Особенности построения и работы магнетронов и амплитронов

Приборы магнетронного типа исторически были первыми устройствами, с помощью которых были получены колебания в сантиметровом диапазоне длин волн сравнительно большой мощности.

Отличительной особенностью приборов магнетронного типа, выделяющихся их из всех остальных сверхвысокочастотных (СВЧ) генераторных приборов, является весьма высокий электронный КПД, достигающий в отдельных случаях 80- 90%. Это объясняется тем, что в приборах магнетронного типа электроны, кроме кинетической, обладают запасом потенциальной энергии, в результате расхода которой скорость электронных сгустков поддерживается постоянной в течение всего процесса передачи энергии СВЧ- полю. А в клистронах, ЛБВ, энергия электронного потока в области взаимодействия с СВЧ- полем определяется лишь кинетической энергией электронов, зависящей от скорости электронов после прохождения постоянного ускоряющего поля.

3.10. Назначение, устройство и принципработы магнетронного генератора

а) Назначение и устройство

Магнетрон входит в состав магнетронного генератора и является электровакуумным прибором, предназначенным для генерирования мощных электромагнитных колебаний в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

Магнетронный генератор состоит из магнетрона, магнита и источника питания.

В отличие от обычных генераторов, в которых управление электронным потоком осуществляется изменением только электрического поля в генераторной лампе, в магнетроне для управления электронным потоком, кроме того, используется постоянное магнитное поле, создаваемое внешним магнитом.

Современные многорезонаторные магнетроны позволяют получать высокие мощности колебаний СВЧ при высоком КПД. На частоте порядка 3000 МГц импульсная мощность генераторов на магнетроне достигает нескольких МВт, а КПД- 50-70 %. Поэтому магнетроны нашли широкое применение в передатчиках, в частности, в передатчиках радиолокационных станций различного назначения.

В настоящее время применяются исключительно многорезонаторные магнетроны, появление которых произвело переворот в технике генерирования мощных колебаний СВЧ.

Можно без преувеличения сказать, что бурное развитие и внедрение радиолокационных методов в различные области современной техники в значительной мере связано с созданием многорезонаторных магнетронов, позволивших успешно разрешить одну из труднейших проблем - получение мощных колебаний в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

С созданием магнетронов мощностью до нескольких МВт в импульсе появились РЛС дальнего и сверхдальнего обнаружения (Добн.=2500 км и более), построены передатчики, применяемые в астрономии для локации планет, а также в ускорителях элементарных частиц.

Идея создания таких магнетронов была впервые предложена М.А. Бонч-Бруевичем, а первые конструкции разработали советские инженеры Н.А. Алексеев и Д.Е. Маляров в 1938- 1939 гг.

Типичная конструкция многорезонаторного магнетрона показана на рис. 1.60, где:

1- катод;

2- анодный блок;

3- резонатор;

4- выводы накала;

5- ребра охлаждения;

6- петля связи;

7- высокочастотный вывод.

Рис 3.18. Конструкция многорезонаторного магнетрона

В качестве колебательной системы используется ряд объемных резонаторов, которые располагаются по окружности анода, образуя анодный блок, закрытый с обеих сторон крышками. Воздух из магнетрона тщательно выкачан.

Наиболее широкое применение получила колебательная система, состоящая из цилиндрических резонаторов, сообщающихся с внутренней полостью посредством прямоугольных щелей.

Такая конструкция наиболее проста в производстве, хотя добротность её несколько хуже колебательной системы с резонаторами лопаточного типа (рис.3.19.), которая обычно применяется в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Резонаторные системы дециметрового диапазона имеют обычно 8-12 резонаторов, сантиметрового - от 12 до 18, миллиметрового – до 40 резонаторов.

Эквивалентная схема колебательной системы магнетрона показана на рис. 3.20. Из рисунка видно, что колебательная система состоит из сильно связанных между собой резонаторов. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одному колебательному контуру, состоящему из «Lk» и «Ck». Щель при этом выполняет роль конденсатора «Ck». На её поверхностях при колебаниях образуются переменные электрические заряды, между которыми возникает переменное электрическое поле.

Рис 3.19. Резонатор лопаточного типа

Рис 3.20. Эквивалентная схема колебательной системы магнетрона

Индуктивностью резонатора «Lk» является поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку, сделанному из ленточного проводника. Большая поверхность витка уменьшает активное сопротивление.

Между отдельными резонаторами колебательной системы существует сложная связь: резонаторы связаны через емкости Ск- между сегментами анодного блока и катодом; общим магнитным потоком, охватывающим смежные резонаторы и, как мы увидим в дальнейшем, кроме того, общим электронным потоком (рис. 3.20.).

На рисунке 3.18. показаны и другие элементы магнетрона. В центре блока находится катод, поддерживаемый выводами подогревателя, которые вмонтированы в стеклянные трубки, впаянные в анодный блок с целью сохранения вакуума.

Рис 3.21. Электронный поток, охватывающий смежные резонаторы

Катод в большинстве случаев применяется оксидный, с подогревом, с большой поверхностью и имеет форму цилиндра. На концах катода установлены торцевые диски, улучшающие структуру электрического поля в пространстве между катодом и анодом (в пространстве взаимодействия, где, происходит обмен энергией между переменным электрическим полем резонаторов и электронным потоком).

Для вывода высокочастотной энергии, генерируемой магнетроном, в одном из резонаторов, имеется петля связи. Наличие сильной связи между резонаторами позволяет располагать петлю в любом из резонаторов. При этом отбор энергии будет осуществляться от всей колебательной системы в целом.

Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод является корпусом магнетрона, то его обычно заземляют (удобно в эксплуатации), а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения.

Во время работы магнетрон помещается в сильное магнитное поле, силовые линии которого должны быть направлены вдоль оси катода, т.е. они перпендикулярны электрическим силовым линиям.

Магнитное поле создается обычно постоянным магнитом, между полюсами которого устанавливается магнетрон

У перестраиваемых магнетронов должен быть еще и узел перестройки частоты.

б)Движение электронов в магнетроне

Прежде чем рассматривать принцип работы многорезонаторного магнетрона, рассмотрим взаимодействие электрического и магнитного полей на траектории полета электронов между катодом и анодом.

Пусть к электродам магнетрона приложено определенное анодное напряжение, а магнитное поле отсутствует (Н=0). В идеальном случае электроны, испускаемые катодом, будут двигаться по радиусам от катода к аноду под действием электрического поля, Fэ = - e (1) действующей противоположно направлению вектора напряженности электрического поля , т.е. от катода к аноду (рис. 3.22.). В цепи анода будет протекать ток, определяемый током эмиссии катода. При появлении небольшого магнитного поля (Н<Нкр), направленного за плоскость чертежа, траектория движения электрона искривляется под действием силы Лоренца , но анодный ток при этом не меняется (рис. 3.22.).

, (3.2)

· сила, действующая на электрон;

· е- заряд электрона;

· - скорость электрона;

· - вектор напряженности магнитного поля.

Направление силы можно определить, пользуясь правилом левой руки. При этом электроны будут отклоняться в направлении хода часовой стрелки.

Рис 3.33. Схема движения электронов между катодом и анодом в зависимости от интенсивности магнитного поля

При увеличении напряженности магнитного поля траектория движения электронов все более будет искривляться. Сила всегда направлена перпендикулярно скорости электрона, поэтому магнитное поле не изменяет величины скорости, а изменяет только направление движения электронов, поэтому оно не может изменять запас энергии, которой обладает электрон. Обмениваться энергией электрон может только с электрическим полем. Наконец, при некотором критическом значении напряженности магнитного поля Нкр наступает такой момент, когда траектория движения электрона будет представлять касательную к внутренней поверхности анода. В этом случае электроны лишь коснутся анода и пойдут обратно к катоду. Анодный ток при этом мгновенно падает почти до нуля. Только некоторые электроны, вылетающие с катода с большой начальной скоростью, долетают до анода, создавая тем самым небольшой анодный ток. При дальнейшем увеличении напряженности поля (Н>Hкр) вершины траекторий движения электронов находятся на некотором расстоянии от анода, и анодный ток равен нулю. Именно такой режим и устанавливается в магнетроне.

В качестве примера рассмотрим траекторию движения электронов в плоском диоде в таком режиме (рис. 3.34)

Рис 3.34.Траектория движения электронов в плоском диоде

Магнитное поле с индукцией направлено в плоскость чертежа перпендикулярно к ней. На всем протяжении движения электрона сила электрического поля Fэ остается постоянной, как по величине, так и по направлению.

В начальный момент, когда скорость электрона еще мала и сила магнитного поля , как видно из формулы (2), также незначительна, электрон двигается, главным образом, под действием электрического поля и практически можно считать, что его скорость направлена вдоль оси Oz. С увеличением скорости возрастает сила действия магнитного поля, которая направлена перпендикулярно к вектору скорости и стремится отклонить электрон от прямолинейного движения. Скорость приобретает составляющую, направленную вдоль оси Ох, и траектория движения становится криволинейной. На рис. (рис 3.34) изображены силы, действующие на электрон и направления скоростей для нескольких моментов времени. Из (рис.3.34) видно, что при движении от точки «О» до точки «А», скорость электрона непрерывно возрастает под воздействием силы Fэ, которая на этом участке траектории имеет составляющую, совпадающую с направлением скорости.

После точки «А», когда электрон движется от анода к катоду, скорость его начинает уменьшаться под действием теперь уже тормозящей силы Fэ. На катод электрон возвращается с ничтожно малой скоростью. Траектория, по которой движется электрон в рассматриваемом случае, называется циклоидой.

Из механики известно, что такую кривую описывает точка круга, катящегося без скольжения по плоскости. Радиус круга R и угловую скорость перемещения v можно определить, составив дифференциальное уравнение движения электрона (без вывода):

.

При этом центр круга перемещается со скоростью , которая соответствует средней переносной скорости движения электронов в направлении, параллельном катоду.

В магнетроне катод имеет цилиндрическую форму, поэтому траектория движения электрона будет представлять собой эпициклоиду (рис.3.35.).

Рис.3.35.Траектория движения электрона в магнетроне

Для упрощения мы всегда говорили о движении только одного электрона. В действительности, в магнетронах движется огромное количество электронов, образующих пространственный заряд.

В частности, в цилиндрическом диоде при Н>Hкр электронный поток представляет кольцо пространственного заряда, движущееся вокруг катода с переносной скоростью . Рассмотрев движение электрона при наличии постоянных электрического и магнитного полей, можно сделать следующие выводы:

1. Величину средней переносной скорости электронного потока, движущегося вокруг катода магнетрона, можно менять, изменяя напряжение на аноде или напряженность магнитного поля;

2. Движущийся электронный поток обладает определенным количеством кинетической энергии , которую он получает от внешнего источника анодного напряжения. При определенных условиях эту энергию можно преобразовать в высокочастотную.

3. Постоянное магнитное поле не изменяет количества энергии электронов, оно влияет на форму траектории электрона и обычно используется для управления электронным потоком.

в) Принцип действия магнетрона

Работа магнетрона основана на взаимодействии электронного потока с объемными резонаторами в момент, когда электроны пролетают над щелью резонатора. Рассмотрим это подробнее.

При включении анодного напряжения электроны начнут пролетать над щелями объемных резонаторов и будут возбуждать в них свободные колебания. Физически механизм возникновения начальных колебаний можно представить так (рис. 3.36.):

Рис 3.36. Элемент объёмного резонатора

Свободные электроны, имеющиеся на стенке 1, будут отталкиваться от приближающихся электронов и переходить на стенку 2. На стенке 1 получится положительный заряд, а на стенке 2 – отрицательный. При этом емкость объемного контура как-то зарядится. После этого начнется разряд емкости и в контуре возникнут свободные колебания, частота которых определяется распределенными параметрами L и С резонатора. Как только колебания возникнут в одном резонаторе, они сейчас же возникнут и во всех остальных, так как все резонаторы сильно связаны между собой пронизывающими магнитными и электрическими полями (рис 3.37.). При этом колебания в двух соседних резонаторах будут сдвинуты по фазе на 180° (так называемые колебания типа «p», о которых будет сказано ниже). Это означает, что в каждый момент времени токи в соседних резонаторах будут иметь противоположные направления, и, если в одном резонаторе правая стенка щели в данный момент времени заряжена положительно, то в соседнем –отрицательно (в дальнейшем мы увидим, что это не единственно возможный вид колебаний в магнетроне). На выступах одного блока образуются электрические заряды чередующихся знаков, а между стенками щелей возникает высокочастотное электрическое поле (рис 3.37.).

Рис 3.37.Схема электрических полей в магнитном резонаторе

Из рис.3.37. видно, что в любой момент времени высокочастотное поле одних резонаторов является для пролетающих под ними электронов ускоряющим, а для других- тормозящим. Если продолжить движение электронов по часовой стрелке, то щели 1, 3, 5, 7 будут ускоряющими, а щели 2, 4, 6 и 8 – тормозящими. Через полпериода картина изменится. Из общего количества электронов, вылетающих в каждый момент времени из катода, половина попадает под тормозящие щели и оказывается полезной, а половина - под ускоряющие щели и оказывается вредной.

Поскольку движется очень большое количество электронов, то можно считать, что вокруг катода вращается электронное облако, образующее объемный отрицательный заряд, в виде кольца, скорость которого зависит от совместного действия постоянных электрического и магнитного полей.

Вращающийся с определенной переносной скоростью электронный поток будет взаимодействовать с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживать в них высокочастотные колебания за счет отдачи им энергии электронов. Очевидно, что сплошной электронный поток не может поддерживать возникшие в резонаторах магнетрона колебания. Действительно, если бы в работающем магнетроне пространственный заряд был бы распределен равномерно, то количество энергии, передаваемое электронами при их движении в тормозящем поле резонаторе, было бы равно количеству энергии, получаемой другими электронами, находящимися в данный момент в ускоряющем поле резонатора. Суммарная же энергия электронного потока при этом равнялась бы нулю, и такой электронный поток не смог бы восполнять энергию, расходуемую в колебательной системе резонаторов, и возникшие колебания прекратились бы.

Теперь становится ясным принцип поддерживания незатухающих колебаний в магнетроне - электроны должны группироваться так, чтобы при своем движении они смогли пролетать под резонаторами в момент времени, когда переменное электрическое поле этих резонаторов было бы тормозящим.

Процесс группирования электронов происходит в магнетроне автоматически в результате взаимодействия электронов с переменным электрическим полем резонаторов. Рассмотрим это подробнее.

Предположим, что электронный поток равномерно распределен по окружности магнетрона с одинаковой плотностью и пусть в данный момент электроны, вылетая с катода, попадают в тормозящее поле резонатора 1. На рис. 3.40. это условие показано в виде трех групп электронов, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Переменное электрическое поле Е_~ в каждой точке пространства взаимодействия можно разложить на две составляющие: тангенциальную составляющую Et, направленную по касательной к окружности, проходящей через данную точку с центром на оси анодного блока; и радиальную составляющую Er, направленную по радиусу.

Рис.3.40.Схема электрического поля и движения электронов в резонаторе

Для группы электронов 1 радиальная составляющая переменного поля Er в данный момент времени совпадает с напряженностью постоянного электрического поля E₌, что приводит к увеличению средней переносной скорости движения электронов. Для группы электронов 3 радиальная составляющая переменного электрического поля Er направлена против вектора E₌, в результате чего результирующая составляющая переменного поля (радиального) уменьшается, а, следовательно, уменьшается переносная скорость электронов. В плоскости “АВ” радиальная составляющая переменного электрического поля Е равна нулю, поэтому группа электронов 2 своей скорости не меняет. В результате этого группа электронов 1 движется с большей скоростью и постепенно догоняет группу 2, а группа электронов 3 движется медленнее группы 2 и постепенно сливается с ней. В результате таких изменений скоростей электронов под действием радиальной составляющей переменного электрического поля будет происходить их сближение, т.е. их формирование в электронные потоки, которые по форме напоминают спицы колеса и потому получивших название электронных спиц. Число спиц зависит от вида колебаний. Для колебаний типа “p” это число равно , т.е. в два раза меньше числа резонаторов. Вся картина распределения электронов примет вид, показанный на рис.3.41.

Группирование электронов происходит под действием тангенциальной и радиальной составляющих переменного электрического поля.

Рис 3.41. Группирование электронов в магнитном резонаторе

Действительно, под действием тангенциальной составляющей Et электроны, находящиеся в тормозящем поле резонатора 1 (рис.3.40) будут уменьшать свою скорость (так называемые полезные электроны), а электроны, находящиеся под резонаторами 2 и 8 (рис.3.40) увеличивают ее, и, получив добавочную скорость, возвращаются на катод (это так называемые вредные электроны, подробнее о них будет сказано ниже). В результате этого в сплошном электронном потоке автоматически образуются области сгущения и разряжения электронов, т.е. происходит первичная (и основная) сортировка электронов. Под действием радиальной составляющей происходит дополнительная, так называемая фазовая фокусировка электронов, находящихся в тормозящем переменном электрическом поле резонатора 1 (рис.3.40).Под действием тангенциальной составляющей будет происходить торможение электронов, благодаря чему электрическое поле резонатора будет пополняться энергией и в резонаторе будут поддерживаться незатухающие колебания. При дальнейшем движении электронный поток будет пополнять энергией колебательную систему лишь в том случае, если спицы будут достигать соседних резонаторов, когда поле этих резонаторов будет тормозящим. Очевидно, для этого требуется соответствующий выбор переносной скорости электронов n_е. Необходимая величина переносной скорости зависит от периода генерируемых колебаний, сдвига фаз в соседних резонаторах и расстояния между соседними резонаторами. Для противофазного вида колебаний, основного вида колебаний в современных магнетронах, электронные спицы должны проходить расстояние от одного резонатора до соседнего с ним за время, равное половине периода генерируемых колебаний (). Это и есть условие синхронизма, или фазовое условие самовозбуждения магнетрона. Условие синхронизма осуществляется необходимым подбором величин электрического и магнитного полей в магнетроне. Так как магнит у магнетрона обычно постоянный, то регулировка эта осуществляется только изменением анодного напряжения.

Следует еще раз заметить, что отмеченное группирование будет происходить лишь под резонаторами, где переменное поле оказывает тормозящее действие (под резонаторами 8 и 2) (рис.3.40), а где поле ускоряющее, радиальная составляющая вызовет обратный эффект, т.е. электроны как бы разбегаются к соседним резонаторам 1, 7 и 3. Такие электроны отбирают энергию от резонатора и называются вредными.

Рис.3.42.Траектории электронов в электронных спицах

Получив добавочную энергию от поля, эта группа электронов увеличивает свою тангенциальную составляющую скорости и возвращаются на катод, отдавая ему неиспользованную кинетическую энергию. При этом катод дополнительно подогревается за счет энергии переменного поля. С этим явлением в магнетронах приходится считаться. Поэтому в некоторых типах магнетронов напряжение накала, после предварительного разогрева катода и подачи анодного напряжения, уменьшают, а иногда и вовсе выключают его.

Интересно рассмотреть траектории электронов в самих электронных спицах (рис 3.42). Электроны группы 1, попадающие в тормозящее поле резонатора 1, называют полезными электронами. Такие электроны, испытывая тормозящее действие тангенциальной составляющей переменного поля, передают свою кинетическую энергию полю и потому не могут опять возвратиться на катод. Описав петлю эпициклоиды и предав часть своей энергии переменному электрическому полю резонатора 1, они останавливаются в точке «б». От катода до точки «б» электроны группы 1 двигались в течение половины периода, поэтому вторую петлю, начинающуюся в точке «б», они совершают в тормозящем поле второго резонатора, третью - в тормозящем поле третьего резонатора и т.д. до тех пор, пока не упадут на анод. При этом каждый резонатор получает от этой группы электронов энергию , где - разность потенциалов начальной и конечной точек петли. У второго резонатора к электронам группы 1 добавляются полезные электроны группы 2, у третьего – группы 3 и т.д. таким образом, против щелей с тормозящим полем заряд накапливается и вытягивается от катода к аноду, образуя электронную спицу (рис.3.43.).

Вывод: таким образом, переменное электрическое поле как бы сортирует электроны на полезные и вредные. Вредные электроны быстро удаляются из пространства взаимодействия обратно на катод, отбирая при этом часть энергии у резонаторов. Полезные же электроны отдают резонаторам больше энергии, чем отнимают вредные, так как полезные электроны находятся в пространстве взаимодействия значительно дольше, поддерживая тем самым возникшие колебания в магнетроне незатухающими.

Рис.3.43. Электронная спица

Основными характеристиками магнетрона, обеспечивающими технически грамотную эксплуатацию, являются:

1. Рабочие характеристики, определяющие связь выходной мощности “Р” и КПД h от напряжения на магнетроне Ua, анодного тока Ia, и величины магнитного поля «В» при постоянной согласованной внешней нагрузке;

2. Нагрузочные характеристики, определяющие зависимость выходной мощности и генерируемой частоты от внешней нагрузки при постоянной величине Ia (рассматриваться не будут, т. к. это выходит за пределы данного пособия);

3. Выходная мощность в импульсе Pвых может колебаться от единиц ватт до десятков мегаватт;

4. Длительность генерируемого импульса t_и колеблется в пределах от десятых долей микросекунды до нескольких микросекунд;

5. Частота генерируемых колебаний – обычно магнетрон генерирует колебания в диапазоне 300- 300000 МГц;

6. Частота повторения- 50¸15000 ;

7. КПД магнетронного генератора –колеблется в пределах 30¸70%;

8. Анодное напряжение - единицы- десятки кВ;

9. Анодный ток - от единиц до сотен ампер.

Дата добавления: 2015-05-09