Пути и средства совершенствования миллиметровых магнетронов на пространственных гармониках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, доктор технических наук Гурко, Александр Александрович

• Гурко, Александр Александрович
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Гурко, Александр Александрович

Ввеление

Глава 1. Тип колебательной системы. Режим взаимолействия электронного потока с высокочастотным полем \.

§1.1. Режим пространственной гармоники не я вида 1:

§ 1.2. Коаксиальный магнетрон на основной волне я вида

§ 1.3. Нея-видный коаксиальный магнетрон

§ 1.4. Магнетрон на высших пространственных гармониках я вида

§ 1.5. Коаксиальный магнетрон па высших пространственных гармониках я вида

§ 1.6. Разиорезонаторпый я-видпый магнетрон

Выводы к первой главе

Глава 2. Воспроизводимость параметров колебательной системы магнетрона

§ 2.1. Связь колебательной системы магнетрона с внешней нагрузкой

§ 2.2. Управление структурой ноля пространства взаимодействия с помощью неоднородностей

§ 2.3. Вывод энергии как неоднородность

§ 2.4. Уменьшение реакции замедляющей системы магнетрона на технологические неоднородности

Выводы ко второй главе

Глава 3. Выбор типа катода и оптимизация условий его работы в магнетроне

§ 3.1. Магнетрон с термоэмиссионным катодом

§ 3.2. Магнетрон с бсзпакальпым автоэмиссиопным запуском

§ 3.3. Магнетрон с боковым катодом

Выводы к третьей главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пути и средства совершенствования миллиметровых магнетронов на пространственных гармониках»

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-коаксиальнын магнетроны), реализация режима работы на пространственной гармонике вырожденного вида колебаний [2,3], применение безнакального запуска магнетрона с помошыо автоэмиссионпого катода [4]. Постоянно растет уровень генерируемой мощности и к.п.д. магнетрона, его долговечность, проводится работа по освоению миллиметрового диапазона длин воли.

В длинноволновой части миллиметрового диапазона при выходной мощности не менее 10 кВт в импульсе широкое распространение получил коаксиальный магнетрон (КМ), заметно превосходящий разиорезонаторный 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

2,5 мм закончились неудачен. Переход к режиму слабого магнитного поля па длинах поли 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 равпорезопаторной системы [8]. В отечественной литературе этот режим иногда называют «харьковским». Сравнение приведенных в литературе параметров разпорезонаториых ти-видиых 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-видиых 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 л-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 н околокритическом режиме не только прело предел ял а малую величину электронного к.п.д., по 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 внутридублетпую конкуренцию составляющих дублета, сильную зависимость уровня связи рабочей составляющей дублета с внешней нагрузкой от количества, величины и взаимного расположения технологических погрешностей изготовления резопаторной системы, различие амплитуд бегущих в противоположных направлениях пространственных гармоник вида с одинаковыми номерами.

Внутри дублетная 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 л-видного магнетрона превосходят размеры л-видного аналога, что безусловно относится к достоинствам первого. Но 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 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 равпорезонаторпой 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 внутридублетную конкуренцию [11]. И хотя вызывающие их физические факторы известны, принципы их устранения до сих нор 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 поля 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 время. Исходя из оценки 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:

1. Выбор типа колебательной системы, рабочего вида колебаний, синхронной волны, обеспечивающих максимально возможное значение к.п.д. при приемлемой для практических целей долговечности магнетрона.

2. 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.

4. Оценка возможности повышения долговечности магнетрона путем: а) увеличения радиальных размеров пространства взаимодействия за счет применения в не л-видпом магнетроне разнорезопаторной 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 но 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 тг-видпом магнетроне является следствием изначально большей доли конкурирующей гармоники в суммарном поле вида-конкурента в пространстве взаимодействия по сравнению с долей рабочей гармоники в суммарном поле рабочего вида;

-сравнение уровня собственных потерь колебательных систем магнетронов, отличающихся конструкцией резоиаторпых 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 опенка реакции структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия па 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 поле вида-копкурепта могут осуществляться преднамеренным внесением в колебательную систему управляющих пеоднородпостей 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 разиорезопаторпом тг-видпом магнетроне -это приращение резонансной частоты при постановке катода как функция длины трансформатора);

-в магнетроне с безнакальным автоэмиссионпым 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 прикатодной 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.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Гурко, Александр Александрович

Выводы к* третьем главе

1. Экспериментально подтверждено, что при нарушении однородности постоянного электрического поля пли однородности осевой составляющей индукции магнитного поля в области, простирающейся от поверхности катода до воображаемой боковой поверхности цилиндра с радиусом гс, приводящих к усилению колебательных процессов во втулке пространственного заряда, достигается увеличение коэффициента вторичной эмиссии.

2. Для низковольтных магнетронов непрерывного действия увеличение радиальных размеров пространства взаимодействия в результате применения разнорезонаторной системы шель-лопатка или перехода к взаимодействию электронного потока с высшими пространственными гармониками к вида позволили увеличить долговечность в 5.7 раз.

3. Проблема рассеяния мощности обратной бомбардировки катода в коротковолновой части миллиметрового диапазона решена применением высокотемпературного композиционного эмиттера.

4. Установлено, что величина тока автоэмиссии в реальных магнетронах недостаточна для возбуждения колебаний резопаторпой системы.

5.Предложена рабочая гипотеза формирования пространственного заряда в безпакальных магнетронах с автоэмиссиоппым запуском, согласно которой первичными источниками эмиссии являются нитевидные кристаллы, для которых характерен переход от автоэмиссии к термоавтоэмиссии и далее- к взрывной, позволяющая объяснить причины изменения во времени величины тока автоэмпсспи при работе катода в скрещенных полях и в диоде без магнитного поля.

6. Показано, что радиус автоэмиссионного катода не должен превышать величину радиуса синхронизации при выбранном рабочем значении индукции магнитного ноля. Предложена формула расчета удовлетворяющего этому условию радиуса автоэмиссионного катода.

7. В коротковолновой части миллиметрового диапазона созданию безпакальных магнетронов с автоэмиссионным запуском препятствует проблема рассеяния мощности обратной бомбардировки катода.

8. Возможность кардинального увеличения долговечности магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона и низковольтных маломощных магнетронов связывается с реализацией конструкции магнетрона с боковым катодом.

ЗАКЛЮЧЕН! IК

Разработка современного магнетрона остается довольно трудоемким и продолжительным процессом вследствие необходимости широкомасштабных экспериментов. Изложенная в настоящей работе идеология позволяет в значительной степени сократить этот процесс.

Создание любого магнетрона начинается с выбора конструкции колебательной системы и рабочей структуры высокочастотного поля в пространстве взаимодействия. В данной работе предложен принцип выбора оптимальной конструкции в обеспечение в первую очередь наибольшего к.п.д. и максимальной воспроизводимости параметров магнетрона в серийном производстве при приемлемой для решения практических задач долговечности. Показано, что это достигается, прежде всего, минимизацией собственных потерь колебательной системы для рабочей структуры высокочастотного поля в пространстве взаимодействия по отношению к конкурирующим структурам. Последний фактор, впервые предложенный в качестве критерия создания предпочтительных условий возбуждения рабочего вида, получил экспериментальное подтверждение. Расчет величины собственных потерь сравниваемых систем проводится при условии равенства амплитуд синхронных гармоник па границе пространства взаимодействия.

Все предшествующие опережающие мировой уровень отечественные достижения в области создания магнетронов миллиметрового диапазона длин воли связаны с «харьковским» режимом. В настоящей работе изложены пути и средства совершенствования колебательной системы при работе па пространственной гармонике дублетного вида колебаний, обеспечившие «прорыв» в коротковолновую часть миллиметрового диапазона и значительное улучшение параметров ранее разработанных низковольтных маломощных магнетронов непрерывного действия. Это стало возможным благодаря разработке идеологии внесения управляющих пеодпородиостей, позволяющих стабилизировать в пространстве взаимодействия структуру рабочего высокочастотного поля и одновременно «разрушить» конкурентную структуру, устранив ее мешающее действие.

В результате анализа режимов работы не л-видпых магнетронов установлено, что ограничение верхней границы области существования рабочего вида (максимально возможного значения Ua/Uc) для них носит принципиальный характер, является следствием большей доли конкурирующей гармоники относительно рабочей в суммарном высокочастотном поле соответствующего вида колебаний. Это позволило усовершенствовать методику' расчета верхней границы области существования вида колебаний по магнитному полю, устранить расхождение эксперимента с расчетом. Впервые примененная для работы на виде колебаний N/4 разпорезонаторная система из длинноволновых лопаточных и коротковолновых щелевых резонаторов вследствие уменьшения собственных потерь па рабочей составляющей дублета и их увеличения для конкурирующих структур высокочастотного поля, увеличения разделения по потенциалам возбуждения практически снимает ограничение в выборе верхней границы области существования рабочей составляющей дублета, позволяет увеличить к.п.д. магнетрона и радиальные размеры пространства взаимодействия. Экспериментально подтверждено превосходство пе л-вндных магнетронов над аналогичными разнорезонагорпыми в режиме слабого магнитного поля л вида колебаний.

Впервые в отечественной практике проведена подробная проработка идеи создания КМ с использованием режима взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой отличной от л вида структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия. Выработаны рекомендации по выбору номера вида рабочей структуры и подавлению конкурирующих структур высокочастотного поля пространства взаимодействия, выбору режима работы магнетрона по магнитному нолю, конструкции АЗС. Проведены эксперименты , показавшие принципиальную возможность реализации идеи. Такой магнетрон сохраняет стабильность работы при весьма малой длительности фронта модулирующего импульса, присущей классическому магнетрону, но существенно уступает КМ на основной волне л вида по величине к.п.д.

Анализ зарубежного исследования перспективности использования высших пространственных гармоник л вида выявил ошибку исследователей, устранение которой привело к выводу о возможности повышения контурного к.п.д. магнетрона при переходе ог режима взаимодействия с низшей пространственной гармоникой не л вида к режиму взаимодействия с высшими пространственными гармониками я вида вследствие уменьшения собственных потерь резопаторпой системы. Согласно расчету в магнетроне па высших пространственных гармониках я вида соотношение по энергетике между рабочим видом и низковольтным и высоковольтным конкурентами аналогично ситуации в классическом я-видиом магнетроне. Последнее открывает возможность достижения в магнетроне па высших пространственных гармониках я вида и более высокого по сравнению с равнорезопаторпым не я видным уровня Ua/Uc, т.е. получения более высокого электронного к.п.д. Вывод подтвержден экспериментально. На магнетроне «Амфора» достигнут к.п.д. 20,5 % (в ~2 раза больше пс л-видного варианта). В магнетронах на высших пространственных гармониках я вида возможно значительное, почти 4-х кратное увеличение радиальных размеров катода относительно л-видного разнорезопаторного аналога, что открывает путь к увеличению долговечности низковольтных магнетронов и магнетронов коротковолнового участка миллиметрового диапазона. Еще одно преимущество режима - возможность работы на «длинном» импульсе без трудно реализуемой в коротковолновой части миллиметрового диапазона защиты ламелей тугоплавким металлом.

Впервые в мировой практике режим взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками л вида предложено использовать в КМ. Расчетным способом установлено и экспериментально подтверждено преимущество такого магнетрона но величине к.п.д. перед не ^-видным КМ. Вследствие существенного уменьшения характеристической проводимости ЛЗС КМ па высших пространственных гармониках л вида удовлетворительно работает при длительности фронта модулирующего импульса, присущей классическому магнетрону. Теоретический анализ и результаты эксперимента в 2-см диапазоне длин волн дают основание прогнозировать в миллиметровом диапазоне конкурентоспособность КМ па высших пространственных гармониках л вида с разнорезоиаторным магнетроном.

Укоренившаяся идеология освоения более коротковолновых диапазонов требует всемерного ужесточения точности изготовления всех геометрических размеров колебательной системы. Показано, что сравнительная оценка реакции структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия па технологические неоднородности может проводиться путем сравнения результатов расчета влияния изменения геометрических размеров резопаторпой системы на резонансную частоту. Результаты проведенного исследования позволяют сформулировать технически обоснованные требования к оборудованию и технологическому процессу изготовления замедляющей системы магнетрона. Таким образом, разработчик впервые вооружен расчетной методикой конструирования резопаторпой системы, ориентированной на оптимальные показатели по к.п.д. и стабильности наперед заданной структуры высокочастотного поля, их воспроизводимости при серийном производстве магнетрона.

Показано, что основным препятствием продвижения КМ в коротковолновую часть миллиметрового диапазона является потеря управляемости частотой генерации вследствие увеличения плотности перестройки частоты. Вместо схемы образования колебательных состояний в КМ путем объединения резонансов ЛЗС н CP по принципу «сшивасмости» их полей па обшей границе предложена модель двух автономных резонансных ветвей, одна из которых включает резопансы ЛЗС с пространством взаимодействия и щелями связи с CP, вторая -собственные виды колебаний CP, инициирующие в пространстве взаимодействия КМ распределения поля, аналогичные видам АЗС. С этих позиций проведен анализ колебательных систем КМ, использующих режим синхронизации электронного потока с пространственными гармониками высокочастотного ноля и концепции «помогающих» видов в КМ на основной волне. Теоретический анализ и экспериментальные проверки пе выявили факторы, подтверждающие существование в КМ «помогающих» видов.

Анализ вывода энергии как неоднородности привел к созданию способа оценки геометрической длины трансформатора сопротивлений, соответствующей электрической четвертьволновой, и его рабочей полосы. Для подавляющего большинства конструктивных модификаций магнетрона этот способ может быть введен в технологический процесс изготовления магнетрона в качестве контрольной операции без привлечения дополнительных измерительных средств. Разработаны рекомендации но расположению конкурирующего вида па частотной характеристике вывода энергии.

Вопросы достижения максимального к.п.д. при одновременном обеспечении стабильности наперед выбранной рабочей структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия в большей или меньшей степени присуши разработке и производству любого магнетрона. Поэтому результаты работы не ограничиваются рамками миллиметрового диапазона. В качестве подтверждения можно сослаться на способ оценки длины трансформатора, в том числе, - в магнетроне со связками, предложенный закон группировки щелей связи в КМ, приводящий к увеличению эффективности подавления щелевого вида, способ пагружепия в КМ вида ILjh диссипативным элементом дросселя вида II]2i и другие. Но в еще большей мере это относится к результатам рассмотрения вопросов катодной электроники магнетрона. Непосредственно в миллиметровом диапазоне найден способ увеличения вторичной эмиссии за счет выбора топографии постоянного магнитного поля в пространстве взаимодействия, что позволило снизить рабочую температуру катода.

Увеличение радиальных размеров пространства взаимодействия за счет перехода в не л-вндпом магнетроне на разиорезонаториую систему щель-лопатка или перехода к взаимодействию электронного потока с высшими пространственными гармониками л вида позволяет увеличить долговечность магнетрона в 5.7 раз при сохранении эффекта старения (изменения частоты за счет катодных напылений), а в совокупности с эффектом увеличения вторичной эмиссии за счет введения неоднородного магнитного поля долговечность возрастает в 10 раз.

Анализ возможности реализации в миллиметровом диапазоне идеи безнакальпого запуска с помощью автоэмиссноиного катода привел к замене эмпирического подхода к выбору размеров автоэмиссионного катода на теоретически обоснованный расчетный. Предложена рабочая гипотеза формирования пространственного заряда, по которой первичными источниками эмиссии являются нитевидные кристаллы. На основе этой гипотезы можно объяснить наблюдаемые изменения величины тока автоэмиссии при работе катода в скрещенных нолях и в диоде без магнитного поля. Более полное и строгое объяснение протекающих физических процессов повышает достоверность прогнозирования поведения магнетронов с автоэмиссионпым запуском. На фойе многочисленных неудач тиражирования идеи безнакальпого автоэмиссноиного запуска магнетрона разработаны первые в 2-см диапазоне безиакальные магнетроны с выходной мощностью 10.35 кВт в импульсе. Показано, что применение в пе я-видпом магнетроне разпорезопаторпой системы или использование режима высших ирострапственых гармоник я вида колебаний практически устраняет технологические трудности реализации безнакалыюго автоэмиссиопного запуска в магнетронах 8-мм диапазона при снижении напряжения анода до кВ.

Оценивая современное состояние разработки и выпуска магнетронов миллиметрового диапазона, следует констатировать значительные практические успехи в части продвижения в коротковолновую область диапазона и совершенствования параметров низковольтных магнетронов непрерывного действия. В 1984 году разработан первый и до сих пор единственный в мировой практике импульсный не я-видный магнетрон 2-мм диапазона с рекордным для диапазона уровнем выходной мощности (не менее 4 кВт). В 1997 году магнетрон удостоен диплома и золотой медали на международной выставке «Эврика 97» (Брюссель, Бельгия). Переход па режим взаимодействия с высшими пространственными гармониками я вида позволяет увеличить к.п.д. почти в 2 раза. В коротковолновой части миллиметрового диапазона создан первый и пока единственный в отечественной практике миниатюрный низковольтный магнетрон с импульсной мощностью 400 Вт при напряжении анода -3,8 кВ. В 8-мм и 4-мм диапазонах при напряжениях анода 1,5 и 2 кВ выходная мощность 5 Вт и 1Вт получены с к.п.д. соответственно ~5 % и пе менее 1,5 %. Для медицинской аппаратуры в 8-м м диапазоне создан магнетрон непрерывного действия («Амфора») с выходной мощностью пе менее 30 Вт с к.п.д. не менее 10 % при напряжении апода ~2,5 кВ. В аналоге на высших пространственных гармониках я вида к.п.д. увеличен до 15,5 %.

Перечисленные параметры значительно превосходят известные зарубежные генераторы-аналоги пе только по уровню выходной мощности и к.п.д., но п по режимам питания, долговечности и массогабарнтным показателям. Импульсные магнетроны отличает работоспособность при большей (в 2.3 раза) длительности импульса и меньшей (в 2.4 раза) скважности. Факт создания магнетрона 2-мм диапазона позволяет утверждать реальность разработки во всей коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн магнетронов, превосходящих зарубежные аналоги. Магнетроны непрерывного действия не имеют аналогов в мировой практике.

Получены практические результаты по реализации разработанных магнетронов в аппаратуре с уникальными параметрами. В частности, на базе магнетрона «Амфора» ОАО «Плугоп» разработан портативный медицинский микроволновый облучатель (ММО). Предварительная апробация ММО показала возможность решения с его помощью довольно широкого круга задач, из которых помимо окончательного гемостаза при операциях на паренхиматозных органах наиболее перспективно применение ММО для ускорения репарагпвпых процессов при ожоговых и огнестрельных поражениях, коагуляции очаговых кровотечений по контуру трофической язвы, стимуляции циркуляции крови в пограничных с трофической язвой тканях [90]. По объему и уровню решаемых задач ММО пе имеет аналогов в мировой практике.

Достижение приведенных результатов стало возможным благодаря решению ряда теоретических вопросов и выработанных на этой основе практических рекомендаций но расчету и конструированию колебательной системы магнетрона. Основные научные положения и результаты диссертации формулируются следующим образом:

I. Выбор типа колебательной системы, рабочего вида колебаний, синхронной волны, обеспечивающих максимально возможное значение к.п.д. при приемлемой для практических целей долговечности магнетрона следует осуществлять по критерию минимальных собственных потерь колебательной системы. Расчет величины собственных диссииативных потерь сравниваемых систем проводится при условии равенства амплитуд рабочих гармоник.

2. Ограничение максимально возможного значения Ua/Uc в пе л-видном магнетроне носит принципиальный характер и является следствием большей доли конкурирующей гармоники относительно рабочей в суммарном высокочастотном поле видов колебаний в пространстве взаимодействия.

3. Применение в пе л-видпом магнетроне (впервые в мировой практике) разнорезонаторной системы из длинноволновых лопаточных и коротковолновых щелевых резонаторов при работе на виде колебаний N/4 позволяет: увеличить контурный к.п.д. вследствие уменьшения собственных потерь; практически снять ограничение верхней границы области существования рабочего вида по магнитному полю, что открывает возможность увеличения электронного к.п.д.; увеличить радиальные размеры пространства взаимодействия, уменьшить нагрузку на катод, увеличить долговечность и надежность магнетрона.

4. Основным препятствием продвижения КМ в коротковолновую область миллиметрового диапазона является потеря управляемости частотой генерации вследствие увеличения плотности перестройки частоты СР.

5. Для повышения эффективности подавления в КМ щелевого вида при объединении щелей связи различных размеров или конфигурации в группы необходимо две диаметрально противоположные группы составлять из щелей, отличающихся по конфигурации или размерам. Наибольшее подавление щелевого вида достигается при введении одной группы из N/6.N/8 щелей связи отличающейся конфигурации.

6. Максимальная воспроизводимость параметров колебательной системы достигается выбором (синтезированием) конструкции с минимальной реакцией па технологические неоднородности. Показано, что сравнительная оценка реакции структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия на технологические неоднородности может проводиться через расчет влияния изменения геометрических размеров резонаторной системы на резонансную частоту.

7. Радиус автоэмиссионного катода в бсзпакалыюм магнетроне с автоэмиссионным запуском не должен превышать величину радиуса синхронизации при выбранном рабочем значении индукции постоянного магнитного поля.

8. Нарушение в прикатодной области пространства взаимодействия однородности осевой составляющей индукции постоянного магнитного ноля пли 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 д ол го веч и о сть м а гн строи а.

9. Доказана принципиальная возможность реализации в КМ режима взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой отличной от л вида структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия (не л-видный КМ).

10. Впервые доказано преимущество магнетрона на высших пространственных гармониках л вида перед не л-видным (равнорезопаторным).

11. Впервые в мировой практике предложено использование в КМ режима синхронизации электронного потока с высшими пространственными гармониками л-видиой структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия и обоснована его целесообразность.

12. Разработан способ определения геометрической длины волповодиого трансформатора сопротивлений , соответствующей четвертьволновой, и его рабочей полосы частот. Изложены рекомендации по расположению конкурирующего вида колебаний па частотной хара ктер исти ке тра н сформ атора.

13. Разработана научно обоснованная методика расчета диаметра автоэмиссионпого катода для магнетронов с безнакальным а втоэм иссионным запу с ком.

14. Разработаны магнетроны импульсного и непрерывного действия, пе имеющие аналогов в мировой практике.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Гурко, Александр Александрович, 2003 год

1. Фейшитейн, Колье. «Магнетроны с коаксиальным резонатором». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под обшей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература»; Москва. 1961 г.

2. Трутень И.Д. «Импульсные миллиметровые магнетроны». Сборник « Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн».Под обшей редакцией А.Я.Усикова. «Наукова думка». Киев. 1986 г.

3. Копылов М.Ф. и др. Авторское свидетельство N 1780444. Приоритет в СССР от 23.10.77 г. Опубликовано в официальном бюллетене комитета но патентам п товарным знакам «Изобретения» N 8, стр. 216, 1994 г.

4. Бернштейн, Кролл. «Обычные импульсные магнетроны разнорезопаториого типа». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

5. Frankel Z. «IRE Trans, on Electron Devices», ED-4, p.271. 1957.

6. Short form catalogue microwave producte», EEV Ltd. 1996.

7. Гурко Л.Л. «Расчет области существования дублетных видов колебаний». «Радиофизика и электропика», т.4, N 3. 1999 г. Стр.42.44.

8. Банемаи. «Симметричные состояния и их разрушения». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. I. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

9. Ваккаро. «Магнетрон, настраиваемый четырьмя резонаторами». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

10. Цейтлин М.Б., Тайкова Г.Б. «Исследование спектров видов колебаний в настраиваемых магнетронах со связками». Технический отчет N 13 (тема N 1014) ОКБ N 382. Саратов. 1954 г.

11. Евдокимов В.М., Гурко А.Л. и др. Авторское свидетельство N 1477166. Приоритет в СССР в-1987 г.

12. Крупаткин И.Г. «Определение границ областей существования видов колебаний в магнетронах, работающих па минус первой пространственной гармонике». «Электронная техника», сер. 1 «Электроника СВЧ», N 2, 1974 г.

13. Бычков С.И. «Вопросы теории и практического применения приборов магнетроппого типа». «Советское радио». Москва. 1967 г.

14. Слэтер Дж. « Электропика сверхвысоких частот». «Советское радио». Москва. 1948 г.

15. V.D.Yeremka, A.A.Giirko, G. Ya. Levin, S.N.Teryokhin. «Surface-Wave Magnetrons of Millimeter Range». «1VEC-2000». USA, California, Monterey. May 2000.

16. Робертиюу, Уилшоу. «Работа магнетронов в режиме слабых полей». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

17. Самсонов Д.Е. «Основы расчета и конструирования многорезопаториых магнетронов » «Советское радио». Москва. 1966 г.

18. Патент США N 3.014.152 Кл.315-39.61. Приоритет в США 1957 г. Заявитель: Secretary of the Force. Изобретатель: Eari J. Shelton.

19. Гурко А.А. «Оценка возможности повышения к.п.д. пе л-видных магнетронов миллиметрового диапазона». «Радиофизика и радиоастрономия», т.5, N 1. 2000 г. Стр.80.83.

20. Патент США N 2.734.148 Кл.315-39.61. Заявитель: фирма «Compagnie Generale de Telegraphe Sans Pil». Изобретатель: Charles Asema.

21. Зыбнп М.И. «Быстроперестраиваемые магпетропы-достижеиия, проблемы, перспективы.» «Электропика» (паука, технология, бизнес). N 1, 1999 г.

22. D.A.T.A. Volume 32. Book 30. 1987.

23. Шлифер Э.Д. «Исследование путей повышения импульсной мощности ОКМ миллиметрового диапазона длин волн с продвижением в диапазон 5.6 мм». Научно-технический отчет по НИР. Шифр «Бедуин» ОАО «Плутон». Москва. 1995 г.

24. Шлифер Э.Д. «Расчет и проектирование коаксиальных и обращеио-коаксиальных магнетронов». МЭИ. Москва. 1991 г.

25. Зайцев А.Е. «О критерии выбора геометрии резонаторной системы коаксиальных обращенных магнетронов.» Доклад па VI межвузовской конференции но электропике СВЧ. Минск. 1969 г.

26. Зайцев А.Е., Севрюгии В.К., Шлифер Э.Д. «К вопросу об оптимизации электродинамических параметров колебательной системы обращенного коаксиального магнетрона» . Доклад па VI межвузовской конференции по электронике СВЧ. Минск. 1969 г.

27. Гурко А.А. «К вопросу о концепции помогающих видов колебаний в коаксиальном магнетроне». «Радиофизика и электропика», t.4,N 2, стр.134. 136. 1999 г.

28. Патент США N 3.384.783 Кл.315-39.77. Приоритет в США 1965 г. Заявитель: «Bell Tclcplion Lab». Изобретатель: Hilding М. Olson.

29. Симе. «Предгенерационные явления в облаке пространственного заряда ниже основного порога колебаний». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под обшей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

30. Рошаль А.С., Романов П.В. «Процессы установления колебаний в магнетронпых генераторах». «Известия вузов СССР-радиоэлектроиика», t.XVII, N 8. 1974.

31. Д.Фиск, Г.Хагструм, П.Гатмап. «Магнетроны». «Советское радио». Москва. 1948 г.

32. Гаплевский В.В., Трутень И.Д. «Изучение физических процессов и условий, определяющих стабильную работу магнетронов с поверхностной волной в режимах пе л-вида колебаний». Научио-техпический отчет по МИР. Шифр «Дублет». ИРЭ АН УССР. Харьков. 1970 г.

33. Галагап А.В. «Особенности нелинейных явлений в трехмерном пространстве взаимодействия в скрещенных полях». Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. ХИРЭ им. Янгеля М.К. Харьков. 1991 г.

34. Кеттлуэлл. «Некоторые вопросы характеристик нарастания колебаний в магнегрониых генераторах». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

35. Гурко А.А. «Исследование принципиальной возможности создания не л-видного коаксиального магнетрона 8-мм диапазона длин волн». Научно-технический отчет по НИР. Шифр «Бильбао». ОКБ АО «Плутои». Москва. 1994 г.

36. Гурко А.А. «Не л-видный коаксиальный магнетрон». «Радиофизика и электроника», г.4, N 2, стр.137. 139. 1999 г.46. «Линии передачи сантиметровых воли», ч.И. Перевод под редакцией Г.А.Рсмеза. «Советское радио». Москва. 1951 г.

37. Морита. «Положение в Японии». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными нолями», т. 2. Перевод иод общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

38. Мшшч В.В. «Разработка методов расчета и конструирования магнетропных генераторов, работающих на нулевом виде колебаний». Технический отчет по МИР. Новосибирский электротехнический институт. 1967 г.

39. Гурко А.А. «Магнетрон на высших пространственных гармониках л-вида колебаний». «Радиофизика и радиоастрономия», т.5, N2.2000 г. Стр.148. 151.

40. Шлифер Э.Д. «Расчет многорезонаторных магнетронов». МЭИ. Москва. 1966 г.

41. Патент США N 2.829.306. Кл.315-39.75. Заявитель: «Bell Telephoii Laboratories». Изобретатель: Myron S. Glass.

42. Патент США N 2.766.403. Кл.315-39.69. Приоритет в США-1953 г. Заявитель: «Raytheon Company». Изобретатель: John F. Skawron.

43. Патент США N 2.797.361. Кл.315-39.69. Приоритет в CIIIA-1953 г. Заявитель: «Bell Telephon Lab., 1пс». Изобретатель: Myron S.Glass.

44. Патент США N 3.034.014. Кл.315-39.77. Приоритет в США-1958 г. Заявитель: Bell Telephon Lab., 1пс». Изобретатель: Jerom Drexlcr.

45. Шлифер Э.Д. Авторское свидетельство N 99718. Приоритет в СССР-1975 г.

46. Штейншлейгер В.Б. «Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах». Оборонгиз. 1955 г.

47. Гурко А.А. «Оптимизация параметров трансформирующего устройства магнетрона». «Радиофизика и электроника», т.4, N 3, стр.45.49. 1999 г.

48. Зевеке Г.В., Ионкин П.А. «Основы электротехники», часть первая. «Госэнергоиздат». 1955 г.

49. Гурко А.А. «Вывод энергии магнетрона как неоднородность». «Антенны», N 10, стр. 60.66. 2003 г.

50. Слэтер Дж. «Передача ультракоротких волн». Гостехиздат.1946 г.

51. Лебедев И.В. «Техника и приборы СВЧ», т.1. «Техника сверхвысоких частот». Издательство «Высшая школа». Москва. 1970 г.

52. Шумахер. . «Форма спектра». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными нолями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.63. «Основы использования магнетрона». «Советское радио». Москва. 1967 г.

53. Сретенский В.И. «Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот». «Советское радио». Москва. 1963 г.

54. Голапт М.Б., Маклаков А.А., Шур М.Б. «Изготовление резонаторов и замедляющих систем электронных приборов». «Советское радио». Москва. 1969 г.

55. Фистер. «Катод». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Ипостраппая литература». Москва. 1961 г.

56. Жданов С.М. «Технологические основы разработки композиционных эмиттеров вторичных электронов для вакуумных изделий электронной техники». Диссертация на соискание ученой степени доктора технических паук. Москва 2000 г.

57. Дюбуа Б.Ч. «Современные эффективные катоды». «Радиотехника», N4. 1999 г.

58. Шевчик В.И., Шведов Г.П., Соболева Л.В. «Волновые и колебательные явления в электронных потоках на сверхвысоких частотах». Издательство Саратовского университета. 1962 г.

59. Соминский Г.Г. «Определение минимальных значений тока термоэмиссии, необходимых для возникновения колебаний пространственного заряда в магнетроне». Доклад па VI межвузовской конференции но электронике СВЧ. Минск. 1969 г.

60. Коваленко В.Ф. «Введение в электронику сверхвысоких частот». Издательство «Советское радио» Москва. 1955 г.

61. UK Patent Application GB 2 133 614 Л. Приоритет в CLIIA-1983 г. Заявитель: «Varian Associates Inc.» Изобретатель: William Alien Gerard.

62. Гурко А.А.«Повышение эмиссионной способности катода в магнетроне». «Радиотехника», N 10, стр. 59.61. 2003 г.

63. Джепсен. «Увеличенная эмиссия». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 1. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961г.

64. Патент США N 3.109.123. Кл.315-39ю63. Приоритет в США-1962 г. Заявитель: «Raytheon». Изобретатель: Persy L. Spencer.

65. Вогеп. «Газонаполненный магнетрон с холодным катодом». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

66. Хок. «Статистическая теория пространственного заряда магнетрона». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещеннымиполями», т. 1. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961г.

67. Патент РФ N 2019877. Приоритет в России- 1991 г. Заявитель: завод «Плутон». Изобретатель: Марголис Л.М. и др.

68. Елинсон М.И. Васильев Г.Ф. «Автоэлсктронная эмиссия». Государственное издательство физ.-мат. литературы. Москва. 1958 г.

69. Носов А. А. и др. «Термоавтоэлектронная эмиссия нитевидных кристаллов при их формировании». Доклад на XVIII Всесоюзной конференции но эмиссионной электронике. Москва. 1981г.

70. Костю к Г.И. «О динамике эмиссионных процессов па острийном катоде». Доклад на XVIII Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. Москва. 1981г.

71. Jepscn R.L., Muller M.W. «J. Appl. Pliys.», v.22, N 9, p.l 196.1951.

72. Наумеико В.Д. «Особенности работы магнетронов миллиметрового диапазона с вторичпоэмиссиоипыми катодами». Диссертация па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Харьков. 1985 г.

73. Капица П.Л. «Электроинка больших мощностей». Издательство Академии паук СССР. Москва. 1962 г.

74. Завьялова Т.А., Уткин К.Г., Чепарухии В.В. «О влиянии краевого электрического поля на траектории электронов в магиетроппом диоде». Труды Ленинградского ордена Ленина Политехнического института им. М.И.Калинина. N311. 1970 г.

75. Пришутов Ф.Ф., Чепарухин В.В. «Траектории электронов с торцовых экранов в магнефонном диоде в статическом режиме». Труды Ленинградского ордена Ленина Политехнического института им. М.И.Калипииа. N311. 1970 г.

76. Пирс Дж. Р. «Теория и расчет электронных пучков». «Советское радио». Москва. 1956 г.

77. Гурко А.А. и др. «Микроволновый медицинский облучатель». Материалы 10-ой Международной Крымской конференции («КрыМпКо 2000») «СВЧ-техпика и телекоммуникационные технологии», стр.67.68. Украина, Севастополь. Сентябрь 2000 г.

78. Рис.I.I Л. Обозначение геометрических параметров резонаторной системы.1. J3=о