МАГНЕТРОН
MAGNETRON

Настоящее изобретение относится к магнетронам.
Магнетроны используют в системах линейных ускорителей для генерирования рентгеновского излучения, и одним из применений таких линейных ускорителей является генерирование рентгеновского излучения для лечения опухолей в лучевой терапии. Для того чтобы выдать оптимальную дозу излучения для опухоли, линейные ускорители закрепляют на гентри, которые вращаются вокруг пациента, иногда с высокой скоростью, пока выдается доза рентгеновского излучения. Это создает проблему, заключающуюся в том, что для достижения оптимальной эффективности катод должен удерживаться в точном положении в полом цилиндрическом аноде при высоком напряжении между анодом и катодом. Катод может опираться на пару электропроводных держателей, которые на своих концах закреплены в вакуумной оболочке.
Таким образом, ссылаясь на фиг.1 и 1а, которые представляют собой соответственно схематичный местный осевой разрез радиально выступающей части известного магнетрона и местный вид с торца части внутреннего пространства анода, в котором катод 1 удерживается в полом цилиндрическом аноде 2 посредством вольфрамовых опорных держателей 3, 4. Радиально выступающая часть вакуумной оболочки, обычно называемая боковой консолью и обозначенная в целом ссылочной позицией 5, является керамической и содержит на своей наружной поверхности катодные клеммы 6, 7, к которым прикладывают постоянное напряжение накала для катода, наложенное на высокое отрицательное напряжение, требующееся для работы магнетрона. Основной корпус 8 магнетрона выполнен из металла и содержит каналы 9, 10 для размещения опорных держателей 3, 4. Радиально выступающая часть включает в себя металлическое кольцо 11, которое приварено к основному корпусу 8 и припаяно тугоплавким припоем к металлической втулке 12, которая металлизирована на ее нижнем закругленном крае. Радиально выступающая часть закрыта стенкой 13, которая герметично соединена с цилиндрической втулкой 12. Опорные держатели 3, 4 образуют электрическое соединение с клеммами 6, 7, поскольку их концы закреплены в гнездах 14, 15, которые герметично удерживаются в стенке 13 и соединяются через клеммы 6, 7 с наружной стороной.
На свободных концах опорные держатели катода соединены с противоположными концами катода 1 посредством выводов 29, 30. Опорные держатели 3, 4 катода заканчиваются, не доходя до цилиндрического анодного пространства 2, обеспечивая пространство для вставки катода в осевом направлении во время изготовления (см. фиг.1а), и данные выводы подсоединяют только тогда, когда катод установлен в анодное пространство. Вывод 30 на одном конце может быть v-образным, причем верхняя часть соединена с опорным держателем 4 катода, а концы ножек соединены с катодом. Вывод 29 на другом конце может представлять собой проводник, согнутый в параллельные нити и соединенный с проводом накала, выходящего из другого конца катода через изолирующее кольцо (не показанное, но изображенное в публикации нашего патента США № 2009/0236991).
Предполагается, что опорные держатели 3, 4 поглощают механические вибрации, которые могут нарушать нормальную работу магнетрона.
Данное изобретение обеспечивает магнетрон, в котором вакуумная оболочка содержит часть, которая выступает радиально относительно оси катода, пару электропроводных опорных держателей для поддержки катода и находящихся в электрическом соединении с клеммами питания катода, причем свободные концы опорных держателей соединены с выводами, подсоединенными к катоду, и держатели закреплены в стенке, перекрывающей сечение радиально выступающей части, причем стенка расположена относительно продольного направления радиально выступающей части ближе к концу, который примыкает к катоду, чем к концу, который удален от катода.
Таким образом, уменьшение свободной длины опорных держателей посредством закрепления их в стенке, расположенной между концами радиально выступающей части, позволяет уменьшить или устранить нежелательные частоты вибрации.
Каждый опорный держатель может быть выполнен в виде двух элементов, соединенных вместе, причем один элемент, который может быть выполнен из вольфрама, или молибдена, или меди, или никеля, или их сплавов, закреплен в стенке и имеет больший диаметр, чем другой элемент, который может быть выполнен из вольфрама, или молибдена, или их сплавов, который соединен с катодом. При желании опорные держатели могут быть выполнены из более чем двух элементов.
Стенка может быть выполнена как одно целое с элементом радиально выступающей части, который удален от катода, и может быть соединена с элементом, примыкающим к катоду, посредством уплотнительного материала, для того чтобы обеспечить доступ к стенке для нанесения металлизации. Данные элементы могут быть выполнены из керамического материала.
Стенка может быть расположена относительно продольного направления радиально выступающей части на расстоянии, составляющем менее одной трети или менее одной четверти расстояния от конца, примыкающего к катоду, до конца, удаленного от катода.
Опорные держатели предпочтительно заканчиваются за пределами проекции цилиндрического анодного профиля, а выводы, которые могут представлять собой никелевые провода, приваривают или припаивают тугоплавким припоем, чтобы образовать соединение между катодом и опорными держателями катода во время сборки магнетрона.
Ниже в качестве примера будет подробно описан один способ осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичный местный осевой разрез радиально выступающей части известного магнетрона;
Фиг.1а представляет собой местный вид с торца магнетрона в соответствии с фиг.1, если смотреть вдоль линий 1а-1а, показанных на фиг.1;
Фиг.2 представляет собой осевой разрез радиально выступающей части магнетрона в соответствии с изобретением;
Фиг.3 представляет собой осевой разрез керамического элемента радиально выступающей части, показанной на фиг.2; и
Фиг.4 представляет собой вид с торца снизу керамического элемента, показанного на фиг.3.
На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы.
Магнетрон настоящего изобретения отличается от известного магнетрона, показанного на фиг.1, конструкцией, выполненной в виде боковой консоли радиально выступающей части 5 вакуумной оболочки, а точнее, способом закрепления опорных держателей катода.
Как показано на фиг.2, радиально выступающая часть содержит два трубчатых керамических элемента 16, 17, причем последний содержит глухую нижнюю концевую стенку 18. Трубчатый керамический элемент 16 подвергают металлизации на его нижнем изогнутом крае и припаивают тугоплавким припоем к металлическому кольцу 11, которое также приваривают к основному корпусу магнетрона, который выполнен так же, как показано на фиг.1, и поэтому на фиг.2 не изображен. Катод и катодные выводы 29, 30 такие же, как показаны на фиг.1.
В отличие от известного магнетрона, показанного на фиг.1, свободная длина опорных держателей катода, обозначенных в целом ссылочными позициями 3, 4, значительно короче, и держатели герметично закреплены в отверстиях в нижней концевой стенке 18, которая расположена ближе к катодному концу бокового консольного выступа, чем другому концу бокового консольного выступа. Кроме того, каждый опорный держатель 3, 4 выполнен в виде двух соединенных вместе элементов, причем один элемент 19, 20 закреплен в стенке 18 и имеет больший диаметр, чем другой элемент 27, 28, который соединен с катодными выводами 29, 30.
Элементы 19, 20 опорных держателей содержат выполненные как одно целое удлинения 19а, 20а, и к концам данных удлинений прикреплены клеммы 6, 7 питания катода. Данные клеммы и выполненные как одно целое удлинения защищены трубчатым элементом 17, который также является барьером для высокого напряжения между анодным корпусом и клеммами 6, 7. При желании, свободное пространство внутри трубчатого элемента 17 может быть заполнено резиновым материалом, для того чтобы предотвратить возникновение в данном пространстве коронного разряда.
Для предотвращения утечки ВЧ через радиально выступающую часть предусмотрены ВЧ дроссели. В частности, металлическое кольцо 11 содержит четвертьволновый дроссель 21 для предотвращения утечки ВЧ вокруг периферии отверстия в радиально выступающую часть, а элементы 19, 20 опорных держателей катода окружены полыми втулками 22, 23, также четвертьволновыми по длине для предотвращения утечки ВЧ вдоль опорных держателей 3, 4 катода. ВЧ дроссели 21, 22, 23 перекрывают друг друга.
ВЧ дроссели 22, 23 содержат развальцованные участки 22а, 23а.
Для обеспечения целостности вакуумного уплотнения в стенке 18, элементы 19, 20 опорных держателей катода припаяны тугоплавким припоем к более узким по диаметру участкам полых втулок 22, 23, которые в свою очередь припаяны тугоплавким припоем своими верхними концами к нижней стороне стенки 18, при этом сопрягающиеся поверхности металлизированы. Кроме того, развальцованные участки 22а, 23а выполнены с возможностью перекрытия металлизированных колец (24, 25 на фиг.4), для того чтобы уменьшить напряженность электрического поля на участке металлизации, когда через электропроводные элементы 19 и 20 подают импульсы с высоким отрицательным напряжением. На участке между этими двумя компонентами развальцованные участки 22а и 23а обрезаны, для того чтобы они не вызывали короткого замыкания.
Такая операция металлизации может быть неудобной для осуществления в ограниченном пространстве под стенкой 18. Поэтому трубчатый керамический элемент 17 может быть соединен со стенкой либо во время, либо после осуществления операций металлизации. Для вакуум-плотного соединения указанных элементов может быть использован слой стеклянного порошка 26.
Для того чтобы уменьшить свободную длину опорных держателей катода, стенка 18 расположена, по меньшей мере, на полпути вдоль боковой консоли от верхнего конца до нижнего конца, если смотреть на фиг.2.
Свободная длина держателей 3 и 4 значительно короче, чем в известном магнетроне, показанном на фиг.1, поэтому опорные держатели резонируют на других частотах, отличающихся от частот, на которых резонируют опорные держатели катода в известном магнетроне. Предполагается, что частота резонанса увеличивается, причем если в известном магнетроне опорный держатель резонирует на частоте примерно 50 Гц, то в магнетроне в соответствии с изобретением частота резонанса становится выше 100 Гц.
На частоту резонанса опорных держателей катода влияют различные факторы. Так, частота резонанса зависит от жесткости держателей, в связи с чем необходимо отметить, что диаметр элементов 19, 20 опорных держателей больше диаметра элементов 27, 28, которые соединены с катодом. Кроме того, выбор для элементов 19, 20 материалов с большим поперечным сечением также обеспечивает преимущество, заключающееся в увеличении теплоотдачи за счет отведения тепла из катода и его смежных элементов. Это может быть предпочтительно, если магнетрон работает близко к своему верхнему пределу для средней выходной мощности.
Пригодными материалами для элементов 27, 28 опорных держателей являются вольфрам, молибден или другие тугоплавкие металлы или сплавы. Пригодные материалы для элементов 19, 20 включают вольфрам, молибден и их сплавы, медь, никель и другие сплавы никеля.
В описанном варианте осуществления могут быть выполнены изменения без отхода от объема изобретения. Так, например, стенка 18 может быть выполнена в виде основания с очень глубокой чаши, прикрепленной к верхнему концу втулки 17, то есть наподобие стенки 13 в соответствии с конструкцией известного уровня техники, показанной на фиг.1, но с такой глубиной, чтобы стенка 18 находилась в таком же положении относительно продольного направления боковой консоли. Как вариант, в конструкции, показанной на фиг.2, трубчатый элемент 16 может быть выполнен как одно целое с трубчатым элементом и стенкой 18. Трубчатый элемент 17 может быть короче по длине, чем показанный.
Данное изобретение особенно подходит для магнетронов с пиковыми выходными мощностями от 2 МВт. Обычный диапазон рабочих частот находится в пределах от 2850 МГц до 3010 МГц, при этом данная конструкция особенно подходит для использования в диапазоне от 2993 МГц до 3002 МГц.