Магнетрон

Магнетрон (далее М) (от греч. magnetis — и электрон), в первоначальном и широком смысле слова — коаксиальный цилиндрический диод в поле, направленном по его оси; в электронной технике — генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин "М" был введен американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М в статическом режиме и предложил ряд конструкций М Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах l ³ 29 см) посредством М открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926—1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928—1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода — увеличение выходной мощности генерируемых колебаний — была решена в 1936—1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М А. Бонч-Бруевича. Они увеличили мощность М на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см), применив в качестве анода массивный блок, содержащий ряд резонаторов. М такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всем мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М В М применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М, у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М).

В 40—70-е годы в многорезонаторный М инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесен ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М, в основном для радиолокации. С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5—3 квт) и промышленных установках (мощностью 5—100 квт). В 1950—1970-е годы на основе многорезонаторного М был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Много типа приборы).

Распространение М вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек) — ротационные и вибрационные механизмы.

В простейшей конструкции многорезонаторного М (рис. 1) анодный блок представляет собой массивный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объемных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до /2 ( — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый p-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на p. Для стабильной работы М (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2, а), ее увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все четные, а другое все нечетные ламели анодного блока (рис. 2, б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (четные резонаторы имеют один размер, нечетные — другой) (рис. 2, в).

В многорезонаторном М на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод — катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

Типичные характеристики М приведены на рис. 3. М начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, "Журнал технической физики", 1940, т. 10, в. 15, с. 1297—1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Мы, пер. с англ., М, 1948; Бычков С. И., Мные генераторы, Л., 1948; Мы сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1—2, М, 1950—51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М, 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчета и конструирования многорезонаторных магнетронов, М, 1966.

В. Ф. Коваленко.

		Новости 22.12.2024 20:14:32

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.