CN1319869A - 磁控管 - Google Patents

Abstract

磁控管有一套输出装置,包括一条同轴线15,该线把来自所需的振荡器模式的能量作为第一同轴波导模式进行传输,并把来自不需要的振荡器模式的能量作为第二圆柱形波导模式进行传输。圆柱形波导模式的能量被同轴线15内的槽17,18拦截,并被材料19吸收。这就使得这些模式分离。最好自磁控管轴线输出,所需的振荡器模式为π－1模式。

Description

磁控管

本发明涉及磁控管，尤其涉及在高功率值下工作的磁控管，但并非只涉及在高功率值下工作的磁控管。

在一种已知的磁控管结构中，有一个由阳极构件环绕的中心圆柱形阴极，该阳极构件通常包括一个导电圆柱，该圆柱支承着从它的内表面向内延伸的若干阳极叶片。在工作过程中，在平行于该圆柱构件的纵轴线方向上施加一个磁场，该磁场与阴阳极之间的电场共同作用在由阴极发射的电子上，导致谐振并产生射频能量。根据由阳极叶片限定的空腔间的耦合，磁控管可以支持几种振荡模式，输出不同的频率和功率。一种用于将磁控管限定为某一特定的工作模式的技术就是模式分割(strapping)。为获得并保持通常所需的工作模式-π工作模式，交变阳极叶片由狭条连接起来。通常在阳极的两端有两根狭条，在另一结构中，例如，在阳极的一端可有三根狭条，而在另一端没有狭条。

在另一种选择振荡模式的方法中，将磁控管设计成使π-1模式的频率为低截止(cut-off)。使磁控管很快地越过截止值，从而使得在不需要的模式中产生的能量，不足以产生显著的振荡，否则，这种振荡会引起所需要的主模式的能量损失。

但是，在一些磁控管中，尽管采用了模式分割，在所需的π模式中，也在不需要的π-1模式中可能同时产生振荡，导致自π模式至π-1模式的频率不稳和能量损失。

本发明尤其适用于在高功率值下工作的磁控管，如1MW或更高，并适用于具有长阳极的磁控管，在这种磁控管中难以实现对所需模式的分离。本发明还能方便地用于其它不具备这些特点的磁控管。

根据本发明，所述的磁控管包括：有谐振腔的阳极，该阳极与阴极围绕一纵轴线同轴排列；输出装置，包括一同轴线，该线以某一振荡器模式接收能量，然后以同轴波导模式传输能量，并且以另一种振荡器模式接收能量，然后以圆柱形波导模式传输能量；以及在圆柱形波导模式中至少减少能量向前传输的装置。

采用本发明，除了所需模式的能量外，还能从谐振腔中去除不需要的振荡器模式的能量，然后从所需模式的能量中分离出去。这样，就减小了磁控管中不需要的振荡器模式的功率，会改善所需模式的工作，提高频率的稳定性和输出功率。本发明尤其方便地适用于长阳极的磁控管，例如，阳极的轴向长度大于半波长，λ为工作波长。对于如此长的阳极，在阳极端的通常的模式分割在保持所需的模式分离中可能无效。而且，因为长阳极允许达到高功率值，在不采用本发明的条件下工作，大量的能量将存在于不需要的振荡模式中，从而降低了所需模式中的输出功率。

本发明能方便地用于不同结构的磁控管，例如，无须是叶片型阳极的磁控管。

最好，从磁控管沿轴向耦合功率。这会产生对称输出。在一种结构中，在阳极的一端设置一圆柱形壁，指状元件在该壁和交变阳极叶片之间延伸，能提取π模式。

最好，该同轴线至少有一条轴向延伸槽，穿过它外面的导体，通过该导体，圆柱形波导模式的能量从同轴线被耦合。在同轴波导模式中，电压是径向的，电流沿轴向流动，而在圆柱形波导模式中，电流沿圆周流动。这样，用轴向延伸槽不会干扰同轴波导模式中的功率传输，但会截断圆柱形波导模式中的电流。最好，在所述至少一个延伸槽处安置辐射吸收材料，来吸收由该槽辐射的能量。只能设置一个延伸槽，但发现，环绕外导体等距离地设置，并沿该轴线在相同的位置上设置4条，能起很好的作用。在一个实施例中，该吸收材料为渗碳的多孔氧化铝。越长的槽越能吸收能量，吸收材料越多，吸收能力也越强。

最好，所述的一种振荡器模式为π模式，所述的另一种振荡器模式为π-1模式。而且最好该同轴波导模式为TEM模式，而圆柱形波导模式为TE₁₁模式。同轴导管的尺寸的选择应支持这两种波导模式。对于TE₁₁模式，该截止波长等于π乘以内导体直径和外导体内径之和，而截止波长等于或大于自由空间波长。

在一个优先的实施例中，在该输出装置中，包括至少一个轴向延伸的反射器狭缝，以便从所述的另一种振荡器模式向该谐振腔反射能量。这样，圆柱形波导模式中的能量被耦合回到该谐振腔。该反射器狭缝对π模式没有影响，因为它是以TEM模式传输的，在该模式中，电流沿轴向流动。但是，π-1模式与TE₁₁模式中的同轴线耦合，电流沿圆周流动，受到反射器缝的影响。通过正确选择缝的长度和位置，一些TE₁₁模式沿着同轴线以某一位相和由该缝几何形状决定的幅值被逆向反射，增加了它在阳极中与π-1模式的耦合。这便增加了π-1模式的负载，导致磁控管更稳定地工作，使得磁控管能在更宽的输入条件下工作，并能允许更宽的输出和输入条件。

反射器缝可以位于同轴线的外导体内，内导体内或该两导体内。当该缝位于同轴线的内导体内时，在一优选的结构中，该缝穿过内导体，也就是说，该缝从一个表面延伸至另一表面。最好，在内导体中由两个反射器缝，两者皆穿过内导体并截断。在一实施例中，反射器槽可以这样设置，它们可以部分或全部位于一个区域内，该区域界于谐振腔和最靠近阳极的同轴线的末端之间。

依据本发明的磁控管可以包括一个波导，同轴线将能量传递给这个波导。该同轴线可以终止于一个T型探针，尽管其它种类的终端可能也适合。

最好，该同轴线包括一个不连续点，该不连续点至少减少了在圆柱形模式中沿同轴线，从波导向阳极反射的能量传输。从而，该同轴线的长度尺寸被确定为既支持同轴波导模式又支持圆柱形波导模式，但它的尺寸在终端改变，以便阻止圆柱形波导模式中逆向能量的传输。

依据本发明的磁控管，该同轴线的设计使得TEM和TE₁₁模式可以共存。如果从同轴线向该波导的转换不完美，一些TEM功率被转换反射，而且由于转换的不对称形状，TEM功率被转换为TE₁₁模式，并沿同轴线被逆向传输回磁控管的阳极。在一个磁控管中，安置了能量吸收材料以截取圆柱形模式中的功率，被反射的输出功率也可能被衰减器材料吸收，引起材料升温，降低了磁控管的整体效率。但是，有一个不连续点就能阻止圆柱形式模式中功率轴线逆向传输，因为功率在不连续点处被再次反射，并沿向前输出方向传输。最好，该不连续点位于辐射吸收材料和轮换之间。这样，便防止该吸收材料被磁控管的输出功率加热到会放出气体并潜在地损害或减少磁控管寿命的程度。

本发明用于高功率磁控管特别有利，如X-频带线性加速器磁控管。

现在参照附图通过例子说明可实施本发明的一个实施例，其中：

图1为本发明的磁控管的简略纵剖面图；

图2为沿图1中的Ⅰ-Ⅰ线的简略横截面图；和

图3和图4为图1中所示的磁控管的工作说明图。

参看图1，一个磁控管包括：一个阴极1，被沿纵轴线Ⅹ-Ⅹ布置的圆柱形阳极2同轴环绕着。阳极2为叶片型，有若干向内伸出的叶片，其中的两个叶片3和4共同构成谐振腔。还包括狭条5，以改善模式分离和稳定性，在该特定实施例中，狭条沿阳极的轴线分布，与我们的共同未决申请GB9930109.5中介绍的结构一致，而并非象通常的结构中那样，只在阳极的末端设置狭条。

阴极1与一个设置在它内部的加热器6接触，通过加热器引线7与加热器构成电连接，加热器引线7与轴Ⅹ-Ⅹ成一条直线。所需的阴极电位由环绕着加热引线7的电子管8施加。

铁极片9和10用于在阴极1和阳极2之间产生轴向磁场。

磁控管的输出从阳极2的底部沿轴向被耦合，如图所示。交变阳极叶片通过指状元件(其中的两个11和12如图所示)与板极13相连。板极13与一个导体件相连，该导体件形成同轴输出线15的内导体14。同轴线的外导体16由紫铜件构成，该紫铜件位于极片10的一个凹槽内。外导体16有4条等距离的狭缝，其中的两条17和18如图所示，穿过外导体16。由辐射吸收材料制成的圆柱形衰减器19，环绕着外导体16，在本实施例中吸收材料为渗碳的氧化铝。同轴线15的末端终止于T形探针20，该探针伸入一个矩形的波导21内。

当磁控管工作时，在阳极的谐振腔中产生振荡，产生π和π-1振荡器模式的能量。π模式的能量通过指状元件11和12耦合入同轴输出线15，同轴输出线15的尺寸使得π模式能量以TEM同轴波导的模式沿着同轴输出线15传输。同轴线15的尺寸还能以圆柱形波导模式支持和传输来自π振荡器模式的能量。图3说明了TEM模式，其中电流的方向用虚线表示，电场的方向用实线表示。图4表示TE₁₁模式中的电流和电场。如图所示，在TEM模式中，电流沿轴向流动，从而TEM模式中沿同轴线15能量的传输不受外导体16上的轴向延伸槽17和18的影响。与此相反，TE₁₁模式中的电流在内外导体内沿圆周方向流动。该圆周电流被延伸槽17和18截断，导致能量经该槽被耦合，并向吸收材料19辐射。通过这种机理，在TEM和TE₁₁模式中，能量沿同轴线15传输，但TE₁₁模式中的能量被吸收，使得被传输的能量有所减少或完全衰减。由探针20耦合入波导21的能量实际上只是那些在π模式振荡中产生的能量。沿波导21的箭头所示方向传输输出能量。

转换的不对称性导致了TEM模式中的部分能量被反射，并沿着同轴线15向着阳极2逆向再传输，由于反射被转换成TE₁₁模式。不连续点22在该实施例中包括内外导体的直径的减小，确保了被转换成TE₁₁模式能量的TEM模式中的能量不能在不连续点22之外输送。这样，它就不会冲击吸收材料19并增加该材料所必须吸收的能量。

内导体14还包括两条狭缝23和24，二者互相垂直，并从一表面到另一表面贯穿导体14的直径。这两条狭缝23和24反射TE₁₁模式的能量，而TEM模式的能量不受影响，因为TEM模式的电流方向为轴向。这样，TE₁₁模式的部分能量从狭缝23和24向着该谐振腔被反射回去，增加了π-1模式的模式负载，并提高了磁控管输出频率的稳定性。

除了包含在磁控管输出中的同轴线15之外，第二条同轴线25被轴向配置在与阴极1相连的阳极一侧。第二同轴线25的内导体26由电子管8提供，而外导体27由铁极片9上的凹槽内的插入件限定。该外导体有四条环绕它的槽，其中示出两条28和29，并被圆柱形辐射吸收材料30包围。第二同轴线25的尺寸与输出的同轴线15的相同，但是由于没有直接从交变阳极叶片耦合，π模式中的能量只有很少的一部分被耦合入第二同轴线25。但是，第二同轴线25确实接收来自π-1模式、沿着它以TE₁₁波导模式传输的能量。能量通过槽28和29被耦合至被吸收的吸收材料30。

若需要的话，磁控管的阴极引线侧上还可以有一些反射器窄缝，这些反射器窄缝的工作方式与以23和24表示的窄缝相似，尽管由于机械原因，在此处将反射器窄缝设置在第二同轴线25的外导体内更为方便。

Claims (25)

1．一个磁控管包括：具有谐振腔的阳极，该阳极与一个阴极绕纵轴同轴排列；包括一条同轴线的输出装置，该装置被构形成接收一种振荡器模式的能量，并把该能量以同轴波导模式传输，还接收另一种振荡器模式的能量，并把该能量以圆柱形波导模式传输；以及用于至少减少向前传输圆柱形波导模式的能量的装置。

2．按照权利要求1所述的磁控管，其特征在于该同轴线被安排成自谐振腔接收沿轴向耦合的能量。

3．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于该同轴线有至少一条经其外导体轴向延伸槽，通过该外导体，圆柱形波导模式的能量自该同轴线被耦合。

4．按照权利要求3所述的磁控管，其特征在于包括安置在所述的至少一条延伸槽上的辐射吸收材料，以吸收被所述的延伸槽辐射的能量。

5．按照权利要求4所述的磁控管，其特征在于该吸收材料为渗碳的多孔氧化铝。

6．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于所述一种振荡器模式为π模式，所述另一种振荡器模式为π-1模式。

7．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于该同轴波导模式为TEM模式，所述的圆柱形波导模式为TE₁₁模式。

8．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于在该输出装置中包括至少一个轴向延伸的反射器窄缝，用于将来自所述的另一种振荡器模式的能量反射回该谐振腔。

9．按照权利要求8所述的磁控管中的磁控管，其特征在于一反射器窄缝部分或全部设置于该谐振腔和最靠近该阳极的同轴线的末端之间。

10．按照权利要求8或9所述的磁控管，其特征在于一反射器槽设置于该同轴线的外导体的表面内。

11．按照权利要求8,9或10所述的磁控管，其特征在于一反射器槽设置于该同轴线的内导体内。

12．按照权利要求11所述的磁控管，其特征在于在该内导体内的反射器窄缝贯穿该内导体。

13．按照权利要求12所述的磁控管，其特征在于包括两条位于该内导体内的反射器窄缝，这两条缝贯穿并截断内导体。

14．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于该同轴线被安排成将能量传递给波导。

15．按照权利要求14所述的磁控管，其特征在于该同轴线终止于一个T型探针。

16．按照权利要求14或15所述的磁控管，其特征在于该同轴线包括一不连续点，该不连续点至少减少了以圆柱形波导模式沿该同轴线从该波导被反射回到阳极的传输能量。

17．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于包括一条第二同轴线，被安排成接收从阳极末端沿轴向被耦合的另一种振荡器模式能量，阴极的引线位于阳极的末端，并把能量按圆柱形波导模式传输。

18．按照权利要求17所述的磁控管，其特征在于包括至少一条轴向延伸槽，通过该槽，能量从第二条同轴线被耦合。

19．按照权利要求18所述的磁控管，其特征在于所述的至少一条延伸槽设置于第二条同轴线的外导体内。

20．按照权利要求19所述的磁控管，其特征在于包括辐射吸收材料，被安排成通过所述至少一条延伸槽接收从第二条同轴线被耦合的能量。

21．按照权利要求20所述的磁控管，其特征在于所述的吸收材料为渗碳的氧化铝。

22．按照权利要求17至21之一所述的磁控管，其特征在于包括在第二条同轴线内的至少一条轴向延伸的反射器槽，用于将来自所述的另一种振荡器模式的能量反射回谐振腔。

23．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于阳极的轴向长度大于3λ/4。

24．按照上述任一权利要求所述的磁控管，其特征在于该磁控管为X频带线性加速器磁控管。

25．基本上如任一附图中所示且参照任一附图所述的磁控管。

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