EA021978B1 - Relativistic magnetron - Google Patents
Relativistic magnetron Download PDFInfo
- Publication number
- EA021978B1 EA021978B1 EA201201302A EA201201302A EA021978B1 EA 021978 B1 EA021978 B1 EA 021978B1 EA 201201302 A EA201201302 A EA 201201302A EA 201201302 A EA201201302 A EA 201201302A EA 021978 B1 EA021978 B1 EA 021978B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- cathode
- anode block
- magnetron
- screens
- anode
- Prior art date
Links
Landscapes
- Microwave Tubes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации коротких импульсов мощного СВЧ-излучения. Использование СВЧ-излучения для таких применений, как тестирование радиоэлектронной аппаратуры, дальняя радиолокация с высоким пространственным разрешением, стерилизация и др., требует создания приборов максимальной эффективности и стабильности.The invention relates to the field of relativistic high-frequency electronics and can be used to generate short pulses of powerful microwave radiation. The use of microwave radiation for applications such as testing electronic equipment, long-range radar with high spatial resolution, sterilization, etc., requires the creation of devices of maximum efficiency and stability.
Известно устройство - магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. М., Сов. Радио, 1966, 224 с], состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного катододержателем с источником питания. Обычно аксиальный размер (длина) катода и анодного блока совпадают. Снаружи анодного блока установлена магнитная система. В промежутке между катушками магнитной системы проходит волноводный вывод мощности, связанный через щель связи с одним из резонаторов анодного блока. Анодный блок находится под земляным потенциалом, а на катод подается импульс отрицательной полярности от источника питания. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодом и аксиальном магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, вращаясь азимутально в спицах, отдают свою энергию в энергию СВЧ-излучения. СВЧ-излучение выводится через щель связи в одном из резонаторов и плавный волноводный переход. Для классических магнетронов известен способ увеличения их эффективности, заключающийся в использовании экранов, устанавливаемых на малом расстоянии от торцов анодного блока (от торцов катода, если длина катода соответствует длине анодного блока) вне пространства взаимодействия. Концевые экраны классических магнетронов имеют наружный диаметр, который значительно превышает диаметр катода, а иногда превышает и диаметр анода, что препятствует утечке электронов из пространства взаимодействия под действием сил пространственного заряда. Применение экранов большого диаметра возможно, поскольку прикладываемое напряжение между катодом и анодом относительно мало.A device is known - magnetron [Samsonov D.E. Basics of calculation and design of multi-resonator magnetrons. M., Sov. Radio, 1966, 224 s], consisting of a multi-cavity anode block with a waveguide power output, a coaxially located thermionic cathode connected by a cathode holder to a power source. Typically, the axial size (length) of the cathode and the anode block are the same. A magnetic system is installed outside the anode block. In the gap between the coils of the magnetic system, a waveguide output of power passes through a coupling gap with one of the resonators of the anode block. The anode block is under ground potential, and a negative polarity pulse is supplied to the cathode from the power source. In a crossed radial electric field between the cathode and the anode and the axial magnetic field created by the magnetic system, the electrons, rotating azimuthally in the spokes, give their energy to the energy of microwave radiation. Microwave radiation is output through a coupling gap in one of the resonators and a smooth waveguide transition. For classical magnetrons, a method of increasing their efficiency is known, which consists in using screens installed at a small distance from the ends of the anode block (from the ends of the cathode, if the length of the cathode corresponds to the length of the anode block) outside the interaction space. The end screens of classical magnetrons have an outer diameter that significantly exceeds the diameter of the cathode, and sometimes exceeds the diameter of the anode, which prevents the leakage of electrons from the interaction space under the action of space charge forces. The use of large-diameter screens is possible because the applied voltage between the cathode and the anode is relatively small.
Недостатком известного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности работы катода, потери эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя.A disadvantage of the known device is the low output power due to the low voltage and current of the power source. An increase in voltage between the cathode and the anode is prevented by the development of breakdown between the cathode and the anode, i.e. transition of the thermionic cathode to explosive electron emission. This breakdown leads to the destruction of the surface of the cathode, loss of emission ability, violation of the vacuum conditions in the device and the failure of the magnetron.
Известно также 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 [Винтизенко И.И., Новиков С.С. Релятивистские магнетронные СВЧ-генераторы с внешней связью резонаторов. // Журнал технической физики, г. Санкт-Петербург, 2010, том 80, вып. 11, с. 95-104], его выбираем за прототип. Коаксиально многорезонаторному 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 50-1000 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. Выходная мощность релятивистских магнетронов составляет от 200 МВт до нескольких гигаватт при длительности импульса излучения от десятков до сотен наносекунд.A device is also known - a relativistic magnetron, consisting of a multiresonator anode block with one or more waveguide power leads, a cylindrical drift tube with an inner diameter exceeding the inner diameter of the anode block [Vintizenko II, Novikov S.S. Relativistic magnetron microwave generators with external resonator coupling. // Journal of Technical Physics, St. Petersburg, 2010, Volume 80, no. 11, p. 95-104], we select it for the prototype. A cathode is mounted coaxially to the multi-cavity anode block, which is connected by means of a cathode holder located in the vacuum chamber to the negative terminal of the power source. Typically, the length of the cathode corresponds to the length of the anode block. However, cathode designs in the form of a narrow washer mounted in the center of the anode block are known. Outside the anode block are the coils of the magnetic system. High-current electron accelerators or linear induction accelerators are used as power sources for relativistic magnetrons. In such devices, the anode block, the vacuum chamber, and the drift tube are grounded, and a negative polarity pulse with a duration of 50-1000 ns and an amplitude of up to 1000 kV is supplied to the cathode. The cathode is made of metal or graphite and operates in explosive electron emission mode. The current taken from the cathode can reach 50 kA. In a crossed radial electric field between the cathode and the anode block and the axial magnetic field created by the magnetic system, the electrons emitted by the explosive electron emission move in two directions. As in a classical magnetron, electrons rotating azimuthally in the spokes give off potential energy to the energy of microwave radiation and radially drift to the anode block. In the axial direction of the device, the electrons of the end current emitted by the ends of the cathode move. This current is formed by the action of an edge electric field. The end-face electrons are deposited on the surface of the vacuum chamber and drift tubes in the region of a decreasing magnetic field. It should be added that the cathodes of relativistic magnetrons are connected to the power source on only one side, unlike classical magnetrons, which, as a rule, have a symmetrical cathode power. Therefore, in relativistic magnetrons, in addition to current losses due to space charge forces and an edge electric field, there is an additional factor of losses from the interaction space under the influence of an azimuthal magnetic field arising from a significant current flowing through the cathode. In a crossed radial electric field between the cathode and the anode and the azimuthal magnetic field of the flowing current, a force is exerted on the electrons, pushing them out of the interaction space. A relativistic magnetron has one or more waveguide power leads from the resonators of the anode block passing between the coils of the magnetic field, made in the form of a Helmholtz pair. The output power of relativistic magnetrons ranges from 200 MW to several gigawatts with a radiation pulse duration of tens to hundreds of nanoseconds.
- 1 021978- 1,021978
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение мощности выходных СВЧ-импульсов релятивистского магнетрона.The task of the invention is to increase the power of the output microwave pulses of a relativistic magnetron.
Технический результат заключается в уменьшении потерь тока из пространства взаимодействия прибора.The technical result is to reduce current losses from the interaction space of the device.
Указанный результат достигается тем, что в релятивистском магнетроне, содержащем, как и прототип, многорезонаторный анодный блок с расположенными на оси катододержателем с взрывоэмиссионным катодом, вакуумную камеру, цилиндрическую трубу дрейфа и внешнюю магнитную систему, в отличие от прототипа, на расстоянии б>(га-гс) от торцов анодного блока установлены концевые экраны радиусом г1«(1,1-1,2)гс, где га - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока, гс - внешний радиус взрывоэмиссионного катода.This result is achieved by the fact that in a relativistic magnetron containing, like the prototype, a multi-cavity anode block with a cathode holder with an explosive emission cathode located on the axis, a vacuum chamber, a cylindrical drift tube and an external magnetic system, in contrast to the prototype, at a distance of b> (g and -z c) from the ends of the anode terminal installed screens radius r 1 "(1.1-1.2) r s, where r and - inner radius multicavity anode block, r c - the outer radius of the cathode of an explosive.
Для релятивистских магнетронов концевые экраны не применялись из-за опасения образования взрывной электронной эмиссии на выступающих относительно поверхности катода поверхностях. Образование плазмы и ее дрейф в продольном магнитном поле с характерной для взрывной электронной эмиссии скоростью порядка 107 см/с могут привести к замыканию плазмой промежутка концевой экран торец анодного блока и закорачиванию источника питания. Однако если выбрать правильным образом размеры концевых экранов и их расстояние до торцов анодного блока, можно, с одной стороны, избежать образования взрывной электронной эмиссии на их поверхности, а с другой стороны, создать условия для уменьшения потерь тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона. Расположение концевых экранов определяется расстоянием до торцов анодного блока, поскольку, как выше упоминалось, возможно использование катодов длиной, меньшей длины анодного блока.For relativistic magnetrons, end screens were not used due to fear of the formation of explosive electron emission on surfaces protruding relative to the cathode surface. The formation of plasma and its drift in a longitudinal magnetic field with a velocity of the order of 10 7 cm / s characteristic of explosive electron emission can lead to the closure of the gap by the plasma of the gap end screen end face of the anode block and shorting of the power source. However, if the sizes of the end screens and their distance to the ends of the anode block are selected in the right way, one can avoid the formation of explosive electron emission on their surface and, on the other hand, create conditions for reducing current losses from the interaction space of the relativistic magnetron. The location of the end screens is determined by the distance to the ends of the anode block, since, as mentioned above, it is possible to use cathodes with a length shorter than the length of the anode block.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показан релятивистский магнетрон, который имеет многорезонаторный анодный блок 1 с внутренним диаметром га длиной 1а с волноводным выводом мощности 2. Коаксиально анодному блоку установлен взрывоэмиссионный катод 3 диаметром гс длиной 1с (1а<1с) и катододержатель 7 с концевыми экранами 4. Магнитная система 5 создает магнитное поле. На торцах анодного блока установлены торцевые крышки 6 (известны конструкции релятивистских магнетронов без торцевых крышек или с крышкой только с одной стороны анодного блока). Катод с помощью катододержателя 7, размещенного в вакуумной камере 8, связан 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 диаметрами. Чем больше диаметр этих элементов, тем меньше предельный ток транспортировки в них. Однако внешние диаметры камеры и трубы ограничены внутренним диаметром магнитной системы. Чрезмерное увеличение диаметров 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. Волноводный вывод мощности 2 заканчивается антенной 10.The invention is illustrated in FIG. 1 and 2. In FIG. 1 shows a relativistic magnetron, which has a multi-resonator anode block 1 with an inner diameter of a and a length of 1 a with a waveguide output of power 2. Coaxial to the anode block has an explosive emission cathode 3 with a diameter of g with a length of 1 s (1 a <1 s ) and a cathode holder 7 with end shields 4. Magnetic system 5 creates a magnetic field. End caps 6 are installed at the ends of the anode block (relativistic magnetron designs without end caps or with a cap on only one side of the anode block are known). The cathode using a cathode holder 7, placed in a vacuum chamber 8, is connected with a high-voltage flange of the power source (not shown in Fig. 1), from which a negative voltage pulse is supplied. To limit the leakage of current from the interaction space of the device, a vacuum chamber 8 and a drift pipe 9 with large internal diameters are used. The larger the diameter of these elements, the lower the limiting current of transportation in them. However, the outer diameters of the chamber and pipe are limited by the inner diameter of the magnetic system. Excessive increase in the diameters of these elements leads to an unjustified increase in the volume of magnetization and, accordingly, an increase in energy consumption for creating a magnetic field. Therefore, the use of the camera and the drift pipe only partially allows to reduce the current loss. The waveguide output power 2 ends with the antenna 10.
Концевые экраны 4 выполнены в виде шайб с внешним диаметром г,и(1,1-1,2)гс и установлены на катододержателе 7 с обеих сторон анодного блока 1 на расстоянии б>(га-гс), где га - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока 1, гс - внешний радиус взрывоэмиссионного катода 3.End screens 4 are in the form of washers having an outer diameter d, and (1.1-1.2) g c and cathode holder 7 are mounted on both sides of the anode assembly 1 at a distance b> (r a -r a) where g and - the inner radius of the multi-cavity anode block 1, g with the outer radius of the explosion-emission cathode 3.
На фиг. 2 показаны экспериментальные результаты применения концевых экранов для релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн. Приведены зависимости мощности СВЧ-импульса релятивистского магнетрона от величины индукции магнитного поля при равном зарядном напряжении первичного источника питания и наличии или отсутствии концевых экранов:In FIG. Figure 2 shows the experimental results of using end shields for a relativistic magnetron of a 10-cm wavelength range. The dependences of the microwave pulse power of the relativistic magnetron on the magnitude of the magnetic field induction are given for an equal charging voltage of the primary power source and the presence or absence of end screens:
зависимость 11 (и I - катод без концевых экранов; зависимость 12 - катод с экраном со стороны катододержателя;dependence 11 ( and I is the cathode without end screens; dependence 12 is the cathode with the screen from the side of the cathode holder;
зависимость 13 (° ) - катод с экраном со стороны трубы дрейфа;dependence 13 (°) - cathode with a screen from the side of the drift tube;
зависимость 14 (·-) - катод с двумя экранами.dependence 14 (· -) - cathode with two screens.
Предлагаемый релятивистский магнетрон содержит, как и прототип, многорезонаторный анодный блок 1 с волноводным выводом мощности 2 и антенной 10. Коаксиально анодному блоку установлен взрывоэмиссионный катод 3. Магнитная система 5 создает магнитное поле. На торцах анодного блока 1 установлены торцевые крышки 6. Катод с помощью катододержателя 7, размещенного в вакуумной камере 8, связан с высоковольтным фланцем источника питания, от которого подается отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока с противоположной стороны анодного блока используется труба дрейфа 9.The proposed relativistic magnetron contains, like the prototype, a multi-cavity anode block 1 with a waveguide output of power 2 and an antenna 10. An explosive emission cathode 3 is installed coaxially to the anode block. Magnetic system 5 creates a magnetic field. At the ends of the anode block 1 end caps are installed 6. The cathode is connected to the high voltage flange of the power source by means of a cathode holder 7 located in the vacuum chamber 8, from which a negative voltage pulse is supplied. To limit the leakage of current from the opposite side of the anode block, a drift pipe 9 is used.
В отличие от прототипа в релятивистском магнетроне на катододержателе 7 с двух сторон от многорезонаторного анодного блока 1 установлены концевые экраны 4. Это позволяет уменьшить ток потерь из пространства взаимодействия и достичь указанной выше цели повышения мощности выходных импульсов. При этом на внешний диаметр концевых экранов 4 и их расстояние от торцов анодного блока 1 накладываются определенные условия. Так, выбор диаметра концевых экранов 4 и расстояния между экранами, находящимися под высоковольтным потенциалом источника питания, и заземленным торцом (торцевыми крышками) анодного блока 1 должны обеспечивать отсутствие взрывоэлектронной плазмы на поверхности экранов 4. Для этого необходимо выполнение условий: 1) б>(га-гс) и 2) г,и(1,1-1,2)гс, т.е.In contrast to the prototype, in the relativistic magnetron on the cathode holder 7, end screens 4 are installed on both sides of the multi-cavity anode block 1. This allows to reduce the loss current from the interaction space and to achieve the above goal of increasing the output pulse power. In this case, certain conditions are imposed on the outer diameter of the end screens 4 and their distance from the ends of the anode block 1. So, the choice of the diameter of the end shields 4 and the distance between the shields under the high-voltage potential of the power source and the grounded end (end caps) of the anode block 1 should ensure that there is no explosive electron plasma on the surface of the shields 4. For this, the following conditions must be met: 1) b> ( r and -r c) and 2) r, and (1.1-1.2) g s, i.e.
- 2 021978 таких, чтобы напряженность электрического поля между экраном 4 и анодным блоком 1 была ниже напряженности электрического поля между катодом 3 и анодным блоком 1 в пространстве взаимодействия.- 2 021978 such that the electric field between the screen 4 and the anode block 1 is lower than the electric field between the cathode 3 and the anode block 1 in the interaction space.
Как показали эксперименты при использовании концевых экранов 4 разного диаметра и установленных на разных расстояниях от торцевых крышек анодного блока 1, наилучшие результаты показывает применение экранов с внешним диаметром, удовлетворяющим приведенным условиям. Это связано с тем, что основные утечки электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона происходят из тонкого прикатодного слоя взрывоэмиссионной плазмы. В этом слое действие высокочастотного электрического поля, захватывающего электроны в спицы пространственного заряда мало, вследствие большого расстояния от резонаторов анодного блока. С другой стороны, в этом слое азимутальное магнитное поле протекающего по катоду тока максимально. Следовательно, сила, выталкивающая электроны из пространства взаимодействия, максимальна вблизи катода.As experiments showed when using end screens 4 of different diameters and installed at different distances from the end caps of the anode block 1, the best results are shown by the use of screens with an external diameter that satisfies the above conditions. This is due to the fact that the main leakage of electrons from the interaction space of the relativistic magnetron occurs from a thin cathode layer of the explosive emission plasma. In this layer, the action of a high-frequency electric field that traps electrons in the spokes of the space charge is small, due to the large distance from the resonators of the anode block. On the other hand, in this layer the azimuthal magnetic field of the current flowing through the cathode is maximum. Consequently, the force pushing electrons out of the interaction space is maximum near the cathode.
Эксперименты показали, что увеличение диаметра концевых экранов 4 более приведенного условия вызывает необходимость увеличения расстояния экран 4 - торец анодного блока 1 для снижения напряженности электрического поля. В этом случае при сохранении увеличившейся эффективности (по сравнению с релятивистским магнетроном с катодом без концевых экранов) наблюдается снижение стабильности амплитуды выходных импульсов. 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 большем расстоянии от катодной поверхности).The experiments showed that increasing the diameter of the end screens 4 more than the above condition makes it necessary to increase the distance of the screen 4 - the end face of the anode block 1 to reduce the electric field strength. In this case, while maintaining increased efficiency (compared with a relativistic magnetron with a cathode without end screens), a decrease in the stability of the amplitude of the output pulses is observed. This is due to the increased path of the movement of electrons from the interaction space to the screen and vice versa and their possible scattering (returning the relativistic magnetron to the interaction space at a greater distance from the cathode surface).
Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 5, 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 7. В промежутке катод 3 - многорезонаторный анодный блок 1 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии [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 так же, как в классическом магнетроне. Для уменьшения потерь электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона применяются вакуумная камера 8 и цилиндрическая труба дрейфа 9 больших диаметров [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия. // Журнал технической физики, Санкт-Петербург, 1983, т. 53, № 11, с. 2266-2268]. Вывод СВЧ-излучения из резонаторов анодного блока 1 осуществляется через щели в стенках резонаторов и далее через волноводный вывод 2 и антенну 10. Для уменьшения потерь тока из пространства взаимодействия электронов с СВЧ-волнами анодного блока на расстоянии й>(та-гс) от анодного блока на катододержателе 7 установлены концевые экраны с внешним диаметром т1и(1,1-1,2)тс. Эти экраны препятствуют движению электронов из тонкого прикатодного слоя, которое возникает под действием краевого электрического поля и под действием силы, образующейся из-за скрещенных радиального электрического и азимутального магнитного полей.The device operates as follows. Pre-included magnetic system 5, operating in continuous or pulsed modes. When the maximum magnetic field is reached, the power source generates a pulse of negative polarity (voltage amplitude 100-1000 kV and current 1-40 kA, depending on the type of source). A high-voltage pulse is fed to the cathode 3 through the cathode holder 7. In the gap between the cathode 3 and the multi-cavity anode block 1, a high electric field is created, causing the development of explosive electron emission [E. Litvinov etc. Auto-emission and explosion-emission processes in vacuum discharges. // Advances in physical sciences. Moscow, 1983, t. 139, p. 265-302]. In crossed radial electric and axial magnetic fields, the formation of electron spokes of the space charge occurs, and the process of transferring electron energy to microwave energy is carried out in the same way as in a classical magnetron. To reduce the loss of electrons from the interaction space of the relativistic magnetron, a vacuum chamber 8 and a cylindrical drift tube 9 of large diameters are used [Sulakshin AS Limiting current leakage from the interaction space. // Journal of Technical Physics, St. Petersburg, 1983, v. 53, No. 11, p. 2266-2268]. The microwave radiation is output from the resonators of the anode block 1 through slots in the walls of the resonators and then through the waveguide terminal 2 and the antenna 10. To reduce current losses from the space of interaction of electrons with microwave waves of the anode block at a distance w> (t a- g s ) end screens with an outer diameter of t 1 and (1.1-1.2) t s are installed from the anode block on the cathode holder 7. These screens impede the movement of electrons from a thin cathode layer, which occurs under the action of an edge electric field and under the action of a force generated due to crossed radial electric and azimuthal magnetic fields.
Примером конкретного выполнения может служить релятивистский магнетрон 10-см диапазона длин волн с восемью резонаторами лопаточного типа, разработанный и применяемый в Физикотехническом институте Томского политехнического университета. Внутренний диаметр анодного блока 1, выполненного из нержавеющей стали, составляет 43 мм, глубина резонаторов - 21,5 мм, длина - 72 мм. На торцах анодного блока 1 установлены торцевые крышки толщиной 5 мм. Графитовый катод имеет диаметр 20 мм. Анодный блок 1 имеет один волноводный вывод мощности из резонатора.An example of a specific implementation is the relativistic magnetron of a 10-cm wavelength range with eight blade-type resonators, developed and used at the Physics and Technology Institute of Tomsk Polytechnic University. The inner diameter of the anode block 1 made of stainless steel is 43 mm, the depth of the resonators is 21.5 mm, and the length is 72 mm. At the ends of the anode block 1, end caps with a thickness of 5 mm are installed. The graphite cathode has a diameter of 20 mm. The anode block 1 has one waveguide output power from the resonator.
Схема эксперимента с релятивистским магнетроном, снабженным концевыми экранами 4, 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 на постоянном токе создавала магнитное поле индукцией до 0,59 Т. Катод, с помощью катододержателя, связан с высоковольтным фланцем ЛИУ, на который подавался отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока использовались вакуумная камера и труба дрейфа с внутренними диаметрами 184 мм. Концевые экраны были изготовлены из дюралюминия в виде шайб с внешним диаметром 22, 24, 26, 28 мм, толщиной 10 мм и радиусом скругления цилиндрической поверхности 5 мм. Экраны могли перемещаться относительно торцов анодного блока 1, для этого на поверхности катододержателя была выполнена резьба, а со стороны трубы дрейфа катододержатель выступал за пределы анодного блока на 70 мм.The experimental design of a relativistic magnetron equipped with end screens 4 corresponded to that shown in FIG. 1. Experimental studies were carried out on a linear induction accelerator LIU 04/6 with an output voltage of up to 400 kV, a current of up to 4 kA, and a pulse duration at the base of ~ 180 ns. A direct current magnetic system created a magnetic field by induction up to 0.59 T. The cathode, with the help of a cathode holder, is connected to the high-voltage flange of the LIU, to which a negative voltage pulse was applied. To limit current leakage, a vacuum chamber and a drift tube with internal diameters of 184 mm were used. End screens were made of duralumin in the form of washers with an outer diameter of 22, 24, 26, 28 mm, a thickness of 10 mm and a rounding radius of the cylindrical surface of 5 mm. The screens could be moved relative to the ends of the anode block 1, for this, a thread was made on the surface of the cathode holder, and from the side of the drift tube, the cathode holder protruded 70 mm beyond the anode block.
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 СВЧимпульсов.To record the characteristics of the LIU high-voltage pulse, a capacitive voltage divider, Rogowski belt for measuring the accelerator’s total current were used, as well as microwave detectors with calibrated waveguide attenuators located in the far zone for registering microwave pulses.
- 3 021978- 3 021978
В экспериментах сравнивались выходные импульсы релятивистского магнетрона при использовании катода без концевых экранов, с одним экраном со стороны катододержателя, с одним экраном со стороны трубы дрейфа и с двумя экранами. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании двух концевых экранов диаметром 22 мм при расположении их на расстоянии 12 мм от торцов анодного блока.The experiments compared the output pulses of a relativistic magnetron using a cathode without end screens, with one screen on the cathode holder side, with one screen on the side of the drift tube and with two screens. The best results were achieved when using two end screens with a diameter of 22 mm with their location at a distance of 12 mm from the ends of the anode block.
На фиг. 2 представлены зависимости мощности СВЧ-импульсов от величины индукции магнитного поля, снятые при равном зарядном напряжении первичного источника питания ЛИУ. Как видно, к заметному увеличению мощности импульса СВЧ приводит экран, установленный со стороны трубы дрейфа (зависимость 13). Это позволяет заключить, что основные утечки тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона происходят в трубу дрейфа. Приведенные зависимости показывают, что в случае применения концевых экранов катода расширяется область синхронных магнитных полей, при которых регистрируется максимальный уровень СВЧ. Анализ осциллограмм показал, что при использовании экранов наблюдается увеличение выходного напряжения ЛИУ в сравнении с катодом без экранов за счет уменьшения потерь тока (возрастает импеданс релятивистского магнетрона). В свою очередь, это требует увеличения синхронного магнитного поля и сопровождается заметным увеличением мощности (зависимость 14 на фиг. 2). В результате исследований релятивистского магнетрона с катодными концевыми экранами установлено, что применение экранов увеличивает мощность излучения на 40% (зависимости 11 и 14 на фиг. 2), достигающей 400 МВт, при сохранении длительности импульса СВЧ.In FIG. Figure 2 shows the dependences of the power of microwave pulses on the magnitude of the magnetic field induction, taken at an equal charging voltage of the primary power source LIU. As can be seen, a screen mounted on the side of the drift tube leads to a noticeable increase in the microwave pulse power (dependence 13). This allows us to conclude that the main leakage of current from the interaction space of a relativistic magnetron occurs in the drift tube. The above dependences show that in the case of application of the end screens of the cathode, the region of synchronous magnetic fields expands at which the maximum microwave level is recorded. Analysis of the waveforms showed that when using screens, an increase in the output voltage of the LIU is observed in comparison with the cathode without screens due to a decrease in current losses (the impedance of the relativistic magnetron increases). In turn, this requires an increase in the synchronous magnetic field and is accompanied by a noticeable increase in power (dependence 14 in Fig. 2). As a result of studies of a relativistic magnetron with cathode end screens, it was found that the use of screens increases the radiation power by 40% (dependences 11 and 14 in Fig. 2), reaching 400 MW, while maintaining the microwave pulse duration.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201201302A EA021978B1 (en) | 2012-10-01 | 2012-10-01 | Relativistic magnetron |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201201302A EA021978B1 (en) | 2012-10-01 | 2012-10-01 | Relativistic magnetron |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201201302A1 EA201201302A1 (en) | 2014-04-30 |
| EA021978B1 true EA021978B1 (en) | 2015-10-30 |
Family
ID=50516429
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201201302A EA021978B1 (en) | 2012-10-01 | 2012-10-01 | Relativistic magnetron |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA021978B1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2039392C1 (en) * | 1992-03-02 | 1995-07-09 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Relativistic magnetron oscillator |
| RU2166813C1 (en) * | 2000-02-08 | 2001-05-10 | НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете | Method and device for producing microwave radiation in relativistic magnetron |
| RU2321099C2 (en) * | 2006-03-17 | 2008-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Microwave oscillator |
| US20090058301A1 (en) * | 2007-05-25 | 2009-03-05 | Fuks Mikhail I | Magnetron device with mode converter and related methods |
| US20110181460A1 (en) * | 2006-06-01 | 2011-07-28 | Frederik Olsson | Device for generation of microwaves |
-
2012
- 2012-10-01 EA EA201201302A patent/EA021978B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2039392C1 (en) * | 1992-03-02 | 1995-07-09 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Relativistic magnetron oscillator |
| RU2166813C1 (en) * | 2000-02-08 | 2001-05-10 | НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете | Method and device for producing microwave radiation in relativistic magnetron |
| RU2321099C2 (en) * | 2006-03-17 | 2008-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Microwave oscillator |
| US20110181460A1 (en) * | 2006-06-01 | 2011-07-28 | Frederik Olsson | Device for generation of microwaves |
| US20090058301A1 (en) * | 2007-05-25 | 2009-03-05 | Fuks Mikhail I | Magnetron device with mode converter and related methods |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201201302A1 (en) | 2014-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gubanov et al. | Compact 1000 pps high-voltage nanosecond pulse generator | |
| CN105261541A (en) | High power radial line relativistic klystron amplifier | |
| RU2452143C2 (en) | Method of generating deceleration radiation with pulse-by-pulse energy switching and radiation source for realising said method | |
| Vintizenko | Relativistic Magnetrons | |
| Tulu et al. | Systematic study of multipactor suppression techniques for a superconducting rf gun | |
| Krasik et al. | A relativistic magnetron operated with permanent magnets | |
| Leopold et al. | Revisiting power flow and pulse shortening in a relativistic magnetron | |
| Dang et al. | A Ku-band compact disk-beam relativistic klystron oscillator operating at low guiding magnetic field | |
| RU187270U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| Sung et al. | Influence of anode-cathode gap distance on output characteristics of high-power microwave from coaxial virtual cathode oscillator | |
| RU149963U1 (en) | ION TRIODE FOR NEUTRON GENERATION | |
| RU2599388C1 (en) | Relativistic magnetron with cathode end shields | |
| EP2753155B1 (en) | Compact self-resonant x-ray source | |
| EA021978B1 (en) | Relativistic magnetron | |
| Choi et al. | Characteristics of diode perveance and vircator output under various anode-cathode gap distances | |
| Jiang et al. | Analysis and suppression of the higher order competition modes in Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator | |
| RU2337426C1 (en) | Relativistic magnetron with external channels of resonators communication | |
| Cerfon et al. | Observation and study of low-frequency oscillations in a 1.5-MW 110-GHz gyrotron | |
| RU184106U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| Satyanarayana et al. | High power microwaves generation from intense relativistic electron beam using Kali-1000 pulse power system | |
| RU2551353C1 (en) | Relativistic magnetron | |
| Yalandin et al. | Highly effective, repetitive nanosecond-range Ka-band BWO | |
| Vintizenko et al. | The Use of Ferromagnetic Screens in the Cathode of a Pulse-Periodic Relativistic Magnetron | |
| Anishchenko et al. | Towards High-Power Microwaves | |
| Prasad et al. | Magnetron experiments on the short-pulse “SINUS-6” accelerator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KG TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): BY KZ RU |