Магнетрон

Полезная модель относится к электротехническому оборудованию, электровакуумным приборам СВЧ, а именно к конструкции магнетрона, предназначенного для применения в бытовых СВЧ-печах, системах связи, а также в радиолокации.

Конструкция магнетрона отличается использованием полюсных наконечников, выполненных с возможностью создания неоднородной магнитной индукции в пространстве взаимодействия между катодом и анодом с ее максимальным значением на расстоянии от катода, определяемом по формуле Rc+1/2(Ra-Rc), где Rc-радиус катода, Ra-радиус анода. При этом полюсные наконечники представляют собой набор из, по крайней мере, трех концентрично-расположенных кольцевых элементов, по крайней мере, один из которых выполнен из материала, характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных кольцевых элементов и расположен между ними. При этом торцевые поверхности полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торцевой поверхности полюсного наконечника, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.

Технический результат предложенного устройства заключается в снижении уровня шумов в выходном сигнале магнетрона по сравнению с аналогичными конструкциями за счет увеличения эффективности взаимодействия объемного заряда с бегущей электромагнитной волной. 1 н.п.ф., 2 з.п.ф., 1 илл.

Полезная модель относится к электротехническому оборудованию, электровакуумным приборам СВЧ, а именно к конструкции магнетрона, предназначенного для применения в бытовых СВЧ-печах, системах связи, а также в радиолокации.

Известен магнетрон с комбинированной магнитной системой, содержащий, по крайней мере, две пары магнитов, одна из которых выполнена на постоянных магнитах, в виде дисков, примыкающих к торцам анодного блока (полюсные наконечники), и магнитопровод, замыкающий разноименные полюса постоянных магнитов. С целью повышения стабильности в широком диапазоне мощностей, на магнитных дисках закреплены ферромагнитные цилиндры с надетыми на них катушками, образующие электромагнит, при этом электромагнит выполнен с возможностью подключения к регулируемому источнику постоянного напряжения через переключатель полярностей (патент РФ 2024102, МПК H01J 25/50).

Недостатком указанного магнетрона является высокий уровень шума в выходном сигнале.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному магнетрону являются магнетроны модели АХ9 и XCR, содержащие коаксиально расположенные катод, анод, резонаторную систему, выполненную в виде симметрично расположенных сквозных полостей, вывод энергии, и расположенные вне вакуумного объема соосно с анодом два противолежащих полюсных наконечника (Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. 2 изд., М.: Советское Радио, 1955). В известных магнетронах используются полюсные наконечники цилиндрической формы, имеющие ровный срез в месте примыкания к пространству взаимодействия и изготовленные из однородного по своей магнитной силе материала.

Недостатками указанных магнетронов является высокий уровень шума в выходном сигнале. Полюсные наконечники указанных магнетронов предназначены для создания однородного магнитного поля в пространстве взаимодействия электронов с высокочастотной волной. Известно, что наиболее эффективное взаимодействие электронов с высокочастотной волной происходит при выполнении условий синхронизма, которое заключается в том, что скорость движения центров орбит вращения электронов должна быть близка к фазовой скорости высокочастотной волны. Скорость движения центров орбит вращения определяется отношением напряженности электрического поля и магнитной индукции. В цилиндрическом магнетроне напряженность постоянного электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между анодом и катодом и пространственным зарядом электронного облака, максимальна на границе объемного пространственного заряда и убывает по радиусу в направлении анода. Магнитная индукция при этом постоянна. Поэтому выполнение условий синхронизма в указанных магнетронах обеспечивается не во всем пространстве взаимодействия, а лишь в некоторой области, соответственно не обеспечивается эффективность взаимодействия объемного заряда с бегущей электромагнитной волной.

Задачей полезной модели является создание магнетрона, обеспечивающего меньший по сравнению с аналогами уровень шума в выходном сигнале.

Поставленная задача решается тем, что в магнетроне, содержащем коаксиально расположенные катод и анод, резонаторную систему, снабженную выводом энергии, два полюсных наконечника, расположенных соосно с катодом с противоположных сторон от анода, согласно решению, каждый из полюсных наконечников выполнен с возможностью создания неоднородной магнитной индукции в пространстве взаимодействия между катодом и анодом с ее максимальным значением на расстоянии от катода, определяемом по формуле Rc+1/2(Ra-Rc), где Rc-радиус катода, Ra - радиус анода. При этом каждый из магнитных полюсных наконечников представляет собой набор из, по крайней мере, трех концентрично-расположенных кольцевых элементов. По крайней мере один из кольцевых элементов выполнен из материала, характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных кольцевых элементов и расположен между ними, при этом торцевые поверхности магнитных полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торце кольцевого элемента, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.

Технический результат предложенного устройства заключается в увеличении эффективности взаимодействия объемного заряда с бегущей электромагнитной волной.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен продольный разрез заявляемого устройства.

Позициями на чертеже обозначены:

1 - катод,

2 - анод,

3 - резонаторная система,

4 - окно вывода энергии,

5 - полюсный наконечник,

6, 7, 8 - внешний, центральный и внутренний кольцевые элементы полюсного наконечника, соответственно.

Магнетрон содержит коаксиально расположенные цилиндрический катод 1, анод 2, два полюсных наконечника 5, расположенные соосно катоду 1 с противоположных сторон от анода. Анод снабжен резонаторной системой 3 (см., например, Бычков С.И. Вопросы теории и практического применения приборов магнетронного типа. М.: Сов. радио, 1967). Для вывода СВЧ энергии резонаторная система снабжена отверстием 4.

Полюсные наконечники выполнены набранными из трех концентрично-расположенных кольцевых магнитных элементов: внутреннего 8, внешнего 6, выполненных, например, из неодим-железо-бора (коэрцитивная сила 11 кЭрст), и центрального 7, выполненного, например, из самарий-кобальта (коэрцитивная сила 13 кЭрст) и характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных. Полюсный наконечник отстоит от торца анода на расстояние в несколько (5-10) миллиметров. Торцевые поверхности полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торце магнитного элемента, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.

Форма полюсных наконечников позволяет получить в пространстве взаимодействия распределение магнитной индукции, аналогичное по форме распределению напряженности постоянного электрического поля, и, следовательно, обеспечивает выполнение условия синхронизма высокочастотной волны и электронного потока во всем пространстве взаимодействия, что приводит к снижению уровня шума в выходном сигнале.

Механизм работы магнетрона заключается в следующем. На магнетрон подают напряжения питания: анодное напряжение на анод 2 и напряжение накала на катод 1. В результате разогрева катода эмитирующий слой, нанесенный на внешнюю поверхность катода, испускает электроны в рабочее пространство взаимодействия катод-анод, образуя электронное облако. Под действием перпендикулярных друг другу электрического поля катод-анод и постоянного магнитного поля электронное облако под действием силы Лоренца начинает вращаться вокруг катода и наводит переменный потенциал в резонаторах 3 анодного блока, который, в свою очередь, воздействует на электронное облако, модулирует его по форме, создавая так называемые вращающиеся электронные спицы. Когда угловая скорость вращения спиц синхронизируется с частотой колебаний в резонаторной системе, создаются условия передачи энергии электронного облака во внешнюю нагрузку (через вывод энергии 4).

Магнитные полюсные наконечники магнетрона в месте примыкания к пространству взаимодействия имеют форму, обеспечивающую сначала нарастание магнитной индукции в пространстве взаимодействия при удалении вдоль радиуса от катода до значения, не превышающего 2500 эрст, затем, снижение магнитной индукции по направлению к аноду, повторяя таким образом изменение напряженности электростатического поля вдоль радиуса. При этом условия синхронизма будут выполняться во всем пространстве взаимодействия. Электроны, испускаемые катодом в тормозящей фазе высокочастотного поля, сразу после попадания в пространство взаимодействия оказываются в синхронизме с высокочастотной волной и начинают, смещаясь к аноду, отдавать энергию и тем самым усиливают поле высокочастотной волны.

Предлагаемая конструкция магнетрона позволяет достичь снижения уровня шумов в выходном сигнале до 20 дБ.

1. Магнетрон, содержащий коаксиально расположенные катод и анод, резонаторную систему, снабженную выводом энергии, два полюсных наконечника, расположенных соосно с катодом с противоположных сторон от анода, отличающийся тем, что каждый из полюсных наконечников выполнен с возможностью создания неоднородной магнитной индукции в пространстве взаимодействия между катодом и анодом с ее максимальным значением на расстоянии от катода, определяемом по формуле Rc+1/2(Ra-Rc), где Rc - радиус катода, Ra - радиус анода.

2. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что каждый из магнитных полюсных наконечников представляет собой набор из, по крайней мере, трех концентрично расположенных кольцевых элементов.

3. Магнетрон по п.2, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из кольцевых элементов выполнен из материала, характеризующегося максимальной величиной коэрцитивной силы относительно остальных кольцевых элементов и расположен между ними, при этом торцевые поверхности магнитных полюсных наконечников со стороны резонаторной системы в продольном сечении образуют угол, направленный в сторону резонаторной системы, а вершина угла расположена на торце кольцевого элемента, обладающего максимальной величиной коэрцитивной силы.