Картина явлений в многорезонаторном магнетроне - Многорезонаторный магнетрон

Теперь рассмотрим принцип действия магнетрона более подробно, используя акустическую аналогию, так как процесс возбуждения звуковых колебаний в акустических резонаторах имеет много общего с возбуждением электрических колебаний в объемных резонаторах.

В простейшем акустическом резонаторе - отрезке трубы, закрытом с одного конца, можно возбудить звуковые колебания, направляя струю воздуха над открытым концом трубы с определенной скоростью, зависящей от геометрических размеров резонатора. При возбуждении резонатора в нем наблюдается интенсивное колебательное движение воздуха, а в движущемся воздушном потоке возникают области повышенной плотности, чередующиеся с разрежениями, т. е. образуются обычные звуковые волны рис. 2.7а. Воздействуя на барабанную перепонку уха, звуковые волны приводят ее в колебательное движение, вызывая ощущение звука.

возбуждение резонаторов движущимся потоком

Рисунок 2.7. Возбуждение резонаторов движущимся потоком:

А - акустический резонатор; б - электрические резонаторы.

Аналогично происходит возбуждение электрических резонаторов движущимся электронным потоком. Конечно, при этом следует помнить, что процесс взаимодействия воздушного потока с акустическим резонатором имеет механическую природу, а процессы, протекающие в магнетроне - электродинамическую. В магнетроне аналогом воздушного потока является электронный поток, который под действием постоянных магнитного и электрического полей "продувается" мимо электрических резонаторов.

Для упрощения рассмотрим "развернутый" магнетрон, т. е. магнетрон, анодный блок которого образуется серией резонаторов, расположенных вдоль прямой линии (рис. 2.7б). Постоянное электрическое поле между анодом и катодом создается внешним источником Ua. Магнитное поле будем предполагать направленным перпендикулярно плоскости чертежа.

Если магнитное поле несколько выше критического, то электроны, двигаясь по циклоидальным траекториям, будут перемещаться вдоль катода (слава направо) со средней скоростью. При большом числе электронов, движущихся в самых разнообразных фазах, можно отвлечься от характера траекторий движения и учитывать только перемещение массы электронов вдоль катода с переносной скоростью н. Справедливость такого допущения будет ясна из дальнейшего.

Движущийся электронный поток при определенной скорости (аналогично воздушному потоку) возбуждает резонатор путем электрического взаимодействия с полем резонатора, наводя на его стенках электрические заряды. При этом в резонаторе устанавливается колебательный процесс, выражающийся в периодическом переходе энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно, а в электронном потоке, проходящем над резонатором, образуются области с повышенной и пониженной плотностью пространственного заряда.

В связанной колебательной системе магнетрона, состоящей из ряда резонаторов, колебания, возникающие в одном из резонаторов, возбуждают колебания в остальных. Очевидно, что электронный поток будет поддерживать колебательный процесс в магнетроне, если скопления электронов, образованные в результате взаимодействия с первым резонатором, попадут под второй, когда изменяющееся во времени электрическое поле этого поля станет тормозящим. Соответствующим расположением резонаторов вдоль анодного блока можно это условие выполнить и добиться того, что электронный поток будет непрерывно передавать часть своей кинетической энергии полю резонаторов.

В реальных магнетронах цепь резонаторов, располагающихся по окружности, замкнута. Поэтому образующиеся электронные скопления, пройдя последовательно всю цепь резонаторов, возвращаются к первому и начинают новый цикл движения, многократно взаимодействуя с полем резонаторов.

На первый взгляд может показаться, что области электронных скоплений, имеющие повышенную плотность заряда, должны по мере взаимодействия непрерывно тормозиться и, следовательно, выйти из синхронизма и рассеяться. В действительности, они не рассеиваются, а, наоборот, при нарастании колебаний в магнетроне делаются более плотными под действием радиальной составляющей переменного электрического поля.

При рассмотрении взаимодействия электронов с электромагнитным полем в многорезонаторном магнетроне пренебрежем действием объемного заряда.

В системе связанных между собой резонаторов могут происходить колебания многих типов с разными частотами. Поэтому не исключена возможность того, что электронный поток будет скачками возбуждать то один, то другой тип колебания и устойчивый режим работы магнетрона станет невозможным.

Чтобы сделать работу магнетрона устойчивой, применяют систему связок, которыми соединяют через один сегменты магнетрона. Благодаря связкам замыкаются накоротко и подавляются те типы колебаний, при которых соединенные между собой сегменты анодного блока имеют разные потенциалы. Наоборот, связки не действуют на тот тип колебаний, при котором соединенные ими сегменты имеют одинаковые потенциалы. Поэтому в магнетроне со связками преимущественно возбуждается такой тип колебаний, когда соседние резонаторы колеблются с одинаковыми амплитудами, но противоположными фазами, а поверхностные заряды на соседних сегментах обладают противоположной полярностью. Такой тип колебаний магнетрона принято называть по углу сдвига фаз между колебаниями соседних резонаторов колебаниями типа р или просто "р - колебаниями". В действительности в диапазоне сверхвысоких частот каждая связка обладает известным комплексным сопротивлением, благодаря чему она производит несколько более сложное действие, чем простое короткое замыкание. Однако качественно результирующий эффект, производимый связками, оказывается тем же: связки преимущественно выделяют "р - колебания" и ослабляют другие типы колебаний.

Еще раз рассмотрим многорезонаторный магнетрон плоской конструкции (рис. 2.8), который получается путем спрямления аналогичного цилиндрического магнетрона. На рисунке показано распределение поверхностного заряда и примерный ход электрических силовых линий высокочастотного поля в случае "р - колебаний", когда магнетрон возбуждается извне, а постоянное напряжение между катодом и анодом отсутствует. Из рис. 2.8 видно, что из-за краевых эффектов переменное поле из щелей проникает в пространство взаимодействия и возбуждает в нем высокочастотное поле, воздействующее на электроны.

распределение поверхностных зарядов и ход электрических силовых линий в плоском магнетроне при

Рисунок 2.8. Распределение поверхностных зарядов и ход электрических силовых линий в плоском магнетроне при "р - колебаниях".

Пунктиром качественно изображено переносное движение "работающего" электрона, достигающего анода. В областях а переносное движение электронов направлено к аноду, а в областях b - к катоду.

Для выяснения особенностей поля при "р - колебаниях" разобьем чертеж на рис. 2.8 на отдельные области, опустив перпендикуляры из середин сегментов на катод.

В точках, лежащих на перпендикулярах, электрическое поле имеет только поперечную слагающую Ey. Если перемещаться вдоль любой силовой линии, то при переходе через точку М, где ордината минимальна, поперечная слагающая поля обращается в нуль и меняет свой знак. На соседних перпендикулярах электрическое поле направлено в противоположные стороны. Очень важным обстоятельством является то, что во всех точках внутри каждой области продольная слагающая электрического поля Ex направлена только в одну сторону, а в соседних областях продольные слагающие поля направлены в противоположные стороны.

Очевидно, что волнам, распространяющимся в противоположные стороны, соответствуют скорости разных знаков. Интенсивность каждой из бегущих волн падает по мере приближения к катоду.

Рассмотрим механизм возбуждения многорезонаторного магнетрона. В таком магнетроне электроны находятся одновременно под действием постоянных Е0, В0 и высокочастотных полей E1 В1, причем В0 больше критического поля В1.

Предположим, что ось х направлена вдоль катода, а постоянные поле Е0 - против положительного направления оси у, направленной от катода к аноду, а магнитное поле В0 - против положительного направления оси z. Тогда при отсутствии высокочастотного поля электроны будут обладать переносным движением вдоль положительного направления оси х.

Когда магнетрон возбужден, то действием высокочастотного магнитного поля на электроны можно пренебречь по сравнению с действием электрического поля и достаточно рассмотреть движение электронов под действием постоянных полей Е0, Во и одного только переменного поля Е1.

Из рис. 2.8 видно, что в тех областях а, где продольная слагающая поля Ex направлена по движению наблюдателя, переносное движение электронов будет направлено только в сторону анода.

Наоборот, в тех областях b, где продольное поле Ex направлено в противоположную сторону, электроны будут двигаться к катоду. В этих областях большинство электронов после выхода из катода вновь возвращаются на катод.

Таким образом, благодаря возникновению продольного переменного поля Еx в зависимости от фазы вылета из катода электроны в магнетроне или перемещаются к аноду, или возвращаются назад на катод. Конечно, перед тем как осесть на аноде, электрон, вышедший из катода, может пройти через несколько областей поля, то приближаясь, то удаляясь от анода. Но последняя область обязательно будет той, в которой электрон тормозится продольным полем.

Сила, действующая на отрицательно заряженный электрон, направлена против электрического поля. Поэтому в тех областях а, где Ex параллельно оси х и электроны движутся к аноду, они испытывают со стороны продольного поля силу, тормозящую их переносное движение со скоростью w. Следовательно, возбуждают магнетрон те электроны, которые под действием переменного поля перемещаются от катода к аноду и создают ток во внешней цепи магнетрона. В других же областях b продольное поле Ex направлено в противоположную сторону, и оно ускоряет переносное движение. Поэтому электроны, возвращающиеся на катод, отнимают энергию от высокочастотного поля и передают ее катоду, дополнительно разогревая его.

На практике часто удается подобрать режим работы таким, что магнетрон продолжает работать при выключенном токе накала. В этом случае катод разогревается возвращающимися к нему электронами.

Магнетрон работает при постоянном магнитном поле, которое значительно больше критического, и электроны, когда нет колебаний, не попадают на анод. Однако как бы велико ни было постоянное магнитное поле, даже в случае очень слабых колебаний находятся электроны, попадающие на анод. Появление тока через многорезонаторный магнетрон является признаком того, что возникли колебания. Для магнетрона характерно, что исчезающе слабое переменное поле существенно изменяет траектории электронов, попадающих на анод, по сравнению со статическим режимом, при котором все электроны находятся вдали от анода и возвращаются на катод.

Электроны перемещаются по направлению к аноду в тех областях, где Ex положительно, и к катоду, где Ex отрицательно. Так как при прохождении через точку М на рис. 2.8 поперечное поле обращается в нуль и изменяет свой знак, то внутри рассматриваемой области поля электроны будут обладать тем большей переносной скоростью, чем ближе они находятся к левой границе области. Из-за этого благодаря конечному времени пребывания электронов в пространстве взаимодействия произойдет их группировка, ибо сильнее всего будут сноситься электроны, находящиеся вблизи левой границы области.

Таким образом, переменное электрическое поле способствует группировке электронов в пространстве взаимодействия и вызывает появление уплотнений в объемном заряде.

Для наблюдателя, покоящегося относительно магнетрона, объемный заряд будет представляться в виде отдельных сгустков-спиц, которые с переносной скоростью перемещаются вдоль магнетрона, возбуждая колебания в резонаторах. Образование сгустков-спиц в цилиндрическом магнетроне показано на рис. 2.9.

примерное распределение объемного заряда и электронных траекторий в работающем цилиндрическом многорезонаторном магнетроне при

Рисунок 2.9. Примерное распределение объемного заряда и электронных траекторий в работающем цилиндрическом многорезонаторном магнетроне при "р - колебаниях".

Похожие статьи




Картина явлений в многорезонаторном магнетроне - Многорезонаторный магнетрон

Предыдущая | Следующая