13.1. Общие сведения

Для генерации мощных СВЧ-колебаний применяют электронные приборы, в которых взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Термин «магнетрон» [от греческих слов magnetis и (elek)трон] используется с 20-х годов XX века, когда работами А. Хала, А. Жачека, А.А. Слуцкина, К. Окабе развивалась техника генерирования колебаний сантиметрового диапазона длин волн скрещенных электрическом и магнитных полях. В 1936г. Н.Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым под руководством М.А. Бонч-Бруевича была создана конструкция многорезонатроного магнетрона с массивным анодным блоком. Использование именно магнетронных автогенераторов, позволяющих обеспечить пиковую мощность до сотен киловатт при КПД около 80 %, способствовало развитию радиолокационной техники в годы Второй мировой войны и после нее, широкому использованию устройств СВЧ-нагрева в бытовых и промышленных печах, развитию средств передачи энергии с помощью электромагнитных полей.

Базовым для семейства таких электронных приборов является многорезонаторный магнетрон, разрез которого показан на рис. 13.1, а, а вид резонаторного блока — на рис. 13.1,6.

Статическое электрическое поле прикладывается между катодом 2 и анодным блоком I; статическое магнитное поле создается между торцами блока I; кольцевая система резонаторов образована цилинд­рическими полостями и щелями в анодном блоке; вывод СВЧ-энер-гии 5 связывает магнетрон с нагрузкой. Электроны движутся в про­странстве между катодом и анодом в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Рис. 13.1. Разрез многорезонаторного магнетрона без внешней магнитной сис­темы:

1 — анодный блок с системой цилиндрических резонаторов типа «щель—отверстие» 3; 2 — катод с выводами подогревателя; 4 — пространство взаимодействия электронов с электрическим и магнитным полями; 5 — коаксиальный вывод энергии СВЧ

13.2. Движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях

Рассмотрим поведение одиночного электрона, находящегося в точке 1 (рис. 13.2) с нулевой начальной скоростью в однородном про­странстве с вектором напряженности статического электрического поля \Е\ = E_a/d и ортогональным ему вектором магнитной индук­ции В, где Е_а — анодное напряжение; d — расстояние между анодом и катодом.

Движение электрона в трехмерном пространстве (х, у, z ) описыва­ется дифференциальным уравнением

, (13.1)

где т и е — соответственно масса и заряд электрона; v_3J1 — вектор скорости электрона (в скобках — векторное произведение). При нулевой начальной скорости (точка 1) отрицательно заряженный электрон начинает движение по направлению к положительно заря­женному аноду, а наличие магнитного поля за счет силы Лоренца искривляет его траекторию, которая в плоскости (х, у) представляет собой циклоиду (показана на рис. 13.2 штриховой линией). Эту кри­вую можно представить как след точки, находящейся на ободе круга

Рис. 13.2. Траектория движения электрона в однородных скрещенных электри­ческом и магнитном полях

Рис. 13.3. К выбору анодного напряжения и магнитной индукции в 8-резонатор-ном магнетроне

радиусом , где В = \В\ , который катится по линии a— а', параллельной катоду. За период циклоиды (между точками 1 и 4) полная энергия электрона не изменяется, его кинетическая энергия имеет нулевое значение в точках останова 1 и 4, максималь­ное — в точке 3 на вершине циклоиды. Средняя скорость перемеще­ния электрона вдоль линии a—a'.

, (13.2)

а наибольшее отклонение h = 2E_a /(B ²ed) положения электрона от линии a—а' равно удвоенному радиусу циклоиды. Циклоидальное движение прерывается при попадании электрона на анод, если h > d. В плоскости параметров (Е_а, В) (рис. 13.3) парабола критического режима отделяет область, лежащую левее нее, где невозможно цик­лоидальное движение, от рабочей области, лежащей правее.

Для цилиндрической конструкции магнетрона d = , где — радиусы анода и катода, уравнение параболы критического режима имеет вид

. (13.3)

Если высокочастотных полей в пространстве между анодом и катодом нет, то каждый электрон в облаке, находящемся около нагре­того катода, движется по циклоидам параллельно катоду со средней скоростью _ср, (13.2). В цилиндрической конструкции каждый элект­рон движется по эпициклоидам, а облако в целом вращается вокруг катода с угловой скоростью _ц = еВ/т.