релятивисткий магнетронный генератор

Формула изобретения

РЕЛЯТИВИСТКИЙ МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий многорезонаторную анодную систему, закрытую с обеих сторон торцевыми экранами, взрывоэмиссионный холодный катод, расположенный коаксиально с многорезонаторной анодной системой, источник анодного напряжения в виде сильноточного электронного ускорителя и магнитную систему, отличающийся тем, что торцевые экраны выполнены в виде кольцевых радиально намагниченных постоянных магнитов, образующих магнитную систему, а на внешней цилиндрической поверхности многорезонаторной анодной системы симметрично между кольцевыми радиально намагниченными постоянными магнитами установлен дополнительный аксиально немагниченный кольцевой постоянный магнит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к конструкциям релятивистских импульсных магнетронов, катоды которых работают в режиме взрывной эмиссии, и может быть использовано для генерации сверхмощных СВЧ импульсов (10⁹-10¹⁰ Вт) наносекундной длительности как в однократном, так и в импульсно-периодическом режиме.

В настоящее время известны различные конструкции релятивистских импульсных магнетронов, катоды которых работают в режиме взрывной эмиссии, а в качестве источников питания используются сильноточные электронные ускорители.

Одной из основных проблем создания релятивистских магнетронных генераторов является разработка магнитной системы, обеспечивающей однородное магнитное поле достаточной величины в пространстве взаимодействия, поскольку использование в качестве источника питания сильноточных электронных ускорителей и работа катода релятивистского магнетрона в режиме взрывной эмиссии делает невозможным применение широко распространенных в технике приборов М-типа магнитных систем. Основные причины этого большой объем пространства взаимодействия (для 10 см релятивистского магнетрона объем, в котором создается магнитное поле, составляет порядка 100 см³), достаточно высокие значения магнитных полей (0,5-1 Т), наличие распространяющегося вдоль оси сильноточного диода электронного пучка. Вследствие этого для релятивистских магнетронов общепринятыми являются электроимпульсные магнитные системы, выполненные, как правило, в виде пары Гельмгольца, состоящей из двух катушек и расположенной снаружи анодного блока коаксиально с ним. Такая магнитная система позволяет обеспечить требуемые значения неоднородности магнитного поля ( < 5%), сравнительно просто осуществить вывод энергии из какого-либо резонатора с помощью волновода, в процессе эксперимента регулировать амплитуду напряженности магнитного поля. Однако имеются и серьезные недостатки. Наличие многорезонаторной анодной системы в магнитном зазоре приводит к экранировке импульсного магнитного поля, поэтому напряженность поля в пространстве взаимодействия оказывается существенно меньше напряженности поля, создаваемого катушками Гельмгольца. Это вызывает необходимость увеличения тока в катушках при фиксированной длительности импульса тока или увеличения длительности импульса тока для уменьшения эффекта экранировки.

Так, например, при длительности импульса напряжения на зазоре катод-анод магнетрона 10^-8 с приходится использовать для питания магнитной системы импульсы тока с длительностью 10^-2-10^-1 с, при этом экранировка, рассчитанная по известной методике, может достигать 30%

С другой стороны, импульсно-периодическая работа релятивистского магнетронного генератора еще усугубляет проблемы, связанные с потерями энергии, обеспечивающей питание электроимпульсной магнитной системы. Так, оценки, проведенные для установки, описанной в [Васильев В.В. Винтизенко И.И. Диденко А. Н. и др. Письма в ЖТФ, 1987, т.13, вып.12, с.762] показывают, что при средней мощности питания, потребляемой сильноточным электронным ускорителем 5 кВт, мощность, потребляемая импульсной магнитной системой, доходит до 40 кВт, причем потери на рассеивание в экранах и собственно катушках составляют 10 кВт. Понятно, что такие величины рассеиваемых мощностей требуют применения специальных мер охлаждения, что усложняет установку.

Альтернативной указанному способу создания магнитного поля для релятивистского магнетронного генератора может служить использование сверхпроводящих магнитных систем. Вместе с тем, очевидно, что этот путь существенно усложняет установку в целом, поскольку требуется создание и использование азотно-гелиевых криостатов, систем получения жидкого азота и гелия и т.д.

Цель изобретения снижение весогабаритных характеристик и увеличение общего КПД релятивистского магнетронного генератора.

Это достигается тем, что, как и в прототипе, устройство содержит многорезонаторную анодную систему, закрытую с обеих сторон торцевыми экранами, взрывоэмиссионный холодный катод, расположенный коаксиально с многорезонаторной анодной системой, источник анодного напряжения в виде сильноточного электронного ускорителя и магнитную систему, но в отличие от прототипа торцевые экраны выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов, образующих магнитную систему, причем внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов d_мd_a, где d_a внутренний диаметр многорезонаторной анодной системы, кольцевые радиально-намагниченные постоянные магниты замкнуты по наружному диаметру кольцевыми магнитопроводами, выполненными из магнитомягкого материала и соединенными между собой плоскими магнитопроводами из магнитомягкого материала, а на наружном диаметре многоорезонаторной анодной системы симметрично между кольцевыми радиально-намагниченными постоянными магнитами установлено дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных призматических постоянных магнитов.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично изображен предлагаемый генератор; на фиг.3 проиллюстрировано экспериментально снятое распределение аксиального магнитного поля в пространстве взаимодействия магнетрона.

Он включает многорезонаторную анодную систему 1, взрывоэмиссионный холодный катод 2, источник анодного напряжения 3, кольцевые радиально-намагниченные постоянные магниты 4, кольцевой магнитопровод 5, плоский магнитопровод 6, дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных призматических постоянных магнитов 7, вывод мощности 8.

Генератор работает следующим образом.

Два радиально-намагниченных кольца 4, расположенные на торцах многорезонаторной анодной системы 1, вместе с кольцевыми магнитопроводами 5, плоскими магнитопроводами 6 и аксиально-намагниченным кольцом 7, выполненным из отдельных призматических постоянных магнитов и расположенным на наружном диаметре многорезонаторной анодной системы 1, образуют единую магнитную систему, формирующую в пространстве взаимодействия магнетрона аксиальное магнитное поле необходимой величины, однородное по длине, соответствующей высоте многорезонаторной анодной системы. На взрывоэмиссионный холодный катод 2 от источника питания 3, выполненного в виде сильноточного электронного ускорителя, подается высоковольтный импульс напряжения отрицательной относительно заземленной многорезонаторной анодной системы полярности, что обеспечивает наличие между катодом и анодной системой радиального электрического поля, и в этом пространстве происходят все процессы, свойственные обычному многорезонаторному магнетрону: возбуждение СВЧ-колебаний, формирование электронных спиц и усиление СВЧ-колебаний. Вывод мощности осуществляется с помощью волновода 8, связанного щелью связи с одним из резонаторов магнетрона и расположенного между отдельными призматическими постоянными магнитами 7.

Ограничение на внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов связано с тем, что они одновременно выполняют роль торцевых экранов, являющихся неотъемлемой принадлежностью многорезонаторной анодной системы закрытого типа.

Для снижения неоднородности продольной составляющей однонаправленного магнитного поля между радиально-намагниченными кольцами устанавливается дополнительное аксиально-намагниченное кольцо, выполненное из отдельных блоков (магнитов призматической формы с аксиальной намагниченностью относительно оси системы). В зависимости от конструктивной особенности магнетрона можно менять количество блоков, но при этом необходимо учитывать, что несимметричность расположения блоков относительно оси системы вызывает появление неоднородности в распределении радиальной составляющей магнитного поля.

Таким образом, предлагаемый релятивистский магнетронный генератор обеспечивает следующие преимущества по сравнению с устройством-прототипом. Для указанной установки средняя потребляемая мощность снижается с 45 до 5 кВт и отсутствует необходимость применения специальных мер охлаждения.

Примером конкретного исполнения может служить следующий реально выполненный магнетронный генератор. Двенадцатирезонаторная анодная система (см. Винтизенко И.И. Сулакшин А.С. и др. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, N 8, с.482) имеет внутренний диаметр 60 мм и наружный 120 мм, диаметр катода 40 мм.

Магнитная система выполнена на основе кольцевых радиально-намагниченных магнитов из материала КС25ДЦ175 с радиальной текстурой и энергией (ВН)_мах175 кДж/м³, а в области рабочего зазора использовалось аксиально-намагниченное кольцо, состоящее из отдельных блоков из материала КС25ДЦ175 и энергией (ВН)_мах 175 кДж/м³. Величина рабочего зазора 76 мм, внутренний диаметр магнитной системы 60 мм.

Основные магнитные параметры:

Магнитная индукция 0,44 Тл

Неоднородность продольной составляющей 4,8%

Значение радиальной составляющей < 1,5%

Указанные параметры позволяют работать при анодном напряжении 300 кВ с выходной мощностью магнетрона до 500 МВт.