РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН С ВОЛНОВОДНЫМИ ВЫВОДАМИ МОЩНОСТИ
RELATIVISTIC MAGNETRON WITH WAVE-GUIDE OUTPUTS OF CAPACITY

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения. Практическое использование СВЧ-излучения предъявляет требования стабильной работы приборов, в частности сохранения от импульса к импульсу амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ-сигнала, а также формирования СВЧ-излучения высокой направленности.
Известно устройство - магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. М., Сов. Радио, 1966, с.224], состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного посредством катододержателя с источником питания. Снаружи установлена магнитная система из двух магнитных катушек в виде пары Гельмгольца. В промежутке между катушками проходит волноводный вывод мощности, связанный через щель связи с одним из резонаторов анодного блока. Анодный блок находится под земляным потенциалом, а на катод подается импульс отрицательной полярности от источника питания. В скрещенных электрическом радиальном поле между катодом и анодом и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, вращаясь азимутально в «спицах», отдают свою энергию в энергию СВЧ-излучения и осуществляют радиальный дрейф к аноду. Энергия СВЧ-излучения выводится через щель связи в одном из резонаторов и волноводный вывод мощности, представляющий собой плавный волноводный переход.
Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потери эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя.
Известно также устройство - релятивистский магнетрон, состоящий из многорезонаторного анодного блока с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрической трубы дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока, коаксиально расположенного блоку катода, связанного посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания и магнитной системы [Диденко А.Н., Сулакшин А.С., Фоменко Г.П. и др. Исследование генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний с помощью релятивистского магнетрона. // Письма в ЖТФ, 1978, т.4, №3, с.10-13.]. В качестве источников питания релятивистских магнетронов используются сильноточные электронные ускорители. В таких приборах анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс отрицательной полярности длительностью 50-200 нс, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. Магнитное поле создается двумя катушками, образующими пару Гельмгольца. Между катушками магнитной системы проходят волноводные выводы мощности. В скрещенных электрическом радиальном поле между катодом и анодным блоком и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, эмитированные под действием взрывной электронной эмиссии, осуществляют движение в двух направлениях. Как в классическом магнетроне электроны, вращаясь азимутально в «спицах», отдают потенциальную энергию в энергию СВЧ-излучения, осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцом катода. Этот ток образован действием скрещенных электрического краевого поля и продольного магнитного поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. Релятивистские магнетроны могут содержать один или несколько волноводных выводов мощности, связанных посредством щелей связи с резонаторами анодного блока. Выходная мощность релятивистского магнетрона составляет от 200 МВт до нескольких ГВт при длительности импульса излучения десятки наносекунд.
Релятивистские магнетроны, как и их классические аналоги, относятся к приборам резонансного типа с кратковременным взаимодействием электронного потока с электромагнитным полем. Резонансная система магнетрона является распределенной электродинамической структурой и отличается многомодовостью. Моды (виды колебаний) магнетрона отличаются различными распределениями высокочастотных электрического и магнитного полей в пространстве между катодом и анодом, а также генерируемыми длинами волн. Модовая нестабильность особенно сильно проявляется при возмущениях электрических режимов прибора: в импульсном режиме, при работе на несогласованные нагрузки и т.п. Еще одним мощным фактором нестабильности релятивистских магнетронов является нестационарность взрывоэмиссионного плазменного слоя в прикатодной области. Радиальное расширение катодной плазмы нарушает условие синхронизма и вызывает значительный дрейф частоты в течение импульса генерации. Обычно в экспериментах наблюдается возбуждение ближайшего к рабочему π-виду колебаний «паразитного» (N/2-1)-вида колебаний анодного блока или его (-1) гармоники. Это связано с тем, что (N/2-1)-вид или его (-1) гармоника имеют наименьшую величину разделения по напряжению возбуждения с рабочим видом колебаний. Поэтому при отклонениях напряженности электрического поля или величины магнитного поля от оптимальных значений начинают выполняться условия для возбуждения (N/2-1)-вида колебаний или его (-1) гармоники. Следует отметить, что частота вида колебаний и частота его (-1) гармоники равны.
Для разделения видов колебаний по частотам и стабилизации основного рабочего вида колебаний в классических магнетронах используются методы, основанные на введении в резонансные системы генераторов дополнительных элементов в виде связок или высокодобротных резонаторов. Для релятивистских короткоимпульсных приборов эти приемы не являются эффективными. Так, аноды релятивистских магнетронов обычно имеют большую длину, и высокочастотные поля, изменяющиеся вдоль оси прибора по гиперболическому закону, быстро ослабевают. Влияние связок, располагаемых на торцах анодного блока, в этом случае будет ослаблено. Высокодобротные резонаторы, связанные с анодной полостью магнетрона, вообще говоря, не обеспечивают непосредственного влияния на распределение высокочастотного поля в пространстве взаимодействия. Известно, что стабилизирующее действие внешнего контура является свойством одного из возникающих в системе собственных типов колебаний. С этой точки зрения введение в резонансную систему дополнительного резонатора делает ее частотный спектр еще более насыщенным. Так как питающее напряжение в импульсном режиме изменяется в широких пределах, то условия возбуждения могут выполняться для разных видов колебаний. Применение высокодобротных резонаторов в импульсном режиме ограничено также их естественной инерционностью. Наконец, высокий уровень генерируемой мощности может привести к пробоям в связках и в узлах соединений с дополнительными резонаторами.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение спектральных и энергетических характеристик генерируемого СВЧ-излучения. Технический результат заключается в отражении и не пропускании в нагрузку волноводным фильтров СВЧ-колебаний с длиной волны «паразитного» вида, а также подавлении в резонаторах анодного блока и в пространстве взаимодействия релятивистского магнетрона «паразитного» (N/2-1)-вида колебаний или его (-1) гармоники.
Релятивистский магнетрон с волноводными выводами мощности, содержащий коаксиально расположенные многорезонаторный анодный блок, соединенный с волноводными выводами мощности количеством n=1, 2, …, N, и взрывоэмиссионный катод, цилиндрическую трубу дрейфа и магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, отличающийся тем, что в широкие стенки волноводных выводов мощности на расстоянии λ/2 от резонаторов анодного блока врезаны волноводные фильтры, выполненные в виде короткозамкнутых волноводных отрезков длиной, равной λ/4, где N - количество резонаторов анодного блока; λ - длина волны в волноводе (N/2-1)-вида колебаний анодного блока.
Для улучшения спектральных и энергетических характеристик генерируемого СВЧ-излучения предлагается релятивистский магнетрон с волноводными выводами мощности, в которых дополнительно устанавливаются волноводные фильтры. Волноводный фильтр представляет собой отрезок волновода, врезанный в широкую стенку волноводного вывода мощности на расстоянии λ/2 от резонатора анодного блока. Волноводный фильтр представляет собой короткозамкнутый волноводный отрезок длиной, равной λ/4, где λ - длина волны в волноводе соседнего с рабочим «паразитного» (N/2-1)-вида колебаний.
Устройство изображено на чертеже, показывающем релятивистский магнетрон с 8-резонаторным анодным блоком и двумя волноводными выводами мощности из противоположных резонаторов.
Предлагаемый релятивистский магнетрон с волноводными выводами содержит многорезонаторный (число резонаторов N) анодный блок 1, с волноводными выводами мощности 2. Количество волноводных выводов СВЧ-излучения может составлять от 1 до N. Коаксиально анодному блоку 1 расположен катод 3, связанный посредством катододержателя с источником питания. С противоположной стороны от катододержателя расположена труба дрейфа электронов торцевого тока (на чертеже катододержатель, труба дрейфа и источник питания не показаны). Магнитная система 4 магнетрона выполнена из двух магнитных катушек в виде пары Гельмгольца. В промежутке между катушками проходят волноводные выводы мощности 2. В широкую стенку волноводных выводов мощности 2 врезаны на расстоянии λ/2 от резонатора анодного блока волноводные фильтры 5 в виде короткозамкнутых волноводных отрезков длиной, равной λ/4. Волноводные выводы мощности 2 могут оканчиваться рупорной антенной или волноводно-щелевой решеткой для вывода СВЧ-излучения в свободное пространство, а также могут быть связаны между собой внешним каналом связи (не показаны).
Выбор длины волноводного фильтра 5 и его положения позволяет подавить возбуждение «паразитного» (N/2-1)-вида колебаний релятивистского магнетрона и исключить его появление в нагрузке. Тем самым достигается указанная выше задача улучшения спектральных и энергетических характеристик выводимого СВЧ-излучения, повышается стабильность параметров выходных импульсов.
Устройство работает следующим образом. Предварительно включается питание катушек магнитной системы 4, работающей в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). В промежутке катод 3 - многорезонаторный анодный блок 1 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. Успехи физ. наук. 1983, т.139, с.265-302]. В скрещенных радиальном электрическом и аксиальном магнитном полях происходит образование электронных "спиц" пространственного заряда, и процесс передачи энергии электронов в энергию СВЧ-излучения осуществляется также, как в классическом магнетроне. Для уменьшения потерь электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона применяется цилиндрическая труба дрейфа [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия. // ЖТФ, 1983, т.53, №11, с.2266-2268]. Вывод СВЧ-излучения из резонаторов анодного блока осуществляется через щели в стенках резонаторов и далее через волноводные выводы мощности 2. В широкой стенке волноводного вывода мощности 2 на расстоянии λ/2 от резонатора анодного блока 1 врезаны волноводные фильтры 5 в виде короткозамкнутых волноводных отрезков длиной, равной λ/4, где λ - длина волны в волноводе соседнего с рабочим «паразитного» (N/2-1)-вида колебаний. Короткозамкнутый четвертьволновый фильтр не пропускает от резонатора анодного блока 1 в нагрузку (антенна, волноводно-щелевая решетка) СВЧ-колебания с длиной волны λ, т.е. волну, возбуждаемую «паразитным» видом колебаний. Известно [Воскобойников М.Ф, Черников А.И. Техника и приборы СВЧ. М. Радио и связь. 1982, стр.53-54], что для колебаний с такой длиной волны четвертьволновый отрезок создает разрыв (бесконечно большое сопротивление в месте присоединения отрезка). Колебания других длин волн, в том числе и рабочего π-вида колебаний волноводный фильтр будет пропускать. Таким образом, волноводный фильтр 5 играет роль отражающего фильтра для колебаний с длиной волны, равной λ. Для того чтобы избежать попадания отраженной волны с длиной λ в катод-анодный промежуток релятивистского магнетрона волноводный фильтр 5 устанавливается на расстоянии λ/2 от резонатора. Отраженная волна от фильтра 5 поступает в противофазе с волной, поступающей от резонатора анодного блока. Таким образом, в плоскости присоединения волноводного вывода мощности 2 к резонатору образуется электрическая закоротка для колебаний с длиной волны, равной λ. СВЧ-колебания с длинами волн, отличающимися от λ, будут свободно выводится из резонатора через волноводные выводы мощности 2 в нагрузку.
Примером конкретного выполнения служит релятивистский магнетрон 10 см диапазона длин волн с восемью резонаторами лопаточного типа, спроектированный и изготовленный в НИИ ЯФ ГОУ ВПО ТПУ. Внутренний диаметр анодного блока, выполненного из нержавеющей стали, равен 43 мм, глубина резонаторов - 21,5 мм, длина анодного блока - 72 мм, графитовый катод имеет диаметр 22 мм. Анодный блок имеет два волноводных вывода мощности из противоположных резонаторов. Данный магнетрон был изготовлен для получения СВЧ-импульсов большей мощности, чем магнетрон с 6-резонаторным анодным блоком, имеющий аналогичные геометрические размеры. Возбуждение рабочего π-вида колебаний в приборах с увеличенным числом резонаторов происходит при больших магнитных полях; при этом радиус циклотронного вращения электронов уменьшается, что и должно приводить к увеличению электронного к.п.д. прибора. Однако использование систем с увеличенным числом резонаторов резко усиливает конкуренцию видов колебаний. Результаты предварительных экспериментов показали, что 6-резонаторный магнетрон демонстрирует более высокую эффективность (~20%) при максимальной выходной мощности 300 МВт (параметры импульса питания: катод-анодное напряжение 340 кВ, ток 4,3 кА). При том же питании магнетрон с 8-резонаторным анодным блоком имеет выходную мощность ~250 МВт. Измерения показали, что излучение 8-резонаторного магнетрона характеризуется широким спектром и наличием двух максимумов, связанных с возбуждением двух видов колебаний, имеющих разные частоты. На переднем фронте импульса большую амплитуду имеет вид колебаний с меньшей длиной волны (более высокочастотный); затем в течение импульса амплитуды сигналов, соответствующих двум видам колебаний, выравниваются, и к концу импульса большую амплитуду приобретает уже вид колебаний с большей длиной волны. Учитывая данные расчета можно заключить, что на фронте превалирует π-вид колебаний, а к концу импульса 3π/4-вид ((N/2-1)-вид для 8-резонаторного анодного блока), имеющий большую длину волны. Одновременное существование двух видов колебаний и конкуренция между ними приводят к снижению эффективности работы прибора и расширению спектра колебаний.
2
Использование волноводных фильтров 5, устанавливаемых в волноводных выводах мощности 2, приводит к подавлению «паразитного» 3π/4-вида колебаний. Для этого в широкой стенке волноводного вывода мощности 2 на расстоянии λ/2=6,8 см от резонатора анодного блока был врезан четвертьволновый (длина равна λ/4=3,4 см) отрезок стандартного волновода 10-см диапазона длин волн. Волновод закорачивался со стороны свободного конца торцевой пластиной. При этом величина λ=13,6 см соответствовала длине волны в волноводе «паразитного» 3π/4-вида колебаний (длина волны 3π/4-вида колебаний в свободном пространстве равна 9,87 см). Волноводный фильтр был изготовлен из стандартного волновода прямоугольного сечения 7,2×3,4 см.
В нагрузку релятивистского магнетрона (рупорная пирамидальная антенна) поступало излучение, соответствующее возбуждению только рабочего π-вида колебаний с длиной волны 9,2 см в свободном пространстве. Подавление в резонаторах, а значит и в пространстве взаимодействия релятивистского магнетрона «паразитного» вида колебаний привело к увеличению эффективности работы прибора на рабочем π-виде колебаний. В соответствии с результатами экспериментальных исследований выходная мощность релятивистского магнетрона с 8-резонаторным анодным блоком составила около 350 МВт, при эффективности ~30%.