Релятивистский магнетрон

 

Изобретение относится к генерации мощных импульсов СВЧ излучения. Техническим результатом является повышение КПД прибора за счет уменьшения потерь торцевого тока. Отличием данной конструкции является последовательное расположение на одной оси N заземленных многорезонаторных анодных блоков с одним или несколькими волноводными выводами мощности и N коаксиально расположенных блокам катодов. Катоды посредством катододержателя соединены с отрицательным выводом источника питания. Релятивистский магнетрон имеет трубу дрейфа и магнитную систему, состоящую из N+1 магнитных катушек, между которыми проходят волноводные выводы мощности. 1 ил.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации сверхмощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования достижения максимальной мощности прибора за счет высокой эффективности преобразования энергии электронного пучка в энергию СВЧ колебаний. Эту проблему позволяет решить в определенной степени предлагаемое устройство.

Известно 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 и магнитной системы. Коаксиально анодному блоку расположен катод, связанный посредством катододержателя 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. В данных конструкциях 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, эмитированные торцом катода. Этот ток образован действием скрещенных краевого электрического поля и продольного магнитного поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля.

Величина торцевого тока магнетрона, равного току инжекции электронов с торца катода, составляет: где m, е - масса и заряд электрона, с - скорость света; γ_a = 1+eU/mc²; U - прикладываемое напряжение между катодом и анодом; d_м - внутренний диаметр анодного блока; d_k - внешний диаметр катода [Федосов А. И. К расчету характеристик электронного пучка, формируемого в диодах с магнитной изоляцией. Изв. ВУЗов, Физика, 1977, 10, с.134-135]. Для ограничения тока, уходящего из пространства взаимодействия, используются трубы дрейфа увеличенного диаметра по сравнения с внутренним диаметром анодного блока [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона. ЖТФ, 1983, т.53, 11, с.2286-2288]. В этом случае [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] величина торцевого тока ограничена на уровне предельного тока транспортировки: где d_т - внутренний диаметр трубы дрейфа/ Однако в случае применения труб дрейфа диаметром, в несколько раз превышающим внутренний диаметр анодного блока, инжектируемый ток начинает превышать предельный ток транспортировки трубы дрейфа. Известно, что при инжекции в трубу дрейфа тока больше критического значения на некотором расстоянии от плоскости инжекции образуется виртуальный катод. Часть тока (I_инж-I_торц) отражается от виртуального катода и возвращается в катод-анодный промежуток. Электроны отраженного тока могут попасть в правильную фазу "спицы" и отдать свою энергию электромагнитной волне. Неправильнофазные электроны возвращаются на катод, отбирая энергию у электромагнитной волны. Использование труб дрейфа большого диаметра позволяет повысить эффективность работы релятивистского магнетрона. КПД такого релятивистского магнетрона можно представить в следующем виде: где h_е≈0,6 - электродный КПД магнетрона, определяемый его геометрическими параметрами (количеством и размерами резонаторов и т.д.).

Для реальных размеров используемого нами магнетрона d_м=43 мм и d_k=18 мм (величина d_k подбиралась экспериментально) и напряжения U~1000 кВ величина I_торц≈6,37 кА, I_анодн≈кА (при мощности СВЧ излучения на уровне 1 ГВт) и общий КПД прибора составляет 26,4% согласно выражению (3).

Недостатком этого устройства являются большие потери тока в осевом направлении, снижающие эффективность релятивистского магнетрона. Другой недостаток релятивистского магнетрона связан с ограничениями выводимой импульсной мощности за счет развития СВЧ пробоев в волноводном выводе мощности.

Наиболее близкое к предлагаемому устройству выбрано за прототип [Levine J. S. , Aiello N.. Bemford J., Harteneck В. Design and operation of a module of phase-locked relativistic magnetrons. J. Appl. Phys., 1991, v,70, N 5, p. 2838-2848] . Этот релятивистский магнетронный генератор содержит от 3 до 7 модулей. Каждый модуль состоит из заземленного многорезонаторного анодного блока с коаксиально расположенным относительно блока катодом и трубы дрейфа. Катоды модулей связаны общим катододержателем с отрицательным выводом источника питания. Все модули помещены внутрь общей магнитной системы из двух магнитных катушек большого диаметра. Анодные блоки могут иметь один или несколько волноводных выводов мощности, (максимальное количество выводов соответствует числу резонаторов анодного блока). Некоторые волноводные выводы мощности отдельных модулей могут быть соединены отрезками волноводов между собой и используются для синхронизации по фазе электромагнитных колебаний отдельных модулей. Другие выводы мощности предназначены для излучения электромагнитных колебаний в свободное пространство. Однако выводы мощности модулей могут быть не связаны между собой, - в этом случае отдельные модули работают независимо друг от друга.

Магнетронный генератор работает аналогично рассмотренному выше случаю релятивистского магнетрона, поскольку представляет собой параллельное соединение отдельных магнетронов. Предварительно с использованием отдельного источника питания и магнитной системы создается продольное магнитное поле. На катододержатель и на механически и электрически связанные с ним катоды подается импульс высокого напряжения от источника питания отрицательной полярности длительностью 50-200 нc, амплитудой до 1000 кВ. В каждом модуле в скрещенных электрическом радиальном поле между катодом и анодным блоком и продольном магнитном поле магнитной системы, электроны, эмитированные под действием взрывной электронной эмиссии, осуществляют движение в двух направлениях. Электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдавая свою 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 краевого электрического поля и продольного магнитного поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля.

Величина торцевого тока каждого модуля определяется согласно выражению (1), а общий торцевой ток равен: I_{Сумм торц}=I_торц•N, (4) где N - число модулей. Величина КПД магнетронного генератора сохранится на прежнем уровне, поскольку в соответствии с формулой (3) увеличивается в N раз и величина анодного тока:

Поскольку число выводов мощности возросло кратно числу модулей, выходная мощность распределилась равномерно по всем выводам. Можно отметить, что данный магнетронный генератор позволяет устранить проблему СВЧ пробоев в волноводных выводах мощности, сохраняя при этом относительно невысокий КПД релятивистского магнетрона (26,4%). Недостатком этого устройства являются большие потери тока в осевом направлении, снижающие эффективность магнетронного генератора. Поэтому проблема повышения КПД магнетрона за счет уменьшения торцевого тока не теряет своей актуальности.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента полезного действия релятивистского магнетрона. Техническим результатом - уменьшение потерь торцевого тока. Для повышения эффективности работы магнетрона предлагается устройство - релятивистский магнетрон, содержащий как и прототип N модулей из заземленных многорезонаторных анодных блоков с N коаксиально расположенными им катодами, с одним или несколькими волноводными выводами мощности. Катоды модулей соединены посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания. Также имеется труба дрейфа и магнитная система. В отличие от прототипа катоды, многорезонаторные анодные блоки, магнитная система, катододержатель, катоды и труба дрейфа находятся на одной оси, магнитная система состоит из N+1 магнитных катушек, между которыми расположены волноводные выводы мощности. Таким образом, в отличие от прототипа используется одна, а не N труб дрейфа, позволяя в N раз сократить торцевой ток потерь.

Устройство изображено на чертеже и содержит N заземленных многорезонаторных анодных блоков 1 с одним или несколькими волноводными выводами мощности 2, N коаксиально расположенных анодным блокам катодов 3, соединенных посредством катододержателя 4 с отрицательным выводом источника питания 5, трубу дрейфа 6 и магнитную систему 7 из N+1 катушки.

Многорезонаторные анодные блоки 7 электрически и механически соединены между собой и с трубой дрейфа 6, подключены к земляному потенциалу источника питания 5. Катоды 3 соединены между собой, а также с отрицательным выводом источника питания 5 посредством катододержателя 4. Для создания продольного магнитного поля используется магнитная система 7, состоящая из N+1 катушек, запитываемых от отдельного источника питания (не показан). Между катушками расположены волноводные выводы мощности 2. Волноводные выводы мощности разных анодных блоков могут быть связаны между собой отрезками волноводов (не показаны). Как следует из чертежа, конструктивно анодные блоки расположены последовательно, однако для источника питания электрически они представляют собой параллельное соединение.

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается источник питания магнитной системы (импульсный или постоянный). Затем от источника питания 5 магнетронного генератора в момент, когда ток магнитной системы 7 достиг максимального значения, подается импульс высокого напряжения отрицательной полярности по катододержателю 4 на катоды 3. Под действием высокой напряженности электрического поля (более 10⁵ В/см) между катодами 3 и многорезонаторными анодными блоками 1 на поверхности катодов образуется взрывная электронная эмиссия [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. Успехи физ. наук. 1983, т. 139, с.265-302]. В скрещенных электрическом радиальном поле между катодами и анодами и продольном магнитном поле магнитной системы электроны, эмитированные с поверхности катодов, сгруппировавшись в "спицы", осуществляют радиальный дрейф (также как и в классическом магнетроне). При радиальном дрейфе электронов происходит преобразование потенциальной энергии электронов в энергию СВЧ излучения в каждом отдельном модуле. Вывод СВЧ излучения осуществляется волноводными выводами мощности. Причем выводы мощности отдельных модулей могут быть соединены между собой отрезками волноводов (не показаны), осуществляя тем самым синхронизацию по фазе электромагнитных колебаний в модулях. Скрещенные краевое электрическое поле, образующиеся в первом анодном блоке (отсчет ведется от источника питания) и продольное магнитное поле магнитной системы приводят к появлению торцевого тока. Во-первых, этот торцевой ток мал по сравнению со случаем обычного релятивистского магнетрона, т.к. напряженность краевого электрического поля имеет меньшую величину. Связано это с наличием проходящего по оси всей системы катододержателя, являющегося продолжением катодов для 1...N-1 анодных блоков. Во-вторых, в отличие от прибора-прототипа электроны торцевого тока, образованного в первом анодном блоке, инжектируются в пространство между вторым многорезонаторным блоком и коаксиальным ему катодом. При попадании в область правильных фаз электроны начнут передавать свою энергию СВЧ полю, неправильнофазные электроны будут осаждаться на поверхность катода. Данный механизм подобен тому, который реализуется при использовании труб дрейфа большого диаметра в релятивистском магнетроне. Электроны торцевого тока второго модуля попадают в пространство взаимодействия третьего модуля, где принимают участие наряду с взрывоэмиссионными электронами третьего катода в энергообмене с СВЧ полем анодного блока. Процессы протекают аналогично во всех N-1 модулях релятивистского магнетрона. Только в последнем N-м модуле имеются потери торцевого тока величиной, определяемой формулой (2). Для предлагаемого релятивистского магнетрона КПД составит:

При мощности СВЧ излучения каждого модуля (N=7) на уровне 1 ГВт величина анодного тока составит I_анода≈5 кА и общий КПД 50,8%. Таким образом, практическая реализация предлагаемого релятивистского магнетрона за счет конструктивного последовательного соединения отдельных модулей при всех прочих равных условиях позволяет значительно увеличить общий КПД устройства за счет сокращения потерь торцевого тока.

Примером конкретного выполнения релятивистского магнетрона является разработанный проект для испытания подобного устройства на сильноточном электронном ускорителе "Тонус-1" при напряжении на катододержателе 1000 кВ. Катододержатель имеет диаметр 10 мм, на котором в области анодных блоков размещены катоды диаметром 18 мм. Длина многорезонаторных анодных блоков составляет 72 мм и равна ширине волноводного вывода мощности. Указанный размер плюс толщина стенок волновода определяют расстояние между катушками магнитного поля. Катушки имеют ширину 120 мм, внешний диаметр 480 мм, внутренний диаметр 159 мм. Обмотка катушек выполнена из полой медной шинки сечением 13х13 мм²с центральным отверстием диаметром 5 мм для протекания охлаждающей воды. Магнитная система запитывается от источника постоянного тока и создает магнитное поле индукцией до 1,5 Тл в пространстве взаимодействия модулей. На первом этапе исследований планируется использование двух модулей и магнитной системы из 3 катушек и ожидается увеличение эффективности работы магнетронного генератора в соответствие с (6) для N=2 в 1,38 раза при равных геометрических размерах магнетронов, трубы дрейфа, радиусов катода и соответствующем напряжении ускорителя и индукции магнитного поля.

Формула изобретения

Релятивистский магнетрон, содержащий магнитную систему, заземленные и соединенные с положительным выводом источника питания трубу дрейфа, N многорезонаторных анодных блоков с одним или несколькими волноводными выводами мощности каждый, N коаксиально расположенных анодным блокам катодов, соединенных посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания, отличающийся тем, что многорезонаторные анодные блоки, магнитная система, катододержатель, катоды и труба дрейфа размещены на одной оси, магнитная система состоит из N+1 магнитных катушек, между которыми расположены волноводные выводы мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1