы, одновременно, под воздействием собственного магнитного поля катодного тока их траектория движения отклоняется в сторону рупорной антенны 9. Таким образом, траектория движения электронов проходит по винтовой линии, при этом по мере движения к дифракционному выводу шаг винтовой линии увеличивается из-за уменьшения катодного тока и создаваемого им магнитного поля. Это позволяет электронам оптимально взаимодействовать с резонаторами анода 5, также представляющих собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся в сторону средства для вывода излучения. Микроволновое излучение выводится в свободное пространство с помощью рупорной антенны 9. Диэлектрическое окно 10 отделяет вакуумные внутренние полости от внешнего пространства.

В примере выполнения предложенного магнетрона с модернизированными резонаторами анода запредельный волновод, катод, анод и рупорная антенна выполнены из нержавеющей стали, выводное диэлектрическое окно выполнено из оргстекла. Резонаторы анода представляют собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом. Внутренний диаметр анода 30 мм, длина 50 мм, глубина резонаторов 5 мм. Длина катода 280 мм, диаметр 15 мм. Внутренние полости магнетрона вакуумируются до давления порядка 5·10^-5 Тор.

Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования кинетической энергии электронов в электромагнитную энергию резонаторов за счет применения резонаторов, представляющих собой пазы, выполненных вдоль винтовой линии, КПД магнетрона увеличен.

Магнетрон, включающий размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру с расположенными в ней запредельным волноводом, подключенным к внешнему источнику питания диодом, состоящим из катода и анода с резонаторами в форме пазов, а также средством вывода сверхвысокочастотного излучения, отличающийся тем, что резонаторы анода представляют собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону средства вывода излучения.