RU2190281C1

RU2190281C1 - Relativistic magnetron

Info

Publication number: RU2190281C1
Application number: RU2001128794/09A
Authority: RU
Inventors: И.И. Винтизенко; А.И. Заревич; С.С. Новиков
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: relativistic high-frequency electronics; generation of high-power microwave radiation. SUBSTANCE: relativistic magnetron has cylindrical drift tube and multiple-cavity anode unit with waveguide power leads. Cathode coaxially mounted relative to anode unit is coupled with aid of cathode holder to power supply. Magnetron magnetic system is built of two magnetic coils forming Helmholtz couple. Placed in gap between coils are waveguide power leads in the quantity of 2m, N, where m = 1, 2, ; N/2 is integer number. Waveguide power leads of opposing cavities are integrated by means of one or more antennafeeder lines whose length is a multiple of (2•q-1)λ/2 for relativistic magnetron whose number of cavities satisfies condition N/2-parity number or a multiple of λ•q for relativistic magnetron whose number of cavities satisfies condition N/2-odd number, where N is number of anode unit cavities; λ is operating wavelength; q is positive integer number. Energy output from system is effected through slit in antenna-feeder line. EFFECT: enhanced stability of amplitude, time, and frequency characteristics of generated microwave pulses. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования стабильной работы приборов, в частности сохранения от импульса к импульсу амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ сигнала. The invention relates to the field of relativistic high-frequency electronics and can be used to generate powerful microwave radiation. The practical use of microwave radiation imposes requirements on the stable operation of devices, in particular, pulse-to-pulse conservation of the amplitude, time, and frequency parameters of the microwave signal.

Известно устройство - классический магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. Сов. Радио, 1966, 224 с. ] , состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного посредством катододержателя с источником питания. Снаружи установлена магнитная система в виде постоянного магнита либо в виде электромагнита из двух катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между полюсами магнита 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 электрическом радиальном поле между катодом и анодом и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают свою энергию СВЧ излучению и осуществляют радиальный дрейф к аноду. Энергия СВЧ излучения выводится через щель связи в одном из резонаторов и плавный волноводный переход. A device is known - a classical magnetron [Samsonov D.E. Basics of calculation and design of multi-resonator magnetrons. Owls Radio, 1966, 224 p. ], consisting of a multi-cavity anode block with a waveguide power output, coaxially located thermionic cathode, connected through a cathode holder to a power source. Outside, a magnetic system is installed in the form of a permanent magnet or in the form of an electromagnet of two coils forming a Helmholtz pair. In the gap between the poles of the magnet, 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 the crossed radial electric field between the cathode and the anode and the magnetic field created by the magnetic system, the electrons, rotating azimuthally in the "spokes", give their energy to microwave radiation and radially drift to the anode. The energy of microwave radiation is removed through a coupling gap in one of the resonators and a smooth waveguide transition.

Недостатком данного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями выходных параметров источника питания - напряжения и тока. Увеличению напряжения препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потере им эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя. The disadvantage of this device is the low output power due to the low values of the output parameters of the power source - voltage and current. An increase in voltage is impeded by the development of breakdown between the cathode and anode, i.e. transition of the thermionic cathode to explosive electron emission. This breakdown leads to the destruction of the cathode surface, the loss of its emissive ability, violation of the vacuum conditions in the device and the failure of the magnetron.

Известно также устройство - релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрическую трубу дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока, расположенный коаксиально анодному блоку катод, связанный посредством катододержателя с отрицательным выводом источника питания, и магнитную систему [Артюх И.Г., Сандалов А.Н., Сулакшин А.С. и др. Релятивистские СВЧ устройства сверхбольшой мощности: Обзоры по электронной технике. Сер. 1, Электроника СВЧ. - Вып. 17 (1490), М., 1989]. Это устройство выбираем за прототип. В качестве источника питания релятивистского магнетрона используются сильноточные электронные ускорители. В релятивистских магнетронах анодный блок и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс напряжения отрицательной полярности длительностью 50-200 нc, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодным блоком и магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, эмитированные под действием взрывной электронной эмиссии, осуществляют движение в двух направлениях. Как и в классическом магнетроне, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают потенциальную энергию энергии СВЧ излучения и осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцом катода. Этот ток образован действием скрещенных электрического краевого и продольного магнитного полей. Электроны торцевого тока оседают на поверхность трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. A device is also known - a relativistic magnetron containing a multi-cavity anode block with one or more waveguide power leads, a cylindrical drift tube with an inner diameter greater than the inner diameter of the anode block, coaxially connected to the anode block, a cathode connected by a cathode holder to a negative terminal of the power source, and a magnetic system [Artyukh I.G., Sandalov A.N., Sulakshin A.S. et al. Relativistic microwave super-high power devices: Reviews on electronic technology. Ser. 1, Microwave Electronics. - Vol. 17 (1490), M., 1989]. We select this device as a prototype. High-current electron accelerators are used as a power source for the relativistic magnetron. In relativistic magnetrons, the anode block and the drift tube are grounded, and a negative voltage pulse of 50–200 ns duration and an amplitude of up to 1000 kV is applied to the cathode. The cathode is made of metal or graphite and operates in explosive electron emission mode. In a crossed radial electric field between the cathode and the anode block and the magnetic field created by the magnetic system, the electrons emitted by the explosive electron emission move in two directions. As in the classical magnetron, the electrons, rotating azimuthally in the "spokes", give off the potential energy of the microwave energy and radially drift to the anode block. In the axial direction of the device, the end-face electrons emitted by the end of the cathode move. This current is formed by the action of crossed electric edge and longitudinal magnetic fields. The electrons of the end current are deposited on the surface of the drift tube in the region of a decreasing magnetic field.

Недостатком этого устройства является нестабильность выходных параметров, обусловленная следующими причинами. Во-первых, значительными изменениями выходного напряжения ускорителя в течение импульса, во-вторых, образованием катодной плазмы, которая при своем радиальном расширении в течение действия импульса уменьшает межэлектродный промежуток и увеличивает напряженность радиального поля в пространстве взаимодействия. Все это приводит к резкому изменению условий генерации магнетрона и, как следствие, к модовой нестабильности, проявляющейся в спонтанных переходах между типами колебаний, широком спектре излучения, низкой повторяемости амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ импульсов. Другой недостаток релятивистского магнетрона связан с ограничениями выводимой импульсной мощности за счет развития СВЧ пробоев в волноводном выводе мощности. Повышение мощности возможно за счет увеличения числа волноводных выводов мощности, как это сделано в работе Graig G., Pettibone J., Ensley D./ A symmetrically loaded relativistic magnetron. / Abstr. IEEE Int Conf. on Plasma Science, Montreal, 1979, р.44, в которой для шестирезонаторного анодного блока применено до 6 выводов. Экспериментально показано, что увеличение числа выводов приводит к росту уровня выходной мощности за счет устранения пробоев в волноводных выводах мощности и улучшения симметрии распределения СВЧ полей в пространстве взаимодействия магнетрона. Однако подобные релятивистские магнетронные системы не устраняют недостаток, связанный с низкой стабильностью амплитудных, временных и частотных параметров генерируемых СВЧ импульсов, в сравнении с классическими магнетронными генераторами. Также происходит значительное снижение нагруженной добротности генератора и, как следствие, ухудшение модовой стабильности прибора. The disadvantage of this device is the instability of the output parameters due to the following reasons. Firstly, by significant changes in the output voltage of the accelerator during the pulse, and secondly, by the formation of a cathode plasma, which, when radially expanding during the pulse, reduces the interelectrode gap and increases the radial field strength in the interaction space. All this leads to a sharp change in the conditions for magnetron generation and, as a result, to mode instability, which manifests itself in spontaneous transitions between types of oscillations, a wide radiation spectrum, and low repeatability of the amplitude, time, and frequency parameters of microwave pulses. Another drawback of the relativistic magnetron is associated with the limitations of the output pulsed power due to the development of microwave breakdowns in the waveguide power output. An increase in power is possible due to an increase in the number of waveguide power leads, as was done by Graig G., Pettibone J., Ensley D. / A symmetrically loaded relativistic magnetron. / Abstr. IEEE Int Conf. on Plasma Science, Montreal, 1979, p. 44, in which up to 6 leads are used for a six-cavity anode block. It was experimentally shown that an increase in the number of leads leads to an increase in the output power level by eliminating breakdowns in the waveguide power leads and improving the symmetry of the distribution of microwave fields in the interaction space of the magnetron. However, such relativistic magnetron systems do not eliminate the disadvantage associated with the low stability of the amplitude, time, and frequency parameters of the generated microwave pulses, in comparison with classical magnetron generators. There is also a significant decrease in the loaded Q-factor of the generator and, as a consequence, the deterioration of the mode stability of the device.

Классические магнетроны лишены вышеперечисленных недостатков, характерных для релятивистских магнетронов. Это обусловлено, в значительной мере, стабильностью питающих электрических и магнитных полей, низкими плотностями мощности, а также специальными конструктивными элементами, применяемыми для дополнительной стабилизации рабочего режима. В первую очередь к ним относятся связки, представляющие собой проволочные или ленточные кольца или скобки, соединяющие между собой соответственно только четные и только нечетные сегменты анодного блока и тем самым выравнивающие электрические потенциалы, а также использование разнорезонаторных анодных блоков, дополнительно увеличивающих разделение видов колебаний. Однако применение указанных способов стабилизации рабочего режима в релятивистских магнетронах ограничено высокими уровнями генерируемой мощности, что делает невозможным использование связок, а также, как уже упоминалось выше, нестабильностью питающих напряжений, что в разнорезонаторном магнетроне приводит к выполнению условия возбуждения для разных мод (видов колебаний) в течение импульса [Винтизенко И. И. и др. Экспериментальные исследования разнорезонаторного сильноточного магнетрона. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, 8, с.482-485]. Classical magnetrons are deprived of the above disadvantages characteristic of relativistic magnetrons. This is due, to a large extent, to the stability of the supplying electric and magnetic fields, low power densities, as well as special structural elements used to further stabilize the operating mode. First of all, they include ligaments, which are wire or ribbon rings or brackets that connect only even and only odd segments of the anode block, respectively, and thereby equalizing electric potentials, as well as the use of different-resonant anode blocks, which further increase the separation of vibration modes. However, the use of these methods of stabilization of the operating mode in relativistic magnetrons is limited by high levels of generated power, which makes it impossible to use bundles, as well as, as mentioned above, instability of supply voltages, which in a different resonator magnetron satisfies the excitation condition for different modes (modes of oscillations) during the pulse [Vintizenko II. et al. Experimental studies of a multi-resonator high-current magnetron. Letters to the ZhTF, 1983, vol. 9, 8, p. 488-485].

Задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности амплитудных, временных и частотных параметров импульсов СВЧ излучения, генерируемого релятивистским магнетроном. Ожидаемый технический результат - устранение спонтанных переходов между видами колебаний, сужение за счет этого спектра СВЧ излучения и увеличение выходной мощности. The objective of the invention is to increase the stability of the amplitude, time and frequency parameters of pulses of microwave radiation generated by a relativistic magnetron. The expected technical result is the elimination of spontaneous transitions between modes of vibration, the narrowing due to this spectrum of microwave radiation and an increase in output power.

Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон, содержащий, как и прототип, цилиндрическую трубу дрейфа, многорезонаторный анодный блок с волноводными выводами мощности. Коаксиально анодному блоку расположен катод, связанный посредством катододержателя с источником питания. Магнитная система магнетрона выполнена из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца. В промежутке между катушками размещены волноводные выводы мощности. В отличие от прототипа число волноводных выводов мощности составляет 2•m, ...N, где m=1,2,...N/2 - целое число. Волноводные выводы мощности противоположно расположенных резонаторов магнетрона соединены посредством одного или нескольких антенно-фидерных трактов длиной, кратной (2•q-1)λ/2 для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, или кратной λ•q для релятивистского магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число, где N - число резонаторов анодного блока, q - положительное целое число, λ- рабочая длина волны, и в тракте выполнена щель связи для вывода СВЧ излучения. Устройство изображено на чертеже, где 1 - цилиндрическая труба дрейфа, 2 - многорезонаторный анодный блок, 3 - волноводные выводы мощности, 4 - катод, 5 - катододержатель, 6 - источник питания, 7 - магнитная система, 8 - антенно-фидерный тракт, 9 - щель связи, 10 - излучающая система. To solve this problem, a relativistic magnetron is proposed, containing, like the prototype, a cylindrical drift tube, a multi-cavity anode block with waveguide power leads. Coaxial to the anode block is a cathode connected by a cathode holder to a power source. The magnetron magnetic system is made of two magnetic coils forming a Helmholtz pair. In the gap between the coils are placed waveguide power leads. Unlike the prototype, the number of waveguide power leads is 2 • m, ... N, where m = 1,2, ... N / 2 is an integer. The waveguide power leads of the oppositely located magnetron resonators are connected by means of one or more antenna-feeder paths of a length multiple of (2 • q-1) λ / 2 for a relativistic magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 is an even number or a multiple of λ • q for a relativistic magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 is an odd number, where N is the number of resonators of the anode block, q is a positive integer, λ is the working wavelength, and a coupling gap is made in the path to output microwave radiation. The device is shown in the drawing, where 1 is a cylindrical drift tube, 2 is a multiresonator anode block, 3 are waveguide power leads, 4 is a cathode, 5 is a cathode holder, 6 is a power source, 7 is a magnetic system, 8 is an antenna-feeder path, 9 - communication gap, 10 - radiating system.

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 7, работающая в непрерывном или импульсном режиме. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 6 формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). В промежутке катод 4 - многорезонаторный анодный блок 2 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. Успехи физ. наук. 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. Наличие тракта связи 8 между выводами мощности 3 противоположных резонаторов анодного блока 2 приводит к взаимодействию СВЧ полей в резонаторах, что приводит к взаимному выравниванию амплитуды и фазы высокочастотного поля в противоположных секторах пространства взаимодействия. При этом фаза сигнала, поступающего на вход резонатора, определяется полной электрической длиной тракта связи. Как известно [Магнетроны сантиметрового диапазона, том 1, 2. Перевод с англ. под ред. С.А. Зусмановского. М. Сов. радио, 1950], для основного π-вида, для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - нечетное число, колебания противоположных резонаторов, при отсчете по азимуту, противофазны, а по отношению к выходным волноводам - синфазны. А для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию: N/2 - четное число, колебания противоположных резонаторов, при отсчете по азимуту, синфазны, а по отношению к выходным волноводам - противофазны. Для всех остальных видов колебаний фазовое распределение высокочастотного поля отлично от фазового распределения для π-вида. Поэтому если длина тракта связи подобрана так, что сигналы на его входе и выходе синфазны (для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - нечетное число) либо противофазны (для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число), то будет происходить стабилизация π-вида и подавление всех остальных видов колебаний. Также происходит более симметричное распределение полей в пространстве взаимодействия и улучшение механизма энергообмена электронов с СВЧ полем. The device operates as follows. Pre-included magnetic system 7, operating in continuous or pulsed mode. At the time of reaching the maximum magnetic field, the power source 6 forms a pulse of negative polarity (voltage amplitude 100-1000 kV and current 1-40 kA, depending on the type of source). In the gap between the cathode 4 - multiresonator anode block 2 creates a high electric field strength, causing the development of explosive electron emission [E. Litvinov etc. Auto-emission and explosion-emission processes in vacuum discharges. Success physical. sciences. 1983, t. 139, s. 265-302]. In crossed radial electric and axial magnetic fields, the formation of electron "spokes" of space charge occurs and the process of transfer of electron energy to microwave energy is carried out in the same way as in a classical magnetron. The presence of the communication path 8 between the power terminals 3 of the opposite resonators of the anode block 2 leads to the interaction of microwave fields in the resonators, which leads to mutual alignment of the amplitude and phase of the high-frequency field in opposite sectors of the interaction space. In this case, the phase of the signal entering the resonator input is determined by the total electric length of the communication path. As is known [Magnetrons of the centimeter range, vol. 1, 2. Translation from English. under the editorship of S.A. Zusmanovsky. M. Sov. Radio, 1950], for the main π-type, for a magnetron with the number of resonators satisfying the condition: N / 2 is an odd number, the oscillations of the opposite resonators, when counting in azimuth, are out of phase, and in phase with respect to the output waveguides. And for a magnetron with the number of resonators satisfying the condition: N / 2 is an even number, the oscillations of the opposite resonators, when counted in azimuth, are in-phase, and are in-phase with respect to the output waveguides. For all other types of vibrations, the phase distribution of the high-frequency field is different from the phase distribution for the π-type. Therefore, if the length of the communication path is selected so that the signals at its input and output are in phase (for an magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 - an odd number) or antiphase (for a magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 - an even number) , then the π-type will stabilize and all other modes of vibration will be suppressed. A more symmetric distribution of fields in the interaction space and an improvement in the mechanism of energy exchange of electrons with a microwave field also occur.

Использование в тракте связи общей нагрузки - излучателя позволяет эффективно суммировать мощность с различных выводов релятивистского магнетрона при существенном повышении стабильности его работы. При этом открываются перспективы использования релятивистского магнетрона в качестве источника питания в системах антенных решеток для целей сверхдальней радиолокации, передачи энергии, радиоэлектронного подавления. The use of a common load - emitter in the communication path allows you to effectively summarize the power from various outputs of the relativistic magnetron with a significant increase in the stability of its operation. At the same time, prospects are opening up for using a relativistic magnetron as a power source in antenna array systems for ultra-long-range radar, energy transfer, and electronic suppression.

Схема конкретной реализации предложенного устройства полностью соответствует принципиальной, изображенной на чертеже. Два противоположных вывода 3 шестирезонаторного релятивистского магнетрона, питаемого секцией линейного индукционного ускорителя 6, соединяются волноводным трактом 8 через 3-дБ волноводный Н-тройник, который обеспечивает вывод энергии из системы через излучающую пирамидальную антенну 10. Магнитная система 7, изготовленная из двух магнитных катушек, образующих пару Гельмгольца, питается от регулируемого источника постоянного тока, имеет водяное охлаждение и обеспечивает магнитное поле с индукцией до 0,54 Тл. Релятивистский магнетрон 10 см диапазона длин волн имеет водяную рубашку охлаждения анодного блока и трубы дрейфа, графитовый катод 4 диаметром 19 мм. Анодный блок 2 содержит 6 резонаторов лопаточного типа. Внутренний диаметр анодного блока 43 мм, диаметр резонаторов 86 мм, длина анодного блока 72 мм. Диаметр и длина трубы 1 дрейфа 200 мм и 700 мм соответственно. Вывод СВЧ излучения из магнетрона осуществляется через щели связи в двух противоположных резонаторах и плавные волноводные переходы 3. Тракт связи 8 изготовлен из медного прямоугольного волновода с внутренним сечением 72•34 мм. Полная длина тракта связи, включая волноводные выводы мощности, составляла 2770 мм, что соответствует ~18λ на частоте 2840 МГц рабочего π-вида колебаний. Вывод энергии из системы осуществлялся через щель связи 9 в узкой стенке волновода, к которой была подключена пирамидальная рупорная антенна 10. Экспериментальная установка обеспечивает генерацию СВЧ импульсов с частотой следования до 320 Гц и отличается высокой повторяемостью рабочих характеристик. A diagram of a specific implementation of the proposed device is fully consistent with the principle depicted in the drawing. Two opposite leads 3 of a six-cavity relativistic magnetron fed by a section of a linear induction accelerator 6 are connected by a waveguide path 8 through a 3-dB waveguide H-tee, which provides energy output from the system through a radiating pyramidal antenna 10. Magnetic system 7, made of two magnetic coils, forming a Helmholtz couple, is powered by an adjustable constant current source, has water cooling and provides a magnetic field with induction up to 0.54 T. A relativistic magnetron of 10 cm in the wavelength range has a water jacket for cooling the anode block and the drift tube, and a graphite cathode 4 with a diameter of 19 mm. The anode block 2 contains 6 blade type resonators. The inner diameter of the anode block is 43 mm, the diameter of the resonators is 86 mm, and the length of the anode block is 72 mm. The diameter and length of the pipe 1 drift 200 mm and 700 mm, respectively. The microwave radiation is removed from the magnetron through coupling slots in two opposite resonators and smooth waveguide transitions 3. The coupling path 8 is made of a rectangular copper waveguide with an internal cross section of 72 • 34 mm. The total length of the communication path, including the waveguide power leads, was 2770 mm, which corresponds to ~ 18λ at a frequency of 2840 MHz of the working π-type oscillations. The energy was extracted from the system through the communication gap 9 in the narrow wall of the waveguide, to which the pyramidal horn antenna 10 was connected. The experimental setup provides the generation of microwave pulses with a repetition rate of up to 320 Hz and is characterized by high repeatability of operating characteristics.

В использованном релятивистском магнетроне основными конкурирующими видами колебаний являются π-вид и 2π/3-вид (и его (-1) гармоника), имеющие близкие напряжения возбуждения. Последний, в отличие от π-вида, характеризуется противофазностью колебаний в противоположных резонаторах, что при указанных длинах тракта связи приводит к его подавлению. In the used relativistic magnetron, the main competing modes of vibration are the π-type and 2π / 3-type (and its (-1) harmonic), which have close excitation voltages. The latter, in contrast to the π-type, is characterized by the antiphase oscillations in opposite cavities, which at the indicated lengths of the communication path leads to its suppression.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что огибающие СВЧ импульсов магнетрона с несвязанными выводами имеют глубокую изрезанность, отражающую нестабильность процесса генерации. Уровень мощности излучения с каждого вывода ~80 МВт, суммарная энергия в импульсе ~6 Дж. Нестабильность формы СВЧ сигналов коррелирует с колебаниями на регистрируемых осциллограммах тока и напряжения источника питания. The obtained experimental results show that the envelopes of microwave pulses of a magnetron with unconnected leads have a deep indentation, reflecting the instability of the generation process. The radiation power level from each terminal is ~ 80 MW, the total energy per pulse is ~ 6 J. The instability of the shape of the microwave signals correlates with fluctuations in the recorded waveforms of the current and voltage of the power source.

Объединение выводов магнетрона трактом связи резонаторов существенно изменило режим генерации СВЧ излучения. При электрически симметричном расположении нагрузки-излучателя выходная мощность возросла и достигла значения ~ 200 МВт, что соответствует суммированию в ней энергии рабочего π-вида колебаний. Энергия импульса повысилась до ~9 Дж. Огибающие СВЧ сигналов стали гладкими, что свидетельствует о более стабильной работе магнетрона. The combination of the magnetron pins with the resonator coupling path substantially changed the mode of microwave radiation generation. With an electrically symmetric arrangement of the load-emitter, the output power increased and reached ~ 200 MW, which corresponds to the summation of the energy of the working π-type oscillations in it. The pulse energy increased to ~ 9 J. The envelopes of microwave signals became smooth, which indicates a more stable operation of the magnetron.

Стабилизирующее влияние тракта связи резонаторов релятивистского магнетрона также проявляется и на спектральных характеристиках СВЧ импульсов. Магнетрон с несвязанными выводами имеет достаточно широкую полосу излучения, около 3% по уровню 3 дБ. В спектре наблюдаются два частотных максимума, соответствующих видам колебаний π и 2π/3. Объединение выводов резонаторов позволяет существенно сузить спектр излучения, приблизительно до 1-2%. При этом в спектре присутствует только один частотный максимум, соответствующий π-виду колебаний. Это однозначно указывает на отсутствие в системе модовой конкуренции. The stabilizing effect of the coupling path of the resonators of the relativistic magnetron also manifests itself in the spectral characteristics of microwave pulses. A magnetron with unconnected leads has a fairly wide emission band, about 3% at a level of 3 dB. Two frequency maxima are observed in the spectrum, corresponding to the modes of oscillations π and 2π / 3. The combination of the conclusions of the resonators can significantly narrow the radiation spectrum, to about 1-2%. In this case, only one frequency maximum is present in the spectrum, which corresponds to the π-mode of vibrations. This clearly indicates the absence of fashion competition in the system.

Для сравнения экспериментальных результатов, полученных при исследовании предложенной системы, с известным данными на установке был испытан релятивистский магнетрон с одним волноводным выводом мощности, имеющий идентичный анодный блок. Для него СВЧ импульсы имеют меньшую длительность, ширина полосы излучения по уровню 3 дБ - приблизительно 3%. Уровень мощности и энергия в импульсе здесь несколько меньше, приблизительно 180 МВт и 7 Дж соответственно. Как видно, в отличие от прототипа, магнетрон с объединенными выводами в режиме суммирования обеспечивает более высокие значения выходных параметров и лучшие спектральные характеристики излучения. To compare the experimental results obtained in the study of the proposed system with known data, a relativistic magnetron with one waveguide power output having an identical anode block was tested on the setup. For it, microwave pulses have a shorter duration, the emission bandwidth at a level of 3 dB is approximately 3%. The power level and energy in the pulse are somewhat lower, approximately 180 MW and 7 J, respectively. As you can see, unlike the prototype, a magnetron with combined conclusions in the summation mode provides higher values of the output parameters and better spectral characteristics of the radiation.

Таким образом, использование в релятивистском магнетроне тракта связи резонаторов позволяет избавиться от спонтанных переходов между видами колебаний, за счет этого спектр СВЧ излучения сужается до 1-2% и на 25% возрастает выходная мощность. Thus, the use of resonator links in a relativistic magnetron allows one to get rid of spontaneous transitions between modes of vibration, due to this, the microwave radiation spectrum narrows to 1-2% and the output power increases by 25%.

Claims

A relativistic magnetron containing a cylindrical drift tube, a multiresonator anode block coaxially located with an explosive emission cathode, a magnetic system of two coils forming a Helmholtz pair, between which are placed waveguide power leads, characterized in that the number of waveguide power leads is 2 • m,. . . N, where m = 1, 2,. . . , N / 2 is an integer, and the waveguide outputs of the power of oppositely located resonators are connected via one or more antenna-feeder paths of a length multiple of (2 • q - 1) λ / 2 for a relativistic magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 - an even number, or a multiple of λ • q, for a relativistic magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 is an odd number, where N is the number of resonators of the anode block, q is a positive integer, λ is the working wavelength, and one slot is made in the path connection to output microwave teaching.