Анод магнетрона
Изобретение относится к анодам магнетронов. Анод (6) окружает центральный катод (1) и представляет собой сегментную конструкцию, имеющую множество кольцевых сегментов (9), пакетированных вместе вдоль его длины. Каждый кольцевой сегмент (9) включает в себя связку (10), причем эти связки распределены, по существу, вдоль всей осевой длины лопаток (8) анода. Это обеспечивает достижение разделения режимов колебаний даже в случае длинного анода и, следовательно, позволяет обеспечить работу в приложениях, обуславливающих большую мощность. Кроме того, сегментная конструкция анода позволяет получить механически робастную (устойчивую к механическим воздействиям) конструкцию. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.
Это изобретение относится к анодам магнетронов, а более конкретно, но не исключительно, к анодам магнетронов, выполненным с возможностью работы на относительно больших уровнях мощности.
В одной известной конструкции магнетрона центральный цилиндрический катод окружен конструкцией анода, которая в типичном случае содержит проводящий цилиндр, поддерживающий множество лопаток анода, простирающихся внутрь от его внутренней поверхности. Во время работы магнитное поле прикладывается в направлении, параллельном продольной оси цилиндрической конструкции, и совместно с электрическим полем между катодом и анодом воздействует на электроны, испускаемые катодом, что приводит к возникновению резонансов и генерированию высокочастотной энергии. Магнетрон способен поддерживать несколько режимов колебаний, в зависимости от связи между объемными резонаторами, ограниченными лопатками анодов, что приводит к различиям по выходной частоте и мощности. Одним способом настройки магнетрона на конкретный рабочий режим является соединение связками. Для получения и поддержания пи-режима работы, который обычно требуется, перемежающиеся лопатки анода соединяют друг с другом связками. В типичном случае, по две связки расположены на каждом конце анода или, при другой компоновке, на одном конце анода могут располагаться три связки, а на другом - ни одной.
Настоящее изобретение возникло в результате идеи того, каким образом можно было бы увеличить выходную мощность магнетрона, но изобретение можно применять и в приложениях, где такое требование не выдвигается.
Согласно изобретению анод магнетрона содержит множество пакетированных сегментов, соединенных друг с другом для ограничения лопаток анода.
Эти сегменты расположены в основном поперечно к продольной оси и, по меньшей мере, некоторые из сегментов имеют фасонный профиль в продольном направлении, то есть, они не являются просто наслоенными пластинами.
В случае одного ранее известного типа анода магнетрона этот анод представляет собой один унитарный конструктивный элемент, изготовленный из сплошного блока. В случае анодов увеличенного размера типичным способом их создания является изготовление лопаток анода по отдельности и последующее их соединение с окружающей цилиндрической оболочкой анода с использованием зажимного приспособления, обеспечивающего выравнивание лопаток друг с другом и оболочкой во время процедуры сборки. В отличие от этого, анод в соответствии с изобретением имеет промежутки между лопатками анода, которые точно выдерживаются, потому что каждый сегмент включает в себя множество частей лопаток анода, которые изготовлены перед пакетированием сегментов. Следовательно, любые несовершенства в сегменте, которые могли бы привести к нарушению выравнивания при окончательной сборке, можно обнаружить посредством контроля перед соединением этого сегмента с другими сегментами, и отбраковать такой сегмент. Кроме того, применение изобретения может привести к созданию анода, который является более стойким к внешним воздействиям, поскольку поверхности сегментов, которыми они соединены друг с другом, имеют относительно большую площадь поверхности по сравнению с малой площадью крепления, обуславливаемой в технических решениях, согласно которым лопатки изготавливают по отдельности и крепят к оболочке анода на их торцах.
В предпочтительном конкретном варианте осуществления каждый сегмент является унитарным конструктивным элементом, который можно изготовить на станке, например, из сплошного материала. Таким образом, любая обработка во время сборки анода магнетрона не создает тенденцию, вызывающую перемещение частей анода, присутствующих в одном сегменте, друг относительно друга, так как в самом сегменте соединений нет. Кроме того, готовый анод магнетрона с большей вероятностью будет соответствовать идеальным расчетным размерам, чем анод, изготовленный в ранее известной компоновке, и будет более стойким - робастным к механическим воздействиям.
Другой ранее известный способ, при котором анод изготавливают из сплошного блока, реализован для конструкций анодов меньшего размера, но воплощение его применительно к анодам большего размера, предназначенным для применения в магнетронах, работающих на более низких частотах, делает такой способ сложнее и дороже.
В предпочтительном варианте, сегменты являются, по существу, кольцевыми. Каждый сегмент преимущественно представляет собой цельное кольцо, но в других конкретных вариантах осуществления каждый сегмент может представлять собой лишь часть кольца. Однако это вносит дополнительную сложность, и маловероятно, что будет удобно иметь многочисленные конструктивные элементы. Каждый сегмент предпочтительно имеет торцы, которые в уже соединенной, пакетированной сборке лежат в плоскости, поперечной к продольной оси в основном цилиндрического анода.
В предпочтительном варианте, цилиндр расположен вокруг пакетированных сегментов и соединен с ними. В других компоновках, вместо наличия отдельно изготовленного цилиндра, сегменты сами могут включать в себя части, которые при окончательной сборке анода образуют внешнюю оболочку анода.
Анод преимущественно включает в себя множество связок. В конкретно преимущественном варианте осуществления связки распределены вдоль осевой длины лопаток анода. Сегментный характер анода означает, что его можно легко реализовать, и это дает значительные преимущества. Обычно соединение связками применяют лишь для анодов, имеющих осевую длину, составляющую четверть длины рабочей волны. В случае более длинных анодов разделение режимов колебаний нарушается, и становится невозможно поддерживать желаемый режим и частоту работы. Распределяя связки вдоль осевой длины лопаток анода, а не размещая связки на концах лопаток, как обычно делается, можно использовать любую желаемую длину, не утрачивая разделение режимов колебаний. Такая частотная устойчивость может быть сохранена при одновременном увеличении выходной мощности, которая зависит от длины анода. Например, предполагается, что магнетрон, в котором применяется анод в соответствии с изобретением и который работает в полосе частот рентгеновского излучения, может обеспечить достижение выходной мощности в области 2 МВт. Вместе с тем, это изобретение можно с успехом применять в магнетронах, работающих в других диапазонах частот.
В преимущественном варианте, связки являются, по существу, равноотстоящими друг от друга вдоль осевой длины лопаток анода и предпочтительно распределены, по существу, вдоль всей осевой длины. В сущности, можно достичь почти непрерывного соединения связок для любой требуемой длины анода.
Анод может включать в себя сегменты разных конфигураций. В одном конкретном варианте осуществления, например, сегменты ограничивают лопатки анода, а связки выполнены как отдельные конструктивные элементы. Однако, в конкретно преимущественном варианте осуществления, по меньшей мере, один из сегментов включает в себя связку и части лопаток анода. В предпочтительном варианте, каждый сегмент включает в себя связку и части лопаток анода. Это уменьшает количество требуемых разных типов конструктивных элементов и, следовательно, облегчает изготовление и снижает издержки. Поскольку связка каждого сегмента представляет собой единое целое с частями лопаток анода, анод, в частности, является робастным по конструкции.
В одной компоновке, которая включает в себя пару соседних сегментов, каждый из которых имеет связку, связка каждого сегмента расположена ближе к одному концу сегмента, чем к другому, а сегменты пакетированы рядом друг с другом, при этом один является перевернутым относительно другого. Таким образом, один сегмент может включать в себя части половины количества лопаток анода, которые соединены друг с другом связкой своего сегмента, а другой сегмент может содержать части остальных лопаток анода, которые соединены друг с другом связкой своего сегмента. Кроме того, оба сегмента расположены друг за другом таким образом, что части лопаток анода перемежаются, а расположение связок таково, что они не мешают друг другу, так как находятся в разных местах вдоль продольной оси анода. В предпочтительном варианте, сегменты номинально идентичны по форме, что делает технологические ограничения менее жесткими.
Согласно одной особенности изобретения способ изготовления анода магнетрона включает в себя этапы, на которых формируют кольцевые сегменты, причем каждый сегмент включает в себя части лопаток анода, пакетируют кольцевые сегменты, а затем соединяют пакетированные сегменты друг с другом. Кольцевые сегменты можно формировать, например, с использованием обработки электронным разрядом, хотя можно использовать и другие способы, например, фрезерование. Кольцевые сегменты можно соединять, например, посредством пайки твердым припоем.
Предлагаемый способ уменьшает время изготовления и не является столь же трудоемким, как известный способ, при котором лопатки изготавливают по отдельности, и - помимо указанных преимуществ - приводит, в частности, к робастному аноду, который обладает потенциалом применения в приложениях, обуславливающих большую мощность.
В одном варианте способа анод можно формировать посредством пакетирования множества кольцевых сегментов и соединения их друг с другом, а также последующей окружной укладки их в сборку внутри цилиндрической оболочки, которую соединяют с пакетированными сегментами. Сегменты и цилиндр могут быть все соединены друг с другом за один этап после установки деталей друг на друга. В альтернативном варианте способа можно использовать центральный сердечник, вокруг которого размещают сегменты и соединяют их с этим сердечником. После этого этапа деталь сердечника можно удалить, и эта деталь оставляет части, образующие лопатки анода.
Теперь, в качестве примера, некоторые способы осуществления изобретения будут описаны со ссылками на чертежи, где
на фиг.1 представлено условное продольное сечение магнетрона в соответствии с изобретением,
на фиг.2 представлен вид в плане магнетрона, показанного на фиг.1, вдоль линии II-II,
на фиг.3 показан один из сегментов,
на фиг.4 показаны два соседних сегмента,
на фиг.5 показаны уложенные друг на друга в пакет сегменты,
на фиг.6, 7, 8, 9 и 10 показаны этапы и конструктивные элементы, применяемые в другом аноде магнетрона и способах изготовления в соответствии с изобретением.
Обращаясь к фиг.1 и 1, отмечаем, что магнетрон в соответствии с изобретением содержит цилиндрический, расположенный в центре катод 1, находящийся между магнитными полюсными элементами 2 и 3, которые связаны возвратными линиями магнитной индукции 4 и 5. Катод 1 окружен цилиндрической конструкцией 6 анода, содержащей внешнюю оболочку 7 и простирающиеся внутрь лопатки 8 анода, причем оболочка 7 и лопатки 8 изготовлены из меди.
Лопатки 8 образованы множеством кольцевых сегментов 9, которые уложены друг на друга в пакет вдоль продольной оси Х-Х магнетрона. Каждый сегмент включает в себя части половины общего количества лопаток анода и соединительное кольцо, которое в готовом аноде действует как связка.
На фиг.3 условно изображен один сегмент, который изготовлен из сплошного куска меди посредством обработки электронным разрядом. Сегмент 9 включает в себя образующее связку цельное кольцо 10, от которого простираются внутрь и наружу части 11, которые в готовой конструкции образуют части лопаток 8 анода. Внутренние части 11А частей лопаток закруглены и в готовом устройстве обращены к катоду 1. Внешние части 11В включают в себя продольный паз 12 на своих поверхностях. Как можно увидеть на рассматриваемом чертеже, связка расположена ближе к одному концу 13 сегмента 9, чем к другому его концу 14.
После изготовления множества таких сегментов 9 следующей стадией процесса сборки является покрытие их нижних и верхних поверхностей слоем серебра. Затем сегменты 9 собирают в пакет внутри оболочки 7 анода, укладывая один сегмент поверх другого с получением цилиндрической конструкции. Для каждой пары соседних сегментов 9 характерно расположение, в соответствии с которым, один сегмент перевернут относительно другого, а также повернут относительно него, как показано на фиг.4, так что части лопаток равноотстоят друг от друга вдоль кольца. Готовый пакет условно показан на фиг.5. По продольным пазам 12 во внешних поверхностях сегментов 9 проложен материал твердого припоя в виде проволок. Для поддержания относительных расстояний между соседними лопатками анода применяется зажимное приспособление, так что оболочка анода поддерживает окружное выравнивание.
После сборки конструктивных элементов на сегменты 9 устанавливают груз, а сборку нагревают. Серебро на смежных поверхностях сегментов плавится и, в качестве твердого припоя, припаивает их друг к другу, при этом сегменты также оказываются припаянными твердым припоем к внутренней поверхности оболочки анода.
Для получения длинного анода можно укладывать в пакет столько конструктивных элементов, сколько требуется.
При этом способе сегменты 9 являются идентичными. Однако при других способах сборки можно использовать несколько разных конструктивных элементов при сборке анода.
При еще одном способе изготовления сначала изготавливают цилиндрический конструктивный элемент, показанный на фиг.6.
Этот конструктивный элемент включает в себя центральную цельную цилиндрическую часть 15 и пазы 16, ограничивающие ребра 17 вокруг внешней поверхности. Изготавливают множество сегментов 18, подобных показанному на фиг.7. Каждый сегмент включает в себя цельное кольцо 19, из которого через одинаковые интервалы выступают внутрь и наружу в радиальном направлении части 20. И, наконец, изготавливают третий конструктивный элемент, показанный на фиг.8 и имеющий цельную внешнюю оболочку 21, которая представляет собой оболочку анода в готовом магнетроне, и внутреннюю поверхность 22, имеющую множество выполненных в ней пазов 23, ограничивающих части 24 лопаток между ними. Каждый из этих конструктивных элементов выполнен из меди, а те их поверхности, которые подлежат соединению с другими, покрыты материалом, подходящим для пайки твердым припоем. Конструктивные элементы, показанные на фиг.6 и 8, расположены концентрично с множеством сегментов, один и которых показан на фиг.7, находящихся в зазоре между ними. Сегменты расположены с возможностью поворота относительно соседних сегментов, так что перемежающиеся связки электрически соединены в готовом аноде с одними и теми же лопатками анода.
В еще одном конкретном варианте осуществления, прежде всего, изготавливают сегмент, показанный на фиг.9 и имеющий цельное кольцо 25, которое представляет собой связку в готовом магнетроне, и множество частей 26, простирающихся от него, которое образует части лопаток анода. Как и в других компоновках, количестве частей соответствует половине общего количества лопаток анода в готовом магнетроне. Пары сегментов, один их которых показан на фиг.9, собирают друг с другом, как показано на фиг.10, а затем укладывают в пакет один поверх другого внутри оболочки и припаивают твердым припоем друг к другу.
При альтернативном способе, который рассматривается со ссылкой на фиг.11, множество разрезных колец 27 собирают на оправке 28, форма которой является, в основном, цилиндрической и вокруг внешней поверхности которой располагаются внутренние части 29 лопаток 30 анода. В пазах, показанных, например, с помощью позиции 31, лопаток анода размещают связки, которые электрически соединены с перемежающимися лопатками. Затем сборку помещают внутри конструктивного элемента, показанного на фиг.8, и припаивают к нему твердым припоем. И, наконец, извлекают центральный цилиндр 32, получая готовую конструкцию анода.
1. Анод магнетрона, содержащий множество пакетированных сегментов, соединенных друг с другом и определяющих лопатки анода, причем сегменты включают связку и части анодных лопаток, каждый сегмент содержит цельное кольцо, от которого части простираются внутрь и наружу в радиальном направлении, которые формируют анодные лопатки, при этом связки распределены, по существу, равномерно вдоль осевой длины лопаток анода.
2. Анод по п.1, в котором, по меньшей мере, один сегмент является унитарным конструктивным элементом.
3. Анод по п.2, в котором сегменты являются, по существу, кольцевыми.
4. Анод по п.3, включающий в себя цилиндр, расположенный вокруг пакетированных сегментов и соединенный с ними.
5. Анод по п.4, в котором каждый сегмент имеет торцы, которые примыкают к соседним сегментам и лежат в плоскости, поперечной к продольной оси.
6. Анод по п.1, в котором связки распределены, по существу, вдоль всей осевой длины лопаток анода.
7. Анод по п.1, в котором для пары соседних сегментов, каждый из которых включает в себя связку, связка каждого сегмента располагается ближе к одному его концу, чем к другому, а сегменты пакетированы таким образом, что они оказываются перевернутыми один относительно другого.
8. Анод по любому предшествующему пункту, в котором каждый сегмент включает в себя части половины общего количества лопаток анода, а соседние сегменты расположены таким образом, что части лопаток анода перемежаются.
9. Анод по п.8, в котором сегменты номинально идентичны по форме.
10. Способ изготовления анода магнетрона, включающий в себя этапы, на которых формируют кольцевые сегменты, причем каждый сегмент включает в себя части лопаток анода и содержит цельное кольцо, от которого части простираются внутрь и наружу в радиальном направлении, которые формируют части анодных лопаток, пакетируют кольцевые сегменты, а затем соединяют пакетированные сегменты друг с другом.
11. Способ по п.10, включающий в себя этап, на котором располагают цилиндр вокруг внешней поверхности пакетированных сегментов и соединяют сегменты с цилиндром.
12. Способ по п.11, при котором сегменты изготавливают с использованием обработки электронным разрядом.
13. Способ по п.12, при котором кольцевые сегменты соединяют друг с другом посредством пайки твердым припоем.
14. Способ по п.13, при котором, по меньшей мере, один из сегментов включает в себя связку.
15. Способ по п.14, при котором для пары соседних сегментов, каждый из которых включает в себя связку, связку каждого сегмента располагают ближе к одному его концу, чем к другому, а сегменты пакетируют таким образом, что они оказываются перевернутыми один относительно другого.
16 Способ по п.14, при котором каждый из сегментов включает в себя связку, а сегменты пакетируют таким образом, что связки распределены, по существу, вдоль всей осевой длины анода.
17. Способ по п.16, при котором кольцевые сегменты номинально идентичны по форме.
18. Способ по п.17, включающий в себя этап, на котором пакетируют кольцевые сегменты на цилиндрическом сердечнике, а затем удаляют деталь сердечника таким образом, что она оставляет части, образующие лопатки анода.
19. Магнетрон, включающий в себя катод, коаксиально окруженный анодом, таким, как заявляемый по любому из пп.1-9 и/или изготовленный по пп.10-18.
