Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тип колебательной системы. Режим взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем 13
1.1. Режим пространственной гармоники не л вида 15
1.2. Коаксиальный магнетрон на основной волне я вида 33
1.3. Нел-видный коаксиальный магнетрон 46
1.4. Магнетрон на высших пространственных гармониках л вида 56
1.5. Коаксиальный магнетрон на высших пространственных гармониках л вида 68
1.6. Разнорезонаторный л-видный магнетрон 73
Выводы к первой главе 79
Глава 2. Воспроизводимость параметров колебательной системы магнетрона 82
2.1. Связь колебательной системы магнетрона с внешней нагрузкой 83
2.2. Управление структурой ноля пространства взаимодействия с помощью неоднородностей 96
2.3. Вывод энергии как неоднородность 111
2.4. Уменьшение реакции замедляющей системы магнетрона на технологические неоднородности 129
Выводы ко второй главе 142
Глава 3. Выбор типа катода и оптимизация условий его работы в магнетроне 145
3.1. Магнетрон с термоэмиссионным катодом 146
3.2. Магнетрон с безнакальным автоэмиссионным запуском 152
3.3. Магнетрон с боковым катодом 167
Выводы к третьей главе 172
Заключение 175
Литература 186
- Коаксиальный магнетрон на основной волне я вида
- Коаксиальный магнетрон на высших пространственных гармониках л вида
- Управление структурой ноля пространства взаимодействия с помощью неоднородностей
- Магнетрон с безнакальным автоэмиссионным запуском
Введение к работе
Современная техника СВЧ характеризуется большим
разнообразием типов генераторов. Среди них заметное место занимает магнетрон - один из старейших типов генераторов, обязанный своим долголетием постоянному совершенствованию конструкции и технологии изготовления, достижению все более высоких параметров, конструкции и технологии изготовления. Наиболее яркими иллюстрациями этого могут служить такие последние усовершенствования магнетрона, как введение коаксиального стабилизирующего резонатора [1] (коаксиальный и обрашенно-коаксиальный магнетроны), реализация режима работы на пространственной гармонике вырожденного вида колебаний [2,3], применение безнакального запуска магнетрона с помощью автоэмиссионного катода [4]. Постоянно растет уровень генерируемой мощности и к.п.д. магнетрона, его долговечность, проводится работа но освоению миллиметрового диапазона длин волн.
В длинноволновой части миллиметрового диапазона при выходной мощности не менее 10 кВт в импульсе широкое распространение получил коаксиальный магнетрон (КМ), заметно превосходящий разнорезонаторный магнетрон как по отдельным параметрам, так и по их совокупности. Однако в последние десятилетия заметно замедлились темпы продвижения в коротковолновую часть диапазона.
Западные фирмы разработку «обычных» магнетронов миллиметрового диапазона длин волн осуществляют методом масштабного моделирования импульсных магнетронов сантиметрового диапазона [5]. Попытки создать таким образом магнетрон на длину волны
5 2,5 мм закончились неудачей. Переход к режиму слабого магнитного поля
на длинах волн менее 3 мм не привел к улучшению положения [6]. При
разработке миллиметровых магнетронов непрерывного действия
возникшие трудности с обеспечением температурного режима катода
оказались непреодолимыми [7].
В Советском Союзе при освоении коротковолновой части миллиметрового диапазона предпочтение изначально было отдано предложенному харьковскими исследователями режиму взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой высокочастотного поля одного из вырожденных видов колебаний равнорезонаторной системы [8]. В отечественной литературе этот режим иногда называют «харьковским». Сравнение приведенных в литературе параметров разнорезонаторных тг-видных магнетронов [5,6,9] и работающих в «харьковском» режиме [2] свидетельствует о явном преимуществе последних во всем миллиметровом диапазоне.
В начале 60-х годов предыдущего столетия в ходе разработки и выпуска мелких партий первых промышленных образцов низковольтных не я-видных миллиметровых магнетронов непрерывного действия для накачки квантовых парамагнитных и параметрических усилителей выяснилось, что теоретические преимущества «харьковского» режима на практике реализуются далеко не в полной мере. Основные препятствия порождаются специфическими особенностями дублетного вида колебаний и режима взаимодействия с пространственной гармоникой, не являющейся доминирующей в суммарном высокочастотном иоле рабочего вида колебаний.
Не я-видные магнетроны генерировали на рабочем виде колебаний лишь при низкой, близкой к критической величине индукции магнитного поля и попытки удалить рабочий режим от критического путем увеличения индукции магнитного поля приводили к изменению (перескоку) вида колебаний. Низкая эффективность взаимодействия
электронного потока с высокочастотным полем в околокритическом режиме не только предопределяла малую величину электронного к.п.д., но являлась и препятствием увеличения контурного к.п.д. (путем увеличения связи с нагрузкой) сверх ~35 %. При больших значениях контурного к.п.д. происходил срыв генерации. Используемый в качестве рабочего вырожденный вид колебаний в реальных условиях превращается в дублет, привнося в магнетрон внутри дублетную конкуренцию составляющих дублета, сильную зависимость уровня связи рабочей составляющей дублета с внешней нагрузкой от количества, величины и взаимного расположения технологических погрешностей изготовления резонаторной системы, различие амплитуд бегущих в противоположных направлениях пространственных гармоник вида с одинаковыми номерами.
Внутридублетная конкуренция приводит к потере достоверности контроля параметров колебательной системы магнетрона на низком уровне мощности в процессе изготовления магнетрона. «Выход годных» по параметру к.п.д. магнетрона носит случайный характер. Следует заметить, что ухудшение воспроизводимости параметров присуще всем существующим конструктивным разновидностям магнетронов миллиметрового диапазона. Уменьшение относительной точности изготовления размеров резонагорной системы влечет за собой ухудшение воспроизводимости структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия как рабочего, так и конкурирующих видов колебаний, увеличение потерь в колебательной системе вследствие «разрушения» спектра пространственных гармоник.
При прочих равных условиях радиальные размеры пространства взаимодействия не я-видиого магнетрона превосходят размеры л>видного аналога, что безусловно относится к достоинствам первого. По из-за малого значения к.п.д. нагрузка на катод в не л-видном магнетроне остается по-прежнему довольно высокой, ограничивая долговечность магнетрона 100..150 часами, что создает значительные эксплуатационные
7 трудности в большинстве возможных областей его применения. Высокий уровень плотности тока, снимаемого с катода магнетронов миллиметрового диапазона, обусловливает уменьшение их долговечности, весьма значительное для магнетронов коротковолнового участка диапазона и низковольтных магнетронов, прежде всего - непрерывного действия.
Близость рабочего режима к критическому обусловливает высокую чувствительность параметров магнетрона к изменениям температуры окружающей среды и внешним механическим воздействиям, создавая дополнительные эксплуатационные трудности.
В [10] для увеличения замедления волны высокочастотного
потенциала предложено использовать режим синхронизации
электронного потока с высшими пространственными гармониками тг вида равнорезонаторной системы. Однако, методологическая ошибка в выборе толщины ламели ( ширины щели резонатора), при которой амплитуда рабочей гармоники имеет максимальное значение, стала причиной низкого уровня к.п.д. экспериментальных макетов и режим не получил практического применения.
При разработке магнетронов миллиметрового диапазона практически используются методы расчета и конструирования, применяемые в сантиметровом диапазоне длин волн. Окончательный вариант конструкции - это результат длительного и трудоемкого процесса многократных последовательных испытаний и корректировок первоначального варианта конструкции. И не всегда удается обоснованно оценить оптимальность этого варианта. Поэтому желательна разработка методики расчета элементов конструкции магнетрона, способной сократить объем натурных проб.
В применении к не л-видному магнетрону очевидна необходимость корректировки методов расчета, учитывающей, как минимум, ограниченность области существования дублетного вида колебаний и в нутр и дублетную конкуренцию [II]. И хотя вызывающие их
8 физические факторы известны, принципы их устранения до сих пор не
разработаны. Актуальной задачей для магнетронов на пространственных
гармониках является создание методики выбора конструкции
колебательной системы и расчета ее параметров в обеспечение
максимально возможной величины амплитуды поля рабочей гармоники в
пространстве взаимодействия.
Рост относительной величины технологических погрешностей изготовления колебательных систем, особенно в коротковолновой части диапазона, приводит к ухудшению воспроизводимости параметров магнетрона в производстве. Но пока не существует количественных описаний соответствующих взаимосвязей. Поэтому необходимо создание расчетных способов оценки реакции структуры ноля пространства взаимодействия, влияющей на выходные параметры магнетрона, на технологические погрешности изготовления колебательной системы.
Таким образом, совершенствование магнетронов миллиметрового диапазона наряду с их продвижением в коротковолновую часть диапазона, является актуальной задачей современной науки и техники, решение которой будет способствовать развитию ряда секторов народного хозяйства и повышению оборонной мощи страны. В целом, проблема создания и применения миллиметровых магнетронов имеет множество теоретических и практических аспектов, для решения которых требуется привлечение усилий многих ученых и инженеров различных специализаций, поскольку нерешенные вопросы относятся практически ко всем составляющим процесса разработки и производства магнетрона (от теории и методики расчета до выбора и реализации конкретных конструктивных и технологических решений, совершенства методов контроля технологических параметров в процессе производства). В рамках настоящей диссертации из многообразия вопросов выбраны в качестве приоритетных те, решение которых представляется автору первостепенным для достижения ощутимых результатов уже в ближайшее
9 время. Исходя из опенки существующей ситуации, общая цель работы
может быть сформулирована как определение путей и средств
совершенствования магнетронов миллиметрового диапазона, работающих
в режиме синхронизации электронного потока с пространственными
гармониками колебательной системы с последующим продвижением в
коротковолновую часть диапазона.
Для достижения этой цели и, следовательно, для расширения
сферы применения магнетронов миллиметрового диапазона необходимо, в
частности, изыскать решения следующих узловых задач:
1. повышения к.п.д. магнетрона;
2. повышения воспроизводимости параметров магнетронов в
условиях производства;
3. увеличения долговечности магнетрона.;
Это и предопределило круг подлежащих рассмотрению приоритетных вопросов:
Выбор типа колебательной системы, рабочего вида колебаний, синхронной волны, обеспечивающих максимально возможное значение к.п.д. при приемлемой для практических целей долговечности магнетрона.
Обеспечение воспроизводимости параметров магнетрона путем создания предпочтительных условий возбуждения колебаний с наперед выбранной структурой высокочастотного поля в пространстве взаимодействия и ее пространственной стабилизации посредством :
а) управления структурой поля конкурирующих видов путем
преднамеренного введения неоднородностей (управляющих
неоднородностей) в колебательную систему магнетрона;
б) управления и стабилизации связи с внешней нагрузкой
конкурирующей структуры высокочастотного поля.
3. Уменьшение реакции рабочей и конкурирующих структур
высокочастотного поля колебательной системы на технологические
неоднородности.
10 4. Оценка возможности повышения долговечности магнетрона
путем:
а) увеличения радиальных размеров пространства взаимодействия
за счет применения в не я-видном магнетроне разнорезонаторной системы
щель-лопатка;
б) применения режима взаимодействия электронного потока с
высшими пространственными гармониками я вида;
в) использования конструкции с боковым катодом.
Интервал режимов и параметров ,в котором положительное решение перечисленных проблем даст наибольший эффект, по-видимому, следует ограничить рамками миллиметрового диапазона длин волн, особо выделив его коротковолновую часть, и отдать предпочтение низковольтным магнетронам, в том числе - непрерывного действия.
Результаты диссертационных исследований, полученные в ходе проведенных автором ряда поисковых и прикладных НИР и ОКР, легли в основу последующих работ, направленных на решение проблемных задач по совершенствованию параметров магнетронов и освоению новых диапазонов длин волн, разработку магнетронов, не имеющих аналогов в мировой практике.
Разработанные в диссертации и выносимые на защиту научные положения формулируются следующим образом:
-ограничение области существования по магнитному полю рабочего вида в не я-видном магнетроне является следствием изначально большей доли конкурирующей гармоники в суммарном поле вида-конкурента в пространстве взаимодействия по сравнению с долей рабочей гармоники в суммарном ноле рабочего вида;
-сравнение уровня собственных потерь колебательных систем магнетронов, отличающихся конструкцией резонаторных систем, номером рабочего вида и номером синхронной волны, позволяет определить вариант колебательной системы с максимально достижимыми значениями
к.п.д. и долговечности (критерии - минимальный уровень потерь) . Расчет величины собственных потерь сравниваемых систем проводится при условии равенства амплитуд рабочих гармоник;
-сравнительная оценка реакции структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия на технологические неоднородности резонаторной системы может осуществляться через сопоставление результатов расчета влияния изменения геометрических размеров резонаторной системы на резонансную частоту;
-азимутальная «привязка» высокочастотного поля дублетных видов колебаний в пространстве взаимодействия относительно резонатора с выводом энергии и уменьшение доли конкурирующей гармоники в суммарном иоле вида-конкурента могут осуществляться преднамеренным внесением в колебательную систему управляющих неоднородностей в виде изменения размера или конфигурации резонатора;
-геометрическая длина трансформатора сопротивлений вывода энергии, соответствующая четвертьволновой, рабочая полоса частот трансформатора могут определяться экспериментально по влиянию изменения величины реактивной составляющей вносимого сопротивления на один из параметров колебательной системы на низком уровне мощности (наименование параметра определяется типом колебательной системы, в частности, в разнорезонаторном тг-видно.м магнетроне -это приращение резонансной частоты при постановке катода как функция длины трансформатора);
-в магнетроне с безнакальпым автоэмиссионным запуском с целью устранения негативного воздействия напряжения анода на автоэмиссионный катод в стационарном режиме его радиус не должен превышать величины радиуса синхронизации при рабочем значении индукции магнитного поля;
-нарушение в прикатодиой области пространства взаимодействия однородности осевой составляющей индукции постоянного магнитного
поля или радиальной составляющей постоянного электрического поля приводит за счет усиления колебательных процессов во втулке пространственного заряда к увеличению вторичной эмиссии, что позволяет снизить рабочую температуру катода, увеличить долговечность магнетрона.
Коаксиальный магнетрон на основной волне я вида
В последнее время, по крайней мере, отечественные разработчики отдают явное предпочтение коаксиальному магнетрону. Стремление это, хотя и не всегда оправданное, вполне понятно. Многие КМ как по отдельным параметрам, так и по их совокупности объективно превосходят и магнетрон со связками, и разнорезонаторный. Подавление в КМ конкурирующих видов колебаний на уровне лучших типов классического магнетрона реализуется значительно проще. Привлекает и возможность применения анодной замедляющей системы (ЛЗС) с весьма значительным количеством (более 30) резонаторов, снимающая в известной мере необходимость уменьшения радиальных размеров пространства взаимодействия при уменьшении длины волны или (и) напряжения анода. Сравнительная расчетная оценка уровня собственных потерь диссипации не 7Г-ВИДНОГО магнетрона 2-мм диапазона и возможного альтернативного варианта КМ показывает явное преимущество последнего (табл. 1.2.1).
При синхронизации электронного потока с основной волной, принимая Ес0а)=1, имеем : Для конструктивных вариантов табл. 1.2.1 потери в ЛЗС КМ меньше в 2,6 раза относительно не л-видной системы.
Современный КМ остановился на границе ).=8 мм и одним из основных препятствий продвижения в коротковолновую область считается низкая формо- и теплоустойчивость ЛЗС вследствие ограничения толщины ее цилиндрической стенки величиной (0,05...0,07)л. Достаточной формоустойчивости и термостойкости можно достичь применением ЛЗС из молибдена с медным покрытием внешней поверхности анодного блока, что при прочих равных условиях приведет к увеличению потерь в ЛЗС в 1,68 раза. Однако, потери в ЛЗС останутся в -1,5 раза меньше относительно не я-видного варианта. Более серьезным препятствием создания коротковолнового КМ является проблема организации необходимого уровня связи ЛЗС с СР, порождаемая малой азимутальной протяженностью периферийной стенки резонатора ЛЗС. Для ЛЗС КМ, приведенного в табл. 1.2.1, она составляет 0,14 мм, а минимальная ширина щели связи ЛЗС с СР при ее изготовлении неирофилированным электродом находится в районе 0,1 мм. Но основным препятствием продвижения КМ в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн становится возрастающая трудность управления частотой генерации. Стремление разгрузить катод приводит к значительным радиальным размерам СР, вследствие чего зависимость собственной частоты рабочего вида СР от его аксиального размера становится чрезвычайно большой и приводит практически к потере управляемости частотой генерации. Проиллюстрируем это на примере попытки создания аналога разіїорсзонаторного магнетрона RPB8 ().=4,3 мм) [6] с параметрами пространства взаимодействия: д нам етр а \ і ода 1,64 м м; диаметр катода 1,07 мм; количество резонаторов 22. В номинальном режиме (Ua=I5 кВ) плотность тока катода составляет -196 Л/см2. Уменьшение плотности тока катода в 2 раза при сохранении неизменными Ua и Ua/Uc достигается в КМ при параметрах пространства взаимодействия: диаметр анода 2,8 мм; диаметр катода 2,15 мм; количество резонаторов 38. При этом диаметр внутренней стенки СР составит 4,8 мм. Принимая отношение внешнего и внутреннего диаметров СР равным 2,2, находим, что изменение аксиального размера СР на 0,01 мм приводит к изменению собственной частоты вида Ноц СР на -0,67 %.
В [27] предложено конструктивное решение, позволяющее уменьшить плотность перестройки частоты: СР присоединен к торцу ЛЗС и его радиальные размеры могут быть уменьшены по сравнению с коаксиальным расположением. В частности, для рассмотренного примера диаметр внешней стенки СР может быть выбран равным диаметру резонаторов ЛЗС (4,2 мм). При диаметре внутренней стенки СР 1,9 мм изменение его аксиальной длины на 0,01 мм приводит к изменению собственной частоты вида Ноц на -0,24 %. Плотность перестройки частоты уменьшилась в 2,8 раза, но остается, по-видимому, неприемлемой для практических целей даже с использованием принципа так называемой быстрой перестройки с помощью электромагнитного привода [28].
Коаксиальный магнетрон на высших пространственных гармониках л вида
Достигнутый в не 71-видном КМ к.п.д. оказался низким по двум причинам: уменьшения доли синхронной гармоники в суммарном поле рабочего вида и увеличения конкурентоспособности одной из составляющих «одноименного» с рабочим дублетного вида ЛЗС вследствие уменьшения по сравнению с КМ на основной волне я вида количества и эффективности источников потерь для видов- конкурентов. В настоящей работе впервые предлагается использовать в КМ с равнорезонаторпой ЛЗС режим взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками высокочастотного поля пространства взаимодействия.
КМ на высших пространственных гармониках, сохраняя потенциальные возможности не я-видного КМ к части увеличения радиальных размеров пространства взаимодействия, по ряду показателей обладает перед ним очевидными преимуществами. Прежде всего- это возможность достижения в равнорезонаторной системе с тр та меньшего относительно разнорезонаторной АЗС щель-лопатка уровня диссипативных потерь. Резонаторы АЗС КМ на высших пространственных гармониках к вида имеют максимальный угол раскрыва \/i, что позволяет достичь работоспособности при минимальной для КМ длительности фронта модулирующего импульса. Количество щелей связи АЗС с СР равно N/2 и создает максимальный уровень потерь излучения для видов АЗС. Но на л виде и ближайших к нему видах АЗС отсутствует составляющая собственных потерь, обусловленная межвидовой связью, в результате чего из видов второй ветви резонансов ощутимое мешающее действие оказывает только вид N/2.
Оценка возможности и целесообразности реализации в КМ режима взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками л вида как и в случае с не л-видным КМ и в силу тех же причин проводилась в 2-см диапазоне длин волн. За исходный образец для сравнения принят MI 1-331. В макете-аналоге КМ на высших пространственных гармониках N=12, га=3,43 мм, гк=2,8 мм. Стремление минимизировать потери в АЗС приводят к та= 1,35 мм и тр=0,5 мм. В итоге Рс АЗС макета превосходят Рс для АЗС МИ-331 лишь в 1,2 раза. Для сохранения величины % контурный к.п.д. макета должен составлять 70 %. При расчете не учитывались потери в СР.
Вследствие уменьшения характеристической проводимости резонаторов потери излучения через щели связи снижаются (при сохранении размеров щелей МИ-331) и расчетное значение 1]экв для вида-конкурента АЗС п=6 уменьшается (относительно не л-видного КМ) до 51 %. Возросшая конкурентоспособность вида N/4 АЗС позволяет реализовать величину цк не более 54,7 %, чему соответствует общий расчетный к.п.д. -24 %.
Согласно расчету по методике 1.3 для устранения конкуренции вида п=6 ЛЗС необходимо его 11экв увеличить до 65 %. В предположении пропорциональности величины С, ширине щели связи это достигается при 1щ=0,42 мм. Для дублета N/2 -1 второй ветви резонансов расчетная величина 11экв примерно в 2 раза меньше по сравнению п=6 ЛЗС. Но различие между величинами E (ra) рабочего вида и дублета N/2 -1 ЛЗС (при равенстве Ес) исключает конкуренцию последнего.
В экспериментальном макете частота л вида ЛЗС на 1 % превышала значение частоты, соответствующей коротковолновому краю диапазона перестройки вида Мої і СР. Из 6 щелей связи (1щ=0,45 мм ) 4 имели прямоугольную форму и две соседние -«гантельную». Величина Q() рабочего вида колебаний в диапазоне перестройки 3 % находилась в пределах 2700...2500, что на -15 % меньше технологической нормы для МИ-331, и, по-видимому, является следствием увеличения ширины щели
связи. Величина Q„ видов II i, Н411 СР соответствовала технологическим нормам МИ-331. В макете сохранены конструкция и параметры вывода энергии МИ-331 и предусмотрена возможность регулировки QB с помощью
внешнего трехштыревого трансформатора сопротивлений. При контурном к.п.д. рабочего вида -61 % к.п.д. макета составлял 24,2 %. Уменьшение электронного к.п.д., вероятно, является следствием низкого уровня Qo макета. Величина флюктуации огибающей высокочастотного импульса и уходы частоты от импульса к импульсу макета находились в пределах норм ТУ на МИ-331 при длительности фронта модулирующего импульса 0,045 мкс. Превышение котуриым к.п.д. величины -67 % сопровождалось монотонным увеличением флюктуации фронта огибающей высокочастотного импульса, переходящих в пропуски импульсов.
Управление структурой ноля пространства взаимодействия с помощью неоднородностей
Современная научно-техническая литература в подавляющем своем большинстве рассматривает магнетрон как генератор, резонаторная система которого состоит из N замкнутых в кольцо одинаковых резонаторов или последовательности одинаковых четных и отличных, но тоже одинаковых,- нечетных резонаторов. Технологические неоднородности фактически игнорируются. Редкие случаи анализа их роли сводятся к рекомендации уменьшения допусков отклонения на геометрические размеры. Вместе с тем, широкое применение резонаториых систем с разрывом связок свидетельствует о возможности улучшения параметров магнетрона за счет целенаправленного введения неоднородности в резонаторную систему. В 2.1 была показана возможность пространственной стабилизации структуры высокочастотного поля введением управляющих неоднородностей. Но этим действие неоднородностей ие ограничивается.
Строго говоря, резонаторная система при наличии вывода энергии, связанного с одним из резонаторов, не является однородной. Для систем с управляющими неоднородностями , вносящими большее, нежели вывод энергии возмущение, представление пространственного спектра в виде суммы гармоник с номерами mN+n не соответствует реальности. Расчет собственных частот и распределения высокочастотного поля в пространстве взаимодействия обычно проводится методом «сшивания» полей [16]. Для резонансной системы, состоящей в общем случае из N различных резонаторов, структура высокочастотного электрического поля может быть описана системой линейных однородных алгебраических уравнений : 00Е0ф + ()1Е1ф + - + І0іЕіф + + o,N-lEN-l,cp = І10Е0Ф + Чі 1Е1Ф + - + І1ІЕІФ + + ll,N-lEN-l, p = . (2 2 Л u0E0q + alElq + - + аіЕіф + + a,N-lEN-l,q = ъК-1,0Е0ф + SN-l,lElq + - + 5N-l,iEiq + " + N-1,N-1EN-1,9 = Ejtp- тангенциальная составляющая высокочастотного электрического поля AY,- отличие входной проводимости резонатора с номером і от входной проводимости Yp равнорезонаторной системы. В равнорезонаторной системе AYj=0 и определитель системы уравнений (2.2.1) имеет вид: N-l J]Cn = 0, (2.2.2) n=0 c =i_ V» fSinY 2Jy(kra)N-(krK)-J (krK)NY(kra) _Q n r 2/ I rf jUkrjN (kr,)-J (kr,)N (krJ ( ; a m=-oo
При одном возмущении AYj=o O определитель исходной системы преобразуется к виду N-l/ v l + Ef + M-O. (2-2.4) откуда могут быть найдены собственные значения частоты возмущенной составляющей дублета. Выражение; для тангенциальной составляющей высокочастотного поля на границе резонаторов с пространством взаимодействия принимает вид: _ / \ EAYj=0 _ 2лпі v- 1 Еі,ф(га) = —r Cos—- X— - (2.2.D) 1 1N п=(Гп
Состав спектра пространственных гармоник, значение их амплитуд в зависимости от величины возмущения описывается уравнением (2.2.5) в неявном виде. Наиболее важные для практических целей результаты расчетов по соотношению (2.2.5) приведены на рис. 2.2.1 ...2.2.12. Гармоники, амплитуда которых меньше 5 % основной волны, на рисунках не показаны.
При одной неоднородности пространственный спектр включает в себя гармоники с индексами, имеющими все целочисленные значения в интервале -осн-эо. К значительному уменьшению трудоемкости расчета (без ущерба для корректности выводов) приводит ограничение максимального значения у величиной N. Конструктивно возмущение (неоднородность) выполнено в виде уменьшения радиальной протяженности резонатора (-Дгр). Амплитуда пространственной гармоники уменьшается по мере роста отличия ее номера от N или N-n. При неизменной величине -Дгр доля синхронной гармоники (рабочей или конкурирующей) в суммарном поле уменьшается с ростом номера вида колебаний. При увеличении неоднородности наступает момент, когда основная волна (у=п) и низшая пространственная гармоника (y=N-n) перестают доминировать в спектре пространственных гармоник и могут стать по амплитуде меньше гармоник у =п+1 и y=N-n-l соответственно (рис. 2.2.3, 2.2.6, 2.2.8). Последнее обстоятельство дает возможность надежно устранить мешающее действие конкурирующей составляющей рабочего дублета. Но при этом, как отмечалось в предыдущем параграфе, в диапазоне токов анода возможно появление неустойчивой работы.
Магнетрон с безнакальным автоэмиссионным запуском
Считается, что первичный ток ЛЭ, бомбардируя вторичноэмиссионный катод, приводит к росту пространственного заряда [4]. В [78] процесс формирования пространственного заряда представлен сложнее: ток ЛЭ ионизирует остаточный газ и бомбардируют ВЭК образовавшиеся ионы. Ни один из процессов не имеет бесспорных доказательств. Тем не менее в отечественных публикациях по магнетронам с безнакальным автоэмиссионным запуском укоренилось первое представление. Вероятно оно ближе к истине, т.к. в рассматриваемых магнетронах не наблюдается сколько-нибудь заметного запаздывания фронта импульса тока анода относительно фронта модулирующего импульса, присущего газонаполненному магнетрону с холодным катодом [79].
Лвторы [4] считают, что максимально возможное превышение величины радиуса автоэ.миссиоиного катода над величиной радиуса вторичноэмиссионного катода (ВЭК) должно быть не более 10...20% зазора анод-катод. При исторически сложившемся соотношении между уровнем выходной мощности и величиной напряжения анода это приводит к существенному уменьшению стартового тока в магнетроне с автоэмиссионным запуском по сравнению с термоэмиссионным (рис. 3.2.3).
При температуре катода, исключающей появление термоэмиссии, ЛЭК создает первичные электроны на фронте каждого импульса. С целью увеличения времени функционирования ЛЭК представляется целесообразным после накопления пространственного заряда достаточной величины ЛЭК «отключить». Очевидно, что выключателем может служить сам пространственный заряд, если он экранирует ЛЭК от действия постоянного электрического поля, создаваемого напряжением анода. Современная теория магнетрона представляет электронное облако в пространстве взаимодействия в виде «втулки» пространственного заряда со «спицами» [12], с границей раздела на радиусе синхронизации гс. Поэтому радиус ЛЭК может быть определен с помощью уравнения (1.1.7): гАЭК г "" (3.2.1)
Согласно [80] не существует «резкой границы между «втулкой» и «спицами» «вращающегося колеса» пространственного заряда в цилиндрическом магнетронном генераторе». Следует также заметить, что по мнению многих исследователей реально граница «втулки» пространственного заряда вследствие колебательных процессов в пространственном заряде удалена от катода дальше расчетной. По-видимому, существует связь между отличием реальной границы «втулки» пространственного заряда от расчетной и удалением рабочей точки от критического режима, т.е. величиной рабочей индукции магнитного поля. Величина этого отличия, по-видимому, связана с удалением рабочей точки от критического режима, т.е. с величиной индукции магнитного поля. С увеличением Ua/Uc радиус Бриллюэна приближается к катоду, что должно приводить к уменьшению энергии участвующих в колебательном процессе электронов. В случае малого отличия гЛок от гс следует ожидать большего влияния на величину экранировки ЛЭК таких конструктивных факторов как несоосность катод-анод, неоднородность магнитного ноля в прикатодной области. И хотя отсутствует математическое описание влияния перечисленных факторов на величину гс, уравнение (3.2.1) имеет очевидное преимущество перед рекомендацией [4], т.к. позволяет определить максимальный размер Гдэьс как функцию величины индукции магнитного поля в рабочем режиме и замедления волны высокочастотного потенциала рабочего вида колебаний.
Анализ конструкции экспериментальных макетов для оценки возможности введения автоэмиссионного запуска приводит к выводу, что именно малое различие между гдэк и гс является основным источником неудач. Так, например, в макете МИ-365 с автоэмиссионным запуском гЛ-ж на -0,03 мм превышает гс. При выполнении настоящей работы были изготовлены и обследованы макеты магнетронов МИ-452 с Гтк=3,45 мм и различными диаметрами АЭК. При их изготовлении принимались максимальные меры обеспечения одинаковости остальных геометрических размеров, параметров на низком уровне мощности рабочего и конкурирующих видов колебаний, эмиссионной способности ВЭК. Величины диаметра АЭК в экспериментах : ф7,03 мм, ф 7,08 мм, ф 7,105 мм, ф 7,14 мм, ф7,18 мм, ф7,21 мм. При напряжении анода Ua=10 кВ расчетная величина гс=3,62 мм . Образцы с ф 7,03 мм, ф7,08 мм, ф 7,105 мм имели ток начала генерации в пределах 1Л. Это типичная величина в случае применения в данном магнетроне термоэмиссионного запуска. При минимальном диаметре АЭК (7,03 мм) наблюдалось увеличенное относительно нормы ТУ на магнетрон значение флюктуации фронта огибающей высокочастотного импульса, проявляющееся наиболее ярко при максимальном значении тока анода и фазе максимальной связи с внешней нагрузкой. В образцах с диаметром АЭК ф 7,18 мм и ф 7,21 мм отличалось от предыдущих увеличенным разбросом величины тока начала генерации.
