Relativistic Magnetrons’ Development Stages

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.