Принцип работы магнетрона, Общее устройство и принцип действия магнетрона - Многорезонаторный магнетрон

Общее устройство и принцип действия магнетрона

Магнетроном называется двухэлектродная лампа, в которой электроны движутся в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.

Вследствие действия постоянного магнитного поля, препятствующего попаданию электронов на анод, электроны движутся по сложным нерадиальным путям, и внутри магнетрона создается заметный объемный заряд.

Благодаря простоте конструкции магнетрон как источник колебаний сверхвысоких частот применяется во многих областях науки и техники, от радиолокации до пищевой промышленности.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту устройства многорезонаторных магнетронов, физические явления, наблюдаемые в них, чрезвычайно сложны и многообразны.

Устройство типичного многорезонаторного магнетрона показано схематически на рис. 2.1. Анодом магнетрона является сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.

Для связи магнетрона с внешней нагрузкой в одном из резонаторов установлена небольшая медная петля связи, которая одним концом припаяна к стенке резонатора, а другим присоединена к короткой коаксиальной линии, используемой для возбуждения прямоугольного волновода.

Рисунок 2.1. Схема устройства и включения магнетронного генератора.

1 - анодный блок, 2 - катод, 3 - резонатор типа "щель-отверстие", 4 - пространство взаимодействия, 5 - вывод энергии.

Для герметизации внутренней полости магнетрона на конце коаксиальной линии установлены перегородки из специального стекла. Выводимая с помощью петли связи высокочастотная энергия в дальнейшем передается нагрузке (например, антенне) по волноводу.

Постоянное магнитное поле B направлено вдоль оси прибора, т. е. перпендикулярно плоскости чертежа на второй проекции рис. 2.1. Постоянное или импульсное анодное напряжение Ua приложено между катодом и анодом и создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля.

В пространстве взаимодействия между катодом и анодом магнетронов происходят все процессы, которые должны присутствовать в любом электронном генераторе и усилителе СВЧ: Управление электронным потомком, образование сгустков и отдача энергии высокочастотному электрическому полю.

Перед рассмотрением принципа действия магнетрона, необходимо описать движение электронов в электрическом и магнитном поле в отсутствие резонаторной системы.

В магнетронах, так же как и в ряде других генераторов электрических колебаний, переносчиками энергии являются электроны. Двигаясь в постоянном электрическом поле, они увеличивают свою скорость и, следовательно, кинетическую энергию за счет энергии внешнего источника этого поля, а попадая в тормозящее переменное электрическое поле, передают ему часть своей кинетической энергии. В стационарном режиме передача электронами энергии внешнего источника постоянного тока переменному полю, связанному с колебательной системой генератора, осуществляется непрерывно: происходит непрерывное пополнение энергии, которая расходуется в колебательной системе генератора и во внешней нагрузке. Следует заметить, что в большинстве генераторов, в том числе и в магнетронах, процесс отбора энергии электронами от внешнего источника и процесс передачи электронами части своей кинетической энергии переменному полю колебательной системы протекают одновременно и в одних и тех же областях пространства взаимодействия. Раздельное рассмотрение этих двух процессов, к которому мы будем в дальнейшем прибегать, используется исключительно для упрощения.

Прежде чем изучать непосредственно многорезонаторные магнетроны, в которых используется эффективное взаимодействие электронного потока с постоянным и переменным электрическими полями в присутствии постоянного магнитного поля, выясним характер движения электронов в электрическом и магнитном полях и вы ведем некоторые простейшие количественные соотношения.

Предварительно рассмотрим движение электрона отдельно в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, а затем в обоих полях, действующих одновременно. Для упрощения будем полагать, что поля однородны, т. е. величина и направление в их одинаковы в различных точках пространства.

Предположим, что электрон e, находящийся в диоде в точке 1 (рис. 2.2а), под действием электрического поля начинает движение и через некоторое время достигает точки 2.

Рисунок 2.2. Движение электрона в постоянном электрическом поле:

А - в направлении сил, действующих со стороны поля; б - против сил, действующих со стороны поля.

Определим величину кинетической энергии, которую приобрел электрон, двигаясь в поле, создаваемом источником с напряжением U.

Энергия, приобретенная электроном при движении в постоянном электрическом поле равна

Где ц1 и ц2 - потенциалы точек, соответствующих начальному и конечному положению электрона. Если расстояние между электродами диода равно d, то приближенно можно считать, что напряженность электрического поля между электродами

В этом случае разность потенциалов между точками 2 и 1 равна

Где l - расстояние между точками 1 и 2.

Энергия, приобретенная электроном равна

Очевидно, что действие электрического поля на электрон проявляется в увеличении скорости его движения, и, следовательно, в увеличении кинетической энергии. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия, которую получил электрон от источника поля, равна кинетической энергии электрона, т. е.

Где m - масса электрона;

Н - скорость электрона в точке 2. Из последнего выражения можно определить скорость электрона в точке 2:

В процессе перемещения электрона между электродами диода во внешней цепи будет протекать ток I, направление которого показано на рис. 2.2а.

В рассмотренном случае электрон двигался в направлении сил действующих на него со стороны электрического поля, т. е. в ускоряющем поле, и увеличивал свою кинетическую энергию за счет энергии источника поля. При движении электрона в тормозящем поле он, наоборот, отдает часть своей кинетической энергии источнику поля.

Допустим, что в отверстие, сделанное в верхнем электроде диода, влетает электрон, имеющий скорость н рис. 2.2б. Очевидно, что двигаясь против сил, действующих на него со стороны поля, электрон будет тормозиться, в результате чего уменьшиться его кинетическая энергия, часть которой он передает источнику поля. Во внешней цепи диода при этом будет протекать ток, направление которого показано на рис. 2.2б. Если бы при этом источником внешнего поля U был аккумулятор, то он бы при движении электрона между электродами несколько подзаряжался.

Рассмотрим теперь движение электрона в постоянном магнитном поле. Остановимся на частном случае движения электрона, когда направление его скорости перпендикулярно направлению магнитного поля. Такое взаимное расположение векторов скорости электрона и магнитной индукции характерно для магнетронов.

Сила Лоренца Fл, действующая на электрон со стороны магнитного поля, для данного случая пропорциональна скорости электрона н и магнитной индукции B:

Учитывая, что заряд электрона отрицателен, направление силы F можно определить по правилу "правого винта (рис. 2.3а).

Для этого нужно мысленно поместить винт на прямой MP, перпендикулярной плоскости, в которой располагаются векторы B и н, и вращать его в направлении от вектора B к вектору н по кратчайшему расстоянию (в данном случае ввинчивать). Винт с правой нарезкой при этом будет перемещаться сверху вниз вдоль прямой MP, направление силы F будет совпадать с направлением перемещения винта.

Рисунок 2.3. Движение электрона в магнитном поле:

А - определение направления силы Fм; б - траектория движения электрона и действующие на него силы.

Сила F всегда направлена перпендикулярно скорости электрона, поэтому магнитное поле не изменяет величины скорости, а влияет только на ее направление. В рассматриваемом случае сила F перпендикулярна также и магнитному полю, поэтому траектория движения электрона лежит в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля.

На рис. 2.3б изображены траектория движения электрона и действующие на него силы: центробежная Fц и центростремительная Fм. Направление магнитного поля (от читателя за плоскость чертежа) условно показано крестиками.

Траекторией движения электрона является окружность, радиус которой можно определить из условия, что центробежная сила равна центростремительной:

Отсюда получим выражение для радиуса траектории:

Угловая частота вращения электрона по окружности, называемая циклотронной частотой, равна

Последнее выражение показывает, что циклотронная частота не зависит от скорости электрона н, а определяется величиной магнитной индукции.

Рассмотрев простейшие случаи движения электрона отдельно в электрическом и магнитных полях, перейдем к определению траекторий движения электронов в плоском диоде, помещенном в магнитное поле (рис. 2.4). Напряженность электрического поля, создаваемая источником с напряжением U равна E; магнитное поле с напряженностью H перпендикулярно плоскости чертежа (от читателя за плоскость чертежа).

В точке A находится электрон с начальной скоростью равной нулю. Под действием электрического поля, он начинает двигаться к аноду. Поскольку в начальный момент скорость электрона мала, то магнитное поле слабо действует на него. При увеличении скорости электрона усиливается в соответствии с законом Лоренца (2.7).

Под действием этой силы траектория движения электрона искривляется. Необходимо заметить, что при достаточно большой величине напряженности магнитного поля H электрон, пройдя точку B, не попадает на анод, а начнет двигаться против сил электрического поля, т. е. тормозиться. Поэтому в точку C на катоде он попадает с нулевой скоростью. После этого начинается следующий цикл его движения.

траектория электрона, движущегося между плоскими электродами в постоянных взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях

Рисунок 2.4. Траектория электрона, движущегося между плоскими электродами в постоянных взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях.

Траектория, по которой движется электрон в рассматриваемом случае, является циклоидой. Из механики известно, что такую кривую описывают точки круга, катящегося без скольжения по плоскости. Если воспользоваться этой аналогией, то можно считать, что траектория движения электрона соответствует траектории точки, находящейся на окружности круга радиусом, катящегося без скольжения с угловой скоростью. При этом центр круга перемещается со скоростью, которая соответствует средней переносной скорости движения электронов в направлении, параллельном катоду.

В цилиндрическом диоде, помещенном в магнитное поле, электроны движутся по эпициклоидам (рис. 2.5) - кривым, по которым перемещаются точки круга при качении его без скольжения вокруг другого круга (катода). Радиус образующего круга r, угловую частоту щ и переносную скорость нe можно приближенно определить на основании приведенных выше формул, приняв за напряженность электрического поля E напряженность в точках, распложенных на одинаковом расстоянии от анода и катода.

Рисунок 2.5. Примерные траектории движения электронов в магнитном поле

Напряженность магнитного поля, при которой электрон, двигаясь по эпициклоиде, достигает непосредственной близости анода, но не касается его, называется критической напряженностью.

Подбирая величину анодного напряжения, а, следовательно, и напряженность электрического поля E, можно установить такую среднюю переносную скорость электронного потока, что будет выполняться условие синхронизма между изменением полярности высокочастотного поля и движением электронного потока.

Будем считать, что один электрон вылетел из точки A катода. Если переменное поле отсутствует, то электрон будет двигаться по эпициклоиде AB'C'. Пусть на электрон действует тормозящее ВЧ электрическое поле, тогда, передавая часть своей энергии, электрон не сможет возвратиться на катод. При движении по кривой ABCD он полностью потеряет свою скорость в точке B, затем под действием сил электрического поля начнет новый цикл движения и т. д. В результате электрон попадет на анод.

Электроны, попадающие в ускоряющее ВЧ поле, увеличивают энергию за счет этого поля и возвращаются на катод. Избыток энергии, полученный электронами от ВЧ поля, выделяется в виде тепла или приводит к появлению вторичных электронов.

На рис. 2.6 показано влияние напряженности магнитного поля на траекторию движения электрона в цилиндрическом диоде и соответствующий этим состояниям ток, протекающий в диоде.

Рисунок 2.6. Зависимость анодного тока в диоде от величины напряженности магнитного поля

Для упрощения мы все время говорили о движении только одного электрона. В действительности в магнетронах, так же как и в других электронных приборах, движется огромное число электронов, образующих пространственный заряд. В частности, в цилиндрическом диоде при магнитной индукции выше критической, электронный поток представляет собой кольцо пространственного заряда движущегося вокруг катода.

Рассмотрев движение электронов в плоском и цилиндрическом диодах, можно сделать некоторые выводы.

1. В постоянных электрическом и магнитных полях электронный поток может двигаться вдоль катода (в плоском диоде) или вокруг него (в цилиндрическом диоде) со средней переносной скоростью. Этой величиной можно управлять, изменяя напряжение на аноде или магнитную индукцию. 2. В рассмотренных примерах магнитное поле используется для управления электронным потоком. Оно непосредственно не участвует в обмене энергии, а влияет только на взаимодействие электронного потока с электрическим полем. 3. Движущийся в цилиндрическом диоде электронный поток обладает определенным количеством кинетической энергии, которую он получает от внешнего источника анодного напряжения. Как будет показано ниже, при определенных условиях эту энергию можно преобразовать в высокочастотную энергию

Принцип работы магнетрона, Общее устройство и принцип действия магнетрона - Многорезонаторный магнетрон

Общее устройство и принцип действия магнетрона

Похожие статьи