Сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа
Владельцы патента RU 2334302:
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Область техники: Изобретение относится к средствам генерации электромагнитного излучения в системах со скрещенными электрическими и магнитными полями и может быть использовано при создании генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения магнетронного типа. Сущность изобретения: в отличие от известного сверхвысокочастотного генератора магнетронного типа, содержащего подключенный к внешним источникам питания цилиндрический вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри этой системы коаксиально размещены катод и охватывающий его анод с резонатором, за которым следует средство вывода сверхвысокочастотного излучения, в предлагаемом генераторе анод с резонатором образован двумя полыми цилиндрическими коаксиальными электродами различного диаметра, электрически соединенными с образованием резонатора, открытого во внутренний объем средства вывода сверхвысокочастотного излучения, причем во внутреннем цилиндрическом электроде выполнены сквозные продольные прорези. Технический результат: упрощение резонатора анода при сохранении уровня выводимой мощности излучения. 2 ил.
Изобретение относится к средствам генерации электромагнитного излучения в системах со скрещенными электрическими и магнитными полями и может быть использовано при создании генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения магнетронного типа.
Известен СВЧ-генератор магнетронного типа [1] (Sze H., Harteneck В., Benford J., Young T. Operating Characteristics of a Relativistic Magnetron with a Washer Cathode. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. PS-15, №3, June 1987, p.327), содержащий корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри которой коаксиально установлены не контактирующие между собой цилиндрические катод и охватывающий его анодный блок - электрод с последовательностью одинаковых резонаторов. Система формирования продольного магнитного поля, анодный блок и катод подключены к внешним источникам питания.
При подаче напряжения от источника питания между катодом и анодом возникает радиальное электрическое поле, а возникающее при этом магнитное поле направлено вдоль оси катода. Инжектируемые с катода электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода к аноду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю.
Основной недостаток аналога заключается в технологической сложности создания генератора в части, касающейся анода, обусловленной необходимостью получения сложного профиля резонаторной части анодного электрода.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству (прототип) является СВЧ-генератор магнетронного типа [2] (Ковалев Н.Ф., Кольчугин Б.Д., Нечаев В.Е., Офицеров М.М., Солуянов Е.И., Фукс М.И. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом электромагнитного излучения. Письма в ЖТФ, 1977, том 3, вып. 20, с.1048), содержащий вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри которой коаксиально установлены не контактирующие между собой цилиндрические катод и охватывающая его секция, образующие запредельный волновод. За волноводом следует анод, представляющий собой выполненный в форме цельнометаллической сложнопрофильной детали электрод с последовательностью одинаковых резонаторов (резонаторной частью), за анодом расположено средство вывода СВЧ-излучения. Система формирования продольного магнитного поля, анод и катод подключены к внешним источникам питания.
При подаче напряжения от источника питания между катодом и анодом возникает радиальное электрическое поле, а возникающее при этом магнитное поле направлено вдоль оси катода. Инжектируемые с катода электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода к аноду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю, формируемому в резонаторной части анода. Энергия излучения выводится через средство вывода СВЧ-излучения.
Недостаток прототипа заключается в недостаточной технологичности генератора из-за сложности изготовления анода, обусловленной необходимостью изготовления сложного профиля резонаторной части анодного электрода, требующей проведения последовательности трудоемких технологических циклов.
Задачей предполагаемого изобретения является создание более технологичного СВЧ-генератора с сохранением уровня мощности прототипа за счет усовершенствования его анода.
Техническим результатом является упрощение резонатора анода при сохранении уровня выводимой мощности излучения.
Данный результат достигается тем, что в отличие от известного сверхвысокочастотного генератора магнетронного типа, содержащего подключенный к внешним источникам питания цилиндрический вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри этой системы коаксиально размещены катод и охватывающий его анод с резонатором, за которым следует средство вывода сверхвысокочастотного излучения, в предлагаемом генераторе анод с резонатором образован внешним и внутренним полыми цилиндрическими коаксиальными электродами различного диаметра, во внутреннем цилиндрическом электроде выполнены сквозные продольные прорези, причем электроды электрически соединены с образованием резонатора, открытого во внутренний объем средства вывода сверхвысокочастотного излучения.
Анод прототипа является деталью сложного профиля в части, образующей резонатор, для его изготовления требуются дорогостоящие операции обработки детали, например электроэрозионная обработка внутренней поверхности анода. Замена цельнометаллического сложнопрофильного электрода на систему двух полых коаксиальных цилиндрических электродов, внутренний из которых имеет сквозные продольные прорези, электрически связанных с образованием резонатора, открытого во внутреннюю область средства вывода излучения, позволяет существенно упростить анод в резонаторной части.
Предложенная упрощенная форма выполнения анода с оригинальным резонатором позволяет обеспечить взаимодействие вращающегося облака пространственного заряда, образующегося в результате действия радиального электрического поля и осевого магнитного поля на эмитируемый с катода поток электронов, с наведенным в резонаторе СВЧ-излучением. Электроны, перемещаясь от катода к анодному электроду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю. Наличие электрической связи между цилиндрическими электродами с образованием резонатора, открытого во внутреннюю область средства вывода излучения, позволяет обеспечить формирование излучения и непосредственный ввод излучения в средство вывода СВЧ-излучения. Следствием этого является повышение технологичности конструкции генератора.
На фиг.1 схематически изображен предложенный сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа; на фиг.2 - соответствующий разрез генератора (система формирования продольного магнитного поля не указана).
Заявляемый сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа имеет аксиальную симметрию и содержит вакуумированный корпус (1) с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля (4), внутри которой коаксиально установлены не соединенные между собой цилиндрические катод (2) и анод, состоящий из двух тонкостенных цилиндрических электродов: внутреннего (6) с продольными прорезями и внешнего цилиндров (5). За анодом следует средство вывода СВЧ-излучения в виде рупорной антенны (7) с окном (8). К системе формирования продольного магнитного поля (4) через ввод (3) на корпусе (1) прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания (10), а к катоду (2) через ввод (11) на корпусе (1) прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания (9). Внешний цилиндр (5) анода электрически связан с внутренним электродом (6). При этом образован резонатор, открытый для вывода сформированного в резонаторе излучения во внутренний объем средства вывода излучения (7) с окном (8).
В качестве источника питания (9) возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А., Генерирование мощных наносекундных импульсов, М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [4] (Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтъев А.А. и др., Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока, М.: Наука, 2002).
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания (9), (10) между катодом (2) и охватывающим его анодом (5-6) возникает электрическое поле, а вдоль оси катода направлено магнитное поле, созданное системой формирования продольного магнитного поля (4). Эмитируемые катодом (2) электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода 2, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода (2) к проводящему цилиндру (6), передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю. Энергия СВЧ-излучения выводится из резонаторной области анода во внутренний объем сообщающейся с ней рупорной антенны (7) с окном (8).
В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора магнетронного типа корпус, волновод, рупорная антенна выполнены из стали, катод - из графита, цилиндрические электроды выполнены из тонкой стальной фольги, вакуумноплотное окно - из оргстекла. Система формирования продольного магнитного поля выполнена в виде соленоида.
Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10-4 Тор.
Таким образом, выполнение анода в виде пары полых коаксиальных цилиндрических электродов с продольными прорезями во внутреннем электроде при обеспечении электрической связи между электродами с образованием резонатора, открытого для вывода сформированного в резонаторе излучения во внутренний объем средства вывода излучения, и замена этой конструкцией сложнопрофильного анода прототипа позволяет существенно упростить резонатор анода, что обеспечивает создание более технологичной конструкции генератора при сохранении выводимой мощности СВЧ-излучения на уровне прототипа.
Сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа, содержащий цилиндрический вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри этой системы коаксиально размещены катод и охватывающий его анод в виде резонатора, связанного со средством для вывода сверхвысокочастотного излучения, а также внешние источники питания, отличающийся тем, что резонатор образован внешним и внутренним полыми коаксиальными цилиндрами различного диаметра, во внутреннем цилиндре выполнены сквозные продольные прорези, причем цилиндры электрически соединены с образованием резонатора, открытого во внутренний объем средства вывода сверхвысокочастотного излучения.
