2 Принцип работы магнетрона
Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода.
В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения увеличивается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона уменьшается, центр окружности вращения смещается ближе к аноду, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне.
Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.
Резонаторная система принимает поток электронов, движущихся от катода к аноду, и одновременно отводит тепло. В резонаторной системе есть несколько частот, при которых на длине резонатора укладывается целое число стоячих волн от 1 до n/2 (n-число резонаторов). На определенной резонансной частоте и возникают СВЧ колебания.
Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.
В резонаторе на электроны, двигающиеся от катода к аноду, действуют три поля: постоянное электрическое, сообщающее кинетическую энергию электронам, постоянное магнитное поле, изменяющее траекторию их движения, и СВЧ поле, возникающее в резонаторах и проникающее через щели в промежуток катод-анод. При этом часть электронов, которые замедляются полем, отдают энергию, поддерживая колебания в резонаторе. В магнетроне процессы формирования, управления и преобразования энергии электронного потока происходят в одном пространстве взаимодействия, что осложняет анализ работы этого устройства.
Для стабильной работы магнетрона (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 магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).
На рисунке 6 приведена структура ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия вблизи одиночного резонатора (а) и по кругу всего анодного блока. Вектор напряженности поля можно разложить на радиальную и тангенциальную составляющие. При этом в пространстве взаимодействия возникает стоячая волна на определенной частоте, а резонаторный блок представляет собой замедляющую систему.
Рисунок 6 - Структура ВЧ электрического поля
Если средняя составляющая скорости электрона равна фазовой скорости СВЧ волны вдоль резонансной системы (условие синхронизма), то СВЧ поле группирует электроны, замедляя их и отбирая энергию, полученную от статического электрического поля. Траектория движения электрона в пространстве взаимодействия приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Траектория движения электрона в пространстве взаимодействия
Три электрона (А, Б и В) находятся в разных точках тормозящего ВЧ поля в пространстве взаимодействия и имеют различные скорости. Электрон А будет ускоряться радиальной составляющей ВЧ поля, а электрон В – замедляться. В результате оба они с разных сторон будут приближаться к электрону Б, находящемуся в плоскости, где радиальная составляющая электрического поля равна нулю. Таким образом, происходит группировка электронов по скорости, а отбор энергии электронного пучка осуществляется тангенциальной составляющей поля, что приводит к образованию в магнетроне электронных пучков, двигающихся от катода к аноду. Число таких пучков в два раза меньше числа резонаторов. На рисунке 8 показана огибающая этих пучков в фиксированный момент времени (траектории конкретных электронов показаны сплошными линиями).
Рисунок 8 - Огибающая электронных пучков в фиксированный момент времени
Весь пространственный заряд электронных пучков вращается вокруг катода синхронно с изменением ВЧ электрического поля. В моменты времени, когда электронные пучки подходят к щелям резонаторов, поле в них оказывается тормозящим, отбирающим энергию у электронов. В результате потенциальная энергия электронного потока, получаемая им от источника постоянного анодного напряжения, преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, генерируемых магнетроном.
В зависимости от режима работы различают магнетроны импульсного и непрерывного действия. К.п.д. магнетронов достигает 95%, рабочая частота от 0,5 до 100 ГГц, длительность импульсов колебаний 0,02-100 мкс, мощность прибора от нескольких Вт до десятков МВт.