RU2334302C2

RU2334302C2 - Microwave crossed-field oscillator

Info

Publication number: RU2334302C2
Application number: RU2006135606/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Дубинов (RU); Александр Евгеньевич Дубинов; Борис Глебович Птицын (RU); Борис Глебович Птицын; Виктор Дмитриевич Селемир (RU); Виктор Дмитриевич Селемир; Константин Семенович Шилин (RU); Константин Семенович Шилин
Original assignee: Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-09-20
Also published as: RU2006135606A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in contrast to known microwave crossed-field oscillator containing connected to external power supply cylindrical vacuum-processed body with located within formation system of longitudinal magnetic field, inside of this system are coaxial located cathode and its enveloping anode with resonator. Then output tool of microwave radiation follows. In introduced oscillator anode with resonator is implemented by two hollow cylindrical coaxial located electrode of different diameter, electrically joint with forming of resonator, opened into inner content of output tool of microwave radiation, at that in internal cylindrical electrode there are implemented long slots.

EFFECT: simplifying of anode resonator at keeping the level of removed emission power.

2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам генерации электромагнитного излучения в системах со скрещенными электрическими и магнитными полями и может быть использовано при создании генераторов мощного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения магнетронного типа.The invention relates to means for generating electromagnetic radiation in systems with crossed electric and magnetic fields and can be used to create generators of high-power microwave radiation of the magnetron type.

Известен СВЧ-генератор магнетронного типа [1] (Sze H., Harteneck В., Benford J., Young T. Operating Characteristics of a Relativistic Magnetron with a Washer Cathode. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. PS-15, №3, June 1987, p.327), содержащий корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри которой коаксиально установлены не контактирующие между собой цилиндрические катод и охватывающий его анодный блок - электрод с последовательностью одинаковых резонаторов. Система формирования продольного магнитного поля, анодный блок и катод подключены к внешним источникам питания.Known microwave generator of the magnetron type [1] (Sze H., Harteneck B., Benford J., Young T. Operating Characteristics of a Relativistic Magnetron with a Washer Cathode. IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. PS-15, No. 3 , June 1987, p.327), comprising a housing with a longitudinal magnetic field forming system located inside it, inside of which a cylindrical non-contacting cylindrical cathode and an anode block enclosing it — an electrode with a sequence of identical resonators — are coaxially mounted. The longitudinal magnetic field formation system, the anode block and the cathode are connected to external power sources.

При подаче напряжения от источника питания между катодом и анодом возникает радиальное электрическое поле, а возникающее при этом магнитное поле направлено вдоль оси катода. Инжектируемые с катода электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода к аноду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю.When a voltage is applied from a power source, a radial electric field arises between the cathode and the anode, and the magnetic field arising from this is directed along the cathode axis. Electrons injected from the cathode under the influence of a radial electric field and an axial magnetic field rotate around the cathode, forming a cloud of space charge. Electrons, moving from the cathode to the anode, transfer their potential energy to the high-frequency field.

Основной недостаток аналога заключается в технологической сложности создания генератора в части, касающейся анода, обусловленной необходимостью получения сложного профиля резонаторной части анодного электрода.The main disadvantage of the analogue lies in the technological complexity of creating a generator in the part related to the anode, due to the need to obtain a complex profile of the resonator part of the anode electrode.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству (прототип) является СВЧ-генератор магнетронного типа [2] (Ковалев Н.Ф., Кольчугин Б.Д., Нечаев В.Е., Офицеров М.М., Солуянов Е.И., Фукс М.И. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом электромагнитного излучения. Письма в ЖТФ, 1977, том 3, вып. 20, с.1048), содержащий вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри которой коаксиально установлены не контактирующие между собой цилиндрические катод и охватывающая его секция, образующие запредельный волновод. За волноводом следует анод, представляющий собой выполненный в форме цельнометаллической сложнопрофильной детали электрод с последовательностью одинаковых резонаторов (резонаторной частью), за анодом расположено средство вывода СВЧ-излучения. Система формирования продольного магнитного поля, анод и катод подключены к внешним источникам питания.The closest technical solution to the claimed device (prototype) is a magnetron-type microwave generator [2] (Kovalev N.F., Kolchugin B.D., Nechaev V.E., Ofitserov M.M., Soluyanov E.I. , Fuchs MI Relativistic magnetron with diffraction output of electromagnetic radiation.Letters in ZhTF, 1977, volume 3, issue 20, p.1048), containing a vacuum enclosure with a longitudinal magnetic field formation system inside it, inside of which are not coaxially mounted cylindrical cathode in contact with each other and the section covering it, image The transcendental waveguide. The waveguide is followed by the anode, which is an electrode made in the form of an all-metal complex profile part with a sequence of identical resonators (the resonator part), and the microwave radiation output means is located behind the anode. The longitudinal magnetic field formation system, the anode and the cathode are connected to external power sources.

При подаче напряжения от источника питания между катодом и анодом возникает радиальное электрическое поле, а возникающее при этом магнитное поле направлено вдоль оси катода. Инжектируемые с катода электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода к аноду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю, формируемому в резонаторной части анода. Энергия излучения выводится через средство вывода СВЧ-излучения.When a voltage is applied from a power source, a radial electric field arises between the cathode and the anode, and the magnetic field arising from this is directed along the cathode axis. Electrons injected from the cathode under the influence of a radial electric field and an axial magnetic field rotate around the cathode, forming a cloud of space charge. Electrons moving from the cathode to the anode transfer their potential energy to the high-frequency field formed in the resonator part of the anode. The radiation energy is output through the microwave radiation output means.

Недостаток прототипа заключается в недостаточной технологичности генератора из-за сложности изготовления анода, обусловленной необходимостью изготовления сложного профиля резонаторной части анодного электрода, требующей проведения последовательности трудоемких технологических циклов.The disadvantage of the prototype is the lack of manufacturability of the generator due to the complexity of manufacturing the anode, due to the need to manufacture a complex profile of the resonator part of the anode electrode, requiring a sequence of labor-intensive technological cycles.

Задачей предполагаемого изобретения является создание более технологичного СВЧ-генератора с сохранением уровня мощности прототипа за счет усовершенствования его анода.The objective of the proposed invention is to create a more technological microwave generator while maintaining the power level of the prototype by improving its anode.

Техническим результатом является упрощение резонатора анода при сохранении уровня выводимой мощности излучения.The technical result is to simplify the cavity of the anode while maintaining the level of output radiation power.

Данный результат достигается тем, что в отличие от известного сверхвысокочастотного генератора магнетронного типа, содержащего подключенный к внешним источникам питания цилиндрический вакуумированный корпус с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля, внутри этой системы коаксиально размещены катод и охватывающий его анод с резонатором, за которым следует средство вывода сверхвысокочастотного излучения, в предлагаемом генераторе анод с резонатором образован внешним и внутренним полыми цилиндрическими коаксиальными электродами различного диаметра, во внутреннем цилиндрическом электроде выполнены сквозные продольные прорези, причем электроды электрически соединены с образованием резонатора, открытого во внутренний объем средства вывода сверхвысокочастотного излучения.This result is achieved by the fact that, in contrast to the known microwave frequency generator of the magnetron type, which contains a cylindrical evacuated casing connected to external power sources with a longitudinal magnetic field forming system placed inside it, a cathode and an anode surrounding it with a resonator are coaxially placed, followed by a resonator, followed by means for outputting microwave radiation, in the proposed generator, the anode with the resonator is formed by an external and internal hollow cylindrical to axial electrodes of different diameter, in the inner cylindrical electrode has through longitudinal slots, wherein the electrodes are electrically connected to form a cavity open to the internal volume output means of microwave radiation.

Анод прототипа является деталью сложного профиля в части, образующей резонатор, для его изготовления требуются дорогостоящие операции обработки детали, например электроэрозионная обработка внутренней поверхности анода. Замена цельнометаллического сложнопрофильного электрода на систему двух полых коаксиальных цилиндрических электродов, внутренний из которых имеет сквозные продольные прорези, электрически связанных с образованием резонатора, открытого во внутреннюю область средства вывода излучения, позволяет существенно упростить анод в резонаторной части.The anode of the prototype is a part of a complex profile in the part that forms the resonator, for its manufacture requires expensive processing operations of the part, for example, electrical discharge machining of the inner surface of the anode. Replacing an all-metal complex profile electrode with a system of two hollow coaxial cylindrical electrodes, the inner of which has through longitudinal slots, electrically connected with the formation of a resonator open to the inner region of the radiation output means, can significantly simplify the anode in the resonator part.

Предложенная упрощенная форма выполнения анода с оригинальным резонатором позволяет обеспечить взаимодействие вращающегося облака пространственного заряда, образующегося в результате действия радиального электрического поля и осевого магнитного поля на эмитируемый с катода поток электронов, с наведенным в резонаторе СВЧ-излучением. Электроны, перемещаясь от катода к анодному электроду, передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю. Наличие электрической связи между цилиндрическими электродами с образованием резонатора, открытого во внутреннюю область средства вывода излучения, позволяет обеспечить формирование излучения и непосредственный ввод излучения в средство вывода СВЧ-излучения. Следствием этого является повышение технологичности конструкции генератора.The proposed simplified form of the anode with the original resonator allows for the interaction of a rotating cloud of space charge generated as a result of the action of a radial electric field and an axial magnetic field on the electron stream emitted from the cathode, with microwave radiation induced in the resonator. Electrons moving from the cathode to the anode electrode transmit their potential energy to the high-frequency field. The presence of electrical coupling between the cylindrical electrodes with the formation of a resonator open to the inner region of the radiation output means allows for the generation of radiation and direct input of radiation to the microwave output means. The consequence of this is to increase the manufacturability of the design of the generator.

На фиг.1 схематически изображен предложенный сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа; на фиг.2 - соответствующий разрез генератора (система формирования продольного магнитного поля не указана).Figure 1 schematically depicts the proposed microwave generator of the magnetron type; figure 2 is a corresponding section of the generator (the system for the formation of a longitudinal magnetic field is not specified).

Заявляемый сверхвысокочастотный генератор магнетронного типа имеет аксиальную симметрию и содержит вакуумированный корпус (1) с размещенной в нем системой формирования продольного магнитного поля (4), внутри которой коаксиально установлены не соединенные между собой цилиндрические катод (2) и анод, состоящий из двух тонкостенных цилиндрических электродов: внутреннего (6) с продольными прорезями и внешнего цилиндров (5). За анодом следует средство вывода СВЧ-излучения в виде рупорной антенны (7) с окном (8). К системе формирования продольного магнитного поля (4) через ввод (3) на корпусе (1) прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания (10), а к катоду (2) через ввод (11) на корпусе (1) прикладывается высоковольтное напряжение от внешнего источника питания (9). Внешний цилиндр (5) анода электрически связан с внутренним электродом (6). При этом образован резонатор, открытый для вывода сформированного в резонаторе излучения во внутренний объем средства вывода излучения (7) с окном (8).The inventive microwave magnetron type generator has axial symmetry and contains a vacuum housing (1) with a longitudinal magnetic field formation system (4) located inside it, inside of which are not connected interconnected cylindrical cathode (2) and an anode consisting of two thin-walled cylindrical electrodes : inner (6) with longitudinal slots and outer cylinders (5). Behind the anode is a means of outputting microwave radiation in the form of a horn antenna (7) with a window (8). A high-voltage voltage from an external power source (10) is applied to the longitudinal magnetic field formation system (4) through the input (3) on the housing (1), and a high-voltage voltage is applied to the cathode (2) through the input (11) on the housing (1) from external power source (9). The outer cylinder (5) of the anode is electrically connected to the inner electrode (6). In this case, a resonator is formed that is open for outputting the radiation generated in the resonator into the internal volume of the radiation output means (7) with a window (8).

В качестве источника питания (9) возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [3] (Месяц Г.А., Генерирование мощных наносекундных импульсов, М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [4] (Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтъев А.А. и др., Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока, М.: Наука, 2002).As a power source (9), it is possible to 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), or an explosive generator with an sharpener voltage based on electrically exploded conductors [4] (Asinovsky EI, Lebedev EF, Leontyev AA and others, Explosive generators of powerful pulses of electric current, M .: Nauka, 2002).

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания (9), (10) между катодом (2) и охватывающим его анодом (5-6) возникает электрическое поле, а вдоль оси катода направлено магнитное поле, созданное системой формирования продольного магнитного поля (4). Эмитируемые катодом (2) электроны под действием радиального электрического поля и осевого магнитного поля вращаются вокруг катода 2, образуя облако пространственного заряда. Электроны, перемещаясь от катода (2) к проводящему цилиндру (6), передают свою потенциальную энергию высокочастотному полю. Энергия СВЧ-излучения выводится из резонаторной области анода во внутренний объем сообщающейся с ней рупорной антенны (7) с окном (8).The device operates as follows. When voltage is applied from the power source (9), (10), an electric field appears between the cathode (2) and the anode (5-6) surrounding it, and the magnetic field created by the system for generating a longitudinal magnetic field is directed along the cathode axis (4). Electrons emitted by the cathode (2) under the influence of a radial electric field and an axial magnetic field rotate around the cathode 2, forming a cloud of space charge. Electrons moving from the cathode (2) to the conducting cylinder (6) transfer their potential energy to the high-frequency field. The energy of microwave radiation is removed from the resonator region of the anode into the internal volume of a horn antenna (7) connected to it with a window (8).

В примере выполнения предложенного СВЧ-генератора магнетронного типа корпус, волновод, рупорная антенна выполнены из стали, катод - из графита, цилиндрические электроды выполнены из тонкой стальной фольги, вакуумноплотное окно - из оргстекла. Система формирования продольного магнитного поля выполнена в виде соленоида.In the example of the proposed magnetron-type microwave generator, the casing, the waveguide, the horn antenna are made of steel, the cathode is made of graphite, the cylindrical electrodes are made of thin steel foil, and the vacuum tight window is made of plexiglass. The longitudinal magnetic field formation system is made in the form of a solenoid.

Внутренние полости генератора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10^-4 Тор.The internal cavity of the generator is evacuated to a residual gas pressure of not more than 10 ^-4 Torr.

Таким образом, выполнение анода в виде пары полых коаксиальных цилиндрических электродов с продольными прорезями во внутреннем электроде при обеспечении электрической связи между электродами с образованием резонатора, открытого для вывода сформированного в резонаторе излучения во внутренний объем средства вывода излучения, и замена этой конструкцией сложнопрофильного анода прототипа позволяет существенно упростить резонатор анода, что обеспечивает создание более технологичной конструкции генератора при сохранении выводимой мощности СВЧ-излучения на уровне прототипа.Thus, the implementation of the anode in the form of a pair of hollow coaxial cylindrical electrodes with longitudinal slots in the internal electrode while providing electrical connection between the electrodes with the formation of a resonator open to output the radiation formed in the resonator into the internal volume of the radiation output means, and replacing the prototype complex anode with this design significantly simplify the anode cavity, which ensures the creation of a more technological design of the generator while maintaining the output power spine of microwave radiation on the prototype level.

Claims

An ultra-high frequency magnetron type generator containing a cylindrical evacuated housing with a longitudinal magnetic field forming system disposed in it, a cathode and an anode covering it in the form of a resonator coupled to means for outputting microwave radiation, as well as external power sources, are coaxially placed inside this system, that the resonator is formed by the external and internal hollow coaxial cylinders of various diameters, through the longitudinal cylinder are made through slots, the cylinders being electrically connected to form a resonator open into the internal volume of the microwave output means.