RU2228560C1

RU2228560C1 - Relativistic magnetron

Info

Publication number: RU2228560C1
Application number: RU2002124144/09A
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: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-05-10
Also published as: RU2002124144A

Abstract

FIELD: high-frequency relativistic electronics; generation of high-voltage microwave radiation. SUBSTANCE: relativistic magnetron incorporating provision for stabilization of amplitude, time, and frequency characteristics of microwave pulses has multicavity anode unit with power leads of cavities disposed perpendicular to its axis and explosion-emission cathode as well as cylindrical drift tube, on its axis; it also has external magnetic system assembled of two coils forming Helmholtz couple. Power leads of two opposing magnetron cavities are interconnected by means of rectangular waveguide, whose narrow wall has k (k≥3) radiating slits, in such way that with number of magnetron cavities satisfying condition of N/2 being integer number waveguide length equals (2•m+1)λ/2, central slit is disposed on system electrical symmetry axis, and remaining slits are spaced (2•n+1)λ/2, apart from central one, where k is odd number; N is number of anode unit cavities; m, n is positive integer number; λ is operating wavelength; with number of magnetron cavities satisfying condition of N/2 being integer number waveguide length equals λ•m, central slit is offset relative to system electrical symmetry axis by λ/2, and remaining slits are spaced (2•n+1)λ/4 apart from central slit. EFFECT: enhanced efficiency of microwave energy output. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ излучения. Практическое использование СВЧ излучения предъявляет требования к стабильной работе приборов, в частности к сохранению 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, on preservation of the amplitude, time, and frequency parameters of the microwave signal from pulse to pulse.

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 classic magnetron [Samsonov D.E. Basics of calculation and design of multi-resonator magnetrons. Owls Radio, 1966, 224 pp.], 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 a 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 термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности катода, потери 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 the explosive electron emission mode. 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 выводом отрицательной полярности 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 не, 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 with a negative polarity of the power source, and a magnetic system [Artyukh IG, Sandalov AN, Sulakshin A.S. et al. Relativistic microwave devices of extra-large power: Reviews on electronic technician e. Ser. 1, Microwave Electronics. - Issue 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 polarity pulse of 50–200 nsec in duration 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, electrons rotating azimuthally in the “spokes” give off the potential energy of microwave energy and radially drift to the anode block. In the axial direction of the device, the electrons of the end current 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, уменьшению их энергии. 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, P.44], в которой для шестирезонаторного анодного блока применено до 6 выводов. Экспериментально показано, что увеличение числа выводов приводит к увеличению допустимого 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. Это, в свою очередь, ограничивает возможности практического применения релятивистского магнетрона для питания антенных излучающих структур, формирования стабильного пространственного распределения энергии СВЧ колебаний.The disadvantage of this device is the instability of the output parameters due to the following reasons. Firstly, significant changes in the output voltage of the accelerator during the pulse; secondly, 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 of magnetron generation and, as a consequence, to mode instability, which manifests itself in spontaneous transitions between types of oscillations, a wide spectrum of radiation, low repeatability of the amplitude, time, and frequency parameters of microwave pulses, and a decrease in their energy. Another drawback of the relativistic magnetron is associated with the limitations of the output impulse power due to the development of microwave breakdowns in the waveguide output power. An increase in power is possible due to an increase in the number of waveguide power leads, as was done in the work: [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 permissible level of output power 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. This, in turn, limits the possibilities of practical application of the relativistic magnetron for powering antenna radiating structures, and the formation of a stable spatial distribution of the energy of microwave oscillations.

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 или 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 largely due 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 or 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, and also, as mentioned above, instability of supply voltages, which in a different resonator magnetron satisfies the excitation condition for different modes (modes of vibration) during the pulse [Vintisenko II. et al. Experimental studies of a multi-resonator high-current magnetron. Letters to the ZhTF, 1983, vol. 9, No. 8, p. 488-485].

Задачей предлагаемого изобретения является стабилизация амплитудных, временных и частотных параметров СВЧ импульсов релятивистского магнетрона, повышение эффективности вывода энергии СВЧ колебаний. Ожидаемый технический результат - устранение спонтанных переходов между видами колебаний, сужение за счет этого спектра СВЧ излучения, увеличение энергии в импульсе.The task of the invention is the stabilization of the amplitude, time and frequency parameters of microwave pulses of a relativistic magnetron, increasing the efficiency of the output energy of microwave oscillations. The expected technical result is the elimination of spontaneous transitions between modes of vibration, the narrowing due to this spectrum of microwave radiation, an increase in energy in the pulse.

Для решения указанной задачи предлагается релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок, перпендикулярно оси которого расположены выводы мощности резонаторов, а на оси расположены взрывоэмиссионный катод и цилиндрическая труба дрейфа, внешнюю магнитную систему из двух катушек, образующих пару Гельмгольца, отличающийся тем, что выводы мощности двух противоположных резонаторов соединены посредством прямоугольного волновода, в узкой стенке которого выполнены k(k≥3) излучающих щелей таким образом, что при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2, центральная щель расположена на оси электрической симметрии системы, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4, где k - нечетное число, N - число резонаторов анодного блока, m, n - положительное целое число, λ - рабочая длина волны; при числе резонаторов магнетрона, удовлетворяющем условию N/2 - нечетное число, длина волновода равна λ·m, центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на λ/2, а остальные щели расположены относительно центральной на расстоянии (2·n+1)λ/4.To solve this problem, we propose a relativistic magnetron containing a multi-cavity anode block, the power terminals of the resonators are located perpendicular to the axis, and an explosion-emission cathode and a cylindrical drift tube are located on the axis, an external magnetic system of two coils forming a Helmholtz pair, characterized in that the power leads are two opposite resonators are connected by means of a rectangular waveguide, in the narrow wall of which k (k≥3) emitting slots are made in such a way that when the number of magnetron generators satisfying the condition N / 2 - an even number, the waveguide length is (2 · m + 1) λ / 2, the central slot is located on the axis of electrical symmetry of the system, and the remaining slots are located relative to the central one at a distance of (2 · n + 1) λ / 4, where k is an odd number, N is the number of resonators of the anode block, m, n is a positive integer, λ is the working wavelength; when the number of magnetron resonators satisfying the condition N / 2 is an odd number, the waveguide length is λ · m, the central gap is shifted relative to the axis of electrical symmetry of the system by λ / 2, and the remaining slots are located relative to the central one at a distance of (2 · n + 1) λ /4.

Устройство изображено на фиг.1, где 1 - цилиндрическая труба дрейфа, 2 - многорезонаторный анодный блок, 3 - катод, 4 - катододержатель, 5 - источник питания, 6 - магнитная система, 7 - волноводные выводы мощности, 8 - прямоугольный волновод, 9, 10, 11 - излучающие щели.The device is shown in figure 1, where 1 is a cylindrical drift tube, 2 is a multi-cavity anode block, 3 is a cathode, 4 is a cathode holder, 5 is a power source, 6 is a magnetic system, 7 are waveguide power leads, 8 is a rectangular waveguide, 9 , 10, 11 - radiating cracks.

Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 6, работающая в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания 5 формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). В промежутке катод 3 - 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. Отрезок прямоугольного волновода 8 связывает через выводы мощности 7 противоположные резонаторы анодного блока 2, что приводит к взаимодействию СВЧ полей в резонаторах. При этом фаза сигнала, поступающего на вход резонатора, определяется электрической длиной волновода 8. Как известно [Магнетроны сантиметрового диапазона. Т 1, 2. Пер. с англ. под ред. С.А.Зусмановского. М., Сов. радио, 1950], для основного рабочего 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 волноводным выводам мощности - 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 волноводным выводам мощности - противофазны. Для всех остальных видов колебаний фазовое распределение высокочастотного поля отлично от фазового распределения для π-вида.The device operates as follows. Pre-included magnetic system 6, operating in continuous or pulsed modes. At the time of reaching the maximum magnetic field, power supply 5 forms a pulse of negative polarity (voltage amplitude of 100-1000 kV and current 1-40 kA, depending on the type of source). In the gap between the cathode 3 - multi-cavity anode block 2 creates a high electric field strength, causing the development of explosive electron emission [E. Litvinov and other field-emission and explosive-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 transferring electron energy to microwave energy is carried out in the same way as in a classical magnetron. A segment of a rectangular waveguide 8 connects the opposite resonators of the anode block 2 through the power outputs 7, which leads to the interaction of microwave fields in the resonators. In this case, the phase of the signal arriving at the resonator input is determined by the electric length of the waveguide 8. As is known [Magnetrons of the centimeter range. T 1, 2. Trans. from English under the editorship of S.A. Zusmanovskogo. M., Sov. Radio, 1950], for the main working π-type, for an magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 - an odd number, the oscillations of the opposite resonators are in phase with respect to azimuth and are in phase with respect to the waveguide outputs. And for a magnetron with the number of resonators satisfying the N / 2 condition - an even number, the oscillations of the opposite resonators are in phase in azimuth and in phase with respect to the waveguide outputs. For all other types of vibrations, the phase distribution of the high-frequency field is different from the phase distribution for the π-type.

С целью стабилизации π-вида колебаний длина волновода 8 подобрана так, что для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 -нечетное число, длина волновода равна λ·m, а для магнетрона с числом резонаторов, удовлетворяющих условию N/2 - четное число, длина волновода равна (2·m+1)λ/2. Для вывода и распределения СВЧ излучения и стабилизации рабочего вида колебаний магнетрона в узкой стенке прямоугольного волновода выполнены k (k=3,5,...) излучающих щелей 9, 10, 11. По своему функциональному назначению и расположению излучающие щели подразделяются на три вида: центральная излучающая щель 10, группа излучающих щелей 9 левого резонатора и группа излучающих щелей 11 правого резонатора. В рассмотрении их влияния на стабильность процесса генерации ограничимся случаем магнетрона с числом резонаторов N, удовлетворяющим условию N/2 - четное число, когда центральная излучающая щель 10 расположена на оси электрической симметрии волновода. Для рабочего π-вида колебаний сигналы с выходов резонаторов поступают в центральную излучающую щель в противофазе, то есть вычитаются. При равенстве амплитуд сигналов на центральной щели возникает динамическое короткое замыкание и щель не возбуждается. Короткое замыкание через отрезок линии передачи с электрической длиной π/2 трансформируется в бесконечное сопротивление. Следовательно, располагая излучающие щели левой и правой групп на расстоянии нечетно кратном λ/4 от центральной, получаем их эффективное возбуждение.In order to stabilize the π-type of oscillations, the waveguide length 8 is selected so that for a magnetron with the number of resonators satisfying the condition N / 2 is an odd number, the waveguide length is λ · m, and for a magnetron with the number of resonators satisfying the N / 2 condition is even number, the waveguide length is (2 · m + 1) λ / 2. To output and distribute microwave radiation and stabilize the working type of magnetron oscillations in the narrow wall of a rectangular waveguide, k (k = 3,5, ...) emitting slots 9, 10, 11 are made. According to their functional purpose and location, the emitting slots are divided into three types : a central radiating slit 10, a group of radiating slots 9 of the left resonator, and a group of radiating slots 11 of the right resonator. In considering their influence on the stability of the generation process, we restrict ourselves to the case of a magnetron with the number of resonators N satisfying the condition N / 2 — an even number when the central radiating slit 10 is located on the axis of electrical symmetry of the waveguide. For the working π-type of oscillations, the signals from the outputs of the resonators enter the central radiating gap in antiphase, i.e., they are subtracted. If the amplitudes of the signals are equal, a dynamic short circuit occurs on the central gap and the gap is not excited. A short circuit through a segment of a transmission line with an electric length of π / 2 is transformed into infinite resistance. Therefore, having the emitting slits of the left and right groups at an odd multiple of λ / 4 from the central one, we obtain their effective excitation.

Далее, располагая боковые излучающие щели в каждой группе на расстоянии, кратном λ друг от друга, получаем синфазное возбуждение всех щелей в группах. При равенстве волновых сопротивлений излучающих щелей реализуется равномерное распределение выходной энергии магнетрона. Если волновые сопротивления излучающих щелей неодинаковы, то реализуется неравномерное распределение энергии магнетрона.Further, having the lateral radiating gaps in each group at a distance multiple of λ from each other, we obtain the in-phase excitation of all the gaps in the groups. If the wave impedances of the radiating slots are equal, a uniform distribution of the magnetron output energy is realized. If the wave impedances of the radiating slots are not the same, then an uneven distribution of the magnetron energy is realized.

Приведенные рассуждения справедливы только для той частоты генерации релятивистского магнетрона, на которой для π-вида реализуются указанные электрические длины отрезков тракта связи и фазовые соотношения колебаний в резонаторах магнетрона. При возникновении процессов генерации с частотами и фазовыми соотношениями, отличными от таковых для π-вида, в центральной щели начинает выделяться мощность, что эквивалентно внесению дополнительных потерь в резонансную систему релятивистского магнетрона. Это приводит к быстрому затуханию указанных процессов и тем самым к повышению стабильности работы магнетрона и заданного амплитудно-фазового распределения излучения на системе выходных излучающих щелей.The above reasoning is valid only for the frequency of generation of the relativistic magnetron, at which the indicated electric lengths of the segments of the communication path and the phase relations of the oscillations in the magnetron resonators are realized for the π-type. When generation processes occur with frequencies and phase relations different from those for the π-type, power begins to be released in the central gap, which is equivalent to introducing additional losses into the resonant system of the relativistic magnetron. This leads to a rapid attenuation of these processes and thereby to an increase in the stability of the magnetron and a given amplitude-phase distribution of radiation on the system of output radiating slots.

Схема конкретной реализации предложенного устройства изображена на фиг.2. Два противоположных вывода 7, 6-резонаторного релятивистского магнетрона, питаемого секцией линейного индукционного ускорителя 5, соединяются через плавные волноводные переходы 12 с волноводом 8, в котором выполнены три излучающие щели 9, 10, 11. Магнитная система 6, 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 имеет водяную рубашку охлаждения анодного блока и трубы дрейфа, графитовый катод 3 диаметром 22 мм, закрепленный на катододержателе 4. 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 дрейфа 7 200 и 700 мм соответственно. 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 shown in figure 2. Two opposite terminals of a 7, 6-resonator relativistic magnetron fed by a section of a linear induction accelerator 5 are connected through smooth waveguide transitions 12 to a waveguide 8 in which three radiating slots 9, 10, 11 are made. Magnetic system 6 made of two magnetic coils, forming a Helmholtz couple, it is powered by an adjustable direct current source, has water cooling and provides a magnetic field with induction up to 0.54 T. The relativistic magnetron has a water jacket for cooling the anode block and the drift tube, a graphite cathode 3 with a diameter of 22 mm, mounted on the cathode holder 4. 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 drift pipe are 7,200 and 700 mm, respectively. 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 performance.

Волновод 8 изготовлен из отрезка медного прямоугольного волновода, внутренним сечением 72 × 34 мм. Полная длина тракта, включая волновод 8 и плавные волноводные переходы 12, составляла 2770 мм, что соответствует ~18λ (где λ - длина волны в волноводе) на частоте 2840 МГц рабочего π-вида колебаний магнетрона. Вывод энергии СВЧ излучения из системы осуществлялся через излучающие щели 9, 10, 11 в узкой стенке волновода, к которым были подключены пирамидальные рупорные антенны 13, 14, 15. Поскольку в нашем случае число резонаторов магнетрона N=6, и N/2=3 - нечетное число, то центральная щель смещена относительно оси электрической симметрии системы на угол π (~77,8 мм). Расстояние между центральной излучающей щелью 10 и излучающей щелью 9 левого резонатора составляло 194,5 мм, а между центральной излучающей щелью 10 и излучающей щелью 11 правого резонатора - 272,3 мм, что соответствует 5/2π и 7/2π соответственно. Результирующее расстояние между излучающими щелями 466,8 мм соответствовало 6π, благодаря чему обеспечивалось их синфазное возбуждение.The waveguide 8 is made of a piece of a rectangular copper waveguide with an internal section of 72 × 34 mm. The total path length, including waveguide 8 and smooth waveguide transitions 12, was 2770 mm, which corresponds to ~ 18λ (where λ is the wavelength in the waveguide) at a frequency of 2840 MHz of the working π type of magnetron oscillations. The microwave energy was extracted from the system through the emitting slots 9, 10, 11 in the narrow wall of the waveguide, to which the pyramidal horn antennas 13, 14, 15 were connected. Since in our case the number of magnetron resonators is N = 6, and N / 2 = 3 is an odd number, then the central gap is shifted relative to the axis of electrical symmetry of the system by an angle π (~ 77.8 mm). The distance between the central radiating slit 10 and the radiating slit 9 of the left resonator was 194.5 mm, and the distance between the central radiating slit 10 and the radiating slit 11 of the right resonator was 272.3 mm, which corresponds to 5 / 2π and 7 / 2π, respectively. The resulting distance between the radiating slits of 466.8 mm corresponded to 6π, due to which their in-phase excitation was ensured.

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 размерах элементов волноводного тракта 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 resonators, which at the indicated sizes of the elements of the waveguide path leads to its suppression.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что огибающие СВЧ импульсов магнетрона с несвязанными выводами имеют глубокую изрезанность, отражающую нестабильность процесса генерации, вызванную конкуренцией видов колебаний. 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 the microwave pulses of the magnetron with unconnected leads have a deep indentation, reflecting the instability of the generation process caused by the competition of vibration modes. The radiation power level from each terminal is ~ 80 MW, the total pulse energy 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 резонаторов релятивистского магнетрона волноводным трактом связи резонаторов существенно изменило режим генерации СВЧ излучения. Уровень мощности с каждого из боковых излучателей составил ~75 МВт, с центрального излучателя ~20 МВт. Суммарная энергия в импульсе повысилась до ~9 Дж за счет улучшения прямоугольности импульса. Огибающие СВЧ сигналов стали гладкими, что свидетельствует о более стабильной работе магнетрона. Внешняя связь резонаторов магнетрона также значительно влияет на спектральные характеристики. Полоса излучения магнетрона с несвязанными выводами около 3% по уровню 3 дБ. В спектре сигнала четко выражены два максимума, соответствующие генерации π и 2π/3-видов колебаний в течение одного импульса. Объединение выводов при длинах антенно-фидерного тракта, близких к оптимальной, позволяет сузить спектр излучения приблизительно до 1,5%. Спектр значительно видоизменяется, наблюдается один четко выраженный частотный максимум, соответствующий π-виду, что однозначно указывает на отсутствие в системе межвидовой конкуренции. Наблюдающиеся на спектрограмме боковые интерференционные максимумы обусловлены большой длиной волноводного тракта.The combination of the conclusions of the resonators of the relativistic magnetron by the waveguide coupling path of the resonators significantly changed the mode of generation of microwave radiation. The power level from each of the side emitters was ~ 75 MW, from the central emitter ~ 20 MW. The total energy in the pulse increased to ~ 9 J due to an improvement in the squareness of the pulse. The envelopes of the microwave signals became smooth, which indicates a more stable operation of the magnetron. The external coupling of magnetron resonators also significantly affects the spectral characteristics. The emission band of a magnetron with unconnected leads is about 3% at a level of 3 dB. Two maximums are clearly expressed in the signal spectrum, corresponding to the generation of π and 2π / 3 modes of oscillations during one pulse. The combination of conclusions with antenna-feeder path lengths close to optimal allows narrowing the emission spectrum to approximately 1.5%. The spectrum is significantly modified, there is one clearly expressed frequency maximum corresponding to the π-type, which clearly indicates the absence of interspecific competition in the system. The lateral interference maxima observed in the spectrogram are due to the large length of the waveguide path.

Эффект стабилизации амплитудно-фазового распределения энергии СВЧ импульсов на системе излучающих щелей волноводного тракта наглядно иллюстрируется измеренной в эксперименте диаграммой излучения релятивистского магнетрона. На фиг.3 показана диаграмма направленности отдельно взятой рупорной антенны, использованной в эксперименте (кривая 16), и результирующая диаграмма направленности рассматриваемой системы (кривая 17). Наличие глубоких интерференционных минимумов (более 10 дБ) на диаграмме направленности однозначно указывает на синфазность и равенство амплитуд СВЧ сигналов боковых излучателей.The effect of stabilization of the amplitude-phase distribution of the energy of microwave pulses on the system of radiating slits of the waveguide path is clearly illustrated in the experimentally measured radiation pattern of a relativistic magnetron. Figure 3 shows the radiation pattern of a single horn antenna used in the experiment (curve 16), and the resulting radiation pattern of the system in question (curve 17). The presence of deep interference minima (more than 10 dB) in the radiation pattern unambiguously indicates the in phase and equal amplitudes of the microwave signals of the side emitters.

Таким образом, использование в релятивистском магнетроне волноводного тракта связи резонаторов позволяет избавиться от спонтанных переходов между видами колебаний, за счет этого спектр СВЧ излучения сужается до 1,5% и на 50% возрастает энергия импульса.Thus, the use of resonators in the relativistic magnetron of the waveguide coupling path allows one to get rid of spontaneous transitions between modes of vibration, due to this the microwave radiation spectrum narrows to 1.5% and the pulse energy increases by 50%.

Claims

A relativistic magnetron containing a multi-cavity anode block, the power terminals of the resonators are located perpendicular to the axis, and an explosive emission cathode and a cylindrical drift tube are located on the axis, an external magnetic system of two coils forming a Helmholtz pair, characterized in that the power terminals of two opposite resonators are connected by a rectangular waveguide, in the narrow wall of which k (k ≥ 3) emitting slots are made in such a way that for a number of magnetron resonators satisfying The number N / 2 is an even number, the waveguide length is (2 · m + 1) λ / 2, the central slot is located on the axis of electrical symmetry of the system, and the remaining slots are located relative to the central one at a distance of (2 · n + 1) λ / 4, where k is an odd number, N is the number of resonators of the anode block, m, n is a positive integer, λ is the working wavelength; when the number of magnetron resonators satisfying the condition N / 2 is an odd number, the waveguide length is λ · m, the central gap is shifted relative to the axis of electrical symmetry of the system by λ / 2, and the remaining slots are located relative to the central one at a distance of (2 · n + 1) λ /4.