РЕЛЯТИВИСТСКИЙ МАГНЕТРОН С КАТОДНЫМИ КОНЦЕВЫМИ ЭКРАНАМИ
RELATIVISTIC MAGNETRON WITH CATHODE END SHIELDS

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации сверхмощного СВЧ-излучения. Практическое использование мощных импульсов электромагнитного излучения предъявляет требования достижения максимальной мощности прибора за счет высокой эффективности преобразования энергии электронного пучка в энергию СВЧ-колебаний. Эту проблему позволяет решить предлагаемое устройство.
Известно устройство - релятивистский магнетрон, состоящий из многорезонаторного анодного блока с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрической трубы дрейфа и вакуумной камеры с внутренними радиусами, превышающими внутренний радиус анодного блока, и магнитной системы. Коаксиально анодному блоку расположен катод, связанный посредством катододержателя, проходящего внутри вакуумной камеры, с отрицательным выводом источника питания [Винтизенко И.И. и др. Экспериментальные исследования разнорезонаторного сильноточного магнетрона. // Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, №8, с. 482-485]. В качестве источника питания релятивистского магнетрона используются сильноточные электронные ускорители или линейные индукционные ускорители (ЛИУ). Вакуумная камера, анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс отрицательной полярности длительностью 50-200 нс, амплитудой до 1000 кВ. В скрещенных электрическом радиальном поле между катодом и анодным блоком и продольном 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, радиально дрейфуя к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока потерь. Этот ток образован действием скрещенных краевого электрического поля и продольного магнитного поля, а также пространственным зарядом электронного облака в катод-анодном промежутке прибора. Электроны торцевого тока оседают на поверхность вакуумной камеры и трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля.
инж
Величина торцевого тока магнетрона, равного току инжекции электронов I с торца катода, составляет [Федосов А.И. К расчету характеристик электронного пучка, формируемого в диодах с магнитной изоляцией. Изв. ВУЗов, Физика, 1977, №10, с. 134-135]:
где m, е - масса и заряд электрона;
с - скорость света;
- полная энергия электрона;
- кинетическая энергия электрона;
U - прикладываемое напряжение между катодом и анодным блоком;
a
r - внутренний радиус анодного блока;
c
r - внешний радиус катода.
торц
Для ограничения тока, уходящего из пространства взаимодействия, используются трубы дрейфа увеличенного радиуса по сравнению с внутренним радиусом анодного блока [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона. // ЖТФ, 1983, т. 53, №11, с. 2286-2288]. В этом случае величина торцевого тока I ограничена на уровне предельного тока транспортировки [Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Устойчивость релятивистских электронных пучков в плазме и проблема критических токов. // Успехи физических наук, 1971, т. 133, №4, с. 603-640]:
t
где r - внутренний радиус трубы дрейфа.
отр
инж
торц
Однако в случае применения труб дрейфа радиусом, в несколько раз превышающим внутренний радиус анодного блока, инжектируемый ток начинает превышать предельный ток транспортировки в трубе дрейфа. Известно, что при инжекции в трубу дрейфа тока больше критического значения на некотором расстоянии от плоскости инжекции образуется виртуальный катод. Часть тока отражается от виртуального катода и возвращается в катод-анодный промежуток. При этом величина отраженного тока будет равна: I=(I-I). Электроны отраженного тока могут попасть в «правильную» фазу электронной «спицы» и отдать свою энергию электромагнитной волне. «Неправильнофазные» электроны возвращаются на катод, отбирая энергию от электромагнитной волны. Использование труб дрейфа большого радиуса позволяет повысить эффективность работы релятивистского магнетрона. Кпд такого релятивистского магнетрона можно представить в следующем виде:
анодн
где I - анодный ток релятивистского магнетрона;
е
η≈0,6 - электронный кпд магнетрона, определяемый его геометрическими параметрами (количеством и размерами резонаторов и т.д.).
a
c
c
торц
анодн
Для реальных размеров используемого релятивистского магнетрона r=21,5 мм и r=9 мм (величина r подбиралась экспериментально) и напряжения U~400 кВ величина I≈1,8 кА, I≈2 кА (при мощности СВЧ-излучения на уровне 300 МВт) и общий кпд прибора составляет ~30% согласно выражению (3).
Недостатком этого устройства являются большие потери торцевого тока в осевом направлении, снижающие эффективность релятивистского магнетрона.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, выбранное за прототип [Винтизенко И.И., Мащенко А.И., Митюшкина В.Ю. Катод с концевыми экранами для релятивистского магнетрона // Письма в журнал технической физики, 2012, т. 38, вып. 21, с. 56-62]. Это - релятивистский магнетрон, состоящий из многорезонаторного анодного блока с одним или несколькими волноводными выводами мощности, вакуумной камеры и цилиндрической трубы дрейфа с внутренними радиусами, превышающими внутренний радиус анодного блока. Коаксиально анодному блоку установлен катод, связанный посредством катододержателя, расположенного в вакуумной камере, с отрицательным выводом источника питания. Обычно длина катода соответствует длине анодного блока. Однако известны конструкции катодов в виде узкой шайбы, устанавливаемой в центре анодного блока. Снаружи анодного блока расположены катушки магнитной системы. В качестве источников питания релятивистских магнетронов используются сильноточные электронные ускорители или линейные индукционные ускорители. В таких приборах анодный блок, вакуумная камера 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. Ток, снимаемый с катода, может достигать 50 кА. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодным блоком и аксиальном 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 и осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцами катода. Этот ток образован действием краевого электрического поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность вакуумной камеры и трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. Следует добавить, что катоды релятивистских магнетронов связаны с источником питания только с одной стороны в отличие от классических магнетронов, имеющих, как правило, симметричное питание катода. Поэтому в релятивистских магнетронах кроме потерь тока за счет сил пространственного заряда и краевого электрического поля имеется дополнительный фактор потерь из пространства взаимодействия под действием азимутального магнитного поля, возникающего из-за протекающего по катоду значительного тока. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодом и азимутальном магнитном поле протекающего тока на электроны действует сила, выталкивающая их из пространства взаимодействия. Релятивистский магнетрон имеет один или несколько волноводных выводов мощности из резонаторов анодного блока, проходящих между катушками магнитного поля, выполненных в виде пары Гельмгольца.
a
c
s
c
a
c
Для уменьшения тока потерь из пространства взаимодействия в приборе-прототипе на расстоянии d≥0,5(r-r) от торцов анодного блока установлены катодные концевые экраны радиусом r=(1,1-1,2)r, где r - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока, r - внешний радиус взрывоэмиссионного катода. Приведенные условия получены в результате экспериментов с концевыми экранами разного радиуса и установленными на разных расстояниях от торцов анодного блока. Следует отметить, что ранее для релятивистских магнетронов концевые экраны не применялись из-за опасения образования взрывной электронной эмиссии на выступающих относительно катода поверхностях. Поэтому диаметр экранов не может быть большим, и экраны должны быть расположены на определенном расстоянии от торцов анодного блока. Это необходимо, чтобы избежать образования взрывной электронной эмиссии на их поверхности, которая в свою очередь создает ток потерь уже с поверхности экранов. Экспериментально для прибора-прототипа показано, что увеличение расстояния между торцом анодного блока и экраном уменьшает положительный эффект их использования. Это связано с увеличенным путем движения электронов из пространства взаимодействия до экрана и обратно и их возможным рассеянием (возвращением в пространство взаимодействия релятивистского магнетрона на больших расстояниях от поверхности катода).
Расположение концевых экранов «привязано» к торцам анодного блока, поскольку, как выше упоминалось, в релятивистском магнетроне возможно использование катодов длиной, меньшей длины анодного блока.
Экспериментально показано, что увеличение мощности релятивистского магнетрона с концевыми экранами достигает 50% в сравнении с релятивистским магнетроном без экранов.
Недостатком является применение для снижения утечки электронов из пространства взаимодействия искажения только электрического поля в области торцевых крышек анодного блока с помощью катодных концевых экранов, выполненных из немагнитного материала (например, дюралюминия). А влияние конфигурации внешнего магнитного поля на траекторию движения электронов не используется. Это ограничивает возможность дальнейшего повышения мощности СВЧ-импульсов, генерируемых релятивистским магнетроном.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение мощности выходных СВЧ-импульсов релятивистского магнетрона.
Технический результат заключается в уменьшении потерь тока из пространства взаимодействия прибора.
s
c
a
c
a
c
Указанный технический результат достигается тем, что, как и прототип, релятивистский магнетрон с катодными концевыми экранами, содержит многорезонаторный анодный блок с торцевыми крышками, волноводный вывод мощности и расположенными на оси катододержателем с взрывоэмиссионным катодом, вакуумную камеру, цилиндрическую трубу дрейфа и внешнюю магнитную систему, а катодные концевые экраны радиусом r=(1,1-1,2)r установлены на катододержателе на расстоянии d≥0,5(r-r) от торцевых крышек анодного блока, где r - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока, r - внешний радиус взрывоэмиссионного катода, в отличие от прототипа, катодные концевые экраны выполнены из ферромагнитного материала, индукция насыщения которого превышает величину индукции максимального рабочего поля магнитной системы.
a
c
s
c
При этом на внешний радиус концевых экранов и их расстояние от торцов анодного блока накладываются условия, аналогичные, как и для прибора-прототипа. Так выбор радиуса концевых экранов и расстояния между экранами, находящимися под высоким потенциалом источника питания, и заземленным торцом (торцевыми крышками) анодного блока должен обеспечивать отсутствие взрывоэлектронной плазмы на поверхности экранов. Выполнение условий: 1) d≥0,5(r-r)и 2) r=(1,1-1,2)r, приводит к тому, что напряженность электрического поля между экраном и анодным блоком ниже напряженности электрического поля между катодом и анодным блоком в пространстве взаимодействия.
Использование катодных концевых экранов из ферромагнитного материала позволяет усилить магнитное поле в области экранов относительно поля в пространстве взаимодействия магнетрона. В этом случае имеется изгиб силовых линий магнитного поля в области экранов, то есть силовые линии, проходящие в пространстве взаимодействия релятивистского магнетрона на радиусах, превышающих радиус экранов, замыкаются на поверхности экранов. Поскольку электроны тока потерь движутся по силовым линиям магнитного поля, действие экранов из магнитного материала обеспечивает отражающее действие для большего числа электронов, в том числе для электронов, покидающих пространство взаимодействия на радиусах, превышающих радиус экранов. С другой стороны, концевые экраны из магнитного материала могут иметь меньший радиус по сравнению с экранами в приборе-прототипе, что позволяет устанавливать их ближе к торцам анодного блока, что также предотвращает утечку электронов из пространства взаимодействия за счет искривления силовых линий магнитного поля.
Выбор ферромагнитного материала экранов, имеющего индукцию насыщения больше, чем величина максимального рабочего поля магнитной системы, является важным условием обеспечения работоспособности предлагаемого устройства во всем диапазоне магнитных полей. Это связано с тем, что в случае превышения внешним магнитным полем величины индукции насыщения ферромагнитного материала экранов, например, в режимах работы прибора с максимальной мощностью, произойдет резкое снижение, вплоть до единицы, магнитной проницаемости материала и потеря этим материалом магнитных свойств. В результате этого концевые катодные экраны, выполненные из ферромагнитного материала, будут работать как немагнитные, изменяя лишь картину электрического поля в зазоре между экранами, краями катода и торцами анодного блока при неизменной конфигурации магнитного поля в этой области, то есть устройство перейдет в режим работы, подобный прототипу, с принципиально меньшей эффективностью, чем в предлагаемом техническом решении.
a
a
c
c
c
a
s
c
a
c
a
c
Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показан релятивистский магнетрон, который имеет многорезонаторный анодный блок 1 с внутренним радиусом r длиной l с волноводным выводом мощности 2. Коаксиально анодному блоку установлен взрывоэмиссионный катод 3 радиусом r, длиной l, причем (l≤l) и катододержатель 4 с концевыми экранами 5. Магнитная система 6 создает магнитное поле. На торцах анодного блока установлены торцевые крышки 7. Катод 3 с помощью катододержателя 4 соединен с высоковольтным фланцем источника питания (на фиг. 1 не показан), от которого подается отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока из пространства взаимодействия прибора используются вакуумная камера 8 и труба дрейфа 9 с большими внутренними радиусами. Чем больше радиус этих элементов, тем меньше предельный ток транспортировки в них. Однако внешние радиусы вакуумной камеры и трубы дрейфа ограничены внутренним радиусом магнитной системы. Чрезмерное увеличение радиусов этих элементов приводит к неоправданному увеличению объема замагничивания и соответственно росту энергозатрат на создание магнитного поля. Поэтому применение камеры и трубы дрейфа лишь частично позволяет уменьшить ток потерь. Концевые экраны 5 выполнены в виде шайб с внешним радиусом r=(1,1-1,2)r и установлены на катододержателе 4 с обеих сторон анодного блока 1 на расстоянии d≥0,5(r-r) от торцевых крышек 7, где r - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока 1, r - внешний радиус взрывоэмиссионного катода 3.
На фиг. 2 представлены экспериментальные результаты применения катодных концевых экранов, установленных на одинаковом расстоянии от торцов анодного блока для релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн. Показаны зависимости мощности СВЧ-импульса релятивистского магнетрона от величины индукции магнитного поля при равном зарядном напряжении первичного источника питания и наличии концевых экранов из ферромагнитного материала (никель) - зависимость 10 и немагнитного материала (дюралюминий) - зависимость 11.
Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 6, работающая 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). Высоковольтный импульс на катод 3 подается по катододержателю 4. В промежутке катод 3 - анодный блок 1 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии с катода 3 [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. // Успехи физических наук. Москва, 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 применяются вакуумная камера 8 и цилиндрическая труба дрейфа 9 большого радиуса. Вывод СВЧ-излучения из резонаторов анодного блока 1 осуществляется через щели в стенках резонаторов и далее через волноводный вывод 2. Поскольку питание катода 3 релятивистского магнетрона осуществляется от источника только с одной стороны, то ток, протекающий по катоду 3, возбуждает в пространстве взаимодействия несимметричное азимутальное магнитное поле, спадающее в сторону трубы дрейфа 9. Совокупность скрещенных радиального электрического поля между катодом 3 и анодным блоком 1 и азимутального магнитного поля, протекающего по катоду 3 тока, формирует силу, выталкивающую электроны из пространства взаимодействия. Поэтому в релятивистском магнетроне, кроме утечки электронов из пространства взаимодействия за счет сил отталкивания пространственного заряда и краевого электрического поля, имеется дополнительный фактор потерь тока под действием собственного азимутального магнитного поля.
a
c
s
c
Для уменьшения потерь тока из пространства взаимодействия электронов с СВЧ-волнами анодного блока 1 на расстоянии d≥0,5(r-r) от торцевых крышек 7 анодного блока 1 на катододержателе 4 установлены концевые экраны 5 с внешним радиусом r=(1,1-1,2)r, выполненные из ферромагнитного материала, например никеля, молибдена, тантала, кобальта, ковара или перминдюра. Экраны 5 искажают эквипотенциальные поверхности вблизи краев пространства взаимодействия таким образом, что возникают силы, действующие на электрон, направленные внутрь этого пространства. Эти силы, будучи параллельны магнитному полю, направляют электроны к центральной области анодного блока 1 и препятствуют тем самым потерям электронов из тонкого прикатодного слоя в трубу дрейфа.
При выборе материала для экранов необходимо, чтобы его магнитная индукция насыщения была выше, чем максимальное рабочее поле магнитной системы. Выполнение этого условия позволяет обеспечить стабильную работу предлагаемого устройства на высоких уровнях синхронных магнитных полей при генерации магнетроном максимальной мощности.
Примером конкретного выполнения может служить релятивистский магнетрон 10-см диапазона длин волн с восемью резонаторами лопаточного типа, разработанный и применяемый в Физико-техническом институте Томского политехнического университета. Внутренний радиус анодного блока 1, выполненного из нержавеющей стали, равен 21,5 мм, глубина резонаторов 21,5 мм, длина 72 мм. На краях анодного блока 1 установлены торцевые крышки 7 толщиной 5 мм. Графитовый катод 3 имеет радиус 10 мм, длину 72 мм. Анодный блок 1 имеет один волноводный вывод мощности 2 из резонатора.
Схема эксперимента с релятивистским магнетроном, снабженным катодными концевыми экранами, соответствовала показанной на фиг. 1. Экспериментальные исследования проводились на линейном индукционном ускорителе ЛИУ 04/6 с выходным напряжением до 400 кВ, током до 4 кА и длительностью импульса по основанию ~180 нс. Магнитная система создавала магнитное поле индукцией до 0,6 Т. Катод 3 с помощью катододержателя 4 соединен с высоковольтным фланцем ЛИУ, на котором формировался отрицательный импульс высокого напряжения. Для ограничения утечки тока магнетрона использовались вакуумная камера 8 и труба дрейфа 9 с внутренним радиусом 92 мм. Катодные концевые экраны 5 были изготовлены из никеля (ферромагнитный материал с индукцией насыщения 0,61 Т) и дюралюминия (немагнитный материал) в виде шайб с внешним радиусом 11 мм, толщиной 10 мм и радиусом скругления цилиндрической поверхности 5 мм. Экраны 5 размещены на катододержателе 4 с диаметром 10 мм в месте посадки, на расстоянии 5 мм от торцевых крышек 7 анодного блока 1 (10 мм от краев катода 3). Для регистрации характеристик высоковольтного импульса ЛИУ применялись емкостной делитель напряжения, пояс Роговского для измерения полного тока ускорителя, а также СВЧ-детекторы с калиброванными волноводными ослабителями, размещенные в «дальней» зоне, для регистрации СВЧ-импульсов. В экспериментах сравнивались выходные импульсы релятивистского магнетрона при использовании катода 3 с двумя экранами 5 из никеля и двумя экранами 5 из дюралюминия, установленными на одинаковом расстоянии по 5 мм от торцевых крышек 7 анодного блока 1. На фиг. 2 представлены зависимости мощности СВЧ-импульсов от величины индукции магнитного поля, снятые при равном зарядном напряжении первичного источника питания ЛИУ для экранов из указанных ферромагнитного и немагнитного материалов. Экспериментальные данные показывают, что применение катодных концевых экранов из никеля приводит к увеличению мощности импульса СВЧ до 450 МВт при сохранении длительности, что на ~13% больше, чем при экранах из дюралюминия.
Таким образом, применение в релятивистском магнетроне катодных концевых экранов из ферромагнитного материала, индукция насыщения которого превышает величину максимального рабочего поля магнитной системы, позволяет увеличить мощность СВЧ-излучения на ~13% по сравнению с известным устройством.