автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Пути и средства совершенствования миллиметровых магнетронов на пространственных гармониках

На правах рукописи

ГУРКО Александр Александрович

Мр,

Л

ПУТИ И СРЕДСТВА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МИЛЛИМЕТРОВЫХ МАГНЕТРОНОВ НА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ГАРМОНИКАХ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2003

Работа выполнена в ОАО «Плутон».

Научный консультант Доктор технических наук Шлифер Эдуард

Давидович

Официальные оппоненты Доктор физико-математических наук,

профессор

Солнцев Виктор Анатольевич Доктор технических наук, профессор Марин Владимир Петрович Доктор технических наук Гельвич Эдуард Альбертович

Ведущая организация ЗАО «Тантал»-наука» (г. Саратов)

Защита состоится 29 января 2004 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.06 Московского государственного института электроники и автоматики (технического университета) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

Автореферат разослан <¿¿1/ » ¡/Л 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.133.06

профессор

Н.Н. Грачев

2 ооз-1\ 18/7&

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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. Постоянно растет уровень генерируемой мощности и к.п.д. магнетрона, его долговечность, проводятся работы по освоению миллиметрового диапазона длин волн. Однако в последние десятилетия темпы продвижения в коротковолновую часть диапазона заметно замедлились.

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 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 я-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 поле 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 внутридублетную 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 воспройзводимости параметров присуще всем существующим конструктивным

разновидностям магнетронов миллиметрового диапазона. Уменьшение относительной точности изготовления размеров резонаторной системы влечет за собой ухудшение воспроизводимости структуры высокочастотного поля пространства взаимодействия как рабочего, так и конкурирующих видов колебаний, увеличение лагерь в колебательной системе вследствие «разрушения» спектра пространственных гармоник.

При прочих равных условиях радиальные размеры пространства взаимодействия не я-видного магнетрона превосходят размеры тг-видного аналога, что безусловно относится к достоинствам первого. Но из-за малого значения к.п.д. нагрузка на катод в не я-видном магнетроне оставалась по-прежнему довольно высокой, ограничивая долговечность магнетрона 100.. 150 часами, что создавало 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 я 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 я-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 частично были известны, принципы их устранения до сих пор не были 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 высокочастотного 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.

Цель и задачи работы .

Исходя из оценки существующей ситуации, основная 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 зг-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.

В работе применен комплексный способ решения задачи, включающий теоретические исследования с использованием численных методов решения, построение картины физических процессов, разработку методик расчета параметров и экспериментальных способов контроля, апробацию предложенных методик. При проведении исследований наряду с известными по литературным источникам алгоритмами расчета и методами экспериментальных проверок апробированы и новые, вытекающие из результатов анализа, методики расчета.

Научная новизна работы, результатов исследований и вытекающих из них выводов, состоит в следующем:

1. Разработаны основы построения замедляющей системы магнетрона с управляющими неоднородностями, обеспечивающей преимущественное возбуждение колебаний с наперед выбранной структурой высокочастотного поля в многовидовой колебательной системе магнетронов миллиметрового диапазона.

2. Впервые доказаны преимущества разнорезонаторной системы из длинноволновых лопаточной формы и коротковолновых щелевых резонаторов перед равнорезонаторной системой при работе в режиме синхронизации электронного потока с низшей пространственной гармоникой дублетного вида колебаний.

3. Впервые расчетным способом и экспериментально показано преимущество режима взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками я вида перед режимом взаимодействия с низшей пространственной гармоникой дублетного вида колебаний равнорезонаторной системы.

4. Вместо схемы образования колебательных состояний в КМ путем объединения резонансов АЗС и СР по принципу «сшиваемости» их полей на общей границе предложена модель двух автономных резонансных ветвей, одна из которых включает резонансы АЗС с пространством взаимодействия и щелями связи с СР, вторая - собственные виды колебаний СР, инициирующие в пространстве взаимодействия КМ распределения высокочастотного поля, аналогичные видам АЗС.

5. Теоретически проанализирована и впервые практически апробирована идея не я-видного КМ.

6. Впервые предложена и экспериментально апробирована конструкция КМ на высших пространственных гармониках п вида равнорезонаторной системы.

7. Предложена рабочая гипотеза формирования пространственного заряда в безнакальном магнетроне с автоэмиссионным запуском, позволяющая

объяснить наблюдаемое экспериментально (в процессе изготовления магнетрона) изменение эмиссионной способности автоэмиссионного катода , согласно которой первичными источниками эмиссии являются нитевидные кристаллы, для которых характерен переход от автоэмиссии к термоэмиссии и далее - к взрывной.

8. Разработан расчетный способ сравнительной оценки влияния технологических (случайных) погрешностей изготовления резонаторной системы на воспроизводимость ее электродинамических параметров, позволяющий оптимизировать воспроизводимость определяемых ими выходных параметров магнетрона.

9. Разработана расчетная методика оценки конкурентоспособности дублетных видов колебаний и методика расчета области их существования по магнитному полю.

10. Разработана расчетная методика оптимизации резонаторной системы магнетрона по параметру к.п.д.

Практическая ценность работы состоит в следующем :

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в части комплексного совершенствования основных эксплуатационных характеристик магнетронов миллиметрового диапазона длин волн доведены до инженерных методов расчета и выработки количественных критериев сравнительной оценки возможных конструктивных вариантов.

2. Разработана методология внесения управляющих неоднородностей в замедляющую систему.

3. Предложен расчетный способ сравнительной оценки технологических погрешностей изготовления резонаторной системы, позволяющий конструкцию резонаторной системы и технологический процесс ее изготовления оптимизировать по критерию «улучшение воспроизводимости структуры высокочастотного поля в пространстве взаимодействия».

4. Предложены расчетный способ определения размеров автоэмиссионного катода в магнетроне с безнакальным запуском и экспериментальный способ

оценки на модели без колебательной системы пригодности параметров пространства взаимодействия и достаточности эмиссионной способности авто-и вторичноэмиссионного катодов.

5. Выявлен основной фактор, препятствующий продвижению КМ в коротковолновую область миллиметрового диапазона длин волн.

6. Разработаны способы экспериментальной оценки геометрической длины трансформатора сопротивлений вывода энергии, соответствующей четвертьволновой.

7. Разработаны реализующие положения диссертации новые способы оценки не контролировавшихся ранее в процессе изготовления магнетрона его технологических параметров:

способ оперативного контроля рабочей полосы четвертьволнового трансформатора сопротивлений, не требующий привлечения дополнительных измерительных средств;

способ косвенной оценки относительного «разрушения» спектра пространственных гармоник высокочастотного поля в пространстве взаимодействия технологическими (случайными) неоднородностями.

8. Введение разработанных принципов оптимизации параметров замедляющей системы в практику конструирования магнетрона позволило:

создать первый и пока единственный в мировой практике импульсный магнетрон 2-мм диапазона длин волн с рекордным для диапазона уровнем выходной мощности 4 кВт ;

создать первый и единственный в стране миниатюрный магнетрон с выходной мощностью 400 Вт в одном из участков миллиметрового диапазона с максимальным поглощением сигнала атмосферой ;

создать в 8-мм диапазоне длин волн низковольтный магнетрон непрерывного действия с рекордным уровнем выходной мощности (~30 Вт) и к.п.д. (15 %);

гтт

тТТТТТПЛГТ ГПГРГ ШV V V Ж Л^Ш

доказать реальность увеличения в 1,5...2 раза к.п.д. и в 5...7 раз долговечности для ранее разработанного параметрического ряда низковольтных магнетронов непрерывного действия;

создать действующий образец КМ (на высших пространственных гармониках я вида) с работоспособностью при длительности фронта модулирующего импульса, присущей «классическому» магнетрону.

Применимость ряда разработанных положений не ограничивается рамками миллиметрового диапазона. Так, например, результаты исследований в области магнетрона с безнакальным автоэмиссионным запуском легли в основу создания первых типов магнетронов с автоэмиссионным запуском в 2-см диапазоне длин волн. Это в полной мере относится и к приведенным выше способам контроля технологических параметров магнетрона в процессе его изготовления.

Материалы диссертационной работы использованы в лекционном курсе, читавшемся автором в 1983... 1991 г.г. студентам специальности «электронные приборы» на факультете электронной техники Московского энергетического института.

Личный вклад автора:

Результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично. Автору диссертации принадлежат постановка задачи, выбор направления и методов исследований, построение функциональных связей и зависимостей, разработка программ проведения экспериментов, обобщение, анализ и интерпретация их результатов, разработка основных направлений конструирования и технологии изготовления экспериментальных макетов и опытно-конструкторских образцов. Расчет спектрального состава пространственных гармоник неоднородных резонаторных систем магнетрона выполнен совместно с Ф.В.Саевским.

Основные научные положения, выносимые на защиту: -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 поле 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 (критерий - 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 поле 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 я-видном магнетроне -это приращение резонансной частоты при постановке катода как функция длины трансформатора);

-в магнетроне с безнакальным автоэмиссионным згшуском 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.

Степень достоверности результатов проведенных исследований.

Достоверность разработанных способов расчета элементов конструкции, режимов работы и выходных параметров исследованных конструктивных модификаций магнетронов подтверждается соответствием реальных параметров экспериментальных макетов магнетронов результатам расчетных прогнозов. Предложенные способы расчета и построения элементов конструкции магнетронов прошли апробацию при разработке низковольтных магнетронов непрерывного действия, магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, КМ с безнакальным автоэмиссионным запуском.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных симпозиумах по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (г. Горький- 1980г., г. Харьков- 1982 г.), на заседании секции координационного научно-технического совета МЭП (Москва, 1990 г.), на международном научном семинаре «Электродинамика периодических и нерегулярных структур» при секции электроники НТО РЭС им. А.С.Попова ( Москва, 1995г., 1997 г.), на Международной конференции по вакуумной электронике «ГУЕС 2000» (г. Монтерей, Калифорния, США, 2000 г.), на 10-ой международной Крымской микроволновой конференции («КрыМиКо 2000») «СВЧ-техника и

телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, Украина, 2000 г.), на международном семинаре «Квазиоптика и СВЧ-электроника» (г. Харьков, Украина, 2002 г.), на юбилейной конференции по СВЧ технике ФГУП «НПП «Исток»(г. Фрязино, 2003 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 20 научных работах в периодических отечественных и зарубежных научно-технических изданиях (включая 4 доклада в трудах научно-технических международных конференций), в 12 научно-технических отчетах по НИОКР (имеющих номер Государственной регистрации). Конструктивные решения защищены двумя авторскими свидетельствами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 182 страницы основного текста (включая 15 таблиц), 57 рисунков на 52 страницах, 10 страниц списка литературы 91 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении излагаются основные технические трудности, возникающие при попытках создания магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.

Существующее различие идеологий конструирования магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона предопределяет и различие способов преодоления возникающих трудностей. За рубежом распространены так называемые магнетроны с тонким катодом, работающие на % виде разнорезонаторной системы в режиме слабого магнитного поля. В России предпочтение отдано режиму взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой одного из дублетных видов колебаний равнорезонаторной системы. О преимуществах последнего свидетельствует создание первого и пока единственного в мире магнетрона 2-мм диапазона длин волн.

Процесс освоения миллиметрового диапазона, особенно его коротковолновой части, сдерживается не только возможностями

технологического оборудования, но и осложнениями, возникающими при переносе в коротковолновую часть СВЧ диапазона принципов расчета и конструирования, принятых в сантиметровом диапазоне. Это и проблемы, связанные с малостью размеров эмитгирующей поверхности катодов и устранением негативного влияния технологических погрешностей изготовления колебательных систем на их электродинамические параметры.

Это определило круг приоритетных вопросов, таких, как выбор типа колебательной системы и принципа взаимодействия электронного потока с ее высокочастотным полем, обеспечивающий максимальный к.п.д. при приемлемой для практических целей долговечности, создание предпочтительных условий для формирования наперед выбранной структуры высокочастотного поля и воспроизводимость этих условий, повышение эффективности малоразмерных эмиттеров.

В первой главе «Тип колебательной системы. Режим взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем» проводятся расчетная и экспериментальная сравнительные оценки конструктивных вариантов колебательной системы магнетрона и возможных режимов взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем замедляющей системы. При этой оценке использованы такие критерии, как величина к.п.д. и конкурентоспособность рабочего вида колебаний, радиальные размеры пространства взаимодействия. При расчете и конструировании магнетрона в ряде вопросов имеет место эмпирический подход, не всегда приводящий к оптимальному результату. № общих физических предпосылок следует, что максимальный к.п.д. может иметь система с минимальным уровнем собственных потерь. Именно этот параметр и предлагается в работе в качестве одного из критериев выбора конструкции колебательной системы. Сравнение собственных потерь для различных конструктивных вариантов осуществляется в допущении равенства амплитуд синхронных гармоник рабочих видов колебаний (рис. 1).Показано, что снижение уровня собственных потерь

позволяет иметь большие радиальные размеры пространства взаимодействия (табл. 1).

Рис.1 Зависимость величины потерь в резонаторной системе от отношения толщины ламели т к ширине щели лу

5 '§

С ж "1 &

Н

&;4- 1,2 ■ 5;0

Отношение толщины ламели т ширине щели резонатора w

Таблица 1

Не менее

важным показателем многовидовой колебательной системы магнетрона является конкурентоспособность рабочего вида.

Известны предложения ее оценки с помощью критерия Крамера, не приведшие, однако, к выработке его

количественного значения. Показано, что ограничение в не я-вндном магнетроне максимально возможного удаления рабочей точки от параболы критического режима носит принципиальный характер и является следствием большей доли конкурирующей гармоники по сравнению с рабочей в суммарном поле видов в пространстве взаимодействия. Это приводит к

Параметр Значение параметра

Количество резонаторов 24 12 14 16

Номер рабочего вида 6 6 7 8

Рабочая гармоника 18 18 21 24

Радиус анода, мм 1,8 1,8 2,1 2,4

Радиус катода, мм 1,02 1,02 1,4 1,7

Толщина ламели та, мм т„, мм 0,25 0,25 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 0,3

Величина собственных потерь резонаторной системы, отн. ед. 1,0 0,44 0,54 0,65

Контурный К.П.Д., % 35 71,6 64,9 58

уменьшению как электронного так и контурного к.п.д. В результате анализа установлено, что изменение вида колебаний при увеличении индукции магнитного поля происходит Практически при постоянном отношении

высокочастотных амплитуд конкурирующей Еу.1 и рабочей Еу гармоник на

радиусе синхронизации гс вида-конкурента (рис. 2).

ЕИ8

¡N8

✓ /

/ ' У* У / /

41- У * -А. т

5

а.

2.0

0,25 0,35

Индукция магнитного поля, Тл Рис. 2. Зависимость отношения амплитуд конкурирующей и рабочей гармоник от индукции магнитного поля в рабочем режиме, На основе этого факта разработана формула расчета и критерий верхней границы области существования дублетного вида колебаний по магнитному полю: отношение

амплитуды конкурирующей и рабочей гармоники на радиусе синхронизации конкурирующей равно 1,25.

Впервые предложено применить в не я-видном магнетроне разнорезонаторную

^Ы у

Рис. 3 Фрагмент разнорезонаторной системы ие я-видного магнетрона

систему из длинноволновых лопаточных и коротковолновых щелевых резонаторов (рис. 3), что позволяет :

практически снять ограничение верхней границы области существования рабочего вида по магнитному полю, что открывает возможность увеличения электронного к.п.д. т)э;

увеличить контурный к.п.д. т|к вследствие уменьшения собственных потерь; увеличить радиальные размеры пространства взаимодействия и, уменьшив нагрузку на катод, увеличить долговечность и надежность магнетрона.

Теоретические и расчетные оценки подтверждены экспериментально. Например, в разнорезонаторном магнетроне «Амфора» к.п.д. (~15 %) в —1,5 раза больше по сравнению с равнорезонаторным. Радиальные размеры пространства взаимодействия по сравнению с равнорезонаторной, системой могут быть увеличены в 1,5 раза без снижения к.п.д. Сравнение приведенных в литературе режимов и параметров магнетронов с тонким катодом и не я-видных магнетронов показывает очевидное преимущество последних во всем миллиметровом диапазоне. А разработанный в 1984 году не я-видный 2-мм импульсный магнетрон с рекордным для диапазона уровнем выходной мощности (не менее 4 кВт) до сих пор остается мировым лидером.

В последние годы широкое распространение в миллиметровом диапазоне получил коаксиальный магнетрон. В отечественной технической литературе описание принципа действия КМ основано на модели «сшивания» полей стабилизирующего резонатора (СР) и анодной замедляющей системы (АЗС) на их общей конструктивной границе. В рассматриваемой работе дисперсионная характеристика колебательной системы КМ представлена в виде двух ветвей, одна из которых образована видами колебаний АЗС, другая, рабочая, - видами колебаний СР, инициирующими в пространстве взаимодействия структуры поля, аналогичные полям видов АЗС. Рабочая структура поля в пространстве взаимодействия инициируется видом Нон СР и аналогична я виду АЗС. Из расчетной оценки амплитуд поля рабочей гармоники и низковольтных

конкурирующих гармоник видов АЗС, выполненной для рабочего вида без учета потерь в СР и потерь за счет межвидовой связи для видов АЗС, вытекает отсутствие конкуренции со стороны видов АЗС при напряжениях анода меньше рабочего. Это автоматически приводит к отрицанию возможности возникновения их помогающего действия в КМ.

В 8-мм диапазоне КМ превосходит остальные модификации магнетрона практически по всем эксплуатационным характеристикам. Продвижению КМ в коротковолновую область миллиметрового диапазона препятствует потеря управляемости частотой генерации вследствие высокой плотности перестройки частоты вида Ноп СР.

Успехи по продвижению в коротковолновую часть миллиметрового диапазона за счет использования режима взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой дублетного вида колебаний и преимущества КМ по показателям стабильности делают естественной попытку гибридизации этих направлений. В работе впервые проведено систематизированное изложение подхода к решению проблемы и результатов экспериментов с позиции двух ветвей дисперсионной характеристики колебательной системы КМ. Наиболее простое конструктивное решение: кратное четырем количество резонаторов (И) АЗС, количество щелей связи N/4, расположенных равномерно по окружности АЗС. При этом вид Ноп СР инициирует в пространстве взаимодействия АЗС поле с количеством периодов п=Ы/4 (рабочий вид).

Принципиально, в качестве рабочей могут быть использованы и структуры с отличным от N/4 числом вариаций. Пусть рабочая составляющая высокочастотного поля относительно произвольно выбранной щели связи СР с АЗС как начала отсчета имеет в пространстве взаимодействия распределение по закону

Е^ЕСов^ц N

где : п-номер вида колебаний; 1-номер резонатора; '1=0- начало отсчета.

Тогда синфазные колебания с амплитудой Е будут наблюдаться в резонаторах с номерами 1, для которых ш/И - целое число. В не я-видном КМ возможно и принципиально отличное от я-видного решение, когда щели связи расположены в резонаторах с синфазными колебаниями с амплитудой Е; < Е.

В не я-видном КМ существенно возрастает конкурентоспособность видов АЗС, прежде всего, вследствие уменьшения доли синхронной гармоники в суммарном поле рабочей структуры в пространстве взаимодействия. По этой же причине значительно уменьшается к.п.д. магнетрона. Уменьшение количества щелей связи приводит к уменьшению потерь излучения для видов АЗС. А увеличение разделения по частоте между видами-конкурентами АЗС исключает потери за счет межвидовой связи. Установлено, что такой магнетрон сохраняет стабильность работы при весьма малой длительности фронта модулирующего импульса (0,043 мкс). Наилучший результат по к.п.д. (~21 %), достигнутый с разнорезонаторной АЗС щель-лопатка, в 1,57 раза уступает я-видному аналогу.

Продвижение магнетрона в коротковолновую область миллиметрового диапазона в последнее время идет весьма медленными темпами, о чем свидетельствует ничтбжное количество новых типов магнетронов и публикаций по проблеме. Заслуживающая внимания идея синхронизации электронного потока с высшими пространственными гармониками я вида не получила практического воплощения. Причина, судя по опубликованным экспериментальным результатам, - малая величина к.п.д. Анализ конструкции экспериментальных макетов выявил две ошибки авторов идеи, приведшие к неудовлетворительным результатам эксперимента. Одна из них - применение азимутально неоднородного пространства взаимодействия. Другая - расчетный способ оценки соответствующего максимальному значению амплитуды синхронной гармоники на входе в резонатор со стороны пространства

взаимодействия Еу(га) отношения толщины ламели т к ширине щели резонатора (рис. 4) на основе уравнения

гипгпгггрг итгпг

ГТТ РГГИГ ИГЖГ Г Г ИГИГ ГГТТТТ ИГ^ЯГГ Г ГГ ГГ ГГ РГГГГ

Еу(га) =

N9 _ БтуЭ

, где: у=шЫ+п; 9 = — -—-у9 N 2га

Ы-количество резонаторов; ш - любое целое число от -оо до °о. {О

ы

Т

1 2 3

Рис. 4. К оценке зависимости амплитуды гармоники Ег от отношения толщины ламели т к ширине щели резонатора ( N=12,

п=6, у=18, га=1.8 мм, гк=1.025 мм, ^=34 ГГц)

Отношение толщины ламели х к ширине щели резонатора V/.

Расчет при этом не учитывает, что изменение величины т/ч/ вызывает изменение амплитуды всех гармонических составляющих высокочастотного поля, влияющих через уровень собственных потерь на амплитуду синхронной гармоники в установившемся режиме. Предложено оптимальную величину т/\у находить из условия минимального уровня потерь в установившемся режиме, когда мощность, передаваемая за период колебаний электронным потоком, равна теряемой в резонаторной системе и внешней нагрузке. Зависимость Е^ от тЛу на: границе га описывается уравнением:

Еус(га)=2А1а(иа-исХ(1-11к)

8т2уса

Му2©п(2Э,ч/)1т^ У

БшуЗ

Здесь: ©„-функция, зависящая от геометрических параметров и физических характеристик резонатора; V)/ -2к/Ы; иа-, напряжение анода; ис-потенциал синхронизации; 1а -ток анода; %-контурный к.п.д. При этом оптимальная величина тЛу в зависимости от значения N находится в

1.0

00 ф

Н1-

Интервале 2...3 (рис. 5).

Рис. 5 К оценке зависимости амплитуды гармоники Еу от отношения толщины ламели т к ширине щели резонатора у?

Отношение толщины ламели т к ширине щелирезонатора

Собственные потери резонаторной системы магнетрона на высших пространственных гармониках оказываются в 1,5...2 раза меньше не я-видного аналога (рис. 6). Значительный поперечный размер ламели позволяет путем его уменьшения с ростом радиальной координаты г увеличить характеристическое сопротивление резонаторной системы и в еще большей степени уменьшить собственные потери для рабочего вида.

I 1 г

а. ш л

8- 9

26 И

2,0

{В

V У

1__-

N42 п =5 Г-Н

« ¡И8

№2т ¡т

Ч--

0,8

2.4

Отношение толщины ламели т к ширине щели резона-юра V/

Рис.б. Зависимость омических потерь резонаторной системы магнетрона от параметра т/ч/ (га=1.8 мм,гк=1.025 мм, )Г„=34 ГГц).

Экспериментальная проверка подтвердила возможность рассчитанного увеличения к.п.д. (за счет уменьшения собственных потерь резонаторной системы) в -1,8 раза для импульсного магнетрона 2-мм диапазона и в 1,5...2 раза для низковольтных магнетронов непрерывного действия (в диапазоне длин волн 4...8 мм). Как и в не я-видном магнетроне уменьшение собственных потерь резонаторной системы может быть трансформировано путем увеличения N в увеличение радиальных размеров пространства взаимодействия, приводящее к росту долговечности, или (и) в повышение воспроизводимости параметров путем уменьшения тЛу.

В настоящей работе впервые предлагается использовать режим взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками я вида колебаний в КМ. КМ на высших пространственных гармониках, сохраняя потенциальные возможности не я-видного КМ в части j

увеличения радиальных размеров пространства взаимодействия, имеет перед ]

ним очевидные преимущества. Прежде всего - это приближающееся к КМ на !

основной волне различие величины амплитуд полей рабочей и i

конкурирующих гармоник видов АЗС. Как следствие - большее различие по !

величине диссипативных потерь рабочего и конкурирующих видов. Количество щелей связи равно N/2 и создает максимальный уровень потерь излучения для видов АЗС. Но отсутствует межвидовая связь видов-конкурентов АЗС. Равнорезонаторная АЗС с изменяющейся по радиусу толщиной ламели имеет меньший уровень диссипативных потерь относительно разнорезонаторной АЗС не я-видного КМ. Резонаторы АЗС КМ на высших пространственных гармониках л вида с изменяющейся по радиусу толщиной ламели имеют максимальный угол раскрыва \|/, т.е. - максимальное характеристическое сопротивление, что позволяет достичь работоспособности при минимальной ;

для КМ длительности фронта модулирующего импульса.

Для оптимизированного по минимуму уровня собственных потерь варианта АЗС макет магнетрона-аналога МИ-331 по величине к.п.д. уступал МИ-331

примерно в 1,36 раза (при riK выше расчетного значения в 1,1 раза). Параметры i

j

качества спектра соответствовали нормам ТУ на МИ-331 при длительности

j

фронта модулирующего импульса 0,045 мкс. i

Приводится расчетное обоснование преимущества КМ на высших j

пространственных гармониках я вида над разнорезонаторным магнетроном в j

8-мм диапазоне длин волн. Единственным препятствием практического

I

использования такого КМ в коротковолновой части миллиметрового диапазона |

I

представляется большая плотность перестройки частоты. !

Из сравнения параметров экспериментальных макетов магнетронов, J

работающих в режиме синхронизации электронного потока с j

I !

V TW Т 7V ГШ 9 Г WWWfff VV VV V W WV TV W WW W Г rvr WfWW Г rnrrrrr wnrwrwwwr w imm пяят

' пространственными гармониками высокочастотного поля пространства г

^ взаимодействия, и рекламных показателей разнорезонаторных магнетронов (в

| том числе с режимом слабого магнитного поля) вытекает явное превосходство

1 первых по эксплуатационным характеристикам во всем миллиметровом

7

| диапазоне длин волн.

; Во второй главе «Воспроизводимость параметров замедляющей

» системы» рассматривается круг вопросов по повышению воспроизводимости

параметров рабочего вида колебаний. В магнетроне в силу многовидовости ' колебательной системы возможно возбуждение любого из видов. Задача

разработчика - создать благоприятные условия для преимущественного нарастания колебаний только одного наперед выбранного вида и обеспечить максимальную воспроизводимость этих условий от образца к образцу.

При прочих равных условиях скорость нарастания амплитуды колебаний . определяется уровнем потерь в колебательной системе и внешней нагрузке.

Связь с внешней нагрузкой дублетных видов колебаний, которые могут : выступать как в роли конкурентов так и рабочего вида, во многом определяется

I

| технологическими погрешностями изготовления резонаторных систем,

! величина и расположение которых носят случайный характер. Для

| стабилизации пространственной ориентации высокочастотного поля

| относительно вывода энергии предлагается внести в резонаторную систему

|' одну или несколько управляющих неоднородностей, как правило, в виде

уменьшения радиальной протяженности резонатора с нулевым значением поля

I

> для рабочей составляющей дублета. Величина управляющей неоднородности

I

ч должна превосходить технологическую неоднородность, а местоположение -

: обеспечить связь с внешней нагрузкой обеих составляющих конкурирующего

дублета. Конкурирующая составляющая рабочего дублета имеет более высокий I потенциал возбуждения и меньшую долю конкурирующей гармоники в

| суммарном поле, что приводит к снижению ее конкурентоспособности. Для

повышения конкурентоспособности рабочего вида предпочтительно такое | расположение управляющих неоднородностей относительно вывода энергии,

когда больший уровень связи с внешней нагрузкой имеет конкурирующая составляющая рабочего дублета и неврзмущенная составляющая конкурирующего дублета. Экспериментально установлено, что для «привязки» ориентации высокочастотного поля достаточна неоднородность в виде уменьшения радиальной протяженности резонатора на ~3 %.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона вследствие существенно больших технологических погрешностей изготовления резонаторной системы и вывода энергии резко падает воспроизводимость т]к. Увеличение воспроизводимости % достигнуто за счет перехода к работе на нагруженной составляющей дублета (с максимальным значением поля в выходном резонаторе). Конкуренция не связанной с внешней нагрузкой составляющей рабочего дублета устранена за счет «разрушения» спектра ее пространственных гармоник. Во избежание «разрушения» пространственного спектра рабочей составляющей дублета с номером п необходимо, чтобы, по крайней мере, для одного из резонаторов с номером I выполнялось условие

2п • 1 О п

—1 = — + р, р- любое целое число.

В разнорезонаторном я-видном магнетроне применяется управляющая неоднородность в виде изменения формы резонатора при сохранении неизменной величины его входной проводимости на частоте л вида. Приведены результаты расчетной оценки величины неоднородности для резонаторной системы «восходящее солнце» и экспериментального подтверждения ее позитивного влияния на стабильность параметров магнетрона.

В КМ управляющие неоднородности внесены в запоршневую полость механизма перестройки частоты.

Введение в резонаторную систему управляющих неоднородностей наряду с пространственной стабилизацией высокочастотного поля вызывает изменение спектра пространственных гармоник. На примере СР КМ демонстрируются позитивные последствия этого изменения. Приведен пример конструктивного решения запоршневой полости механизма перестройки частоты, когда за счет

управляющей неоднородности в поле вида Н411 СР создается гармоника с азимутальным числом единица, диссипация которой в дросселе вида Н121 уменьшает уровень собственной добротности вида Нщ. Показательным примером управления пространственным спектром высокочастотного поля может служить идея группировки щелей связи в КМ. Однако приведенная в литературе трактовка причины уменьшения при этом конкурентоспособности щелевого вида как рассогласования азимутальных скоростей волны высокочастотного потенциала и электронного потока представляется ошибочной, в силу чего объединение щелей связи в группы одинаковой протяженности оказывается неоптимальным. Подавление щелевого вида является следствием уменьшения парциального вклада я-видной гармоники в суммарное поле вида. Поэтому более эффективной является группировка щелей связи, при которой две диаметрально противоположные группы состоят из щелей различной конфигурации (или размера). Еще более предпочтителен вариант, когда при прямоугольных щелях связи вводится одна группа из N/4...N/6 щелей «гантельной» формы. Это способствует увеличению парциального вклада гармоники с азимутальным числом единица (низшего типа волны) в поле щелевого вида. Открывается возможность уменьшения I перекрытия щелей связи поглотителем, увеличения к.п.д. рабочего вида. Для

I предложенного закона группировки высокочастотное поле видов АЗС

I описывается суперпозицией гармоник с азимутальным числом, равным всем

| целочисленным значениям. Это приводит к возникновению межвидовой связи

{* для видов АЗС с близкими к N/2 номерами и, как следствие, - уменьшению

I конкурентоспособности с я-видной структурой поля, инициированной видом

* Ноц СР.

( И если в КМ реактивное подавление только дополняет диссипативное, то

<

1 в не я-видном магнетроне это основной способ подавления конкурентов, и

I прежде всего - конкурирующей составляющей рабочего дублета. Приведена

I система уравнений, описывающая структуру высокочастотного поля в

пространстве взаимодействия для резонаторной системы, состоящей в общем

случае из N различных резонаторов. При двух диаметрально противоположных равновеликих неоднородностях поле в пространстве взаимодействия вида с четным номером представляется суперпозицией только четных гармоник, с нечетным - только нечетных. Очевидно, что это исключает межвидовую связь соседних видов колебаний.

Расчет спектра пространственных гармоник даже при величине неоднородности, значительно превосходящей любую из возможных технологических, не выявил в пространственном спектре видов колебаний с близкими к N/2 номерами существенных по амплитуде гармоник с азимутальным числом ноль и N/2, что не позволяет рассчитывать в КМ на сколько-нибудь заметную раскачку вида N/2 АЗС посредством трансформации поля этих видов через вид Hon СР. Это еще один из аргументов нереальности концепции помогающих видов.

В качестве критерия оценки «разрушения» неоднородностью пространственного спектра предложено изменение резонансной частоты при постановке катода. В ряде случаев (например в классическом и не я-видном магнетронах) степень «разрушения» пространственного спектра может оказаться более информативным параметром для оценки конкурентоспособности видов колебаний, нежели величина добротности.

Присоединение вывода энергии к одному из резонаторов резонаторной системы изменяет его входную проводимость и вывод энергии может рассматриваться как неоднородность. Существующие инженерные способы расчета не позволяют определить геометрическую длину трансформатора сопротивлений 1хр, соответствующую четвертьволновой электрической. Экспериментальная корректировка результатов расчета, весьма трудоемкая вследствие зависимости результатов эксперимента от большого количества факторов является обязательной частью разработки любого магнетрона.

Рассмотрение вывода энергии как неоднородности дает возможность предложить довольно простой способ определения Ц,, соответствующей четвертьволновой, базирующийся на оценке реакции структуры

высокочастотного поля колебательной системы на изменение характера и величины вносимого сопротивления при изменении Ц,. Описание способа для разнорезонаторного магнетрона дает полное представление о его возможности и трудоемкости. В пространстве взаимодействия разнорезонаторной системы на л виде присутствует так называемая ноль-составляющая высокочастотного поля, благодаря которой его резонансная частота при постановке катода увеличивается и тем больше, чем больше ее доля в суммарном поле. Если при изменении Ц величина вносимого сопротивления (возмущения) остается неизменной, неизменными остаются парциальный вклад ноль-составляющей поля и приращение ДГрезонансной частота Грпри постановке катода (рис. 7)

Рис.7 Зависимость приращения частоты АГ при постановке катода от длины трансформатора I

Длина трансформатора 1 При увеличении Ц, с некоторого его значения реактивная составляющая вносимого сопротивления -jX„ становится соизмеримой с величиной вносимого активного сопротивления R„. Начинает уменьшаться парциальный вклад ноль-составляющей и, как следствие,- приращение Af. Появление при уменьшении Ц, составляющей +jXB начинает уменьшать начальное разрушение ноль-составляющей активной нагрузкой R„ и приводит к росту Д£ Нетрудно видеть, что изменение 1-ф может быть заменено перестройкой резонансной частоты. Середина участка Af(fp)«const соответствует четвертьволновой длине трансформатора. При этом одновременно определяется рабочая полоса трансформатора. Для не я-видного магнетрона оценка изменения структуры высокочастотного поля осуществляется через изменение коэффициента стоячей волны напряжения в резонансе. В КМ оценка проводится по реакции fp вида Hon СР. Поскольку при измерениях

используется стандартная аппаратура контроля параметров колебательной системы на низком уровне мощности, способ без осложнений может быть введен как контрольная операция в технологический процесс изготовления магнетрона.

Достоверность предложенных критериев подтверждена прямой оценкой структуры высокочастотного поля в пространстве взаимодействия посредством ее зондирования с помощью аксиальной диэлектрической нити. Применение способа не ограничено рамками миллиметрового диапазона. Более того, показана возможность его распространения на магнетроны со связками.

Для миллиметрового диапазона большое значение имеет уменьшение селективности трансформирующего устройства при малых уровнях вносимого сопротивления, т.к. позволяет уменьшить колебания связи с внешней нагрузкой, вызываемые невоспроизводимостью геометрических размеров трансформирующего устройства. Предложены конструктивные решения для достижения этой цели и аналитические выражения для расчета параметров трансформации.

Очевидно, что управление структурой поля с помощью управляющих неоднородностей является в миллиметровом диапазоне в некоторой степени мерой вынужденной вследствие относительно большой величины технологических неоднородностей. Поэтому естественной выглядит попытка поиска пути уменьшения реакции замедляющей системы на технологические неоднородности. Задача эта, в некоторой мере, аналогична предыдущей. Сравнение уравнений, описывающих возмущения собственной длины волны

N-1

N С

" п=0^ п )

п=0ч

и структуры высокочастотного поля замедляющей системы с одной неоднородностью ,

N М ~оСп

обнаруживает их аналогию. Здесь : Yp-входная проводимость резонатора; AYj -величина возмущения входной проводимости резонатора, i-номер резонатора;

с =_а_ у (Smye^j2 JY(kra)N'y(krK)-J^(krK)N?(kra) < у " ^¿Д Y» ) J'у(kia)N'у (кгк ) - J ^(krK)N\(kia)+ P-

Jy, Ny, J'y, N'y-цилиндрические функции первого и второго рода

действительного аргумента и их производные; a=ra—t/2Sm(jt/N); Поэтому поиск конструкции замедляющей системы с минимальным влиянием технологических неоднородностей на структуру высокочастотного поля может быть сведен к нахождению варианта с минимальной зависимостью резонансной частоты от изменения геометрических размеров на основе анализа резонансного уравнения

Yc=Yp+Yn=0, где Yn - входная проводимость пространства взаимодействия.

Количественная оценка влияния наиболее характерных для изготовления способом электроэрозии геометрических отклонений выполнена с помощью уравнений в виде частных производных. Уравнение оценки влияния погрешности изготовления толщины ламели т, например, имеет вид:

dYc да cYc дЪ дУс ЭЭ

„ —- х — + —- х — + —— х —

dk_ да dt аь от as сН , 1_ , *

Л =-ду-, (где b=rp-ra+a).

При всей сложности картины просматривается возможность уменьшения реакции замедляющей системы на технологические неоднородности при увеличении радиальных размеров пространства взаимодействия, диаметра катода, уменьшения n/N. Расчет показал, что возможна ситуация, когда приращение собственной частоты резонатора компенсируется изменением связи между резонаторами через пространство взаимодействия. В низковольтных магнетронах уменьшение влияния технологических

неоднородностей в большей или меньшей степени достигается ценой падения

К.П.Д.

Проведенный анализ , пожалуй, впервые дает конструктору возможность выбрать оптимальный по воспроизводимости структуры высокочастотного поля в пространстве взаимодействия вариант конструкции замедляющей системы и технологический процесс ее изготовления, обоснованно определить требования к точности выполнения отдельных ее размеров. Одним из примеров такой оптимизации является разработка автором диссертации магнетрона 2-мм диапазона длин волн.

В третьей главе «Выбор типа катода и оптимизация условий его работы в магнетроне» рассматриваются проблемы токоотбора с катода и рассеяния мощности обратной бомбардировки, возникающие вследствие малости размеров пространства взаимодействия магнетронов миллиметрового диапазона. Показано, что проблема частично решается применением относительно высокотемпературного металлосплавного эмиттера и увеличения радиальных размеров катода за счет перехода на разнорезонаторную систему в не л-видном магнетроне или взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками л вида. Известно, что катод в магнетроне подвергается обратной бомбардировке не только несинфазными электронами, но и в отсутствие генерации на рабочем виде, и уровень обратной

йпийошпшлшгг» гпитрппро^в мапп чакотипд иилАиАипА ппн прпаулпа плплга

иидиии^^и^иип» , лиы.и ^шиишмм илии.и/ии« 11^/11 11 чк I■

генерации, существенно зависит от структуры постоянных полей.

Экспериментально подтверждено, что при нарушении однородности постоянного электрического поля или однородности осевой составляющей индукции магнитного поля в области, простирающейся от поверхности катода до воображаемой боковой поверхности цилиндра с радиусом гс, приводящем к усилению колебательных процессов во втулке пространственного заряда, достигается увеличение коэффициента вторичной эмиссии. Приведены результаты подбора топографии постоянного магнитного поля в пространстве взаимодействия импульсного магнетрона 2-мм длин волн (рис. 8),

4 к,

позволившего при рабочей плотности тока с катода -140 А/см2 снизить на 200...250°С стартовую и рабочую температуру металлосплавного эмиттера.

ш 8 О

0,95

к и

1 / В,-.--и

А .......7/

/ +4

.... ..... /

/ 4 у ге

Га

В «

•а г

5 I

я Э*

3 I

я . йв

Осевая координата в пространстве взаимодействия, мм

гк-радиус катода (1,025 мм); гс-радиус синхронизации (1,17 мм); г0- радиус Бриллюэна (1,45 мм) ; га- радиус анода (1,6 мм).

Рис. 8. Топография осевой составляющей магнитного поля В2 в пространстве взаимодействия.

Колебательные процессы во втулке пространственного заряда вызывают значительные по величине токи утечки в пространстве взаимодействия, и это обстоятельство является ограничивающим возможность увеличения вторичной эмиссии фактором. Оптимизация колебательной системы и условий работы катода магнетронов рассматриваемого класса привела к увеличению долговечности в 5...7 раз.

В последние годы в сантиметровом диапазоне длин волн значительное

увеличение долговечности получено в результате реализации идеи

автоэмиссионного запуска. Вместе с тем известно и значительное количество

неудачных попыток реализации этой идеи, демонстрирующих недостаточность

имеющегося арсенала знаний по проблеме.

Принципиальное отличие магнетрона е автоэмнсснонпым запуском от

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ магнетрона с термокатодом заклю<}аетсяБИВЛ ИЩМЖЙСсе формирования

СПетсрбург 03 300 ж [

пространственного заряда. Ток автоэмиссии (АЭ) появляется при существенно больших, нежели ток термоэмиссии, напряжениях анода, вследствие чего, при прочих равных условиях, уменьшается предгенерационное время «размножения» первичных электронов. Это заставляет искать пути увеличения вторичной эмиссии за счет повышения эффективности бомбардировки катода. Обширная литература по анализу статического магнетрона в подавляющем своем большинстве предсказывает усиление бомбардировки катода при уменьшении кривизны пространства взаимодействия. Поэтому при создании магнетрона с автоэмиссионным запуском предпочтение следует отдавать КМ. К тому же относительно большая длительность фронта модулирующего импульса КМ создает более благоприятные условия для формирования пространственного заряда. Поскольку аналогичная реальному магнетрону обратная бомбардировка катода имеет место и в статическом магнетроне, предлагается за критерий годности пространства взаимодействия для магнетрона с автоэмиссионным запуском принять возможность обеспечения в статическом магнетроне с идентичным пространством взаимодействия рабочей величины тока анода (при рабочем значении индукции магнитного поля и выбранном типе эмиттеров).

В диссертации впервые предложен научно обоснованный расчетный способ определения радиуса автоэмиссионного катода (АЭК), базирующийся на идее работы АЭК на фронте модулирующего импульса и его экранировки пространственным зарядом в стационарном режиме генерации. Согласно теории магнетрона виртуальный катод простирается от физического катода до радиуса синхронизации тс. Т.к. в силу колебательных процессов в пространственном заряде граница виртуального катода по мнению многих исследователей удалена от катода дальше расчетной, предлагается радиус АЭК выбирать не больше гс:

I ®ц

ГАЭК 5 ЪЭК, -—-,

уюц 2(ВС

где: соц -циклотронная частота; еос =2яСу; С-частота генерации; гвэк -радиус вторичноэмиссионного катода.

При этом размеры АЭК согласуются не только с размерами пространства взаимодействия, но и с режимом работы магнетрона по магнитному полю. При удалении рабочей точки от параболы критического режима трудности 1 реализации автоэмиссионного запуска возрастают. Как показал анализ, во всех

^ известных случаях неудачных попыток введения автоэмиссионного запуска

^ радиус АЭК превышал гс.

| Экспериментально установлено, что величина тока АЭ в реальных

| магнетронах недостаточна для возбуждения колебаний. Согласно

| предложенной в диссертации рабочей гипотезе формирования

| пространственного заряда первичными источниками эмиссии являются

| нитевидные кристаллы (острийные катоды), для которых по мере повышения

у температуры характерен переход от автоэлектронной эмиссии к

| термоэлектронной и далее - к взрывной. Не все аспекты образования

| нитевидных кристаллов ясны, но большинство исследователей сходится на

| > модели пар-жидкость-кристалл. Эта модель позволяет найти объяснение

| изменений во времени величины тока АЭ при работе в скрещенных полях и в

) диодном режиме без магнитного поля.

!В скрещенных полях за счет увеличенного времени жизни электронов возрастает вероятность ионизации паров бария в прикатодной области. Ионы '' бария, оседая на поверхности рабочей кромки АЭК, образуют постепенно

застраивающие ее острийные катоды. В отсутствие магнитного поля разрушенные взрывной эмиссией нитевидные кристаллы не восполняются вследствие резкого уменьшения потока ионов бария. Для возникновения на острийном катоде взрывной эмиссии необходимо время Ю'^-.Ю"9 секунды. Поскольку длительность фронта модулирующего импульса составляет минимум 10'7 секунды, не видно препятствий для возникновения в магнетроне с автоэмиссионным запуском взрывной эмиссии.

Малые радиальные размеры пространства взаимодействия магнетронов миллиметрового диапазона являются главной трудностью внедрения в них автоэмиссионного запуска. Опыт работы в сантиметровом диапазоне приводит к выводу о необходимости выполнения ряда условий успешного решения задачи. Главное из них - величина напряжения анода не менее 5,5...6 кВ. Диаметр вторичноэмиссионного катода (ВЭК) желательно иметь не менее ~4 мм, что позволит устранить технологические трудности сборки эмиттеров с керном катода. Показано, что в относительно маломощных магнетронах йроще всего задача решается при использовании режима взаимодействия электронного потока с пространственными гармониками высокочастотного поля пространства взаимодействия.

Эксперименты по безнакальному автоэмиссионному запуску макетов магнетронов миллиметрового диапазона выявили не замеченное в сантиметровом диапазоне ограничение превышения радиуса АЭК над радиусом ВЭК (при гА-л<<гс). Проведенные исследования на некоторые из вопросов не дали пока ответа с желаемой степенью полноты. Но факт создания на их основе первых в 2-см диапазоне длин волн магнетронов с безнакальным автоэмиссионным запуском можно рассматривать как полезный их результат.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона к затрудняющим реализацию безнакального автоэмиссионного запуска факторам добавляется трудность рассеяния на ВЭК мощности обратной бомбардировки, и возможность кардинального увеличения долговечности магнетрона связывается с реализацией конструкции с боковым катодом.

В «Заключении» кратко изложены материалы, составляющие научную новизну, перечислены вытекающие из научных исследований и представляющие практическую ценность конструктивно-технологические решения и предлагаемые новые способы контроля технологических параметров в процессе изготовления магнетрона, приведены иллюстрации достигнутого на основе выполненных исследований уровня параметров в ранее и вновь разработанных магнетронах.

Основные научные положения и результаты диссертации формулируются следующим образом:

1. 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 диссипативных потерь сравниваемых систем проводится при условии равенства амплитуд рабочих гармоник.

2. Ограничение максимально возможного значения иа/ис в не я-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 не л-видном 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 конструкции с минимальной реакцией на 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 безнакальном магнетроне с автоэмиссионным запуском не должен превышать величину радиуса синхронизации при выбранном рабочем значении индукции постоянного магнитного поля.

8. Нарушение в прикатодной области 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.

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

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

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

12. Разработан способ определения геометрической длины волноводного трансформатора сопротивлений , соответствующей четвертьволновой, и его рабочей полосы частот. Изложены рекомендации по расположению конкурирующего вида колебаний на частотной характеристике трансформатора.

13. Разработана научно обоснованная методика расчета диаметра автоэмиссионного катода для магнетронов с безнакальным автоэмиссионным запуском.

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

Цитируемая литература :

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

2. Бернштейн, Кролл. «Магнетроны разнорезонаторного типа импульсного и непрерывного действия, работающие в режиме слабого поля». Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

3. Frankel Z. «IRE Trans, on Electron Devices», ED-4, p.271.1957.

8 . Гурко A.A., Еремка В.Д. «Состояние и перспективы развития магнетронов миллиметрового диапазона длин волн». Материалы 10-й Международной Крымской конференции («КрыМиКо 2000») «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», стр. 23...26. Украина, Севастополь. Сентябрь 2000 г.

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

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

11. Роберттоу, Уилшоу. «Некоторые свойства маломощных магнетронов, работающих на высших пространственных гармониках» Сборник «Электронные СВЧ приборы со скрещенными полями», т. 2. Перевод под общей редакцией М.М.Федорова. «Иностранная литература». Москва. 1961 г.

12. A.A.Gurko. «Analysis of Doublet Mode Existence Region». «Telecommunications and Radio Engineering», v.52, N 12, p

Основные публикации по теме диссертации:

1. A.A.Gurko. «On concept of Assisting Modes in Coaxial Magnetron». «Telecommunications and Radio Engineering», v.52, N 11, p.34...38.1998.

2. Gurko A.A.«Non-7t Mode Coaxial Magnetron». «Telecommunications and Radio Engineering», v. 52, N 11, p.39...44. 1998.

3. A.A.Gurko. «Analysis of Doublet Mode Existence Region». «Telecommunications and Radio Engineering», v.52,N 12, p.55...58. 1998.

4. Gurko A.A. «Optimization of Magnetron Transformer Parameters». «Telecommunications and Radio Engineering», v.52, N 12, p.59...64.1998.

5. Гурко A.A. «К вопросу о концепции помогающих видов колебаний в коаксиальном магнетроне». «Радиофизика и электроника», т.4, N 2, стр.134...136.1999 г.

6. Гурко A.A. «Расчет области существования дублетных видов колебаний». «Радиофизика и электроника», т.4, N 3. 1999 г. Стр.135... 137.

7. Гурко A.A. «Не я-видный коаксиальный магнетрон». «Радиофизика и электроника», т.4,N2, стр. 137... 139.1999 г.

8. Гурко A.A. «Оценка возможности повышения к.п.д. магнетронов миллиметрового диапазона с использованием не я-видных колебаний». «Радиофизика и радиоастрономия», т.5, N 1.2000 г. Стр.80...83.

9. Гурко A.A. «Оптимизация параметров трансформирующего устройства магнетрона». «Радиофизика и электроника», т.4, N 3, стр.138...140.1999 г.

10. Гурко A.A. «Магнетрон на высших пространственных гармониках я-вида колебаний». «Радиофизика и радиоастрономия», т.5, N 2. 2000 г. Стр.148. ..151.

11. Гурко A.A., Саевский Ф.В., Еремка В.Д. «О влиянии погрешностей изготовления резонаторной системы на воспроизводимость параметров магнетрона» . Материалы 10-ой Международной Крымской конференции («КрыМиКо 2000») «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», стр.203...206. Украина, Севастополь. Сентябрь 2000 г.

12. Гурко A.A., Еремка В.Д. «Состояние и перспективы развития магнетронов миллиметрового диапазона волн». Материалы 10-ой Международной Крымской конференции («КрыМиКо 2000») «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», стр.23...26. Украина, Севастополь. Сентябрь 2000 г.

13.V.D.Yeremka, A.A.Gurko, Q. Ya. Levin, S.N.Teryokhin. «Surface-Wave Magnetrons of Millimeter Range». «IVEC-2000». USA, California, Monterey. May 2000.

14. A.A.Gurko. «State-of-the-art and potentialities of improving the parameters of millimeters wave magnetrons»(digest). «International Workshop jn Quasi-Optics and Microwave Electronics», p.31. Institute of Radio-Physics and Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov. June 2002.

15. Гурко A.A. «Повышение эмиссионной способности катода в магнетроне». «Радиотехника», N10, стр. 59.,.61.2003 г.

16. Гурко A.A. «Коаксиальный магнетрон на высших пространственных гармониках я вида». «Электромагнитные волны и электронные системы», N 10, стр. 49...51. 2003 г.

17. Гурко A.A. «Магнетрон на высших пространственных гармониках». «Электронная техника». Серия 1, «СВЧ техника», N 1, стр. 75...77. 2003 г.

18. Гурко A.A. «Вывод энергии магнетрона как неоднородность». «Антенны», N 10, стр. 60...66.2003 г..

19. Гурко A.A. «Выбор количества резонаторов в разнорезонаторном магнетроне». «Информационно-измерительные и управляющие системы», N 4, стр. 72.. .75.2003 г.

20. Гурко A.A. «Безнакапьный магнетрон с автоэмиссионным запуском». «Успехи современной радиоэлектроники», N 10, стр. 78...80. 2003 г.

21. Евдокимов В.М., Гурко A.A. и др. Авторское свидетельство N 1477166. Приоритет в СССР-в1987 г.

22. Белоконева Г.В., Гурко A.A. и др. Авторское свидетельство N 1321302 Приоритет в СССР- в 1987 г.

I \

t

I >

I

I

f I

I' I :

!

I;

\

i i i i I

Подписано к печати " <_2 " _2003 r.

Отпечатано в типографии МИЭМ Москва, ул. Малая Пионерская, д. 12-18/4-6, стр. 1 Заказ № 251 . Объем 2,0 п.л. Тираж 400 экз.

L*

2-oog -Д 13798

P 1 8 7 9 8

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

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.

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.

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