РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН С ВОЛНОВОДНЫМИ КАНАЛАМИ СВЯЗИ РЕЗОНАТОРОВ
RELATIVISTIC MAGNETRON WITH RESONATOR WAVEGUIDE CHANNELS

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть применено для генерации мощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования к стабильной работе приборов, к сохранению от импульса к импульсу амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ-сигнала, а для некоторых применений требуется высокая направленность излучения.
Известно устройство - классический магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. Сов. Радио, 1966, 224 с.], состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного посредством катододержателя с источником питания. Снаружи установлена магнитная система в виде постоянного магнита, либо в виде электромагнита из двух катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между полюсами магнита 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 СВЧ излучению и осуществляют радиальный дрейф к аноду. Энергия СВЧ излучения выводится через щель связи в одном из резонаторов и плавный волноводный переход.
Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями выходных параметров источника питания - напряжения и тока. Увеличению напряжения препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потере им эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя. Величина тока ограничена эмиссионной способностью материала катода.
Известно также устройство - релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрическую трубу дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока, расположенный коаксиально анодному блоку катод, связанный посредством катододержателя с выводом отрицательной полярности источника питания, и магнитную систему. Выводы мощности двух противоположных резонаторов соединены посредством прямоугольного волновода каналами связи. В каналах связи выполнены излучающие щели. Центральная щель выполнена на оси электрической симметрии канала связи. [Винтизенко И.И.; Заревич А.И.; Новиков С.С. Релятивистский магнетрон. Патент RU 2228560, опубликовано 10.05.2004]. Это устройство выбираем за прототип.
В качестве источников питания релятивистских магнетронов используются сильноточные электронные ускорители. В релятивистских магнетронах анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс напряжения отрицательной полярности длительностью 50-200 нс, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В скрещенных радиальном электрическом 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 и в классическом магнетроне, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают потенциальную энергию энергии СВЧ излучения и осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцом катода. Этот ток возникает под действием скрещенных электрического краевого и продольного магнитного полей. Использование трубы дрейфа большого диаметра позволяет возвращать часть электронов обратно в пространство взаимодействия, увеличивая эффективность прибора. Электроны торцевого тока, которые не вернулись в область анодного блока, оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. Выводы мощности из противоположных резонаторов анодного блока связаны посредством одного или нескольких (максимально N/2, N- число резонаторов) каналов связи, предназначенных для увеличения выходных характеристик релятивистского магнетрона. Во внешних каналах связи выполнены излучающие щели для вывода СВЧ излучения, и такой канал связи представляет собой одномерную антенную решетку. Как показали экспериментальные исследования [Винтизенко И.И., Новиков С.С., Заревич А.И. Релятивистский магнетрон с распределенным выводом СВЧ излучения. Письма в ЖТФ, 2005, т.31, в.9, с.63-68], применение внешних каналов связи увеличивает эффективность релятивистского магнетрона и улучшает его спектральные характеристики по сравнению со случаем использования одного вывода мощности из анодного блока.
В зависимости от количества резонаторов анодного блока релятивистского магнетрона длина каналов связи и расположение излучающих щелей различны. При числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - четное число, длина канала равна (2 m+1)λ/2. Центральная щель расположена на оси электрической симметрии системы, а остальные (боковые) щели расположены относительно центральной на расстоянии (2n+1)λ/4, где k - нечетное число, N - число резонаторов анодного блока, m, n - положительное целое число, λ - рабочая длина волны. При числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - нечетное число, длина волновода равна λm, центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на λ/2, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2n+1)λ/4.
Недостатком устройства-прототипа является то, что при использовании нескольких внешних каналов связи, соединяющих противоположные резонаторы анодного блока, невозможно создание двумерной (или многомерной) антенной решетки и формирование направленного излучения. Это происходит из-за того, что волноводные каналы связи пересекаются в пространстве.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение направленности выводимого СВЧ излучения при стабилизации амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ-импульсов релятивистского магнетрона.
Ожидаемый технический результат - повышение напряженности высокочастотного поля на оси излучающей системы, представляющей собой многомерную антенную решетку, составленную из отдельных волноводных каналов с излучающими щелями.
Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон с волноводными каналами связи резонаторов, содержащий, как и прототип, многорезонаторный анодный блок с расположенными на оси взрывоэмиссионным катодом и цилиндрической трубой дрейфа, внешнюю магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, в каналах связи выполнены излучающие щели, причем центральная излучающая щель расположена на оси электрической симметрии канала связи. В отличие от прототипа, волноводными каналами связи числом s=1,2,…N/2 связаны резонаторы, расположенные через один и длина канала связи равна λm для анодных блоков с любым четным числом резонаторов, где N - число резонаторов анодного блока, m - положительное целое число, λ - длина волны колебаний в волноводе.
Целесообразно, чтобы излучающие щели были выполнены в широкой стенке канала связи таким образом, что боковые излучающие щели расположены относительно центральной на расстоянии (2n+1)λ/4 поочередно по разные стороны от средней линии стенки канала, где n - целое число.
Также целесообразно, чтобы излучающие щели были выполнены в широкой стенке канала связи таким образом, что боковые излучающие щели расположены относительно центральной на расстоянии nλ по одну сторону от средней линии стенки канала.
Кроме того, излучающие щели могут быть выполнены в узкой стенке канала связи таким образом, что боковые излучающие щели могут быть расположены относительно центральной на расстоянии nλ на средней линии стенки канала.
Устройство изображено на фиг.1, на фиг.2 - вид магнетрона в плоскости, перпендикулярной оси симметрии на фиг.1, где 1 - цилиндрическая труба дрейфа, 2 - многорезонаторный анодный блок, 3 - катод, 4 - катододержатель, 5 - источник питания, 6 - магнитная система, 7,8 - волноводные каналы связи, 9 - излучающие щели. На фигурах показан восьмирезонаторный релятивистский магнетрон с двумя волноводными каналами связи, в которых выполнено по восемь излучающих щелей 9 (одна центральная, семь боковых) в широкой стенке волновода попеременно по разные стороны средней линии стенки канала. Волноводные каналы связи 7,8 образуют двумерную волноводно-щелевую антенную решетку, обладающую высокими фокусирующими свойствами и излучающую по оси релятивистского магнетрона.
Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 6, работающая в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 5 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 2 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 так же, как в классическом магнетроне.
Каналы связи 7, 8 связывают расположенные через один резонаторы анодного блока 2, что приводит к взаимодействию СВЧ-полей в резонаторах. Как известно [Магнетроны сантиметрового диапазона. Т1, 2. Пер. с англ. под ред. С.А.Зусмановского. - М.: Сов. радио, 1950], для основного рабочего π-вида колебаний резонаторы, расположенные через один, синфазны. Для всех остальных видов колебаний фазовое распределение высокочастотного поля отлично от фазового распределения для π-вида, поэтому такие виды будут подавляться внешним каналом связи. С целью стабилизации π-вида колебаний длина волновода равна λm. В этом случае фаза пришедшей СВЧ-волны оказывается в фазе с колебаниями этого резонатора. Для вывода и распределения СВЧ излучения и стабилизации рабочего вида колебаний магнетрона в стенках канала связи (прямоугольного волновода) выполнены k(k≥1) излучающих щелей 9. Располагая излучающие щели 9 в каждой группе на расстоянии, кратном λ/2 друг от друга поочередно по разные стороны от средней линии стенки волновода, получаем синфазное возбуждение всех щелей [Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ: учебное пособие / Д.И.Воскресенский, С.Д.Кременецкий, А.Ю.Гринев, Ю.В.Котов. - М.: Радио и связь, 1988. - 239 с.]. Расположение щелей по разные стороны от средней линии широкой стенки волновода позволяет в два раза увеличить их количество, приходящееся на единицу длины канала связи.
Другой вариант выполнения волноводных каналов связи, когда излучающие щели 9 прорезаны в широкой стенке канала связи. Центральная излучающая щель расположена на оси электрической симметрии канала связи, а боковые щели расположены относительно центральной на расстоянии λ друг от друга по одну сторону от средней линии стенки канала. Излучающие щели 9 могут быть прорезаны в узкой стенке волноводного канала связи. Центральная излучающая щель расположена на оси электрической симметрии канала связи, а боковые щели расположены относительно центральной на расстоянии nλ на средней линии стенки канала связи. В обоих описанных случаях также получаем синфазное возбуждение всех щелей.
При равенстве волновых сопротивлений излучающих щелей реализуется равномерное распределение выходной энергии магнетрона.
Схема конкретной реализации предложенного устройства изображена на фиг.1, 2. Четыре резонатора анодного блока 2 восьмирезонаторного релятивистского магнетрона, питаемого секцией линейного индукционного ускорителя 5, соединяются через два волноводных канала 7 и 8, в которых выполнены по восемь излучающих щелей 9. Магнитная система 6, изготовленная из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца, питается от регулируемого источника постоянного тока, имеет водяное охлаждение и обеспечивает магнитное поле с индукцией до 0,54 Т. Релятивистский магнетрон имеет водяную рубашку охлаждения анодного блока 2 и трубы дрейфа 1, графитовый катод 3 диаметром 22 мм, закрепленный на катододержателе 4. Внутренний диаметр анодного блока 43 мм, диаметр резонаторов 86 мм, длина анодного блока 72 мм. Диаметр и длина трубы дрейфа 1 200 и 700 мм соответственно. Экспериментальная установка обеспечивает генерацию СВЧ-импульсов с частотой следования до 320 Гц и отличается высокой повторяемостью рабочих характеристик.
2
Волноводные каналы связи 7,8 изготовлены из отрезков стандартного медного прямоугольного волновода внутренним сечением 72х34 мм. Длина каждого канала связи составляет 1385 мм, что соответствует ~9λ (где λ - длина волны в волноводе) на частоте 2840 МГц для рабочего π-вида колебаний магнетрона. Для поворота каналов связи на 90° с целью создания двумерной антенной решетки используются плавные волноводные изгибы в Е- и Н-плоскостях (стандартные волноводные элементы на чертежах не выделены). Вывод энергии СВЧ излучения осуществлялся через излучающие щели 9 в широкой стенке каналов связи.
В использованном релятивистском магнетроне основными конкурирующими видами колебаний являются π-вид и 2π/3-вид (и его (-1) гармоника), имеющие близкие напряжения возбуждения. Последний в отличие от π-вида характеризуется противофазностью колебаний в противоположных резонаторах, что при указанных размерах волноводных каналов связи приводит к его подавлению.
Таким образом, предлагаемый релятивистский магнетрон с внешними волноводными каналами связи позволяет формировать высоконаправленное излучение при сохранении высоких амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ-импульсов релятивистского магнетрона.