Лекция: Устройство магнетрона

Учебные вопросы:

1 Состав и устройство магнетрона

2 Принцип действия и работа магнетрона

1 Состав и устройство магнетрона

Магнетроном называется электровакуумный прибор, в котором управление электронным потоком осуществляется при помощи двух постоянных полей: электрического и магнитного.

Устройство многорезонаторного магнетрона показано на рис. 5.66 и 5.67. Катод в большинстве случаев применяется оксидный, подогревной с большой поверхностью. Анод сделан в виде массивного медного блока кольцевой формы. Вакуумное пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия.

В толще анода имеется четное число, например восемь, резонаторов, состоящих из отверстия, соединенного щелью с пространством взаимодействия. Щель выполняет роль конденсатора. На ее поверхностях при колебаниях образуются переменные электрические заряды, между которыми возникает переменное электрическое поле. Индуктивностью резонатора является поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку, сделанному из ленточного проводника. Большая поверхность витка дает уменьшение активного сопротивления и индуктивности. В некоторых типах магнетронов резонаторы делаются в виде четвертьволновой резонансной линии, роль которой выполняет щель длиной в четверть волны.

Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, так как переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы. Кроме того, резонаторы соединяют друг с другом определенным образом с помощью проводов, называемых связками (см. рис. 5.67), Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения. С боковых сторон к аноду припаяны медные диски, которые вместе с анодом образуют баллон, необходимый для сохранения вакуума. Выводы от подогревателя сделаны в стеклянных трубках, спаянных с анодом. Катод подключен внутри магнетрона к одному из выводов подогревателя. Для вывода энергии колебаний в одном из резонаторов имеется виток связи, соединенный с коаксиальной линией. Ее вывод также делается с помощью стеклянной трубки. Благодаря сильной связи между резонаторами отбор энергии получается от всех резонаторов. Вместо коаксиальной линии на очень коротких волнах иногда применяют волновод, соединенный с резонатором через щель. Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод является корпусом магнетрона, то его обычно заземляют, а катод находится под высоким отрицательным потенциалом.

2 Принцип действия и работа магнетрона

Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые линии которого расположены радиально, как в диоде с цилиндрическими электродами. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное поле, созданное магнитом, между полюсами которого располагается магнетрон.

Рассмотрим сначала движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без щелей (рис. 5.68). Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь по силовым линиям, т. е. по радиусам, к аноду. Но магнитное поле, действующее перпендикулярно электрическому полю, искривляет их траектории.

Так как скорость электронов постепенно нарастает, то они летят не по дуге окружности, а по более сложной кривой. На рис. 5.68 показаны траектории электрона. вылетевшего из катода с ничтожно малой начальной скоростью при различной величине напряженности магнитного поля Н.

Если Н=0, то электрон летит по радиусу 1. При напряженности поля меньше некоторого критического значения Нкр электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая напряженность поля Нкр соответствует траектории 3, когда электрон пролетает у поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если Н> Нкр, то электрон летит по кривой 4. Магнетроны работают при напряженности поля несколько больше критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетали бы близко к поверхности анода. Так как движется очень большое количество электронов, то можно считать, что вокруг катода вращается электронное облако в виде кольца. Конечно, электроны не находятся в нем постоянно. Ранее вылетевшие электроны возвращаются на катод, а на их место вылетают новые электроны.

Скорость вращения электронного облака зависит от анодного напряжения. С увеличением этого напряжения электроны пролегают около анода с большей скоростью. При этом необходимо увеличивать и напряженность магнитного поля для того, чтобы электроны не попадали на анод. Так как все резонаторы сильно связаны друг с другом, то они в целом представляют собой сложную колебательную систему. Когда электронный поток впервые начинает вращаться около щелей резонаторов (например, при включении анодного напряжения), то в резонаторах появляются импульсы индукционного тока и возникают собственные затухающие колебания. Вращающийся с определенной скоростью электронный объемный заряд, образованный совместным действием постоянных электрического и магнитного полей, взаимодействует с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживает в них колебания. Процесс такого взаимодействия весьма сложен. В результате его вращающееся электронное облако из кольцевого превращается в своеобразное зубчатое (рис. 5.69).

При правильном режиме оно вращается с такой скоростью, что зубцы проходят мимо тех щелей, у которых в данный момент имеется тормозящее поле, а промежутки между зубцами, наоборот, проходят мимо щелей с ускоряющими полями. Поэтому в итоге получается значительная отдача энергии от электронного потока резонаторам.

Источником этой энергии является анодный источник. Помимо полезной энергии, конечно, получается и потеря энергии на разогрев катода и анода от электронной бомбардировки, так как часть электронов попадает на анод, а другая часть возвращается на катод. Коэффициент полезного действия магнетронов может быть до 70% и даже выше. Магнетроны строятся на мощности до нескольких тысяч киловатт при импульсной работе. Помимо магнетронов на одну фиксированную частоту, делаются также настраиваемые магнетроны, в которых изменяется собственная частота резонаторов. Для этой цели в отверстия резонаторов вводятся медные штырьки, которые уменьшают индуктивность, или в щели вводятся дополнительные металлические пластинки, увеличивающие емкость.