2.5.8 Магнетронные генераторы

Многорезонаторный магнетрон является широко распростра­ненным генератором колебаний в сантиметровом диапазоне волн как в радиолокации, так и в других областях техники. В настоя­щее время мощность импульсных магнетронов достигает не­скольких десятков мегаватт при достаточно высоком КПД (50—60%) Устройство многорезонаторного магнетрона упрощенно изображено на рис. 2.50, а.

В центре магнетрона расположен массивный катод 1, который окружен цилиндрическим анодным блоком 2 с отверстиями — объемными резонаторами 3. Число резонаторов всегда четное, а форма их может быть различной (рис. 2.50, б, в, г).

Высокочастотная энергия выводится из магнетрона с помощью петли связи 4, помещаемой в одном из резонаторов, или щели, переходящей в волноводный выход. Выводы от нити накала 5 и петли связи 4 проходят через стеклянные перегородки, обеспе­чивающие сохранение вакуума внутри магнетрона. Магнетрон помещается между полюсами постоянного магнита или электро магнита. Силовые линии магнитного поля проходят параллельно оси катода.

Для лучшего охлаждения наружная поверхность анодного блока делается ребристой. Анод магнетрона заземляется, а к ка­тоду подводится большое отрицательное напряжение.

Работа многорезонаторного магнетрона основана на взаимо­действии вращающегося электронного потока с переменным электрическим полем резонаторов, в результате которого элект­ронный поток тормозится и отдает энергию резонаторам, поддер­живая в них незатухающие колебания.

Электроны, вылетевшие из катода, под воздействием магнит­ного поля постоянного магнита образуют вращающийся электрон­ный поток (рис. 2.51,а). Под влиянием постоянного электриче­ского поля, обусловленного напряжением источника анодного пи­тания, электроны движутся в сторону анода по прямой 1, Магнит­ное поле искривляет траекторию их движения (кривая 2). Искривление, траектории электронов тем больше, чем больше напряженность магнитного поля.

При напряженности магнитного поля больше критического значения электроны, не достигая анода, возвращаются на катод (кривая 4). Затем электрон снова уходит от катода, описывая все новые и новые петли своей траектории. При непрерывном эмиттировании электронов всей поверхностью катода образуется поток электронов, вращающихся вокруг катода со скоростью, за­висящей от напряженности электрического и магнитного полей.

После включения питания магнетрона в его объемных резонаторах возникают колебания, частота которых определяется емкостью и индуктивностью резонаторов.

Чтобы колебания не затухали, необходимо в такт этим коле­баниям пополнять энергию в резонаторе, расходуемую в виде активных потерь. Для пояснения этого процесса рассмотрим ре­жим работы магнетрона, при котором колебания в соседних резо­наторах находятся в противофазе (рис. 2.51,б).

Переменное электрическое поле, возникшее при включении питания у щелей резонаторов, будет увеличивать или уменьшать скорость электронов, двигающихся вокруг катода. Напряженность переменного электрического поля у щелей резонатора в любое мгновение можно представить как сумму составляющих: радиаль­ной E_р и тангенциальной Е_т. Радиальная составляющая электри­ческого поля направлена по радиусу от анода к катоду, а тан­генциальная составляющая перпендикулярна к ней. За счет вза­имодействия электронов с тангенциальной составляющей электри­ческого поля происходит пополнение энергии высокочастотных колебаний в резонаторах, а за счет взаимодействия с радиальной составляющей происходит фазовая фокусировка, т. е. группирова­ние их по плотности в виде сгустков.

На рис. 2.51,б приведено электрическое поле в трех соседних резонаторах в тот момент, когда оно максимально. Направление перемещения электронов мимо щелей резонаторов показано стрелкой. Фокусирующее действие радиальной составляющей поля E_р рассмотрим на примере трех электронов, находящихся в тормозящем поле резонатора (рис. 2.51,в).

Переносная скорость электрона 2, находящегося в максимуме тормозящего поля, определяется напряженностью постоянного электрического поля анода Е (посредине щели E_р=0). У элект­рона 1 переносная скорость будет больше, чем у электрона 2, так как к напряженности постоянного электрического поля Е, действующего на этот электрон, добавляется радиальная состав­ляющая высокочастотного поля Е_т. В результате электрон 1 будет приближаться к электрону 2.

Скорость электрона 3 уменьшается, поскольку действующая на. него радиальная составляющая электрического поля E_р на­правлена навстречу постоянному полю анода магнетрона Е. В результате этого электрон 3 будет также приближаться к электрону 2. Таким образом, благодаря действию радиальной со­ставляющей тормозящего высокочастотного поля резонаторов электроны группируются в плотные сгустки в виде «спиц» (рис. 2.51,б).

Число электронных сгустков равно половине числа резонато­ров. Электронные сгустки, эффективно взаимодействующие с тан­генциальной составляющей высокочастотного поля резонаторов, поддерживают в резонаторах колебания. Чтобы сгустки электро­нов при подходе к следующему резонатору также отдавали энер­гию, поле его должно оказаться тормозящим. Для этого сгустки электронов проходят расстояние от одного резонатора до другого за половину периода высокочастотных колебаний.

Пройдя несколько щелей и отдав энергию резонаторам, электроны теряют скорость и попадают на анод. Электроны 4, 5, вылетающие с катода и попадающие в ускоряющее поле резона­тора, увеличивают свою скорость за счет энергии поля и попадают вновь на катод, вызывая его дополнительный нагрев. Чтобы ослабить разогрев катода при бомбардировке его такими электро­нами, напряжение накала магнетрона уменьшают, а иногда и вовсе отключают после вхождения магнетрона в нормальный ре­жим работы.