Релятивистский магнетрон

Релятивистский магнетрон предназначен для генерации мощного СВЧ-излучения и содержит многорезонаторный анодный блок с расположенными на оси катододержателем с взрывоэмиссионным катодом, цилиндрическую трубу дрейфа и внешнюю магнитную систему. На расстоянии d(ra-rc) от торцов анодного блока на катододержателе установлены концевые экраны радиусом rt(1,1-1,2)rс, где rа - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока;rс - внешний радиус взрывоэмиссионного катода. Изобретение позволяет уменьшить потери тока из пространства взаимодействия магнетрона и увеличить мощность его выходных СВЧ-импульсов. Винтизенко Игорь Игоревич (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU) Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации коротких импульсов мощного СВЧ-излучения. Использование СВЧ-излучения для таких применений, как тестирование радиоэлектронной аппаратуры, дальняя радиолокация с высоким пространственным разрешением, стерилизация и др., требует создания приборов максимальной эффективности и стабильности. Известно устройство - магнетрон [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов. М., Сов. Радио, 1966, 224 с], состоящий из многорезонаторного анодного блока с волноводным выводом мощности, коаксиально расположенного термоэмиссионного катода, связанного катододержателем с источником питания. Обычно аксиальный размер (длина) катода и анодного блока совпадают. Снаружи анодного блока установлена магнитная система. В промежутке между катушками магнитной системы проходит волноводный вывод мощности, связанный через щель связи с одним из резонаторов анодного блока. Анодный блок находится под земляным потенциалом, а на катод подается импульс отрицательной полярности от источника питания. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодом и аксиальном магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, вращаясь азимутально в "спицах", отдают свою энергию в энергию СВЧ-излучения. СВЧ-излучение выводится через щель связи в одном из резонаторов и плавный волноводный переход. Для классических магнетронов известен способ увеличения их эффективности, заключающийся в использовании экранов, устанавливаемых на малом расстоянии от торцов анодного блока (от торцов катода, если длина катода соответствует длине анодного блока) вне пространства взаимодействия. Концевые экраны классических магнетронов имеют наружный диаметр, который значительно превышает диаметр катода, а иногда превышает и диаметр анода, что препятствует утечке электронов из пространства взаимодействия под действием сил пространственного заряда. Применение экранов большого диаметра возможно, поскольку прикладываемое напряжение между катодом и анодом относительно мало. Недостатком известного устройства является малая выходная мощность, обусловленная низкими значениями напряжения и тока источника питания. Увеличению напряжения между катодом и анодом препятствует развитие пробоя между катодом и анодом, т.е. переход работы термоэмиссионного катода в режим взрывной электронной эмиссии. Этот пробой приводит к разрушению поверхности работы катода, потери эмиссионной способности, нарушению вакуумных условий в приборе и выходу магнетрона из строя. Известно также устройство - релятивистский магнетрон, состоящий из многорезонаторного анодного блока с одним или несколькими волноводными выводами мощности, цилиндрической трубы дрейфа с внутренним диаметром, превышающим внутренний диаметр анодного блока [Винтизенко И.И.,Новиков С.С. Релятивистские магнетронные СВЧ-генераторы с внешней связью резонаторов. // Журнал технической физики, г. Санкт-Петербург, 2010, том 80, вып. 11, с. 95-104], его выбираем за прототип. Коаксиально многорезонаторному анодному блоку установлен катод, связанный посредством катододержателя, расположенного в вакуумной камере, с отрицательным выводом источника питания. Обычно длина катода соответствует длине анодного блока. Однако известны конструкции катодов в виде узкой шайбы, устанавливаемой в центре анодного блока. Снаружи анодного блока расположены катушки магнитной системы. В качестве источников питания релятивистских магнетронов используются сильноточные электронные ускорители или линейные индукционные ускорители. В таких приборах анодный блок,вакуумная камера и труба дрейфа заземлены, а на катод подается импульс отрицательной полярности длительностью 50-1000 нс, амплитудой до 1000 кВ. Катод выполняется из металла или графита и работает в режиме взрывной электронной эмиссии. Ток, снимаемый с катода, может достигать 50 кА. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодным блоком и аксиальном магнитном поле, создаваемом магнитной системой, электроны, эмитированные под действием взрывной электронной эмиссии, осуществляют движение в двух направлениях. Как в классическом магнетроне электроны,вращаясь азимутально в "спицах", отдают потенциальную энергию в энергию СВЧ-излучения и осуществляют радиальный дрейф к анодному блоку. В осевом направлении устройства движутся электроны торцевого тока, эмитированные торцами катода. Этот ток образован действием краевого электрического поля. Электроны торцевого тока оседают на поверхность вакуумной камеры и трубы дрейфа в области спадающего магнитного поля. Следует добавить, что катоды релятивистских магнетронов связаны с источником питания только с одной стороны в отличие от классических магнетронов, имеющих, как правило, симметричное питание катода. Поэтому в релятивистских магнетронах, кроме потерь тока за счет сил пространственного заряда и краевого электрического поля, имеется дополнительный фактор потерь из пространства взаимодействия под действием азимутального магнитного поля, возникающего из-за протекающего по катоду значительного тока. В скрещенных радиальном электрическом поле между катодом и анодом и азимутальном магнитном поле протекающего тока на электроны действует сила, выталкивающая их из пространства взаимодействия. Релятивистский магнетрон имеет один или несколько волноводных выводов мощности из резонаторов анодного блока, проходящих между катушками магнитного поля, выполненных в виде пары Гельмгольца. Выходная мощность релятивистских магнетронов составляет от 200 МВт до нескольких гигаватт при длительности импульса излучения от десятков до сотен наносекунд. Задачей предлагаемого изобретения является увеличение мощности выходных СВЧ-импульсов релятивистского магнетрона. Технический результат заключается в уменьшении потерь тока из пространства взаимодействия прибора. Указанный результат достигается тем, что в релятивистском магнетроне, содержащем, как и прототип, многорезонаторный анодный блок с расположенными на оси катододержателем с взрывоэмиссионным катодом, вакуумную камеру, цилиндрическую трубу дрейфа и внешнюю магнитную систему, в отличие от прототипа, на расстоянии d(ra-rc) от торцов анодного блока установлены концевые экраны радиусом rt(1,1-1,2)rc, где ra - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока, rc - внешний радиус взрывоэмиссионного катода. Для релятивистских магнетронов концевые экраны не применялись из-за опасения образования взрывной электронной эмиссии на выступающих относительно поверхности катода поверхностях. Образование плазмы и ее дрейф в продольном магнитном поле с характерной для взрывной электронной эмиссии скоростью порядка 107 см/с могут привести к замыканию плазмой промежутка концевой экран торец анодного блока и закорачиванию источника питания. Однако если выбрать правильным образом размеры концевых экранов и их расстояние до торцов анодного блока, можно, с одной стороны, избежать образования взрывной электронной эмиссии на их поверхности, а с другой стороны, создать условия для уменьшения потерь тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона. Расположение концевых экранов определяется расстоянием до торцов анодного блока, поскольку, как выше упоминалось, возможно использование катодов длиной, меньшей длины анодного блока. Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показан релятивистский магнетрон, который имеет многорезонаторный анодный блок 1 с внутренним диаметром ra длиной la с волноводным выводом мощности 2. Коаксиально анодному блоку установлен взрывоэмиссионный катод 3 диаметром rc длинойlc (lalc) и катододержатель 7 с концевыми экранами 4. Магнитная система 5 создает магнитное поле. На торцах анодного блока установлены торцевые крышки 6 (известны конструкции релятивистских магнетронов без торцевых крышек или с крышкой только с одной стороны анодного блока). Катод с помощью катододержателя 7, размещенного в вакуумной камере 8, связан с высоковольтным фланцем источника питания (на фиг. 1 не показан), от которого подается отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока из пространства взаимодействия прибора используются вакуумная камера 8 и труба дрейфа 9 с большими внутренними диаметрами. Чем больше диаметр этих элементов, тем меньше предельный ток транспортировки в них. Однако внешние диаметры камеры и трубы ограничены внутренним диаметром магнитной системы. Чрезмерное увеличение диаметров этих элементов приводит к неоправданному увеличению объема замагничивания и соответственно росту энергозатрат на создание магнитного поля. Поэтому применение камеры и трубы дрейфа лишь частично позволяет уменьшить ток потерь. Волноводный вывод мощности 2 заканчивается антенной 10. Концевые экраны 4 выполнены в виде шайб с внешним диаметром rt(1,1-1,2)rc и установлены на катододержателе 7 с обеих сторон анодного блока 1 на расстоянии d(ra-rc), где ra - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока 1, rc - внешний радиус взрывоэмиссионного катода 3. На фиг. 2 показаны экспериментальные результаты применения концевых экранов для релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн. Приведены зависимости мощности СВЧ-импульса релятивистского магнетрона от величины индукции магнитного поля при равном зарядном напряжении первичного источника питания и наличии или отсутствии концевых экранов: зависимость 11- катод без концевых экранов; зависимость 12- катод с экраном со стороны катододержателя; зависимость 13- катод с экраном со стороны трубы дрейфа; зависимость 14- катод с двумя экранами. Предлагаемый релятивистский магнетрон содержит, как и прототип, многорезонаторный анодный блок 1 с волноводным выводом мощности 2 и антенной 10. Коаксиально анодному блоку установлен взрывоэмиссионный катод 3. Магнитная система 5 создает магнитное поле. На торцах анодного блока 1 установлены торцевые крышки 6. Катод с помощью катододержателя 7, размещенного в вакуумной камере 8, связан с высоковольтным фланцем источника питания, от которого подается отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока с противоположной стороны анодного блока используется труба дрейфа 9. В отличие от прототипа в релятивистском магнетроне на катододержателе 7 с двух сторон от многорезонаторного анодного блока 1 установлены концевые экраны 4. Это позволяет уменьшить ток потерь из пространства взаимодействия и достичь указанной выше цели повышения мощности выходных импульсов. При этом на внешний диаметр концевых экранов 4 и их расстояние от торцов анодного блока 1 накладываются определенные условия. Так, выбор диаметра концевых экранов 4 и расстояния между экранами, находящимися под высоковольтным потенциалом источника питания, и заземленным торцом(торцевыми крышками) анодного блока 1 должны обеспечивать отсутствие взрывоэлектронной плазмы на поверхности экранов 4. Для этого необходимо выполнение условий: 1) d(ra-rc) и 2) rt(1,1-1,2)rc, т.е. таких, чтобы напряженность электрического поля между экраном 4 и анодным блоком 1 была ниже напряженности электрического поля между катодом 3 и анодным блоком 1 в пространстве взаимодействия. Как показали эксперименты при использовании концевых экранов 4 разного диаметра и установленных на разных расстояниях от торцевых крышек анодного блока 1, наилучшие результаты показывает применение экранов с внешним диаметром, удовлетворяющим приведенным условиям. Это связано с тем, что основные утечки электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона происходят из тонкого прикатодного слоя взрывоэмиссионной плазмы. В этом слое действие высокочастотного электрического поля, захватывающего электроны в "спицы" пространственного заряда мало, вследствие большого расстояния от резонаторов анодного блока. С другой стороны, в этом слое азимутальное магнитное поле протекающего по катоду тока максимально. Следовательно, сила, выталкивающая электроны из пространства взаимодействия, максимальна вблизи катода. Эксперименты показали, что увеличение диаметра концевых экранов 4 более приведенного условия вызывает необходимость увеличения расстояния экран 4 - торец анодного блока 1 для снижения напряженности электрического поля. В этом случае при сохранении увеличившейся эффективности (по сравнению с релятивистским магнетроном с катодом без концевых экранов) наблюдается снижение стабильности амплитуды выходных импульсов. Это связано с увеличенным путем движения электронов из пространства взаимодействия до экрана и обратно и их возможным рассеянием (возвращением в пространство взаимодействия релятивистского магнетрона на большем расстоянии от катодной поверхности). Устройство работает следующим образом. Предварительно включается магнитная система 5, работающая в непрерывном или импульсном режимах. В момент достижения максимального магнитного поля источник питания формирует импульс отрицательной полярности (амплитуда напряжения 100-1000 кВ и ток 1-40 кА в зависимости от типа источника). Высоковольтный импульс на катод 3 подается по катододержателю 7. В промежутке катод 3 - многорезонаторный анодный блок 1 создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая развитие взрывной электронной эмиссии [Литвинов Е.А. и др. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах. // Успехи физических наук. Москва, 1983, т. 139, с. 265-302]. В скрещенных радиальном электрическом и аксиальном магнитном полях происходит образование электронных "спиц" пространственного заряда, и процесс передачи энергии электронов в энергию СВЧ-излучения осуществляется так же, как в классическом магнетроне. Для уменьшения потерь электронов из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона применяются вакуумная камера 8 и цилиндрическая труба дрейфа 9 больших диаметров [Сулакшин А.С. Ограничение утечки тока из пространства взаимодействия. // Журнал технической физики,Санкт-Петербург, 1983, т. 53,11, с. 2266-2268]. Вывод СВЧ-излучения из резонаторов анодного блока 1 осуществляется через щели в стенках резонаторов и далее через волноводный вывод 2 и антенну 10. Для уменьшения потерь тока из пространства взаимодействия электронов с СВЧ-волнами анодного блока на расстоянии d(ra-rc) от анодного блока на катододержателе 7 установлены концевые экраны с внешним диаметром rt(1,1-1,2)rc. Эти экраны препятствуют движению электронов из тонкого прикатодного слоя, которое возникает под действием краевого электрического поля и под действием силы, образующейся из-за скрещенных радиального электрического и азимутального магнитного полей. Примером конкретного выполнения может служить релятивистский магнетрон 10-см диапазона длин волн с восемью резонаторами лопаточного типа, разработанный и применяемый в Физикотехническом институте Томского политехнического университета. Внутренний диаметр анодного блока 1, выполненного из нержавеющей стали, составляет 43 мм, глубина резонаторов - 21,5 мм, длина - 72 мм. На торцах анодного блока 1 установлены торцевые крышки толщиной 5 мм. Графитовый катод имеет диаметр 20 мм. Анодный блок 1 имеет один волноводный вывод мощности из резонатора. Схема эксперимента с релятивистским магнетроном, снабженным концевыми экранами 4, соответствовала показанной на фиг. 1. Экспериментальные исследования проводились на линейном индукционном ускорителе ЛИУ 04/6 с выходным напряжением до 400 кВ, током до 4 кА и длительностью импульса по основанию 180 нс. Магнитная система на постоянном токе создавала магнитное поле индукцией до 0,59 Т. Катод, с помощью катододержателя, связан с высоковольтным фланцем ЛИУ, на который подавался отрицательный импульс напряжения. Для ограничения утечки тока использовались вакуумная камера и труба дрейфа с внутренними диаметрами 184 мм. Концевые экраны были изготовлены из дюралюминия в виде шайб с внешним диаметром 22, 24, 26, 28 мм, толщиной 10 мм и радиусом скругления цилиндрической поверхности 5 мм. Экраны могли перемещаться относительно торцов анодного блока 1,для этого на поверхности катододержателя была выполнена резьба, а со стороны трубы дрейфа катододержатель выступал за пределы анодного блока на 70 мм. Для регистрации характеристик высоковольтного импульса ЛИУ применялись емкостной делитель напряжения, пояс Роговского для измерения полного тока ускорителя, а также СВЧ-детекторы с калиброванными волноводными ослабителями, размещенные в "дальней" зоне для регистрации СВЧимпульсов. В экспериментах сравнивались выходные импульсы релятивистского магнетрона при использовании катода без концевых экранов, с одним экраном со стороны катододержателя, с одним экраном со стороны трубы дрейфа и с двумя экранами. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании двух концевых экранов диаметром 22 мм при расположении их на расстоянии 12 мм от торцов анодного блока. На фиг. 2 представлены зависимости мощности СВЧ-импульсов от величины индукции магнитного поля, снятые при равном зарядном напряжении первичного источника питания ЛИУ. Как видно, к заметному увеличению мощности импульса СВЧ приводит экран, установленный со стороны трубы дрейфа(зависимость 13). Это позволяет заключить, что основные утечки тока из пространства взаимодействия релятивистского магнетрона происходят в трубу дрейфа. Приведенные зависимости показывают, что в случае применения концевых экранов катода расширяется область синхронных магнитных полей, при которых регистрируется максимальный уровень СВЧ. Анализ осциллограмм показал, что при использовании экранов наблюдается увеличение выходного напряжения ЛИУ в сравнении с катодом без экранов за счет уменьшения потерь тока (возрастает импеданс релятивистского магнетрона). В свою очередь, это требует увеличения синхронного магнитного поля и сопровождается заметным увеличением мощности(зависимость 14 на фиг. 2). В результате исследований релятивистского магнетрона с катодными концевыми экранами установлено, что применение экранов увеличивает мощность излучения на 40% (зависимости 11 и 14 на фиг. 2), достигающей 400 МВт, при сохранении длительности импульса СВЧ. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Релятивистский магнетрон, содержащий многорезонаторный анодный блок с расположенными на оси катододержателем с взрывоэмиссионным катодом, цилиндрическую трубу дрейфа и внешнюю магнитную систему, отличающийся тем, что на расстоянии d(ra-rc) от торцов анодного блока на катододержателе установлены концевые экраны радиусом rt(1,1-1,2)rc, где ra - внутренний радиус многорезонаторного анодного блока; rc - внешний радиус взрывоэмиссионного катода.