ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ МАГНЕТРОНОВ
Образец для цитирования:
В статье отражены основные этапы развития релятивистских магнетронов. Описаны конструкции, устраняющие ряд недостатков, присущих традиционным магнетронам с радиальным выводом излучения через узкую щель из одного резонатора. К таким ограничениям относятся: работа только на невырожденных колебаниях, кратных π-моде, и низкий порог высокочастотного пробоя. Конструкция магнетрона, рассматриваемая в данной статье, имеет дифракционный вывод излучения, все резонаторы анодного блока продолжены в коническую антенну до сечения, превышающего сечение, соответствующее частоте отсечки излучаемой волны. Такой магнетрон с аксиальным симметричным выводом излучения может работать на любой моде, и перескок на вырожденный вид колебаний не приводит к катастрофе, как это иногда случается в традиционных магнетронах. Для резонаторов, продолженных с увеличивающейся глубиной в антенну, оптимизированный вывод позволил значительно увеличить эффективность релятивистского магнетрона. Так, в первом же эксперименте достигнут электронный КПД более 60%. Замена сплошного катода на «прозрачный» для азимутального электрического поля синхронной волны сократила фронт излучаемой волны до фронта приложенного напряжения. Такой катод состоит из отдельных эмиттеров, продолженных вдоль оси, периодически расположенных на окружности с радиусом катода. Высокая эффективность получена и для магнетрона с протяженным виртуальным катодом, что позволило устранить плазму, ограничивающую длительность генерируемого импульса, и электронную бомбардировку, сокращающую жизнь катода. Показана возможность преобразования непосредственно в антенне колебаний π-моды в излучение с более простой структурой, включая излучение со структурой, подобной гауссовой. При этом возможна реализация более компактной конструкции магнетрона. При быстром переключении мод внешним сигналом оценено влияние шумов, приводящее к размыванию граничных магнитных полей между областями, присущими различным модам. При работе магнетрона с магнитными полями в этих расширенных границах генерация конкретных соседних мод становится непредсказуемой. На карте режимов работы магнетрона наблюдаются чередующиеся области магнитных полей, соответствующие стабильным и нестабильным режимам генерации, что затрудняет переключение мод слабым внешним сигналом.
1. Bekefi G., Orzechowski J.J. Giant microwave burst beam magnetron // Phys. Rev. Lett. 1976. Vol. 37, Issue 6. P. 379–382.
2. Ковалев Н.Ф., Кольчугин Б.Д., Нечаев В.Т., Офицеров М.М., Солуянов Е.И., Фукс М.И. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом // Письма в ЖТФ. 1977. Вып. 3. С. 430431.
3. Ковалев Н.Ф., Крастелев Е.Г., Кузнецов М.И., Майне А.М., Офицеров М.М., Пападичев В.А., Фукс М.И., Чеканова Л.Н. Высокомощный релятивистский 3-см магнетрон // Письма в ЖТФ. 1980. Вып. 6. С. 197–198.
4. Власов С.Н., Жислин Г.М., Орлова И.М., Петелин М.И., Рогачева Г.Г. Открытые резонаторы в форме волноводов с переменным сечением // Изв.вузов. Радиофизика. 1969. Vol. 12, Issue 8. С. 1236–1244.
5. Goplen B., Ludeking L., Smithe D., Warren G. User-configurable MAGIC for electromagnetic PIC calculations // Comput. Phys. Commun. 1995. Vol. 87, Issue 1.P. 54-86.
6. Daimon M., Jiang W. Modified configuration of relativistic magnetron with diffraction output for efficiency improvement // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91, Issue 19. P. 191503–191505.
7. Fuks M.I., Schamiloglu E. Rapid start of oscillations in a magnetron with a «transparent» cathode // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95. 205101-1-4.
8. Fuks M.I., Schamiloglu E. 70% efficient relativistic magnetron with axial extraction of radiation through a horn antenna // IEEE Trans. Plasma Sci. 2010. Vol. 38, Issue 6. P. 1302–1312.
9. Leach C., Prasad S., Fuks M., Schamiloglu E. Suppression of leakage current in a relativistic magnetron using a novel cathode endcap design // IEEE Trans. Plasma Sci. 2011. Vol. 40, Issue 8. P. 819–822.
10. Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Устойчивость РЭП и проблема предельных токов // УФН. 1971. Т. 103. С. 609–613.
11. Брейзман Б.Н., Рютов Д.Д. Атомная физика. 1974. Т. 14. С. 873–907.
12. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация: Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003.
13. Бугаев С.П., Ким А.А., Кошелев В.И. Движение катодной плазмы и вакуумный пробой в коаксиальных диодах с магнитной изоляцией // Эмиссионная электроника высоких токов. Новосибирск: Наука, 1984.
14. Fuks M., Prasad S., Schamiloglu E. Efficient magnetron with virtual cathode // IEEE Trans. Plasma Sci. 2016. Vol. 44(1), Issue 8. P. 1298–1302.
15. Fuks M.I., Kovalev N.F., Andreev A.D., Schamiloglu E. Mode conversion in a magnetron with axial extraction of radiation // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. Vol. 34, Issue 3. P. 620–626.
16. Prasad S., Leach C., Fuks M.I., Schamiloglu E. Compact relativistic magnetron with Gaussian radiation pattern // IEEE Trans. Plasma Sci. 2012. Vol. 40, Issue 11. P. 3116–3120.
17. Liu M., Michel C., Prasad S., Fuks M.I., Schamiloglu E., Liu C.-L. RF mode switching in a relativistic magnetron with diffraction output // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, Issue 1. P. 251501-11-3.
18. Liu M., Liu C.-L., Galbreath D., Michel C., Prasad S., Fuks M.I., Schamiloglu E. Frequency switching in a relativistic magnetron with diffraction output // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110, Issue 3. P. 039303-1-7.
19. Liu M., Fuks M.I., Schamiloglu E., Liu C.-L. Mode switching in a 12-cavity relativistic magnetron with axial extraction of radiation // IEEE Trans. Plasma Sci. 2012. Vol. 40, Issue 6. P. 1569–1574.
20. Yamamoto K., Kuranuma H., Koinuma T., Tashiro T. A study of magnetron noise // IEEE Trans. Electron Dev. 1987. Vol. ED-34, Issue 5. P. 1223–1226.
21. Tahir I., Dexter A., Carter R. Noise performance of frequency- and pulse-locked CW magnetrons operated as current-controlled oscillators // IEEE Trans. Electron Devices. 2005. Vol. 52, Issue 9. P. 2096–2103.
22. Neculae V.B., Gilgenbach R.M., Lau Y.Y. Low-noise microwave magnetrons by azimuthally varying axial magnetic field // Appl. Phys. Lett. 2003. Issue 83. P. 1938–1940.
23. Нечаев В.Е., Петелин М.И. , Фукс М.И. О перспективах использования релятивистских электронных потоков в приборах магнетронного типа // Письма в ЖТФ. 1977. Т. 3, No 15. С. 763-767.
24. Fuks M.I., Nechaev V.E. Theoretical and experimental study of relativistic magnetrons // IEEE/MTT-s Int. Microwave Symp. Digest. Orlando. 1979. P. 79–84.
25. Andreev A.D., Hendricks K.J., Fuks M.I., Schamiloglu E. Analytic calculation of anode current in relativistic magnetron // Pulse Power Conference. 2009. P. 502–506.
26. Andreev A.D., Hendricks K.J., Fuks M.I., Schamiloglu E. Elementary theory of a relativistic magnetron operation: Dispersion diagram // J. Directed Energy. 2013. Vol. 5, Issue 1. P. 1–41.
27. Liu M., Liu C.-L., Fuks M.I., Schamiloglu E. Hysteresis dependence of mode separation on time-varying applied voltage in a relativistic magnetron with diffraction output // IEEE Trans. Plasma Sci. 2012. Vol. 40, Issue 6. P. 1569–1574.
28. Fuks M.I., Schamiloglu E., Prasad S., Galbreath D. Mode separation in a magnetron with diffraction output driven by a transparent cathode // IVEC. 2010.
BibTeX
author = {Mихаил Исаакович Фукс and Edl Schamiloglu and Николай Федорович Ковалев},
title = {ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ МАГНЕТРОНОВ},
year = {2016},
journal = {Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика},
volume = {24},number = {6},
url = {https://old-andjournal.sgu.ru/ru/articles/etapy-razvitiya-relyativistskih-magnetronov},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2016-24-6-39-53},pages = {39--53},issn = {0869-6632},
keywords = {Релятивистский магнетрон,катод,дифракционный вывод излучения,скрещенные поля,дрейфовое движение электронов.},
abstract = {В статье отражены основные этапы развития релятивистских магнетронов. Описаны конструкции, устраняющие ряд недостатков, присущих традиционным магнетронам с радиальным выводом излучения через узкую щель из одного резонатора. К таким ограничениям относятся: работа только на невырожденных колебаниях, кратных π-моде, и низкий порог высокочастотного пробоя. Конструкция магнетрона, рассматриваемая в данной статье, имеет дифракционный вывод излучения, все резонаторы анодного блока продолжены в коническую антенну до сечения, превышающего сечение, соответствующее частоте отсечки излучаемой волны. Такой магнетрон с аксиальным симметричным выводом излучения может работать на любой моде, и перескок на вырожденный вид колебаний не приводит к катастрофе, как это иногда случается в традиционных магнетронах. Для резонаторов, продолженных с увеличивающейся глубиной в антенну, оптимизированный вывод позволил значительно увеличить эффективность релятивистского магнетрона. Так, в первом же эксперименте достигнут электронный КПД более 60%. Замена сплошного катода на «прозрачный» для азимутального электрического поля синхронной волны сократила фронт излучаемой волны до фронта приложенного напряжения. Такой катод состоит из отдельных эмиттеров, продолженных вдоль оси, периодически расположенных на окружности с радиусом катода. Высокая эффективность получена и для магнетрона с протяженным виртуальным катодом, что позволило устранить плазму, ограничивающую длительность генерируемого импульса, и электронную бомбардировку, сокращающую жизнь катода. Показана возможность преобразования непосредственно в антенне колебаний π-моды в излучение с более простой структурой, включая излучение со структурой, подобной гауссовой. При этом возможна реализация более компактной конструкции магнетрона. При быстром переключении мод внешним сигналом оценено влияние шумов, приводящее к размыванию граничных магнитных полей между областями, присущими различным модам. При работе магнетрона с магнитными полями в этих расширенных границах генерация конкретных соседних мод становится непредсказуемой. На карте режимов работы магнетрона наблюдаются чередующиеся области магнитных полей, соответствующие стабильным и нестабильным режимам генерации, что затрудняет переключение мод слабым внешним сигналом. Скачать полную версию }}