6.3.3. Влияние пространственного заряда на работу магнетрона.

Магнетрон является прибором с высокой плотностью пространственного заряда, оказывающего значительное влияние на многие его характеристики. В рамках кинематической теории многие явления, наблюдающиеся в магнетроне, не находят объяснений и трактуются как «загадки» магнетрона. Анализ влияния пространственного заряда на работу магнетрона возможен только в рамках полномасштабного моделирования магнетрона с помощью интегрирования полных уравнений движения совместно с уравнением Пуассона. Сами методы решения таких задач недостаточно развиты и некоторые «загадки» магнетрона даже в настоящее время не находят разрешения с помощью численного моделирования.

Под сильным пространственным зарядом понимают заряд, плотность которого близка к критической плотности заряда

. (6.40)

где - скорость света, - абсолютная магнитная проницаемость. - это плотность заряда, при которой магнитное поле уже не может удерживать от разрушения электронные структуры за счет кулоновских сил отталкивания.

Магнетронный диод (МД). Его свойства при магнитном поле больше критического.

Экспериментальные исследования с помощью емкостного зонда, просверленного в анодном блоке (рис. 6.40) показали, что при наблюдаются азимутальные колебания пространственного заряда (ПЗ) и избыточные шумы.

Рис. 6.40.

Волны ПЗ, пробегая вблизи зонда, наводят в нем электрические токи, изменение которых во времени наблюдаются с помощью анализатора спектра.

В экспериментах при увеличении в таком МД тока эмиссии, начиная с нуля, сначала регистрировали регулярные колебания вблизи циклотронной частоты (см. рис.6.41).

Рис. 6.41.

Но вскоре произошло скачкообразное изменение процессов, которое привело к появлению регулярных колебаний на частотах, кратных частоте , которая на порядок меньше циклотронной частоты . Большое число гармоник указывает на то, что вокруг катода с частотой вращается уединенная волна (см. рис.6.40), азимутальный размер которой много меньше, чем . При увеличении тока эмиссии частота монотонно снижается, стремясь к насыщению. Вблизи каждой гармоники возникают частоты биений, свидетельствующие о появлении других уединенных волн. Спектр колебаний дискретен (см. рис.6.42а), что говорит о регулярности процессов. Электростатическое взаимодействие волн, бегущих с разными скоростями, сопровождается взаимными возмущениями, особенно сильными, когда одна волна догоняет другую. Эти возмущения снижают устойчивость регулярных процессов, и наступает момент, когда все процессы скачкообразно становятся хаотическими. При этом спектральные линии колебаний расширяются (см. рис.6.42б), достигая десятков мегагерц, а в анодном токе возникает равномерный избыточный шум, спектральная интенсивность которого на 6-7 порядков больше, чем у дробового шума.

Рис.6.42. Спектры колебаний ПЗ в МД.

Вверху: спектр гармоник (см. рис.6.41) при токе эмиссии .

Посередине: спектр тех же гармоник при токе эмиссии .

Внизу: спектр тех же гармоник в хаотическом режиме при токе эмиссии .

Как показывает теоретический анализ, появление таких волн достигающих анода приводит к появлению значительного тока анода при .

Возбуждение магнетрона.

В цилиндрическом магнетроне электрическое поле зависит от радиуса (6.29).

Поэтому точный синхронизм между волной и электронами во всем пространстве между катодом и анодом невозможен, он реализуется только на окружности с синхронным радиусом г. Отсутствие повсеместного синхронизма электронов и волны приводит к тому, что, например, при соотношении г_а/г_к = 1,5 (г_а и r_к — соответственно радиусы анода и катода) образование спиц невозможно при амплитуде сверхвысокочастотного поля, всего на порядок меньшей максимальной амплитуды, соответствующей стационарной генерации. Эти аналитические результаты подтверждаются расчётами на ЭВМ: волна достаточно малой амплитуды, «выпущенная» в пространство взаимодействия цилиндрического магнетрона, неспособна (как бы ни варьировать ее частоту и угловую скорость) сформировать спицы и заметно увеличить свою амплитуду за счет энергии электронов.

Вышесказанное справедливо для теории магнетрона без учета пространственного заряда. Видно, что эта теория неспособна описать процесс самовозбуждения магнетронных генераторов, поскольку самовозбуждение должно начинаться с таких полей, которые неспособны сформировать спицы, характерные для режима стационарной генерации. То обстоятельство, что магнетронные генераторы все же легко самовозбуждаются, объясняется действием пространственного заряда. Это действие достаточно сложно, но без него самовозбуждения нет.

Современные представления о наличии волн пространственного заряда дает качественный ответ на эту загадку. Самовозбуждение магнетрона возникает благодаря синхронизации двух вращающихся волн — волн пространственного заряда и волны в резонансной системе. Обе волны имеют зависимость от угла и времени, и обе вращаются как «твердые тела». Пока амплитуда колебаний в резонаторе мала, распределение поля близко к распределению поля волны пространственного заряда, и, в частности, электроны начинают свое движение к аноду, стремясь образовать расширяющиеся спицы . По мере нарастания амплитуды резонансного колебания оно во все большей степени определяет распределение поля и движение частиц. После того, как амплитуда синхронной волны приблизится к максимальной амплитуде, т. е. амплитуде волны при стационарной генерации, роль пространственного заряда ослабевает. При высокой добротности резонатора и малом токе эмиссии может оказаться, что поле пространственного заряда вообще несущественно и лишь слегка возмущает движение электронов; так может быть, например, в генераторах малой мощности непрерывного действия.