Про магнетрони великої потужності
Магнетрони є найважливішими електронними приладами для генерації коливань НВЧ великої потужності. Вони застосовуються в передавачах станцій радіолокацій, в прискорювачах заряджених частинок, для високочастотного нагріву та в інших випадках. В результаті спільної дії електричного та магнітного полів на потоки електронів у магнетронах виникає генерація коливань високої частоти. В даний час широке поширення отрималирезонаторні магнетрони, ідея створення яких була висунута М. А. Бонч-Бруєвич, а перші зразки побудовані і випробувані Н. Ф. Алексєєвим і Д. Є. Маляровим.
Резонатори магнетрону у вигляді чвертьхвильових короткозамкнених ліній
Магнітний зв'язок між сусідніми резонаторами
Магнетрон із зовнішньою магнітною системою 1 - висновок НВЧ; 2-радіатор; 3 - магніт; 4 - виведення підігрівача
Вплив магнітного поля на рух електронів у магнетроні
Електронне «хмарка», що обертається, в магнетроні за відсутності коливань
Взаємодія електронів зі змінним електричним полем така, що з правильному режимі електронний потік віддає полю більше енергії, ніж відбирає від нього. Це саме і потрібно для перетворення коливань, що виникли в резонаторах, в незагасаючі. Передачі енергії від електронного потоку резонатори сприяють наступні явища.
Для електронів, що рухаються за годинниковою стрілкою (рис. 25.12) електричні поля резонаторів 1, 3, . - Прискорювальні, а поля резонаторів 2, 4, . - гальмують. Через півперіоду ці поля поміняються місцями. На малюнку показані траєкторії двох електронів. Електрон А потрапляє в поле, що прискорює, і відбирає енергію від резонатора, тобто.є «шкідливим» електроном, але він пролітає далеко від щілини резонатора і повертається на катод. За наявності одного постійного поля цей електрон летів би траєкторією, показаною штрихами. Але поле резонатора 1 посилює викривлення шляху електрона та збільшує його енергію: він долає дію постійного поля та повертається на катод. "Шкідливі" електрони бомбардують катод і збільшують його нагрівання. З цим явищем у магнетронах доводиться рахуватися. Щоб не було перекалу катода, під час роботи магнетрону зазвичай зменшують напругу розжарення. Крім того, поверхню катода необхідно робити міцнішою, щоб запобігти її руйнуванню ударами електронів.
Якщо в магнетроні правильно підібрана анодна напруга та магнітна індукція, то час прольоту «корисного» електрона від однієї щілини до іншої становить півперіоду. Такий електрон, наблизившись до щілини резонатора 3, знову опиниться в змінному полі, що гальмує, так як через півперіоду у цього резонатора прискорювальне поле зміниться на гальмує. Отже, електрон знову віддасть частину енергії резонатору і проведе ще менший шлях до катода. Зрештою, витративши значну частину енергії, електрон потрапляє на анод. Розглянута траєкторія «корисного» електрона, звісно, лише наближена.
"Корисні" електрони віддають резонаторам більше енергії, ніж віднімають її від резонаторів "шкідливі" електрони. Справді, «шкідливий» електрон забирає енергію лише в одного резонатора, причому цей електрон пролітає досить далеко від щілини, тобто у слабкому змінному полі. Він забирає невелику енергію. А «корисний» електрон віддає енергію двом резонаторам і пролітає ближче до їх щілин, тобто в сильнішому змінному полі.
Передачі енергії від електронів дорезонаторам сприяє модуляція електронного потоку, що нагадує модуляцію у дворезонаторному клістроні. Кожен попередній резонатор в магнетроні служить модулятором для електронної хмари, що обертається, а кожен наступний резонатор - уловлювачем. Однак процес модуляції тут складніший, ніж у клістроні. У дворезонаторному клістроні електронний потік, що рухається поступально, піддається швидкісній модуляції та розбивається на окремі згустки (групується). Останній процес відбувається у просторі дрейфу, де немає електричного і магнітного поля.
Електронне «хмарка», що обертається, в магнетроні при коливаннях в резонаторах
У магнетроні електронний потік, що обертається, також піддається дії змінного електричного поля даного резонатора і за рахунок цього здійснюється модуляція швидкості електронів. Але це поле не однорідне, як у клістроні. Тому воно змінює як швидкість, а й траєкторію руху електронів. Процес ускладнюється тим, що відбувається в постійному радіальному електричному полі, яке змінює швидкість електронів і спільно з постійним магнітним полем впливає на їх траєкторію.
В результаті швидкісної модуляції і зміни траєкторій електронів електронна «хмарка», що обертається, з кільцевої перетворюється на зубчасту. Воно нагадує колесо зі спицями, але без обода (рис. 25.13). Число електронних «спиць» дорівнює половині числа резонаторів. Звичайно, різких переходів від цих спиць до проміжків між ними немає. «Спіца» є згущенням електронного потоку в результаті швидкісної модуляції і через різні траєкторії «корисних» і «шкідливих» електронів. А між згущення є більш розріджені області.
Електронне «хмарка» при правильному режимі магнетрону обертається з такою швидкістю, що«спиці» проходять повз щілин у той момент, коли там існує поле, що гальмує. Проміжки між «спицями», навпаки, проходять через поля, що прискорюють. У результаті відбувається віддача електронною «хмаркою» енергії резонаторам та втрата енергії на розігрів катода та анода від електронного бомбардування. Уся ця енергія споживається від анодного джерела.
Існує наступна залежність між числом резонаторів N, магнітною індукцією і частотою генерованих коливань f:
де а - Коефіцієнт, що залежить від конструкції.
А магнітна індукція пов'язана з анодною напругою формулою
де b - Постійна величина.
З формул видно, що для більш високих частот потрібно мати більше резонаторів або збільшувати магнітну індукцію та анодну напругу.
Зазвичай магнітна індукція становить від 01 до 05 Тл. Для імпульсної роботи в дециметровому діапазоні магнетрони будують на потужність десятки тисяч кіловат, а сантиметровому — тисячі кіловат. У найпотужніших магнетронах анодна напруга в імпульсі сягає десятків кіловольт, а анодний струм - сотень ампер. Магнетрони для безперервного режиму мають потужність десятки кіловат на дециметрових хвилях і одиниці кіловат — на сантиметрових. У потужних магнетронах застосовується примусове, повітряне чи водяне охолодження; ККД потужних магнетронів може бути 70% і навіть вище при роботі в дециметровому діапазоні, сантиметровому діапазоні 30 - 60%.
Крім магнетронів на фіксовану частоту роблять магнетрони, що настроюються, в яких змінюється власна частота резонаторів. З цією метою для отримання більш коротких хвиль вводять в резонатори мідні циліндри, які зменшують індуктивність, а для більш довгих хвиль - металеві пластинки, що збільшують ємність. Такі методи даютьзміна частоти лише на 10—15%. Виконання подібних пристроїв представляє відомі труднощі, оскільки ці пристрої у вакуумі, а керуватися повинні ззовні.
Принцип влаштування коаксіального магнетрону
Електронна перебудова частоти магнетрону полягає в тому, що ця частота залежить від анодного струму. Зміна анодного струму на 1 А може дати зміну частоти кількох десятків мегагерц. Але в звичайних магнетронах така електронна настройка не набула широкого застосування.
Однак існує особливий тип магнетронів - магнетрони, що налаштовуються напругою (мітрони), в яких, змінюючи анодну напругу і анодний струм, можна отримати навіть дворазове зміна частоти. Конструкція їх дещо відрізняється від конструкції звичайних магнетронів. Особливість цих магнетронів у цьому, що анодний струм вони обмежений рахунок ослаблення емісії катода (недокала катода) і є зовнішній резонатор з низькою добротністю, т. е. з широкою смугою частот. У безперервному режимі роботи при зміні частоти вдвічі ці магнетрони дають вихідну потужність одиниці ват. А за менших змін частоти (5 — 20%) вони можуть давати потужність у десятки ват.
Звичайні магнетрони не мають досить високої стабільності частоти і фази. Значно стабільніші коливання π-виду можуть бути отримані в так званих коаксіальних магнетронах (рис. 25.14). У таких магнетронах зовні анодного блоку розташований об'ємний резонатор високої добротності. Цей зовнішній резонатор має власну частоту, рівну частоті коливань π -виду магнетрону, і пов'язаний з резонаторами анода за допомогою щілин, які не в кожному резонаторі, а через один. У цьому випадку у всіх резонаторах, пов'язаних із зовнішнім, виходятьколивання з однаковою фазою, а сусідніх резонаторах коливання будуть противофазными.
Для найбільш коротких сантиметрових хвиль зручний коаксіальний магнетрон, у якого катод і анод переставлені місцями. Катод виконаний у вигляді зовнішнього циліндра і з його внутрішньої поверхні емітуються електрони. Анод із резонаторами розташований усередині катода. А всередині анода знаходиться об'ємний високодобротний резонатор, що служить для стабілізації коливань і пов'язаний щілинами з резонаторами анодного блоку.
До нових типів магнетронних приладів належить ніготрон, який запропонував академік П. Л. Капіца. Ніготрон являє собою об'ємний циліндричний резонатор, уздовж осі якого діє постійне магнітне поле. Усередині цього резонатора розташовані коаксіально катод та анод, причому кожен з них зроблений у вигляді системи сегментів. Висока добротність основного резонатора забезпечує необхідну стабільність частоти коливань. На дециметрових хвилях при безперервному режимі роботи ніготрон може давати вихідну потужність 100 кВт і більше при ККД до 50%.