Магнетрон с тонким катодом
MAGNETRON WITH THIN CATHODE

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.
и
и
и
и
и
В науке и технике импульсные многорезонаторные магнетроны обычной конструкции в зависимости от импульсной мощности Р классифицируются на мощные Р>10 кВт и маломощные Р<10 кВт. Наибольшая мощность и коэффициент полезного действия (КПД) магнетронов могут достигать: в сантиметровом диапазоне на частоте f=10 ГГц мощность Р=1 МВт при КПД около 55%; в миллиметровом диапазоне на частоте f=35 ГГц мощность Р=100 кВт при КПД около 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 271 с. С. 31].
A
C
A
C
A
C
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, r (диаметрами d, d), а пространство взаимодействия - разностью (r-r).
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.
C
C
A
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=0,5 мм), так и с более толстым вольфрамово-бариевым катодом (d=4 мм) при диаметре анода d=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].
C
A
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/r, 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.
A
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 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
A
где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U;
- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;
- постоянная Планка;
е - элементарный электрический заряд;
A
U - рабочее напряжение магнетрона;
В - магнитная индукция магнитной системы;
A
C
r и r - радиусы анода и катода;
m - масса элементарного заряда;
α - относительная нестабильность частоты;
n
n
Δf - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, Δf=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].
A
Исследование зависимости (2) показывает, что при радиусе анода r=const электронный КПД магнетрона имеет наибольшее значение при некотором оптимальном размере радиуса катода.
Copt
Таким образом, с помощью формулы (2) в процессе расчета электронного КПД установлены катоды с оптимальными размерами радиусов r (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].
A
В прототипе оптимальные размеры радиуса катода увеличиваются с ростом размеров радиуса анодного отверстия. Но, начиная с некоторых значений радиуса анода r, оптимальные значения размеров радиуса катода начинают уменьшаться.
A
C
C
A
C
C
A
A
C
Графический анализ выявил соответствующие тонким катодам ветви L, G, F, Q, S зависимости r-r=f(N, r), 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-r=f(N, r) иллюстрируют тонкие катоды магнетронов, а также указывают на значительный рост радиуса анода r и пространства взаимодействия (r - r) с ростом частоты (увеличением числа резонаторов N).
C
A
Заметим, что для упомянутого выше магнетрона с тонким катодом и числом резонаторов N=8 соотношение δ=d/d=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.
A
C
A
C
A
C
A
C
2
2
2
2
2
2
Знаменатель дроби в квадратных скобках формулы (2) представим в виде (r-r)=(r-r)(r+r). За фигурные скобки правой части формулы (2) можно вынести общий знаменатель (r-r) слагаемых в фигурных скобках:
C
A
A
C
Таким образом, уменьшение радиуса тонкого катода r, значительный рост радиуса анода r и пространства взаимодействия (r-r) согласно формуле (3) приводит к снижению энергетических потерь (на аноде) и, как следствие, к увеличению электронного КПД и генерируемой мощности.
Amax
Amax
Copt min
Copt min
Оптимизация радиусов катода прекращается после некоторых максимальных значений радиусов анода: например, для магнетронов с числом резонаторов N=8 радиус r=6 мм, при N=18 радиус r=14 мм и т.д. Максимальным значениям радиусов анода соответствуют минимальные значения радиусов катода: для магнетронов с числом резонаторов N=8 радиус r=0,19 мм, в случае N=18 радиус r=0,2 мм и т.д.
Amax
A
A
A
A
Оптимизация конструктивных и энергетических характеристик магнетрона квазиклассическим методом по формулам (2), (3) выявила закономерность увеличения максимальных размеров анода r 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 связаны с длиной волны λ ориентировочным соотношением d≤0,3 λ. В магнетроне в миллиметровом диапазоне длин волн используют диаметр анода с учетом увеличения соотношения d/λ до значения d≤(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].
C
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.
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).
A
C
A
C
C
Увеличения генерируемой мощности и КПД магнетрона можно достигнуть путем расширения пространства взаимодействия (r-r) 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-r=f(N, r) 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:
A
C
C
Copt
A
- тонкий катод например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r-r=f(N, r) на фиг 1 имеет установленный в процессе расчета электронного КПД по формуле (2) или (3) оптимальный размер радиуса r, для обеспечения максимального значения электронного КПД магнетрона с тонким катодом выбором соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции В магнитной системы повышают на 20…30% электронный КПД магнетрона;
A
C
- тонкий катод с оптимальным размером радиуса, в результате чего увеличивается размер радиуса анода, а пространство взаимодействия (r-r) 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;
Copt min
A
A
C
- подбором тонкого катода обеспечивается дополнительное увеличение электронного КПД и генерируемой мощности за счет уменьшения радиуса тонкого катода вплоть до r включительно, значительного увеличения радиуса анода r и расширения пространства взаимодействия (r-r) согласно формуле (3);
C
A
- новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ=r/r 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.
A
C
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-r) магнетрона расширяется за счет увеличения размера радиуса анода и уменьшения радиуса тонкого катода согласно формуле
,
A
где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U;
- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;
- постоянная Планка;
е - элементарный электрический заряд;
A
U - рабочее напряжение магнетрона;
В - магнитная индукция магнитной системы;
A
C
r и r - радиусы анода и катода;
m - масса элементарного заряда;
α - относительная нестабильность частоты;
n
n
Δf - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, Δf=1 Гц;
N - четное число резонаторов.
C
A
Copt min
Дополнительными отличиями является то, что новый ориентировочный диапазон значений соотношения δ=r/r 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 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.
A
A
C
Copt
C
Copt min
A
A
C
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения значительно увеличенной генерируемой мощности за счет увеличения радиуса анода r и пространства взаимодействия (r-r), 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, за счет уменьшения радиуса тонкого катода r вплоть до значения r включительно и значительного увеличения при этом радиуса анода r и пространства взаимодействия (r-r) 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:
A
C
C
- фиг. 1 - Магнетрон с тонким катодом, зависимость r-r=f(N, r);
- фиг.2 - Магнетрон с тонким катодом, общий вид, вид спереди.
A
C
C
На фиг. 1 представлена зависимость r-r=f(N, r):
A
C
C
Copt
A
A
C
C
Copt min
- зависимость r-r=f(N, r) для магнетронов с катодом с оптимальным размером радиуса r, 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=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-r=f(N, r), соответствующие тонким катодам вплоть до размеров r включительно;
A
C
C
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
- зависимость r-r=f(N, r) для ряда экспериментальных моделей магнетронов М М, М, М, М. (Модели М М - Д.Е. Самсонов. Основы расчета и конструирования магнетронов. - М.: Сов. Радио, 1974, 327 с. С. 128, 176. Модели М, М, М - Д.Е. Самсонов. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. - М.: Сов. Радио, 1966, 224 с. С. 134, 103, 129).
A
C
C
1
2
3
4
5
A
C
C
A
Copt
Copt min
A
C
C
A
A
C
Ветвь К как и зависимость r-r=f(N, r) для ряда экспериментальных моделей магнетронов М М, М, М, М подтверждает вывод об увеличении электронного КПД с увеличением зазора между анодом и катодом (r-r) или с уменьшением отношения δ=r/r, что полностью соответствует теории и практике разработки магнетронов. В магнетроне с оптимальным размером радиуса катода r„ содержащем тонкий катод вплоть до размеров r включительно, например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r-r=f(N, r) на фиг 1, соответствующий радиус анода r и пространство взаимодействия (r-r) 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:
A
1. Анод (d - диаметр анода);
Copt min
2. Катод (d - 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.
A
C
C
Copt
A
Copt
A
Coptmin
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-r=f(N, r) на фиг 1, отличающиеся оптимальным соотношением радиусов (диаметров) анода (анодного отверстия) и тонкого катода δ=r/r=d/d. В данном случае на фиг. 2 показан минимальный размер диаметра тонкого катода d 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:
A
C
C
Copt
A
- тонкий катод (например, соответственно одной из ветвей L, G, F, Q, S зависимости r - r=f(N, r) на фиг 1) имеет установленный в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2) или (3) оптимальный размер радиуса r, позволяющий выбором соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции В магнитной системы повысить на 20…30% электронный КПД и генерируемую мощность магнетрона;
Copt min
C
A
A
C
- подбором тонкого катода вплоть до r включительно обеспечивается дополнительное увеличение электронного КПД и генерируемой мощности за счет уменьшения радиуса тонкого катода r, значительного увеличения радиуса анода r и пространства взаимодействия (r-r) 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.