МАГНЕТРОН

Полезная модель относится к электротехническому оборудованию, электровакуумным приборам СВЧ, а именно к конструкции магнетрона, предназначенного для применения в бытовых СВЧ-печах, системах связи, а также в радиолокации.
Известен магнетрон с комбинированной магнитной системой, содержащий, по крайней мере, две пары магнитов, одна из которых выполнена на постоянных магнитах, в виде дисков, примыкающих к торцам анодного блока (полюсные наконечники), и магнитопровод, замыкающий разноименные полюса постоянных магнитов. С целью повышения стабильности в широком диапазоне мощностей, на магнитных дисках закреплены ферромагнитные цилиндры с надетыми на них катушками, образующие электромагнит, при этом электромагнит выполнен с возможностью подключения к регулируемому источнику постоянного напряжения через переключатель полярностей (патент РФ №2024102, МПК H01J 25/50).
Недостатком указанного магнетрона является высокий уровень шума в выходном сигнале.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному магнетрону являются магнетроны модели АХ9 и XCR, содержащие коаксиально расположенные катод, анод, резонаторную систему, выполненную в виде симметрично расположенных сквозных полостей, вывод энергии, и расположенные вне вакуумного объема соосно с анодом два противолежащих полюсных наконечника (Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. 2 изд., М.: Советское Радио, 1955). В известных магнетронах используются полюсные наконечники цилиндрической формы, имеющие ровный срез в месте примыкания к пространству взаимодействия и изготовленные из однородного по своей магнитной силе материала.
Недостатками указанных магнетронов является высокий уровень шума в выходном сигнале. Полюсные наконечники указанных магнетронов предназначены для создания однородного магнитного поля в пространстве взаимодействия электронов с высокочастотной волной. Известно, что наиболее эффективное взаимодействие электронов с высокочастотной волной происходит при выполнении условий синхронизма, которое заключается в том, что скорость движения центров орбит вращения электронов должна быть близка к фазовой скорости высокочастотной волны. Скорость движения центров орбит вращения определяется отношением напряженности электрического поля и магнитной индукции. В цилиндрическом магнетроне напряженность постоянного электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между анодом и катодом и пространственным зарядом электронного облака, максимальна на границе объемного пространственного заряда и убывает по радиусу в направлении анода. Магнитная индукция при этом постоянна. Поэтому выполнение условий синхронизма в указанных магнетронах обеспечивается не во всем пространстве взаимодействия, а лишь в некоторой области, соответственно не обеспечивается эффективность взаимодействия объемного заряда с бегущей электромагнитной волной.
Задачей полезной модели является создание магнетрона, обеспечивающего меньший по сравнению с аналогами уровень шума в выходном сигнале.
Поставленная задача решается тем, что в магнетроне, содержащем коаксиально расположенные катод и анод, резонаторную систему, снабженную выводом энергии, два полюсных наконечника, расположенных соосно с катодом с противоположных сторон от анода, согласно решению, каждый из полюсных наконечников выполнен с возможностью создания неоднородной магнитной индукции в пространстве взаимодействия между катодом и анодом с ее максимальным значением на расстоянии от катода, определяемом по формуле Rc+1/2(Ra-Rc), где Rc-радиус катода, Ra - радиус анода. При этом каждый из магнитных полюсных наконечников представляет собой набор из, по крайней мере, трех концентрично-расположенных кольцевых элементов. По крайней мере один из кольцевых элементов выполнен из материала, характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных кольцевых элементов и расположен между ними, при этом торцевые поверхности магнитных полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торце кольцевого элемента, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.
Технический результат предложенного устройства заключается в увеличении эффективности взаимодействия объемного заряда с бегущей электромагнитной волной.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен продольный разрез заявляемого устройства.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - катод,
2 - анод,
3 - резонаторная система,
4 - окно вывода энергии,
5 - полюсный наконечник,
6, 7, 8 - внешний, центральный и внутренний кольцевые элементы полюсного наконечника, соответственно.
Магнетрон содержит коаксиально расположенные цилиндрический катод 1, анод 2, два полюсных наконечника 5, расположенные соосно катоду 1 с противоположных сторон от анода. Анод снабжен резонаторной системой 3 (см., например, Бычков С.И. Вопросы теории и практического применения приборов магнетронного типа. М.: Сов. радио, 1967). Для вывода СВЧ энергии резонаторная система снабжена отверстием 4.
Полюсные наконечники выполнены набранными из трех концентрично-расположенных кольцевых магнитных элементов: внутреннего 8, внешнего 6, выполненных, например, из неодим-железо-бора (коэрцитивная сила 11 кЭрст), и центрального 7, выполненного, например, из самарий-кобальта (коэрцитивная сила 13 кЭрст) и характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных. Полюсный наконечник отстоит от торца анода на расстояние в несколько (5-10) миллиметров. Торцевые поверхности полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торце магнитного элемента, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.
Форма полюсных наконечников позволяет получить в пространстве взаимодействия распределение магнитной индукции, аналогичное по форме распределению напряженности постоянного электрического поля, и, следовательно, обеспечивает выполнение условия синхронизма высокочастотной волны и электронного потока во всем пространстве взаимодействия, что приводит к снижению уровня шума в выходном сигнале.
Механизм работы магнетрона заключается в следующем. На магнетрон подают напряжения питания: анодное напряжение на анод 2 и напряжение накала на катод 1. В результате разогрева катода эмитирующий слой, нанесенный на внешнюю поверхность катода, испускает электроны в рабочее пространство взаимодействия катод-анод, образуя электронное облако. Под действием перпендикулярных друг другу электрического поля катод-анод и постоянного магнитного поля электронное облако под действием силы Лоренца начинает вращаться вокруг катода и наводит переменный потенциал в резонаторах 3 анодного блока, который, в свою очередь, воздействует на электронное облако, модулирует его по форме, создавая так называемые вращающиеся электронные спицы. Когда угловая скорость вращения спиц синхронизируется с частотой колебаний в резонаторной системе, создаются условия передачи энергии электронного облака во внешнюю нагрузку (через вывод энергии 4).
Магнитные полюсные наконечники магнетрона в месте примыкания к пространству взаимодействия имеют форму, обеспечивающую сначала нарастание магнитной индукции в пространстве взаимодействия при удалении вдоль радиуса от катода до значения, не превышающего 2500 эрст, затем, снижение магнитной индукции по направлению к аноду, повторяя таким образом изменение напряженности электростатического поля вдоль радиуса. При этом условия синхронизма будут выполняться во всем пространстве взаимодействия. Электроны, испускаемые катодом в тормозящей фазе высокочастотного поля, сразу после попадания в пространство взаимодействия оказываются в синхронизме с высокочастотной волной и начинают, смещаясь к аноду, отдавать энергию и тем самым усиливают поле высокочастотной волны.
Предлагаемая конструкция магнетрона позволяет достичь снижения уровня шумов в выходном сигнале до 20 дБ.