RU2334301C1

RU2334301C1 - Magnetron

Info

Publication number: RU2334301C1
Application number: RU2007106984/09A
Authority: RU
Inventors: Борис Глебович Птицын (RU); Борис Глебович Птицын; Виктор Дмитриевич Селемир (RU); Виктор Дмитриевич Селемир; Андрей Викторович Ячный (RU); Андрей Викторович Ячный
Original assignee: Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: magnetron contains vacuum chamber located in system of axial magnetic field. In vacuum chamber below cutoff waveguide, connected to internal power supply, diode, containing of cathode and anode with resonators in the shape of groove, output tool of microwave radiation are located. Resonators grooves of anode are implemented lengthwise of helical line variable-pitched, increasing from below cutoff waveguide into side of output tool of radiation.

EFFECT: effectiveness increase of electrons interaction with resonator electric field.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения и может быть использовано для создания генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.The invention relates to techniques for generating electromagnetic radiation and can be used to create powerful microwave generators.

Известно устройство генерации мощного СВЧ-излучения [1] (В.В.Васильев, И.И.Винтизенко, А.Н.Диденко, Е.И.Луконин, А.С.Сулакшин, Г.П.Фоменко, Э.Г.Фурман. "Релятивистский магнетрон, работающий в режиме цуга импульсов", Письма в ЖТФ, 1987, т.13, вып. 12, с.762). Это устройство представляет собой размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру, в которой установлен диод, состоящий из катода, анодного блока (анода) с резонаторами, расположенными параллельно оси системы. За диодом следует средство вывода СВЧ-излучения в виде антенны. При подаче импульса напряжения на катод с его поверхности инжектируется пучок электронов. Под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля электроны вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. При взаимодействии электронов с электрическим полем резонаторов возникает электромагнитное излучение, которое выводится с помощью антенны в свободное пространство.A device for generating high-power microwave radiation is known [1] (V.V. Vasiliev, I. I. Vintisenko, A. N. Didenko, E. I. Lukonin, A. S. Sulakshin, G. P. Fomenko, E. G. . Furman. "Relativistic magnetron operating in the train of pulses of pulses", Letters in ZhTF, 1987, v.13, issue 12, p.762). This device is a vacuum chamber located in an axial magnetic field system, in which a diode is installed, consisting of a cathode, an anode block (anode) with resonators located parallel to the axis of the system. The diode is followed by a means of outputting microwave radiation in the form of an antenna. When a voltage pulse is applied to the cathode, an electron beam is injected from its surface. Under the influence of a radial electric field and an axial magnetic field, the electrons rotate around the cathode, forming a cloud of space charge. In the interaction of electrons with the electric field of the resonators, electromagnetic radiation occurs, which is transmitted through the antenna into free space.

Однако движение электронов происходит не только в плоскости, перпендикулярной оси системы, но и вдоль оси системы. В результате их движение происходит вдоль винтовой линии, из-за чего взаимодействие с указанными резонаторами не является энергетически оптимальным, что является причиной малого КПД генерации излучения.However, the motion of electrons occurs not only in the plane perpendicular to the axis of the system, but also along the axis of the system. As a result, their motion occurs along the helix, due to which the interaction with the indicated resonators is not energetically optimal, which is the reason for the low radiation generation efficiency.

Наиболее близким по техническому решению к заявленному устройству является магнетрон с дифракционным выводом излучения [2] (Н.Ф.Ковалев, Б.Д.Кольчугин, В.Б.Нечаев и др. "Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом электромагнитного излучения", Письма в ЖТФ, 1977, т.3, вып. 20, с.1048). Магнетрон представляет собой размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру, внутри которой установлен электрически связанный с источником питания диод, включающий в себя катод и анодный блок с резонаторной частью в виде восьми одинаковых резонаторов, выполненных в форме пазов, ориентированных вдоль (параллельно) оси системы. Со стороны источника питания пространство взаимодействия генератора ограничено частью вакуумной камеры, являющейся запредельным для рабочей моды коаксиальным волноводом, при этом внутренним электродом волновода является держатель графитового катода. Магнитное поле вдоль оси магнетрона обеспечивается импульсным соленоидом. Во время импульса напряжения, прикладываемого к катоду, с его цилиндрической поверхности происходит инжекция электронов, которые под воздействием магнитного поля закручиваются вокруг катода. При этом происходит взаимодействие электронов и электрического поля резонаторов анода, в результате чего возникает СВЧ-излучение. Из области взаимодействия излучение через стеклянное вакуумплотное окно выводится с помощью рупора в свободное пространство. Давление остаточного газа во внутренних полостях генератора не превышает 2·10^-5 тор.The closest technical solution to the claimed device is a magnetron with a diffraction output of radiation [2] (NF Kovalev, BD Kolchugin, VB Nechaev and others. "Relativistic magnetron with a diffraction output of electromagnetic radiation", Letters in ZhTF, 1977, v. 3, issue 20, p. 1048). A magnetron is a vacuum chamber placed in an axial magnetic field system, inside of which there is a diode electrically connected to a power source, including a cathode and an anode unit with a resonator part in the form of eight identical resonators made in the form of grooves oriented along (parallel to) the system axis . From the side of the power source, the generator interaction space is limited by the part of the vacuum chamber, which is a coaxial waveguide beyond the working mode, while the graphite cathode holder is the internal electrode of the waveguide. The magnetic field along the axis of the magnetron is provided by a pulsed solenoid. During a voltage pulse applied to the cathode, electrons are injected from its cylindrical surface, which, under the influence of a magnetic field, twist around the cathode. In this case, the interaction of electrons and the electric field of the resonators of the anode occurs, as a result of which microwave radiation arises. The radiation through the glass vacuum-tight window is removed from the interaction region by means of a horn into the free space. The residual gas pressure in the internal cavities of the generator does not exceed 2 · 10 ^-5 torr.

Магнитное поле внутри системы имеет продольную составляющую, которая создается импульсным соленоидом, и поперечную, которая создается продольным током, протекающим по катоду. Движение электронов перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, поэтому они двигаются вдоль винтовой линии. Отсюда вытекает недостаток данного устройства: так как траектории электронов не перпендикулярны линиям резонаторов, которые направлены параллельно оси системы, кинетическая энергия электронов не эффективно передается в электромагнитную энергию резонаторов.The magnetic field inside the system has a longitudinal component, which is created by a pulsed solenoid, and a transverse, which is created by a longitudinal current flowing through the cathode. The movement of electrons is perpendicular to the lines of force of the magnetic field, so they move along a helical line. This implies the disadvantage of this device: since the electron paths are not perpendicular to the lines of the resonators, which are parallel to the axis of the system, the kinetic energy of the electrons is not effectively transferred to the electromagnetic energy of the resonators.

В связи с этим ставится задача - создание усовершенствованного магнетрона с повышенным КПД генерации излучения.In this regard, the task is to create an improved magnetron with increased radiation generation efficiency.

Техническим результатом данного решения является повышение эффективности взаимодействия электронов с электрическим полем резонаторов и, как следствие, повышение КПД генерации СВЧ-излучения.The technical result of this solution is to increase the efficiency of the interaction of electrons with the electric field of the resonators and, as a result, increase the efficiency of generation of microwave radiation.

Технический результат в магнетроне достигается тем, что в отличие от известного магнетрона, включающего размещенную в системе осевого магнитного поля вакуумную камеру с расположенными в ней запредельным волноводом, подключенным к внешнему источнику питания диодом, состоящим из катода и анода с резонаторами в форме пазов, а также средством вывода сверхвысокочастотного излучения, в предлагаемом устройстве резонаторы анода представляют собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону средства вывода излучения.The technical result in a magnetron is achieved by the fact that, in contrast to the known magnetron, which includes a vacuum chamber located in the axial magnetic field system with a transverse waveguide located in it and connected to an external power source by a diode consisting of a cathode and anode with groove-shaped resonators, as well as means for outputting microwave radiation, in the proposed device, the anode resonators are grooves made along a helical line with a variable pitch increasing from the beyond novoda aside means emission output.

Выбор формы выполнения резонаторов связан с особенностью движения электронов в области взаимодействия. Электроны, инжектируемые с катода, под действием магнитного поля, создаваемого соленоидом, начинают двигаться по эпициклоидным траекториям вокруг катода, взаимодействуя с резонаторами. Под действием магнитного поля, создаваемого катодным током, они смещаются в сторону средства вывода излучения. По мере приближения к дифракционному выводу значение катодного тока уменьшается, в связи с чем уменьшается магнитное поле, создаваемое катодным током. Таким образом, результирующее движение электронов будет происходить вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся в сторону средства для вывода излучения. В то же время структура резонаторов повторяет форму траектории движения электронов, что обеспечено благодаря использованию резонаторов анода в форме пазов, выполненных вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения, причем с таким углом поворота относительно оси системы, что траектории движения электронов оказываются параллельны линиям электрического поля резонаторов, что позволяет им более энергетически эффективно взаимодействовать, в результате чего увеличивается мощность СВЧ-излучения.The choice of the shape of the resonators is associated with the peculiarity of the motion of electrons in the interaction region. Electrons injected from the cathode, under the action of the magnetic field created by the solenoid, begin to move along the epicycloid trajectories around the cathode, interacting with the resonators. Under the influence of a magnetic field created by the cathode current, they are shifted towards the radiation output means. As you approach the diffraction output, the value of the cathode current decreases, and therefore the magnetic field created by the cathode current decreases. Thus, the resulting motion of the electrons will occur along a helical line with a variable pitch, increasing towards the means for outputting radiation. At the same time, the structure of the resonators follows the shape of the electron trajectory, which is ensured by the use of the anode resonators in the form of grooves made along a helical line with a variable pitch increasing from the transcendent waveguide towards the radiation output device, and with such a rotation angle with respect to the system axis that electron paths are parallel to the lines of the electric field of the resonators, which allows them to interact more energetically efficiently, as a result of which Chiva microwave power.

Рассмотрим, чем обусловлен выбор шага винтовой линии. Паз резонатора параллелен суммарному магнитному полю, полученному сложением магнитного поля, создаваемого соленоидом, и магнитного поля, создаваемого катодным током. Магнитное поле соленоида постоянно, магнитное поле катодного тока непостоянно и так же, как и катодный ток, уменьшается от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения. Тангенс угла поворота паза резонатора относительно оси системы определяется отношением значения магнитного поля катодного тока к значению магнитного поля соленоида.Consider what determines the choice of pitch helix. The cavity of the resonator is parallel to the total magnetic field obtained by adding the magnetic field created by the solenoid and the magnetic field created by the cathode current. The magnetic field of the solenoid is constant, the magnetic field of the cathode current is unstable and, like the cathode current, decreases from the transcendental waveguide towards the radiation output device. The tangent of the angle of rotation of the cavity of the resonator relative to the axis of the system is determined by the ratio of the magnetic field of the cathode current to the magnetic field of the solenoid.

Таким образом, достигается повышение КПД генерации за счет роста эффективности использования энергии электронов, что обеспечено использованием резонаторов, представляющих собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся от запредельного волновода в сторону устройства вывода излучения.Thus, an increase in the generation efficiency is achieved due to an increase in the energy efficiency of electron use, which is ensured by the use of resonators, which are grooves made along a helical line with a variable pitch increasing from the transcendent waveguide to the side of the radiation output device.

На фиг.1 схематически изображен магнетрон с модернизированными резонаторами анода и подключение питания к устройству, на фиг.2 более подробно изображен анод и структура резонаторов.Figure 1 schematically shows a magnetron with modernized resonators of the anode and the power supply to the device, figure 2 shows in more detail the anode and structure of the resonators.

Заявляемый генератор представляет собой расположенный в вакуумной камере 8 диод, состоящий из катода 2 и анода 4 с резонаторами в виде пазов 5, выполненных вдоль винтовой линии. С левой стороны пространство взаимодействия ограничено частью вакуумной камеры в виде запредельного для рабочей моды коаксиального волновода 3, а за диодом следует средство вывода излучения. Вакуумная камера расположена в системе осевого магнитного поля в виде соленоида 6. Из генератора микроволновое излучение выводится с помощью дифракционного вывода 7. Далее, через диэлектрическое вакуумплотное окно 10 излучение выводится в свободное пространство с помощью рупора 9. К диоду, содержащему катод 2 и анод 4, прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания 1.The inventive generator is a diode located in the vacuum chamber 8, consisting of a cathode 2 and anode 4 with resonators in the form of grooves 5 made along a helix. On the left side, the interaction space is limited by a part of the vacuum chamber in the form of a coaxial waveguide 3, which is beyond the limits of the working mode, and a radiation output means follows the diode. The vacuum chamber is located in the axial magnetic field system in the form of a solenoid 6. From the generator, the microwave radiation is output using the diffraction output 7. Further, through the vacuum-tight dielectric window 10, the radiation is output into the free space using the horn 9. To the diode containing the cathode 2 and anode 4 , a high voltage is applied from an external power source 1.

В качестве источника питания можно использовать генератор импульсного напряжения, выполненный, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А. "Генерирование мощных наносекундных импульсов", - М.: Атомиздат, 1972).As a power source, you can use a pulse voltage generator, made, for example, according to the Arkadyev-Marx scheme [3] (GA Mesyats "Generation of powerful nanosecond pulses", - M .: Atomizdat, 1972).

Устройство работает следующим образом. При подаче отрицательного напряжения от внешнего источника питания 1 на размещенный в вакуумной камере 8 диод с поверхности катода 2 начинается эмиссия электронов, которые двигаются в сторону анода 4. Под воздействием магнитного поля, создаваемого соленоидом 6, электроны отклоняются от прямолинейного движения и начинают двигаться по эпициклоидным траекториям в плоскости, перпендикулярной оси системы, одновременно, под воздействием собственного магнитного поля катодного тока их траектория движения отклоняется в сторону рупорной антенны 9. Таким образом, траектория движения электронов проходит по винтовой линии, при этом по мере движения к дифракционному выводу шаг винтовой линии увеличивается из-за уменьшения катодного тока и создаваемого им магнитного поля. Это позволяет электронам оптимально взаимодействовать с резонаторами анода 5, также представляющих собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом, увеличивающимся в сторону средства для вывода излучения. Микроволновое излучение выводится в свободное пространство с помощью рупорной антенны 9. Диэлектрическое окно 10 отделяет вакуумные внутренние полости от внешнего пространства.The device operates as follows. When a negative voltage is applied from the external power source 1 to the diode located in the vacuum chamber 8, the emission of electrons begins to move from the surface of the cathode 2, which move towards the anode 4. Under the influence of the magnetic field created by the solenoid 6, the electrons deviate from the rectilinear motion and begin to move along the epicycloid trajectories in a plane perpendicular to the axis of the system, at the same time, under the influence of the cathode current’s own magnetic field, their trajectory deviates towards the horn antennas 9. Thus, the movement trajectory of electrons passes through a helix, wherein at least the diffraction motion conclusion step helix increases due to a decrease the cathode current and the magnetic field created by them. This allows the electrons to interact optimally with the resonators of the anode 5, which are also grooves made along a helical line with a variable pitch increasing towards the means for outputting radiation. Microwave radiation is output into the free space by means of a horn antenna 9. A dielectric window 10 separates the vacuum internal cavities from the external space.

В примере выполнения предложенного магнетрона с модернизированными резонаторами анода запредельный волновод, катод, анод и рупорная антенна выполнены из нержавеющей стали, выводное диэлектрическое окно выполнено из оргстекла. Резонаторы анода представляют собой пазы, выполненные вдоль винтовой линии с переменным шагом. Внутренний диаметр анода 30 мм, длина 50 мм, глубина резонаторов 5 мм. Длина катода 280 мм, диаметр 15 мм. Внутренние полости магнетрона вакуумируются до давления порядка 5·10^-5 Тор.In the exemplary embodiment of the proposed magnetron with upgraded anode resonators, the transverse waveguide, cathode, anode and horn antenna are made of stainless steel, the dielectric output window is made of plexiglass. The anode resonators are grooves made along a helical line with a variable pitch. The inner diameter of the anode is 30 mm, the length is 50 mm, the depth of the resonators is 5 mm. The cathode length is 280 mm, the diameter is 15 mm. The internal cavity of the magnetron is evacuated to a pressure of the order of 5 · 10 ^-5 Torr.

Таким образом, благодаря повышению эффективности преобразования кинетической энергии электронов в электромагнитную энергию резонаторов за счет применения резонаторов, представляющих собой пазы, выполненных вдоль винтовой линии, КПД магнетрона увеличен.Thus, due to the increase in the conversion efficiency of the kinetic energy of electrons into the electromagnetic energy of the resonators due to the use of resonators, which are grooves made along the helix, the magnetron efficiency is increased.

Claims

A magnetron including a vacuum chamber located in an axial magnetic field system with a transverse waveguide located in it and connected to an external power source by a diode consisting of a cathode and an anode with groove-shaped resonators, as well as microwave radiation output means, characterized in that the anode resonators represent are grooves made along a helical line with a variable pitch increasing from the transcendental waveguide towards the radiation output means.