Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МАГНЕТРОН

МАГНЕТРОН

МАГНЕТРОН - электровакуумный генератор эл.-магн. колебаний СВЧ, основанный на взаимодействии электронов, движущихся в магн. поле, с возбуждаемыми ими эл.-магн. полями. Основу конструкции М. составляет коаксиальный цилиндрич. диод с внутр. электродом - катодом в однородном магнитостатич. поле, направленном вдоль его оси. Эмитированные катодом электроны совершают дрейфовое движение поперёк скрещенных статических электрич. Е ₀ и магн. Н ₀ полей ( |, образуя замкнутый поток вокруг катода.

Анод многорезонаторного М.- массивный полый цилиндр, во внутр. части к-рого вырезаны объёмные резонаторы со щелями, выходящими на поверхность (рис. 1). Последовательность резонаторов образует периодич. структуру на поверхности анода и обусловливает азимутальное замедление вращающихся эл.-магн. волн, для к-рых всё пространство М. является единым высокодобротным объёмным резонатором. Энергообмен электронного потока с эл.-магн. полями в М. обусловлен их непрерывным взаимодействием в условиях синхронизма ср. скорости электронов с фазовой скоростью одной из мод единого резонатора (рабочей модой, см. ниже).

Рис. 1. Схематическое изображение многорезонаторного магнетрона: а - общий вид; б - сечение плоскостью, перпендикулярной H₀.

Формирование и свойства электронного потока. В предгенерац. период в невозмущённом СВЧ-полями потоке азимутальное и радиальное перемещения электронов, в соотв. с интегралами угл. момента и анергии, характеризуются скоростями

где г, - полярные координаты, t - время, е, m - заряд и масса электрона, - циклотронная частота, r _к - радиус катода, - потенциал электростатич. поля E₀ (на катоде , на аноде ). При заданном анодном напряжении U и малых Н ₀ электроны попадают на анод. С ростом H₀, как видно из (), увеличивается доля энергии в азимутальном движении, а радиальная скорость уменьшается. При век-ром критич. H₀=H _кр (U задано) или при U=U _кp (H₀ задано)

траектории электронов только касаются поверхности анода, r=r _а. При (или при ) происходит т. н. отсечка анодного тока - вершины траекторий оказываются на нек-ром расстоянии от анода (магн. изоляция диода). С уменьшением U (с ростом Н ₀ )поток всё ближе примыкает к катоду, тем самым происходит углубление магнитной изоляции диода. В пренебрежении собств. полями электронного облака движение отдельных частиц представляет собой суперпозицию вращения с частотой w _с и дрейфа в скрещенных полях, траектории - эпициклоиды. При интенсивной электронной эмиссии и значит. объёмном заряде в потоке движение частиц несколько трансформируется.

В условиях магн. изоляции диода поток электронов, замыкающийся вокруг катода, образует электронный резонатор с дискретным спектром собств. колебаний типа вращающихся волн с частотами , где t_e - ср. время дрейфа вокруг катода, в - целое число. Под действием разл. флуктуации (дробовой шум и др.) н электронном потоке развиваются шумовые колебания, в спектре к-рых в окрестности обнаруживаются максимумы интенсивности. Полная энергия шумовых колебаний в предгенерац. периоде от энергии потока. Столь высокий уровень шумовых колебаний может быть связан с развитием разл. волновых неустойчивостей, в т. ч. диокотронной, обусловленной наличием радиального градиента угловой скорости электронов.

Электродинамическая система магнетрона. Для возбуждения генерации необходим синхронизм ср. азимутальной скорости электронов и фазовой скорости возбуждаемых ими волн. Существуют различные периодич. системы замедления вращающихся волн у резонансных типов колебании М.: цепочки связанных резонаторов (рис. 1), гребенчатые структуры и др. (см. Замедляющая система). Но независимо от конкретного типа резонансной структуры анода её осн. ф-ция состоит в создании СВЧ-полей заданной частоты и конфигурации, способных взаимодействовать с электронным потоком.

Система N резонаторов М. имеет N основных видов колебаний, определяемых сдвигом фаз колебаний внутри соседних элементов структуры (n - целое число). При чётном N невырожденными являются колебания с n=0 (синфазные) и с n=N/2 ( -вид, противофазные). В этом случае образуются стоячие волны поля. Для остальных n поля имеют вид волн, бегущих по внутр. поверхности анода, а сами колебания являются двукратно вырожденными (одинаковой собств. частотой обладают, напр., колебания с ). Для простейших анодов зависимость длины волны колебаний от n имеет вид

где коэф. определяется степенью связи элементов структуры, напр. близостью катода к аноду в масштабе периода структуры,- длина волны резонансных колебаний отд. резонаторов структуры.

Рис. 2. Структура электрического поля основной гармоники замедленной полны (колебания -вида).

Рис. 3. Виды резонаторных систем магнетрона ( а - равно-резонаторная без связок, б - со связками, в - разнорсзонатор-ная) и графики разделения их резонансных частот /', где -частота колебаний для л-вида, - частота, соответствующая m-му колебанию. В 18-резонаторном магнетроне п = 9 является колебанием -вида.

Самым высокочастотным является p-вид, к-рый обычно используется в качестве рабочего колебания (рис. 2). При больших N соседние колебания имеют близкие собств. частоты и фазовые скорости вращающихся волн. В этом случае возможны возбуждения "паразитных" видов колебаний и перескоки с одного вида на другой. Поэтому для устойчивой работы на колебаниях я-вида часто разрежают примыкающий участок спектра, обычно с помощью двух кольцевых связок, соединяющих соответственно чётные и нечётные элементы системы (рис. 3).

Вывод энергии из М. обычно осуществляется с помощью коаксиальных линий и радиоволноводов через петли связи или щели (рис. 4). При этом нагруженная добротность резонатора . Кои струкция и параметры электродинамич. системы М. варьируются в зависимости от требований к выходным характеристикам прибора (см. ниже).

Рис. 4. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции: а -общий вид, б - разрез (1 - анодный блок с 8 резонаторами, 2 - катод, 3- связка, 4 - петля связи, 5- стержень для присоединения к коаксиальной линии).

Взаимодействие электронов с полями в М. Характеристики М. При включении анодного напряжения шумовые колебания в электронном потоке связываются с колебаниями электродинамич. системы М. Сначала эта связь мала, но как только напряжение U достигнет порогового значения

обеспечивающего синхронизм ср. скорости электронов (и вращающихся собств. волн потока) со скоростью распространения волны в резонаторной системе М., происходит быстрая раскачка колебаний до уровня, определяемого нелинейными механизмами. Характерное время установления колебаний в М. 20-30 периодов колебании.

В основе процессов взаимодействия электронов с СВЧ-полями рабочего вида колебаний лежит явление фазовой группировки. Электроны помимо вращательного циклотронного движения и синхронного с волной дрейфа в статических электрич. и магн. полях совершают стационарное дрейфовое перемещение перпендикулярно неоднородному электрич. полю волны (рис. 2) с дрейфовой скоростью

Такое перемещение происходит но направлению к аноду в областях благоприятных фаз (при этом траектории "захваченных" волной электронов сближаются по пути к аноду, образуя т. н. "спицы" пространств. заряда, рис. 1, б) и к катоду в областях неблагоприятных фаз. В последнем случае электроны попадают на катод в конце первой же петли траектории и их роль в энергообмене незначительна. Электроны, дрейфующие к аноду, попадают на анод, отдав СВЧ-полю свою потенциальную энергию в количестве, определяемом разностью потенциала анода U и потенциала на вершине первой петли траектории. Поэтому эффективность преобразования энергии электронов в энергию излучения оказывается тем выше, чем глубже магн. изоляция, т. е. чем выше U _кp по сравнению с пороговым

Приближённо кпд М. оценивается по ф-ле

С увеличением напряжённости поля H₀ и пропорционально ему Е0 кпд и выходная мощность Р растут. Однако на практике такое нарастание ограничивается либо электрич. прочностью конструкции, либо перегревом электродов из-за электронной бомбардировки. Можно поднимать , увеличивая Н₀ и сохраняя умеренным поле Е ₀, однако тогда с ростом замедления уменьшаются размеры прибора, ухудшаются условия фазовой группировки (захвата электронов волной в окрестности катода); при этом быстро падает генерируемая мощность. Оптимизация параметров М. с точки зрения достижения макс. мощности излучения показывает, что среди генераторов сантиметрового диапазона длин волн (и прилегающих участков соседних диапазонов) М. является одним из наиб. эффективных; его полный кпд составляет 35- 70%.

По мере роста анодного напряжения сверх порогового (H₀ фиксировано) анодный ток и мощность Р сначала быстро нарастают - почти пропорционально этому превышению; кпд при этом изменяется слабо (рис. 5), улучшаются условия фазовой группировки и соответственно токопрохождения на анод. Одновременно увеличивается вклад в ток со стороны электронов вторичной электронной эмиссии с катода, вызванной электронами неблагоприятных фаз. В рабочих режимах электроны вторичной эмиссии могут составлять подавляющую часть тока I _а. При больших превышениях анодного напряжения U над пороговым мощность Р начинает быстро снижаться из-за ухудшения фазовой группировки вследствие нарушения синхронизма потока с волной рабочего вида колебаний.

Рис. 5. Рабочая характеристика импульсного магнетрона (l= 10 см); заштрихованы области отсутствии генсрации; сплошные линии-зависимости от анодного тока I _а выходной мощности Р и магнитного поля Н, пунктирные- (без учёта подогрева катода).

В длинноволновой части сантиметрового диапазона М. позволяют в режиме микросекундных импульсов получать мощности Вт, в непрерывном режиме - 10³ Вт. С укорочением мощности снижаются (и чуть быстрее). В диапазонах коротких миллиметровых волн и ниже М. утрачивает свою конкурентоспособность. Рекордная мощность достигнута на сантиметровых волнах в т. н. релятивистских М., работающих в режимах коротких (10^-7 с) импульсов от сильноточных ускорителей электронов ( Вт).

Разновидности М., родственные приборы. Существует много типов М., конструкции к-рых модернизируются применительно к требуемым выходным характеристикам. Кроме того, образовался целый класс электровакуумных приборов СВЧ со скрещенными электрич. и магн. полями и катодом в пространстве взаимодействия, по принципу действия родственных М. (приборы М-типа). Их классифицируют по типам устройств формирования электронного потока и замедляющих систем: 1) приборы с замкнутыми в кольцо замедляющей системой и электронным потоком (с катодом в пространстве взаимодействия или с боковой инжекцией трубчатого электронного пучка вдоль оси); 2) приборы с разомкнутой замедляющей системой и замкнутым в кольцо электронным потоком (с катодом в пространстве взаимодействия); 3) приборы с разомкнутыми замедляющей системой и пучком (инжектированным с катода, вынесенного из пространства взаимодействия).

К первому семейству относится сам М. и нек-рые его разновидности: регенеративно-усилительный М., в к-ром возбуждение колебаний и управление их частотой осуществляются внеш. сигналом малой мощности, вводимым обычно через циркулятор в сильно нагруженную резонаторную систему; М., настраиваемый напряжением (митрон), в к-ром нагруженная колебат. система (обычно стержневого типа) обладает слабо выраженными резонансными свойствами и пространств. заряд электронов регулируется темп-рой катода или инжекцией трубчатого потока вдоль оси прибора. Вследствие этого при малой мощности ( Р10 Вт) в непрерывном режиме достигается широкий диапазон перестройки частоты (около октавы).

Второе семейство включает платинотроны. Важнейшие их представители: амплитрон - мощный импульсный усилитель обратной волны с согласованными входным и выходным устройствами, , Вт, коэф. усиления К до 20 дБ; ультрон- мощный усилитель прямой волны с до 20%, К до 30 дБ; стабилотрон - механически перестраиваемый по частоте высокостабильный генератор на базе амплитрона, дополненного резонатором и фазо-вращателем на невыходном конце разомкнутой замедляющей системы.

К приборам М-типа иногда относят и электроннолучевые приборы СВЧ со скрещенными полями, в к-рых незамкнутый поток электронов формируется с катода, вынесенного из пространства взаимодействия. Эти приборы ближе К лампе бегущей волны и лампе обратной волны, их наз. ЛБВМ, ЛОВМ. С М. их роднит характер фазовой группировки потока и его энергообмена с полями.

Лит.: Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1950-51; Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями, пер. с англ., т. 1-2, М., 1961; Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекции по сверхвысокочастотной электронике, М., 1973. В. Е. Нечаев.