МАГНЕТРОН С РЕГУЛИРУЕМОЙ МОЩНОСТЬЮ
MAGNETRON WITH REGULATED POWER

Изобретение относится к устройствам радиоэлектроники и может применяться в бытовой технике и производственных процессах.
Известен магнетрон [1, стр.282-289], который представляет собой ряд отверстий по окружности в анодном блоке, соединенных узкими прорезями с центральным отверстием, в котором находится катод. Каждое отверстие из этого ряда представляет собой резонатор, то есть выродившуюся в отверстие с прорезью колебательную систему, где отверстие являет собой виток индуктивности, а ее прорезь - плоскости конденсатора. Управление электронами в магнетроне осуществляется путем воздействия на электронный поток с катода постоянных электрического и магнитного полей. При подаче напряжения на катод и анод с катода вылетают электроны и своим движущимся по криволинейной траектории электрическим полем возбуждают электрические колебания в прорезях резонаторов магнетрона. Электрические колебания в прорезях резонаторов магнетрона формируют из электронов так называемые «спицы» - сгустки электронов, протянутые от катода к аноду. При этом от катода к аноду толщина «спицы» уменьшается, а плотность электронов увеличивается. При этом энергия электронов при их криволинейном движении и их группировании в так называемые «спицы» переходит в энергию электромагнитных колебаний магнетрона.
В предлагаемом изобретении для регулировки мощности магнетрона предлагается регулировать ток катода, например разделенного на электрические или тепловые отдельные участки любой формы и размера и любого места положения на катоде. Количество участков катода, на которые подается напряжение, определяется требуемой выходной мощностью.
Это отображено на фиг.1 и фиг.2.
На электрической схеме магнетрона с электрическими участками (фиг.1) указаны анод 1, катоды 2 и нагреватель 3.
На электрической схеме магнетрона с катодом прямого накала (отдельные тепловые участки одного целого катода) (фиг.2) указаны анод 1, нагреватели 3 и вывод 4 -объединенный вывод соединенных вместе катодов - нагревателей и собственно нагревателей. При этом катоды различных нагревателей являются по сути одним катодом, и к нему подводится одно катодное напряжение по выводу 4, а нагревателей участков одного катода несколько, и к ним подводится напряжение накала по выводам 3 и 4, создающее тепловой участок на катоде, эмиттирующий электроны. Количество нагревателей одного катода, на которые подается напряжение накала, определяется требуемой мощностью магнетрона.
Различие между первым (электрические участки) и вторым (тепловые участки) способами заключается в том, что в первом способе реализуется максимально возможное быстродействие регулировки мощности, но требуется коммутировать очень высокие напряжения - единицы и десятки киловольт. Во втором способе быстродействие определяется временем разогрева катода, что в большинстве случаев приемлемо, но коммутировать приходится напряжение накала, которое составляет максимум несколько вольт, что значительно практичнее.
На основе предложенного изобретения способа регулировки мощности магнетрона предлагаются изобретения, касающиеся конструкции таких катодов магнетрона.
Как известно [2, 3, 4], катоды бывают двух видов - косвенного и прямого накала. При косвенном накале катод состоит из собственно катода и отдельного катодного подогревателя - все это называется катодным узлом. При прямом накале катод непосредственно нагревается проходящим по нему током накала, и к нему подведено катодное напряжение. При этом на катоде от протекания катодного тока возникает падение напряжения до долей и единиц вольт, что, впрочем, не страшно, так как анодное напряжение магнетрона составляет единицы и десятки киловольт.
Катод магнетрона обычно представляет собой полый цилиндр - трубку, с торцов которого подводится напряжение накала и с одного торца - катодное напряжение. Таким образом, цепи накала и питания катода гальванически связаны. Удобство такого катода заключается в том, что он быстро разогревается. Это повышает потребительскую привлекательность устройств, где расположен магнетрон - в печках СВЧ.
В предлагаемом изобретении (на основе предложенного способа регулировки мощности магнетрона) катод делают прямого накала из нескольких одинаковых колец с разрезом (фиг.5), расположенных одно над другим с небольшим зазором, причем в разрезах концы лент 6 колец (фиг.5) выведены внутрь (изогнуты под углом до 90° - фиг.4), и к ним прикреплены вводы напряжения 5,7, выведенные в торец получившейся трубки из колец. На кольца наносят эмитирующие электроны слои пропорционально требуемой мощности. Ленты кольца являются нагревателями и изготовлены, например, из вольфрама в виде плоской ленты (фиг.3а, б). Разрезы колец совмещены, и с одной стороны разреза к кольцам крепят общий ввод 5, а с другой стороны - отдельные вводы 7 для каждого кольца. Эти вводы могут иметь изгибы в любой плоскости и выводятся с торца получившегося цилиндра из колец. На общий ввод 5 подают общее напряжение накала и катодное напряжение. На остальные вводы 7 подают напряжение накала в соответствии с необходимой эмиссией электронов с этого кольца. Также внутри колец могут размещаться элементы, например, в виде тонких стержней, фиксирующих форму колец и их местоположение в пространстве. Кроме того, сами вводы 5,7 являются держателями колец и также определяют их местоположение в пространстве. В зазорах и разрезах возможно размещение электрически изолирующих прокладок.
Стержни и вводы крепят в керамике с торцов цилиндра из колец.
Можно обойтись и без общего ввода 5 и заменить его на ввод типа 7 на каждом конце кольца, вывести вводы 7 за пределы вакуумной части магнетрона и уже там осуществлять соединения и коммутацию.
Возможно выштамповать из высокоомной фольги заготовку, где вводы заменены материалом фольги, и затем загнуть нужным образом заменяющие стержни участки фольги и покрыть их проводящим ток металлом. Возможно выштамповать из листовой заготовки все ленты колец сразу в виде гребенки (фиг.7). При этом возможно выштамповать общий ввод 9, который крепят, например, при помощи сварки под давлением к общему вводу 5.
Возможно разместить общий ввод 5 посередине кольца внутри его с охватом лентой кольца и зазором при выходе ленты на окружность, (фиг.6) при этом ввод 5 соединяется соединением 8 с лентой 6. Причем зазор в месте крепления общего ввода 5 может быть как на равных расстояниях от зазора при вводах 7, так и на разных расстояниях от него.
Для управления мощностью выбирают необходимое количество колец (лент) и ток накала подают только на них, соответственно эмиссия электронов происходит только с них. При этом место, где все ленты соединены общим стержнем, является местом ввода катодного напряжения через этот стержень. Так как ленты являются одинаковыми, ток накала течет в них одинаково, и они одинаково нагреваются и одинаково способны эмиттировать электроны и эмиссия электронов зависит только от размеров нанесенного на ленты эмиттирующего слоя или от его отсутствия.
Эмиттирующий слой на нагреватель можно наносить при помощи пульверизатора через трафарет. Долговечность такого катода вполне достаточна для работы печи СВЧ, по крайней мере, в течение 10 лет. За это время произойдет естественный процесс устаревания бытового прибора как физический, так и моральный.
Также можно использовать в качестве эмиттера электронов просто ленты нагревателя разной ширины и толщины, вплоть до проволоки, без нанесения на них эмиттирующего электроны слоя. По сравнению с нанесенным на ленту нагревателя оксидным слоем, эмиттирующим электроны при температуре примерно 1100°С, эмиссия с просто нагревателя чрезвычайно мала и существенна только при температурах около 2000°С. Поэтому применение просто нагревателя в качестве катода позволяет увеличить дискретность установки мощности до десятых и даже сотых долей процента от полной мощности магнетрона.
Применение подобного катода возможно не только в магнетронах, но и в других СВЧ-приборах типа М, например, в усилителях. Это позволяет регулировать их коэффициент усиления или стабилизировать усиление при изменении со временем эмиссии электронов. Кроме того, можно использовать катод и в приборах типа О, в том числе и с другой поверхностью эмиссии.
Известно изготовление керметкатода из колец [3, стр.103], на основе такого катода возможно размещение колец подобным же образом на изолирующей прокладке и подвод к каждому отдельному кольцу катода катодного напряжения внутри изолирующей прокладки между кольцами и нагревателем.
Источники информации
1. Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В.Дружинина. Военное издательство Министерства Обороны, Москва, 1967 г.
2. Волкова З.П., Хотин В.М. «Материалы электровакуумного производства», Л., Энергия, Ленинградское отделение, 1980.
3. Евстигнеев С.И., Ткаченко А.А. «Катоды и подогреватели электровакуумных приборов», М., Высшая школа, 1975.
4. Антонов В.А. «Технология производства электровакуумных и полупроводниковых приборов», М., Высшая школа, 1979.