Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом

Проведен теоретический анализ механизмов возбуждения автоколебаний в магнетронах с вторично-эмиссионным катодом без применения вспомогательного термокатода. Изучены процессы возбуждения автоколебаний с помощью внешнего СВЧ-сигнала и с использованием модулированного импульса анодного напряжения. Опре...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радіофізика та електроніка
Date:	2009
Main Authors:	Автомонов, Н.И., Ваврив, Д.М., Сосницкий, С.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2009
Subjects:	Вакуумная и твердотельная электроника
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105749
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом / Н.И. Автомонов, Д.М. Ваврив, С.В. Сосницкий // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 198-206. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860238233549406208
author	Автомонов, Н.И. Ваврив, Д.М. Сосницкий, С.В.
author_facet	Автомонов, Н.И. Ваврив, Д.М. Сосницкий, С.В.
citation_txt	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом / Н.И. Автомонов, Д.М. Ваврив, С.В. Сосницкий // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 198-206. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Радіофізика та електроніка
description	Проведен теоретический анализ механизмов возбуждения автоколебаний в магнетронах с вторично-эмиссионным катодом без применения вспомогательного термокатода. Изучены процессы возбуждения автоколебаний с помощью внешнего СВЧ-сигнала и с использованием модулированного импульса анодного напряжения. Определены условия, при которых возможна реализация указанных механизмов возбуждения автоколебаний. Приведены результаты сравнения численного моделирования с экспериментальными данными, полученными для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн. Проведено теоретичний аналіз механізмів збудження автоколивань у магнетронах із вторинно-емісійним катодом без застосування допоміжного термокатоду. Вивчено процеси збудження автоколивань за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу та з застосуванням модульованого імпульсу анодної напруги. Визначено умови, за яких можлива реалізація зазначених механізмів збудження автоколивань. Наведено результати порівняння чисельного моделювання з експериментальними даними, що отримані для магнетронів міліметрового діапазону довжин хвиль. Theoretical analysis of auto-oscillations excitation mechanism in magnetrons with cold secondary-emission cathode and without auxiliary cathode has been performed. Auto-oscillations excitation by external UHF signal or modulation of anode voltage has been studied. Conditions of specified mechanisms implementation have been defined. Comparison of numerical modeling results and experimental data, obtained for millimeter wavelength band magnetrons, has been carried out.
first_indexed	2025-12-07T18:26:46Z
format	Article
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 2, 2009, с. 198-206 ИРЭ НАН Украины, 2009 ВАКУУМНАЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА УДК 621.385.642.3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ХОЛОДНОГО ЗАПУСКА МАГНЕТРОНОВ С ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ Н. И. Автомонов, Д. М. Ваврив, С. В. Сосницкий Радиоастрономический институт НАН Украины 4, ул Краснознаменная, Харьков, 61002, Украина E-mail: avtomat@rian.kharkov.ua Проведен теоретический анализ механизмов возбуждения автоколебаний в магнетронах с вторично-эмиссионным като- дом без применения вспомогательного термокатода. Изучены процессы возбуждения автоколебаний с помощью внешнего СВЧ- сигнала и с использованием модулированного импульса анодного напряжения. Определены условия, при которых возможна реализация указанных механизмов возбуждения автоколебаний. Приведены результаты сравнения численного моделирования с экспериментальными данными, полученными для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн. Ил. 15. Библиогр.: 14 назв. Ключевые слова: магнетрон, холодный запуск. Магнетроны с холодным вторично- эмиссионным катодом известны как эффективные источники электромагнитных колебаний милли- метрового (мм) диапазона длин волн [1–2]. При- менение такого катода по сравнению с традици- онным термокатодом позволяет повысить срок службы магнетронов. Однако в практических конструкциях рассматриваемых магнетронов применяется вспомогательный термокатод для эмиссии в пространство взаимодействия некото- рого начального количества электронов, необхо- димого для инициирования вторично- электронной эмиссии с основного катода. Учиты- вая, что мощность вспомогательного катода явля- ется относительно небольшой, его применение усложняет конструкцию магнетрона, а также мо- жет приводить к снижению надежности работы магнетрона. К настоящему времени известно не- сколько попыток создания полностью «холод- ных» магнетронов, в которых возбуждение авто- колебаний (запуск магнетрона) возможно без применения вспомогательного термокатода [1–3]. Для этой цели применялись следующие подходы: − запуск магнетрона с помощью внешнего СВЧ-сигнала [4, 5]; − возбуждение автоколебаний при модуляции анодного напряжения [6–8]; − создание начального количества электронов с помощью автоэмиттеров [9]. Пока данные подходы не нашли широко- го применения при создании коммерческих маг- нетронов с холодным вторично-эмиссионным ка- тодом. Причина – плохая воспроизводимость ре- зультатов указанных экспериментов, а также от- сутствие достаточно полного понимания физиче- ских процессов, ответственных за возбуждение автоколебаний в полностью «холодных» магне- тронах. Следует также указать на отсутствие ис- черпывающего теоретического анализа работы таких магнетронов, хотя отдельные попытки тео- ретического объяснения запуска магнетрона на спаде анодного импульса напряжения предпри- нимались в работах [1, 2, 10]. Сейчас понятно, что дальнейший про- гресс в разработке методов холодного запуска магнетронов требует подробного теоретического исследования соответствующих физических про- цессов с привлечением самосогласованных моде- лей магнетронов. В результате таких исследова- ний должны быть определены основные факторы, влияющие на эффективность возбуждения коле- баний, и найдены оптимальные конструкции со- ответствующих приборов. В данной работе пред- принята попытка такого теоретического исследо- вания, которое проводится в рамках предложен- ной ранее самосогласованной модели магнетро- нов с холодным вторично-эмиссионным като- дом [11] путем ее соответствующего обобщения. Мы исследуем запуск магнетрона с помощью внешнего СВЧ-сигнала и модулированного им- пульса анодного напряжения. Эти два случая, как оказалось, характеризуются рядом общих зако- номерностей. Результаты исследования запуска такого типа магнетронов с помощью автоэмитте- ров будут представлены в отдельной работе. 1. Основные принципы холодного за- пуска магнетрона. Рассмотрим общие принципы холодного запуска магнетрона на примере магне- трона с модулированным импульсом анодного напряжения. Покажем на упрощенной модели, каким образом модуляция анодного напряжения может приводить к запуску магнетрона с вторич- но-эмиссионным катодом. Рассмотрим для про- стоты траекторию движения электронов в плос- ком магнетронном диоде (рис. 1), в котором анодное напряжение Ua модулируется по сле- дующему закону: Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 199 ,2sin 0 0 00 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++= ϕπ T tUUU maa (1) где Ua0 – постоянная составляющая анодного на- пряжения; Um0 – амплитуда модуляции анодного напряжения; T0 – период модуляции; t – время; 0ϕ – начальная фаза анодного напряжения. Рис. 1. Схема плоского магнетронного диода Уравнения движения электронов в сис- теме координат, приведенной на рис. 1, для дан- ного случая записываются в виде ,; 02 2 2 2 dt dxeBeE dt ydm dt dyeB dt xdm −== (2) где m – масса электрона; e – заряд электрона; B – напряженность магнитного поля; h U E a=0 – на- пряженность электрического поля; h – расстояние между катодом и анодом; x, y – координаты элек- трона, m eB =Ω . Пусть в начальный момент времени элект- рон находится в начале координат и вектор его скорости перпендикулярен направлению магнит- ного поля: yx v dt dxv dt dyyx ==== ;;0 , (3) где yx vv , – проекции скорости электрона на оси координат. Интегрирование уравнений движения (2) с данными начальными условиями приводит к выражению (4) для траектории электронов (при- мер траектории приведен на рис. 2). Видно, что зависимость траектории электрона от времени представляет собой сумму двух колебаний: одно – с циклотронной частотой циклотр. 2 eBF mπ = , а второе – с частотой модуляции анодного напря- жения 0 0 1 T F = . Из анализа приведенного реше- ния следует, что при совпадении этих частот дос- тигается максимальное значение энергии соуда- рения электрона с катодом при определенных значениях начальной фазы .0ϕ При увеличении разности между циклотронной частотой и часто- той модуляции зависимости x(t) и y(t) приобре- тают характер биений, амплитуда которых уменьшается по мере увеличения 0 циклотр.F F FΔ = − и траектория приближается к циклоиде. 0,0 0,4 0,8 1,2 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 Y, м м X, мм Катод Рис. 2. Пример траектории электрона ______________________________________________________________ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + −Ω −Ω⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +− −Ω + ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +−+Ω⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++ −ΩΩ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +× × −Ω +Ω⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +− −ΩΩ + ++Ω⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +− −Ω −= −−−− −− −−−− −− .2sin 14 cos 14 sin sincos 2 1cos 18 1 ;cos 2 12cos 18 sin 18 sin1 coscos 2 1cos 18 0 02 0 22 000 2 0 22 00 0 0 00 02 0 23 00 0 00 0 0 2 0 23 000 2 0 23 00 0 0 00 02 0 23 00 ϕπ ππ ϕ ϕ π ϕ π ϕ π ϕπ ππ ϕ ϕ π ϕ π T t TBh TUtv Bh U TBh U v Bh Utmv h TeU eBTBh TUty mv h TeU eBT t TBh TUtv Bh U TBh U t Bh Utmv h TeU eBTBh TUtx m x am x a y mm y m m x am a y mm (4) y h 0 x 0E B Анод (U = Ua) Катод (U = 0) Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 200 Необходимым условием запуска магне- трона является лавинообразный рост количества вторично-эмиссионных электронов. Это условие осуществляется в том случае, если количество электронов, образовавшихся в результате вторич- ной эмиссии, превышает количество электронов, попавших на «холодный» катод. Из полученных выражений можно найти энергию соударения ( )0ϕ'W электрона с като- дом в зависимости от начальной фазы анодного напряжения .0ϕ Нас будет интересовать усред- ненный по 0ϕ коэффициент вторичной эмиссии с катода. Рассмотрим платиновый катод, для ко- торого зависимость коэффициента вторичной эмиссии ( )Wδ от энергии бомбардировки дается выражением ( ) ( ) ; ,1,57,1 13,0,8,08,039,1 ;3,0,5 14,0 2 ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ > ≤≤−− < = − We WW WW W W δ (5) где W измеряется в килоэлектронвольтах. Усредненное значение коэффициента вторичной эмиссии вводится следующим образом: ( )( ) .' 2 1 2 0 00∫= π ϕϕδ π dWI (6) Величина I характеризует интенсивность генерации вторичных электронов. На рис. 3 приведена зависимость вели- чины I от частоты модуляции анодного напря- жения F0. Максимум I наблюдается при частоте модуляции, равной циклотронной частоте. На частотах модуляции, соответствующих циклотр.nF , где ,...3,2=n , наблюдаются миниму- мы этой величины I. 0 2 4 6 8 10 12 14 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 I F0/Fциклотр. Рис. 3. Зависимость усредненного коэффициента вторичной эмиссии I от частоты модуляции анодного напряжения F0 На рис. 4 приведена зависимость I от амп- литуды модуляции анодного напряжения Um0 при различных периодах модуляции T0. С увеличением амплитуды модуляции анодного напряжения про- исходит сначала увеличение коэффициента I, а за- тем его уменьшение. Это обусловлено наличием максимума в зависимости коэффициента вторич- ной эмиссии от энергии соударения электрона с катодом (5). Кроме того, на приведенных зависи- мостях имеются локальные минимумы и максиму- мы, количество которых увеличивается по мере приближения частоты модуляции к циклотронной частоте, а также имеются некоторые области пара- метров модуляции, для которых коэффициент I > 1. Эти области параметров являются пригод- ными для реализации холодного запуска магне- тронов. Следует отметить, что при I < 1 существу- ют группы электронов, для которых ( )Wδ >1 в не- которых интервалах вариации .0ϕ 0 2000 4000 6000 8000 10000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 I Um0, В 1 3 4 2 Рис. 4. Зависимости параметра I от амплитуды модуляции анодного напряжения Um0 при различных периодах модуляции T0: 1) – T0 = 0,04 нс; 2) – T0 = 0,05 нс; 3) – T0 = 0,06 нс; 4) – T0 = 0,08 нс Оптимальная амплитуда модуляции анодного напряжения для случая платинового ка- тода и рассматриваемого типа магнетронов нахо- дится в интервале от 0,15 Ua0 до 0,25 Ua0. Учиты- вая оптимальное значение периода модуляции, находим, что для приведенного на рис. 4 случая оптимальная величина скорости изменения анод- ного напряжения составляет величину порядка 104 кВ/мкс. Таким образом, при модуляции анодного напряжения синусоидой высокой частоты с ука- занными выше параметрами Ua0, T0 реализуются условия, при которых возможен холодный запуск магнетрона. Понятно, что подобные условия холодно- го запуска магнетронов могут реализоваться и при использовании внешнего СВЧ-сигнала вме- сто модуляции анодного напряжения. Электроны при движении в пространстве взаимодействия, при условии близости частоты внешнего сигнала к циклотронной частоте, получают дополнитель- ную энергию в высокочастотном поле. При воз- Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 201 вращении на катод определенные группы элек- тронов могут обладать энергией, достаточной для эффективной генерации вторичных электронов и поддержания значительной величины вторично- эмиссионного тока. 2. Запуск магнетрона с помощью мо- дулированного импульса анодного напряже- ния. В этом разделе мы рассмотрим более под- робно механизм холодного запуска магнетрона с использованием синусоидально модулированного импульса анодного напряжения. В отличие от разд. 1, здесь мы используем более реалистичную модель магнетрона. Учитывается реальная гео- метрия, наличие пространственного заряда, а также нелинейные механизмы взаимодействия электронов с полем. Соответствующая самосо- гласованная модель была описана в работе [11]: она обобщается на случай модуляции анодного напряжения. При моделировании рассматривался магнетрон 8-мм диапазона длин волн со следую- щими параметрами: радиус анода Ra = 2,25 мм, радиус катода Rc = 1,3 мм, анодное напряжение Ua = 12,8 кВ, магнитное поле B = 0,5875 Тл, ко- личество резонаторов N = 16, радиус резонатора Rd = 3,635 мм, ширина ламели d = 0,4 мм, высота анодного блока h = 6 мм, λπ/2 = 8 мм. Эти пара- метры соответствуют реальным магнетронам, ко- торые производятся в Радиоастрономическом ин- ституте НАН Украины [12]. При моделировании процессов запуска магнетрона анодное напряжение Ua изменялось в соответствии с формулой (1) в течение некоторо- го времени Tst, а затем полагалось равным Ua0, амплитуда модуляции при этом была равна Um0. В качестве стартового состояния прибора использовалось равномерное распределение час- тиц по пространству взаимодействия магнетрона. Начальный заряд частиц пространства взаимо- действия Qst нормировался на заряд Бриллюэна Q0, который представляет собой суммарный заряд электронов, соответствующий стационарному со- стоянию Бриллюэна. На рис. 5–7 показаны примеры временной эволюции суммарной величины пространственно- го заряда Q при различных параметрах запускаю- щего импульса анодного напряжения. Видно, что процесс роста количества электронов в среднем имеет экспоненциальный характер при условии, если частота модуляции F0 примерно совпадает с циклотронной частотой Fциклотр., одной из ее гар- моник или субгармоник (см. разд. 1). Из приведенных графиков видно, что спадающим участкам синусоиды модуляции анодного напряжения соответствуют участки роста пространственного заряда, в то время как нарастающим участкам синусоиды соответствуют участки, на которых величина пространственного заряда остается неизменной либо несколько уменьшается. Таким образом, данный запуск магнетрона представляет собой последователь- ность электронных вторично-эмиссионных лавин, каждая из которых начинается с пространствен- ного заряда, созданного предыдущей. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 Q /Q 0 t, нс 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 4 8 12 16 U a, к В Рис. 5. Зависимость заряда в магнетроне и анодного напряже- ния от времени при Um0 = 5 кВ, T0 = 0,07 нс, Qst/Q0 = 0,01, Tst = 1,5 нс 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 Q /Q 0 t, нс 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 4 8 12 16 U a, к В Рис. 6. Зависимость заряда в магнетроне и анодного напряже- ния от времени при Um0 = 5 кВ, T0 = 0,1 нс, Qst/Q0 = 0,01, Tst = 1,5 нс 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 Q /Q 0 t, нс 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 4 8 12 16 U a, к В Рис. 7. Зависимость заряда в магнетроне и анодного напряже- ния от времени при Um0 = 5 кВ, T0 = 0,1 нс, Qst/Q0 = 0,01, Tst = 2 нс При достижении пространственным за- рядом величины примерно 30 % от заряда Брил- Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 202 люэ-на наличие модуляции анодного напряжения перестает быть необходимым для дальнейшего запуска магнетрона (см. рис. 5). Для различных параметров модуляции анодного напряжения и разных конструкций магнетрона это значение ве- личины пространственного заряда меняется в диапазоне от 15 до 30 %. Если модуляция напря- жения будет продолжаться, то при достижении пространственным зарядом величины порядка 80 % от заряда Бриллюэна величина заряда начи- нает колебаться в пределах от 50 до 100 % (см. рис. 7). Для запуска магнетрона необходимо пре- кратить модуляцию анодного напряжения. Толь- ко после этого происходит установление стацио- нарной рабочей величины заряда и возбуждение СВЧ-колебаний магнетрона. Указанные закономерности возбуждения колебаний практически не зависят от величины начального заряда, которая в наших численных экспериментах изменялась от 0,01 до 10 % от за- ряда Бриллюэна. Таким образом, для запуска магнетрона достаточно с помощью модуляции анодного на- пряжения накопить заряд порядка 30 % от Брил- люэновского, после чего можно прекращать мо- дуляцию анодного напряжения. Из расчетов вид- но, что время накопления необходимого заряда составляет всего несколько наносекунд, т. е. за- держки импульса генерации по отношению к за- пускающему импульсу увеличиваются незначи- тельно с точки зрения практического применения магнетронов. Следует отметить, что такие малые вре- мена запуска магнетрона достигаются при выборе некоторого оптимального значения амплитуды модуляции анодного напряжения. Подтверждение этому представлено на рис. 8, где показано изме- нение времени задержки T0,3, за которое накапли- вается заряд, равный 30 % от заряда Бриллюэна, в зависимости от амплитуды модуляции импульса анодного напряжения. Наиболее быстро заряд накапливается в пространстве взаимодействия магнетрона при амплитуде модуляции анодного напряжения в диапазоне от 5,5 до 7,5 кВ, что соответствует глубине модуляции анодного напряжения Ua примерно от 0,4 до 0,6. При увеличении ампли- туды модуляции происходит резкое увеличение времени задержки запуска магнетрона вплоть до прекращения возбуждения СВЧ-колебаний вследствие попадания все большей части элект- ронов на анод при росте амплитуды модуляции. Уменьшение же амплитуды модуляции также приводит к росту времени задержки и прекра- щению запуска магнетрона, но уже из-за того, что энергия электронов, бомбардирующих вто- рично-эмиссионный катод, недостаточна для инициирования лавинообразного роста заряда в пространстве взаимодействия магнетрона. 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 T 0, 3, н с Um0, кВ Рис. 8. Зависимость времени T0,3 от амплитуды модуляции за- пускающего импульса На рис. 9 показаны зависимости времени T0,3 от частоты модуляции импульса анодного на- пряжения F0 при различных радиусах анода. Зоны возникновения вторично-эмиссионной электрон- ной лавины примерно соответствуют значении- ям F0, находящимся в резонансных соотношениях с циклотронной частотой, но не точно совпадают с ней, ее гармониками или субгармониками. Это связано с тем, что в реальном магнетроне условия указанного резонанса зависят также от геометрии прибора и величины пространственного заряда. а) б) в) Рис. 9. Зависимость времени T0,3 от частоты модуляции за- пускающего импульса при разных анодных радиусах магне- трона: а) – Ra = 3 мм; б) – Ra = 2,5 мм; в) – Ra = 2,25 мм Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 203 Однако определяющим фактором для хо- лодного запуска является выполнение резонанс- ных условий между частотой модуляции и цикло- тронной частотой. Это иллюстрирует график на рис. 10, где показана зависимость оптимального периода модуляции от циклотронного периода, который изменялся путем вариации величины магнитного поля. 0,54 0,56 0,58 0,60 0,62 0,031 0,032 0,033 0,034 0,035 0,036 0,037 T 0, н с B, Тл Рис. 10. Зависимость оптимального периода модуляции запус- кающего импульса от магнитного поля 3. Запуск магнетрона с помощью внешнего СВЧ-сигнала. Практическая реализа- ция высокочастотной модуляции анодного на- пряжения с большим коэффициентом модуляции является достаточно сложной задачей. Более про- стым решением является подача в магнетрон внешнего СВЧ-сигнала. Мы рассмотрим особен- ности такого способа холодного запуска магне- трона. Следует отметить, что он подобен рас- смотренному в разд. 2 способу возбуждения маг- нетрона. Для моделирования запуска магнетрона посредством внешнего СВЧ-сигнала также ис- пользовалась математическая модель магнетро- на [11], которая была соответствующим образом обобщена. Для учета внешнего источника СВЧ- сигнала была модифицирована эквивалентная схема магнетрона в соответствии с рис. 11. Здесь приведен участок эквивалентной цепи резонанс- ной системы магнетрона, соответствующий трем соседним анодным резонаторам. В одном из ре- зонаторов осуществляется вывод и ввод СВЧ- энергии. Внешний СВЧ-сигнал описывается ис- точником тока j0, резистивность R2 описывает на- грузку магнетрона, R1 – омические потери на стенках резонаторов, L и С – индуктивность и емкость анодного резонатора, С′ – емкость между сегментом анодного блока и катодом. Моделирование проводилось для двух различных магнетронов, которые исследовались экспериментально в работах [7] и [13]. Параметры магнетрона из работы [7]: ра- диус анода Ra = 2,25 мм, радиус катода Rc = 1,1 мм, анодное напряжение Ua = 18,6 кВ, магнитное поле B = 0,59 Тл, количество резона- торов N = 16, радиус резонатора Rd = 3,4 мм, ши- рина ламели d = 0,4 мм, высота анодного блока h = 6 мм, λπ/2 = 6,8 мм. Рис. 11. Эквивалентная схема трех резонаторов магнетрона при моделировании воздействия внешнего СВЧ-сигнала Параметры магнетрона из работы [13]: радиус анода Ra = 2,25 мм, радиус катода Rc = 1,3 мм, анодное напряжение Ua = 12,8 кВ, магнитное поле B = 0,5875 Тл, количество резо- наторов N = 16, радиус резонатора Rd = 3,635 мм, ширина ламели d = 0,4 мм, высота анодного бло- ка h = 6 мм, λπ/2 = 8 мм. Как следует из предыдущего анализа, для запуска магнетрона принципиально важным яв- ляется накопление в пространстве взаимодейст- вия некоторой критической величины заряда. Рассмотрим процесс накопления заряда для изу- чаемого случая. На рис. 12 показаны временные зависимости величины заряда в пространстве взаимодействия при различных мощностях внеш- него сигнала Pext. 0 2 4 6 8 10 12 14 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 5 4 3 2 1 Q /Q 0 t, нс Рис. 12. Зависимость заряда пространства взаимодействия от времени при начальном заряде равном 7 % от заряда Брил- люэна, для магнетрона из работы [13]: 1) – Pext = 11,2 кВт; 2) – Pext = 8,5 кВт; 3) – Pext = 6,3 кВт; 4) – Pext = 4,4 кВт; 5) –Pext = 2,8 кВт j0 L L L R2 R1 R1 R1 C C C C′ C′ C′ C′ jN jN jN jN Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 204 Анализ результатов моделирования пока- зывает, что для каждого значения начального за- ряда пространства взаимодействия существует некоторая минимальная мощность внешнего сиг- нала Pmin, при которой происходит запуск магне- трона. При достижении внешним сигналом мощ- ности, превышающей Pmin, энергия электронов, бомбардирующих вторично-эмиссионный катод, становится достаточной для инициирования ла- винообразного роста количества электронов за счет вторичной эмиссии. Увеличение как мощности внешнего сиг- нала, так и величины начального заряда приводит к уменьшению времени запуска магнетрона, в то время как выходные характеристики магнетрона (КПД, выходная мощность, анодный ток) остают- ся практически неизменными при изменении этих параметров, если реализованы условия запуска магнетрона. Рассмотрим сравнение результатов экспе- риментальных исследований [7, 13] с нашими ре- зультатами численного моделирования. В качестве стартового состояния прибора при моделирова- нии использовалось равномерное распределение частиц по пространству взаимодействия магне- трона, при этом значение величины начального заряда пространства взаимодействия магнетрона варьировалось, поскольку ее экспериментальное значение не было известно. На рис. 13 показаны графики экспери- ментальной [13] и расчетной зависимостей мини- мальной мощности Pmin, необходимой для запус- ка, от частоты внешнего сигнала F. Видно, что существует оптимальное значение частоты внеш- него сигнала, при котором запуск магнетрона происходит при минимальной мощности входно- го сигнала. Это значение частоты близко к собст- венной частоте рабочей моды магнетрона. 35,5 35,6 35,7 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2 P m in , В т F, ГГц 1 Рис. 13. Сравнение экспериментальной [13] и расчетной зави- симостей минимальной мощности, необходимой для запуска, от частоты запускающего сигнала: 1) – эксперимент; 2) – рас- чет (Qst = 0,17 Q0) На рис. 14 показаны графики экспери- ментальной [7] и расчетной зависимостей време- ни запуска магнетрона Tзап от мощности внешне- го сигнала Pext. Видно, что результаты численного моделирования и экспериментов демонстрируют достаточно хорошее совпадение. Некоторый раз- брос величины начального заряда пространства взаимодействия (8 и 17 % от заряда Бриллюэна), требуемого для запуска этих магнетронов, обу- словлен их отличиями: рабочей длиной волны, размерами пространства взаимодействия и, воз- можно, давлением остаточных газов. 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 120 1T з ап , н с Pext, Вт 2 Рис. 14. Сравнение экспериментальной [7] и расчетной зависи- мостей времени запуска магнетрона от мощности внешнего сиг- нала: 1) – эксперимент; 2) – расчет (Qst = 0,08 Q0, F0 = 42 ГГц) Анализируя вышеприведенные данные можно сделать следующие выводы. Для запуска магнетрона при помощи внешнего СВЧ-сигнала требуется некоторое начальное количество элект- ронов, зависящее от мощности внешнего сигнала. Согласно полученным результатам моделирова- ния требуемая величина начального заряда со- ставляет величину порядка 10 % от заряда Брил- люэна. Как уже отмечалось, увеличение мощно- сти выходного сигнала приводит к уменьшению времени запуска магнетрона. При этом следует отметить, что, как и в случае с увеличением амп- литуды модуляции анодного напряжения, при больших уровнях внешнего сигнала прекращает- ся запуск магнетрона. Однако, согласно расчетам, значения мощности внешнего сигнала в этом случае должны быть гораздо больше мощности генерации самого магнетрона, т. е. это ограниче- ние не является существенным с точки зрения практической реализации такого запуска магне- тронов. 4. Образование начального заряда в магнетроне. В каждом из рассмотренных меха- низмов холодного запуска магнетронов требуется наличие некоторого «затравочного» количества электронов для инициирования вторичной эмис- сии. Вероятная причина существования таких электронов может быть связана с тем, что в усло- Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 205 виях низкого давления, которое обеспечивается в реальных конструкциях приборов, остаточный газ является сильно ионизированным. Об этом, в част-ности, свидетельствует тот факт, что в хо- лодных магнетронах протекает определенный ток ионизации. Согласно приведенным в работе [14] данным ток положительных ионов на катод для подобной рассматриваемой нами магнетронной системы составляет около 10÷20 мА. Соответст- венно, в пространстве взаимодействия за счет ио- низации образуется определенное количество электронов. Эту ситуацию можно промоделиро- вать, вводя в пространство взаимодействия такое количество электронов, которое соответствует указанному току ионов. В результате нашего чис- ленного моделирования были получены зависи- мости заряда в пространстве взаимодействия от времени при наличии и отсутствии внешнего СВЧ-сигнала при токе ионизации 10 и 20 мА, ко- торые приведенные на рис. 15. 0 50 100 150 200 250 300 350 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 432 Q /Q 0 t, нс 1 Рис. 15. Зависимость заряда в пространстве взаимодействия от времени при наличии внешнего СВЧ-сигнала (кривые 1, 2) и его отсутствии (кривые 2, 3), а также при токе ионизации 10 мА (кривые 3, 4) и 20 мА (кривые 1, 2) Как видно из рис. 15, при накоплении за счет ионизации в пространстве взаимодействия заряда около 7 % от заряда Бриллюэна и наличии внешнего СВЧ-сигнала происходит лавинообраз- ное увеличение количества электронов. Если внешний СВЧ-сигнал отсутствует, то лавинооб- разный рост числа электронов происходит значи- тельно позже (в 3 раза дольше, чем при использо- вании внешнего СВЧ-сигнала) или вообще не на- ступает. Следует отметить, что приведенное объ- яснение происхождения «затравочных» электро- нов является лишь предположением и полноцен- ное обоснование может быть дано только после тщательного и всестороннего изучения данного вопроса, что выходит за рамки нашей работы. Выводы. Проведен теоретический анализ запуска магнетрона с помощью внешнего СВЧ- сигнала и модулированного импульса анодного напряжения, а также выполнено численное моде- лирование данных способов запуска. В результате исследования различных методов холодного за- пуска магнетрона можно сделать следующие вы- воды: − запуск магнетрона с помощью внешнего СВЧ-сигнала, на спаде импульса напряжения и с помощью модуляции анодного напряжения имеют в своей основе один и тот же механизм – увеличе- ние энергии электрона, соударяющегося с катодом, при резком уменьшении анодного напряжения. При определенных условиях это приводит к воз- никновению вторично-эмиссионной лавины и не- обходимого для работы магнетрона анодного тока; − существуют пороговые значения амплитуды модуляции анодного напряжения или мощности входного СВЧ-сигнала, при превышении которых происходит холодный запуск магнетрона. Эти пороговые значения снижаются при увеличении начального заряда в пространстве взаимодейст- вия; − величина начального заряда пространства взаимодействия влияет лишь на время запуска магнетрона и практически не влияет на его вы- ходные характеристики (мощность, КПД, частоту генерации, анодный ток); − одним из вероятных механизмов возникно- вения начального заряда в пространстве взаимо- действия магнетрона является ионизация оста- точного газа. Авторы выражают искреннюю благодар- ность В. Д. Науменко за обсуждение этой работы и ряд ценных замечаний. 1. Черенщиков С. А. О запуске магнетрона с холодным като- дом на спаде импульса напряжения // Электронная техн. Электроника СВЧ. – 1973. – № 6. – С. 20–28. 2. Науменко В. Д., Черенщиков С. А. Исследование запуска магнетрона с холодным вторично-эмиссионным катодом на спаде импульса напряжения // Изв. вузов. Радиофизика. – 1984. – XXVII, № 2. – С. 250–256. 3. Волколупов Ю. Я., Довбня А. Н., Закутин В. В. и др. Бы- строе формирование электронного пучка в магнетронной пушке с вторично-эмиссионным катодом // Журн. техн. физики. – 2002. – 72, вып. 10. – С. 124–127. 4. Вигдорчик И. М., Мянд В. А., Науменко В. Д. Исследование работы магнетронов с холодным платиновым катодом при запуске внешним сигналом // Тр. Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. – 1970. – 18. – С. 33–45. 5. Skowron J. F. The continuous-cathode (emitting-sole) crossed-field amplifiers // Proc. of the IEEE. – 1973. – 61, No. 3. – P. 339–371. 6. White R. A. Cold cathode operation of a hot cathode magnetron // IEEE Transactions on electron devices. – 1963. – ED-10, No. 1. – P. 59–61. 7. White R. A. More information on the cold cathode operation of a hot cathode magnetron // IEEE Transactions on electron de- vices. – 1963. – ED-10, No. 2. – P. 96–97. 8. Ломакин В. М., Панченко Л. В. О самовозбуждении им- пульсного магнетрона при малых значениях начальной эмиссии катода (холодное самовозбуждение) // Электрон- ная техн. Электроника СВЧ. – 1970. – № 2. – С. 33–42. 9. Бондаренко Б. В., Акопян Р. Л. Расчет эмиссионных харак- теристик пленочных автокатодов // Радиотехника и элек- Н. И. Автомонов и др. / Исследование механизмов холодного… __________________________________________________________________________________________________________________ 206 трон. – 1972. – 17, № 5. – С. 1059–1061. 10. Волколупов Ю. Я., Довбня А. Н., Закутин В. В. и др. Гене- рация электронных пучков в магнетронном диоде с вто- рично-эмиссионным катодом // Журн. техн. физики. – 2001. – 71, вып. 2. – С. 98–104. 11. Schunemann K., Sosnytskiy S. V., Vavriv D. M. Mathematical model of spatial-harmonic magnetrons with cold secondary- emission cathode // Радиофизика и радиоастрономия. – 2000. – 5, вып. 2. – С. 171-181. 12. Касаткин Л. В., Рукин В. П., Еремка В. Д. и др. Электро- вакуумные приборы диапазона миллиметровых волн. – Севастополь: Вебер, 2007. – 252 с. 13. Соин А. В. Возбуждение колебаний в магнетронах с вто- рично-эмиссионным катодом с помощью внешнего СВЧ- сигнала // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. – 8, № 3. – С. 313–316. 14. Малюгин В.И., Соминский Г.Г. Исследование ионной бом- бардировки катодов в амплитроне // Электронная техн. Электроника СВЧ. – 1970. – № 10. – С. 113–117. RESEARCH ON COLD START PROCESS IN MAGNETRONS WITH COLD SECONDARY-EMISSION CATHODE N. I. Avtomonov , D. M. Vavriv , S. V. Sosnytsky Theoretical analysis of auto-oscillations excitation me- chanism in magnetrons with cold secondary-emission cathode and without auxiliary cathode has been performed. Auto-oscillations excitation by external UHF signal or modulation of anode voltage has been studied. Conditions of specified mechanisms implementa- tion have been defined. Comparison of numerical modeling results and experimental data, obtained for millimeter wavelength band magnetrons, has been carried out. Key words: magnetron, cold start. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЗМІВ ХОЛОДНОГО ЗАПУСКУ МАГНЕТРОНІВ ІЗ ВТОРИННО-ЕМІСІЙНИМ КАТОДОМ М. І. Автомонов, Д. М. Ваврів, С. В. Сосницький Проведено теоретичний аналіз механізмів збуджен- ня автоколивань у магнетронах із вторинно-емісійним като- дом без застосування допоміжного термокатоду. Вивчено процеси збудження автоколивань за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу та з застосуванням модульованого імпульсу анодної напруги. Визначено умови, за яких можлива реаліза- ція зазначених механізмів збудження автоколивань. Наведено результати порівняння чисельного моделювання з експеримен- тальними даними, що отримані для магнетронів міліметрового діапазону довжин хвиль. Ключові слова: магнетрон, холодний запуск. Рукопись поступила 27 апреля 2009 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105749
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:26:46Z
publishDate	2009
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Автомонов, Н.И. Ваврив, Д.М. Сосницкий, С.В. 2016-09-07T18:09:01Z 2016-09-07T18:09:01Z 2009 Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом / Н.И. Автомонов, Д.М. Ваврив, С.В. Сосницкий // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 2. — С. 198-206. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105749 621.385.642.3 Проведен теоретический анализ механизмов возбуждения автоколебаний в магнетронах с вторично-эмиссионным катодом без применения вспомогательного термокатода. Изучены процессы возбуждения автоколебаний с помощью внешнего СВЧ-сигнала и с использованием модулированного импульса анодного напряжения. Определены условия, при которых возможна реализация указанных механизмов возбуждения автоколебаний. Приведены результаты сравнения численного моделирования с экспериментальными данными, полученными для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн. Проведено теоретичний аналіз механізмів збудження автоколивань у магнетронах із вторинно-емісійним катодом без застосування допоміжного термокатоду. Вивчено процеси збудження автоколивань за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу та з застосуванням модульованого імпульсу анодної напруги. Визначено умови, за яких можлива реалізація зазначених механізмів збудження автоколивань. Наведено результати порівняння чисельного моделювання з експериментальними даними, що отримані для магнетронів міліметрового діапазону довжин хвиль. Theoretical analysis of auto-oscillations excitation mechanism in magnetrons with cold secondary-emission cathode and without auxiliary cathode has been performed. Auto-oscillations excitation by external UHF signal or modulation of anode voltage has been studied. Conditions of specified mechanisms implementation have been defined. Comparison of numerical modeling results and experimental data, obtained for millimeter wavelength band magnetrons, has been carried out. Авторы выражают искреннюю благодарность В. Д. Науменко за обсуждение этой работы и ряд ценных замечаний. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом Дослідження механізмів холодного запуску магнетронів із вторинно-емісійним катодом Research on cold start process in magnetrons with cold secondary-emission cathode Article published earlier
spellingShingle	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом Автомонов, Н.И. Ваврив, Д.М. Сосницкий, С.В. Вакуумная и твердотельная электроника
title	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
title_alt	Дослідження механізмів холодного запуску магнетронів із вторинно-емісійним катодом Research on cold start process in magnetrons with cold secondary-emission cathode
title_full	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
title_fullStr	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
title_full_unstemmed	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
title_short	Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
title_sort	исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом
topic	Вакуумная и твердотельная электроника
topic_facet	Вакуумная и твердотельная электроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105749
work_keys_str_mv	AT avtomonovni issledovaniemehanizmovholodnogozapuskamagnetronovsvtoričnoémissionnymkatodom AT vavrivdm issledovaniemehanizmovholodnogozapuskamagnetronovsvtoričnoémissionnymkatodom AT sosnickiisv issledovaniemehanizmovholodnogozapuskamagnetronovsvtoričnoémissionnymkatodom AT avtomonovni doslídžennâmehanízmívholodnogozapuskumagnetronívízvtorinnoemísíinimkatodom AT vavrivdm doslídžennâmehanízmívholodnogozapuskumagnetronívízvtorinnoemísíinimkatodom AT sosnickiisv doslídžennâmehanízmívholodnogozapuskumagnetronívízvtorinnoemísíinimkatodom AT avtomonovni researchoncoldstartprocessinmagnetronswithcoldsecondaryemissioncathode AT vavrivdm researchoncoldstartprocessinmagnetronswithcoldsecondaryemissioncathode AT sosnickiisv researchoncoldstartprocessinmagnetronswithcoldsecondaryemissioncathode

Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом

Institution

Similar Items