В) Принцип действия магнетрона

Работа магнетрона основана на взаимодействии электронного потока с объемными резонаторами в момент, когда электроны пролетают над щелью резонатора. Рассмотрим это подробнее.

При включении анодного напряжения электроны начнут пролетать над щелями объемных резонаторов и будут возбуждать в них свободные колебания. Физически механизм возникновения начальных колебаний можно представить так (рис. 3.36.):

Рис 3.36. Элемент объёмного резонатора

Свободные электроны, имеющиеся на стенке 1, будут отталкиваться от приближающихся электронов и переходить на стенку 2. На стенке 1 получится положительный заряд, а на стенке 2 – отрицательный. При этом емкость объемного контура как-то зарядится. После этого начнется разряд емкости и в контуре возникнут свободные колебания, частота которых определяется распределенными параметрами L и С резонатора. Как только колебания возникнут в одном резонаторе, они сейчас же возникнут и во всех остальных, так как все резонаторы сильно связаны между собой пронизывающими магнитными и электрическими полями (рис 3.37.). При этом колебания в двух соседних резонаторах будут сдвинуты по фазе на 180° (так называемые колебания типа «p», о которых будет сказано ниже). Это означает, что в каждый момент времени токи в соседних резонаторах будут иметь противоположные направления, и, если в одном резонаторе правая стенка щели в данный момент времени заряжена положительно, то в соседнем –отрицательно (в дальнейшем мы увидим, что это не единственно возможный вид колебаний в магнетроне). На выступах одного блока образуются электрические заряды чередующихся знаков, а между стенками щелей возникает высокочастотное электрическое поле (рис 3.37.).

Рис 3.37.Схема электрических полей в магнитном резонаторе

Из рис.3.37. видно, что в любой момент времени высокочастотное поле одних резонаторов является для пролетающих под ними электронов ускоряющим, а для других- тормозящим. Если продолжить движение электронов по часовой стрелке, то щели 1, 3, 5, 7 будут ускоряющими, а щели 2, 4, 6 и 8 – тормозящими. Через полпериода картина изменится. Из общего количества электронов, вылетающих в каждый момент времени из катода, половина попадает под тормозящие щели и оказывается полезной, а половина - под ускоряющие щели и оказывается вредной.

Поскольку движется очень большое количество электронов, то можно считать, что вокруг катода вращается электронное облако, образующее объемный отрицательный заряд, в виде кольца, скорость которого зависит от совместного действия постоянных электрического и магнитного полей.

Вращающийся с определенной переносной скоростью электронный поток будет взаимодействовать с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживать в них высокочастотные колебания за счет отдачи им энергии электронов. Очевидно, что сплошной электронный поток не может поддерживать возникшие в резонаторах магнетрона колебания. Действительно, если бы в работающем магнетроне пространственный заряд был бы распределен равномерно, то количество энергии, передаваемое электронами при их движении в тормозящем поле резонаторе, было бы равно количеству энергии, получаемой другими электронами, находящимися в данный момент в ускоряющем поле резонатора. Суммарная же энергия электронного потока при этом равнялась бы нулю, и такой электронный поток не смог бы восполнять энергию, расходуемую в колебательной системе резонаторов, и возникшие колебания прекратились бы.

Теперь становится ясным принцип поддерживания незатухающих колебаний в магнетроне - электроны должны группироваться так, чтобы при своем движении они смогли пролетать под резонаторами в момент времени, когда переменное электрическое поле этих резонаторов было бы тормозящим.

Процесс группирования электронов происходит в магнетроне автоматически в результате взаимодействия электронов с переменным электрическим полем резонаторов. Рассмотрим это подробнее.

Предположим, что электронный поток равномерно распределен по окружности магнетрона с одинаковой плотностью и пусть в данный момент электроны, вылетая с катода, попадают в тормозящее поле резонатора 1. На рис. 3.40. это условие показано в виде трех групп электронов, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Переменное электрическое поле Е_~ в каждой точке пространства взаимодействия можно разложить на две составляющие: тангенциальную составляющую Et, направленную по касательной к окружности, проходящей через данную точку с центром на оси анодного блока; и радиальную составляющую Er, направленную по радиусу.

Рис.3.40.Схема электрического поля и движения электронов в резонаторе

Для группы электронов 1 радиальная составляющая переменного поля Er в данный момент времени совпадает с напряженностью постоянного электрического поля E₌, что приводит к увеличению средней переносной скорости движения электронов. Для группы электронов 3 радиальная составляющая переменного электрического поля Er направлена против вектора E₌, в результате чего результирующая составляющая переменного поля (радиального) уменьшается, а, следовательно, уменьшается переносная скорость электронов. В плоскости “АВ” радиальная составляющая переменного электрического поля Е равна нулю, поэтому группа электронов 2 своей скорости не меняет. В результате этого группа электронов 1 движется с большей скоростью и постепенно догоняет группу 2, а группа электронов 3 движется медленнее группы 2 и постепенно сливается с ней. В результате таких изменений скоростей электронов под действием радиальной составляющей переменного электрического поля будет происходить их сближение, т.е. их формирование в электронные потоки, которые по форме напоминают спицы колеса и потому получивших название электронных спиц. Число спиц зависит от вида колебаний. Для колебаний типа “p” это число равно , т.е. в два раза меньше числа резонаторов. Вся картина распределения электронов примет вид, показанный на рис.3.41.

Группирование электронов происходит под действием тангенциальной и радиальной составляющих переменного электрического поля.

Рис 3.41. Группирование электронов в магнитном резонаторе

Действительно, под действием тангенциальной составляющей Et электроны, находящиеся в тормозящем поле резонатора 1 (рис.3.40) будут уменьшать свою скорость (так называемые полезные электроны), а электроны, находящиеся под резонаторами 2 и 8 (рис.3.40) увеличивают ее, и, получив добавочную скорость, возвращаются на катод (это так называемые вредные электроны, подробнее о них будет сказано ниже). В результате этого в сплошном электронном потоке автоматически образуются области сгущения и разряжения электронов, т.е. происходит первичная (и основная) сортировка электронов. Под действием радиальной составляющей происходит дополнительная, так называемая фазовая фокусировка электронов, находящихся в тормозящем переменном электрическом поле резонатора 1 (рис.3.40).Под действием тангенциальной составляющей будет происходить торможение электронов, благодаря чему электрическое поле резонатора будет пополняться энергией и в резонаторе будут поддерживаться незатухающие колебания. При дальнейшем движении электронный поток будет пополнять энергией колебательную систему лишь в том случае, если спицы будут достигать соседних резонаторов, когда поле этих резонаторов будет тормозящим. Очевидно, для этого требуется соответствующий выбор переносной скорости электронов n_е. Необходимая величина переносной скорости зависит от периода генерируемых колебаний, сдвига фаз в соседних резонаторах и расстояния между соседними резонаторами. Для противофазного вида колебаний, основного вида колебаний в современных магнетронах, электронные спицы должны проходить расстояние от одного резонатора до соседнего с ним за время, равное половине периода генерируемых колебаний ( ). Это и есть условие синхронизма, или фазовое условие самовозбуждения магнетрона. Условие синхронизма осуществляется необходимым подбором величин электрического и магнитного полей в магнетроне. Так как магнит у магнетрона обычно постоянный, то регулировка эта осуществляется только изменением анодного напряжения.

Следует еще раз заметить, что отмеченное группирование будет происходить лишь под резонаторами, где переменное поле оказывает тормозящее действие (под резонаторами 8 и 2) (рис.3.40), а где поле ускоряющее, радиальная составляющая вызовет обратный эффект, т.е. электроны как бы разбегаются к соседним резонаторам 1, 7 и 3. Такие электроны отбирают энергию от резонатора и называются вредными.

Рис.3.42.Траектории электронов в электронных спицах

Получив добавочную энергию от поля, эта группа электронов увеличивает свою тангенциальную составляющую скорости и возвращаются на катод, отдавая ему неиспользованную кинетическую энергию. При этом катод дополнительно подогревается за счет энергии переменного поля. С этим явлением в магнетронах приходится считаться. Поэтому в некоторых типах магнетронов напряжение накала, после предварительного разогрева катода и подачи анодного напряжения, уменьшают, а иногда и вовсе выключают его.

Интересно рассмотреть траектории электронов в самих электронных спицах (рис 3.42). Электроны группы 1, попадающие в тормозящее поле резонатора 1, называют полезными электронами. Такие электроны, испытывая тормозящее действие тангенциальной составляющей переменного поля, передают свою кинетическую энергию полю и потому не могут опять возвратиться на катод. Описав петлю эпициклоиды и предав часть своей энергии переменному электрическому полю резонатора 1, они останавливаются в точке «б». От катода до точки «б» электроны группы 1 двигались в течение половины периода, поэтому вторую петлю, начинающуюся в точке «б», они совершают в тормозящем поле второго резонатора, третью - в тормозящем поле третьего резонатора и т.д. до тех пор, пока не упадут на анод. При этом каждый резонатор получает от этой группы электронов энергию , где - разность потенциалов начальной и конечной точек петли. У второго резонатора к электронам группы 1 добавляются полезные электроны группы 2, у третьего – группы 3 и т.д. таким образом, против щелей с тормозящим полем заряд накапливается и вытягивается от катода к аноду, образуя электронную спицу (рис.3.43.).

Вывод: таким образом, переменное электрическое поле как бы сортирует электроны на полезные и вредные. Вредные электроны быстро удаляются из пространства взаимодействия обратно на катод, отбирая при этом часть энергии у резонаторов. Полезные же электроны отдают резонаторам больше энергии, чем отнимают вредные, так как полезные электроны находятся в пространстве взаимодействия значительно дольше, поддерживая тем самым возникшие колебания в магнетроне незатухающими.

Рис.3.43. Электронная спица

Основными характеристиками магнетрона, обеспечивающими технически грамотную эксплуатацию, являются:

1. Рабочие характеристики, определяющие связь выходной мощности “Р” и КПД h от напряжения на магнетроне Ua, анодного тока Ia, и величины магнитного поля «В» при постоянной согласованной внешней нагрузке;

2. Нагрузочные характеристики, определяющие зависимость выходной мощности и генерируемой частоты от внешней нагрузки при постоянной величине Ia (рассматриваться не будут, т. к. это выходит за пределы данного пособия);

3. Выходная мощность в импульсе Pвых может колебаться от единиц ватт до десятков мегаватт;

4. Длительность генерируемого импульса t_и колеблется в пределах от десятых долей микросекунды до нескольких микросекунд;

5. Частота генерируемых колебаний – обычно магнетрон генерирует колебания в диапазоне 300- 300000 МГц;

6. Частота повторения- 50¸15000 ;

7. КПД магнетронного генератора –колеблется в пределах 30¸70%;

8. Анодное напряжение - единицы- десятки кВ;

9. Анодный ток - от единиц до сотен ампер.