Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

Характер изменения потенциальной и кинетической энергии электрона при движении по траектории KЛМНО показан на рис. 6.4.

Помимо уже рассмотренных «электронов отдачи» в магнетроне существуют «электроны потерь». Это те электроны, которые в процессе взаимодействия с высокочастотным полем уско-

катода. Благодаря тому что время существования «электронов потерь» ограничено одним циклом взаимодейст-

вия, эффект взаимодействия «электронов отдачи» является преобладающим, что приводит в среднем к преобразованию энергии электронов в энергию высокочастотного поля.

Наряду с процессом «сортировки» электронов большое значение имеет их группирование, в результате которого появляются уплотнения электронного облака, имеющие форму вращающихся спиц. Процесс группирования обусловлен влиянием радиальной составляющей высокочастотного поля, которая усиливает или ослабляет суммарное электрическое поле между катодом и анодом, определяющее темп циклоидального движения электронов. В результате средняя «переносная» вращательная скорость электронного облака по обе стороны от резонатора становится различной. Сближение более «быстрых» и «медленных» электронов происходит под резонаторами, имеющими в данный момент тормозящее поле.

Для того чтобы большинство электронов отдавало энергию полю резонаторов, скорость вращения электронных «спиц» должна обеспечивать их прохождение под каждым очередным резонатором при тормозящей фазе вы-

51

сокочастотных колебаний; иными словами, необходима «синхронизация» взаимодействия вращающегося облака электронов с высокочастотным полем.

Уже на основании приведенного качественного описания механизма взаимодействия электронного потока и поля можно сделать вывод о том, что высокочастотные колебания в магнетроне возможны лишь при выполнении определенных условий. Рассмотрим эти условия.

6.1.2. Область рабочих режимов магнетрона

Передача энергии электронов переменному полю резонаторной системы происходит в процессе петлеобразного, ступенчатого движения электронов от катода к аноду. Очевидно, что процесс передачи энергии будет невозможен и колебания в магнетроне не возникнут, если индукция магнитного поля меньше критической и электроны будут достигать анода, не описывая петель. Расчет дает следующую формулу, связывающую величину критической индукции Bкр с геометрией междуэлектродного пространства и приложенной

разностью потенциалов [9], [10]:

где Bкр – критическая индукция, выраженная в гауссах, rк и ra – радиусы като-

да и анода, выраженные в сантиметрах, Ua – разность потенциалов в вольтах.

го режима и определяет верхнюю границу области генерации. Вся рабочая область магнетрона изображена на рис. 6.5.

Необходимым условием передачи энергии электронов высокочастотному полю при петлеобразном движении электронов в пространстве взаимодейст-

52

вий является синхронизация азимутального перемещения электронов с изменением высокочастотного поля резонатора. При колебаниях π -вида для эффективного многократного взаимодействия «электронов отдачи» с высокочастотным полем они должны перемещаться между средними плоскостями соседних резонаторов за время, равное половине периода высокочастотных колебаний. Среднее расстояние между указанными плоскостями, измеренное на уровне среднего радиуса rср 0.5 rк ra равно

где N – число резонаторов анодного блока. Средняя скорость азимутального движения в скрещенных полях, как известно, определяется отношением напряженности электрического поля к индукции магнитного поля [5]: v E B .

Так как E Ua ra rк , то

С учетом (6.2) и (6.3) получаем следующее выражение для среднего времени пролета электронов между средними плоскостями соседних резонаторов:

где f 1T – частота высокочастотных колебаний.

Из формулы (6.4) нельзя получить значения анодного напряжения и магнитной индукции, соответствующие режиму самовозбуждения магнетрона, однако при любой фиксированной магнитной индукции значения анодного напряжения из (6.4) оказываются выше минимальных и близки к номи-

53

нальным значениям, при которых параметры магнетрона оптимальны. Поэтому выражение (6.4) обычно используют при выборе электрического режима магнетрона.

Более строгий анализ дает уточненную формулу для потенциала, при котором возникает генерация в магнетроне [11]:

где m, e – масса и заряд электрона. Этот потенциал носит название порогового потенциала. Используя связь между частотой и длиной волны в свободном пространстве λ c f , можно переписать формулу (6.5) в следующем удобном для расчета виде [11]:

В этой формуле пороговое напряжение выражено в вольтах, индукция магнитного поля в гауссах, геометрические размеры и длина волны в сантиметрах.

Зависимость Uап от B – пороговая прямая показана на рис. 6.5 и определяет нижнюю границу рабочей области магнетрона.

6.1.3. КПД магнетрона

Электронный КПД магнетрона определяет эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний P , возбуждаемую в резонаторной системе, по отношению к подводимой мощно-

чина электронного КПД магнетрона находится в сложной зависимости от геометрии и электрического режима магнетрона. Простая приближенная формула для оценки электронного КПД может быть получена на основании следующих соображений. Ограничимся рассмотрением «электронов отдачи». Энергия, переданная высокочастотному полю в процессе многократного взаимодействия, для «электронов отдачи» может быть определена как разность полной энергии электрона на катоде Wк и аноде Wa :

54

Исходя из определения электронного КПД, с учетом (6.7) можем записать:

ηe W~ 1 Wa .

Wк Wк

Кинетическая энергия электронов на катоде равна нулю, поэтому полная энергия Wк равна потенциальной энергии;

Wк Wк п eUa.

Потенциал анода принят равным нулю. Следовательно, на аноде потен-

циальная энергия равна нулю Wa п 0 . В этом случаи полная энергия равна кинетической энергии Wa к , с которой «электрон отдачи» попадает на анод,

т. е. Wa Wa к . Полагая, что электрон, попадающий на анод, имеет скорость равную средней скорости азимутального движения, и что кинетическая энергия электрона, движущегося в радиальном направлении, определяется рабо-

той сил на пути от катода к аноду, можно оценить величину Wa к :

С учетом изложенного получаем выражение для электронного КПД:

После подстановки численных значений констант и перехода от частоты к длине волны λ получим следующую формулу для оценочного расчета электронного КПД:

в которой индукция B выражена в гауссах, а длина волны λ в сантиметрах. Для критического режима электронный КПД равен нулю и возрастает по

мере увеличения магнитной индукции, если анодное напряжение изменяется

55

согласно выражению (6.4).

Для различных типов магнетронов значение электронного КПД колеблется в пределах от 40 до 80 %.

Полный КПД магнетрона определяется отношением мощности, отдаваемой магнетроном в нагрузку Pвых , к подведенной мощности P0 :

Полный КПД удобно представлять в виде произведения электронного КПД и КПД резонаторной системы

η ηeηr .

КПД резонаторной системы может быть рассчитан по формуле

ηr 1 Q0 Qн ,

где Q0 и Qн – соответственно собственная и нагруженная добротности резонаторной системы, которые определяются путем расчета или специальных измерений. Величина ηr в существующих типах магнетронов лежит в преде-

лах 60…95 %.

6.1.4.Рабочие характеристики магнетрона

Крабочим характеристикам относятся вольтамперные характеристики, снятые при постоянных значениях магнитной индукции, а также зависимости выходной мощности, КПД и частоты генерации от анодного напряжения и тока магнетрона. Обычно под вольтамперными характеристиками принято понимать зависимость тока от напряжения, построенные в координатах Ua , Ia . В случае магнетрона первый тип рабочих характери-

стик представляет собой зависимости анодного напряжения Ua от анодного тока Ia , снятые при постоянных значениях магнитной индукции и построенные в координатах Ia , Ua (рис. 6.6). Поскольку каждая из характеристик, образующая семейство, снимается при постоянном значении магнитной индукции, то эти характеристики называются также кривыми постоянной магнитной индукции.

Ко второму типу рабочих характеристик магнетрона относятся зависи-

мости постоянных значений мощности и КПД ( P const , η=const ), по-

вых

строенные в координатах Ia , Ua . (рис. 6.7). Сплошные линии отображают зависимости для различных уровней выходной мощности (верхняя кривая соответствует большей мощности, соответственно 150, 100 и 50 Вт). Характе-

56

ристики, изображенные штрихами, построены для различных значений КПД. Рабочие характеристики используются для выбора оптимального рабо-

чего режима магнетрона.

Uа , В

2940 Гс

1600

2160 Гс

1200

1200

Рис. 6.7

Следует также отметить, что рабочие характеристики измеряют в режиме согласованной нагрузки на выходе магнетрона.

57

6.2.Описание конструкции многорезонаторного магнетрона

Вработе исследуется многорезонаторный магнетрон непрерывного режима малой мощности, часть конструкции которого показана на рис. 6.8. Резонаторная система лопаточного (секторного) типа образована полым медным цилиндром 1, в который впаяны радиальные пластины-лопатки 2, катод

58

рации на π -виде колебаний используются связки – тонкие проводники (обычно прямоугольного сечения), которые соединяют между собой лопатки резонатора через одну. Устройство связок магнетрона представлено на рис. 6.9. Для работы магнетрон М помещается между полюсными наконечниками П электромагнита (рис. 6.10), создающего однородное магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль оси магнетрона. Величина индукции магнитного поля регулируется изменением тока возбуждения соленоида С.

6.3. Описание измерительной установки

Принципиальная схема измерений представлена на рис. 6.11. Она включает в себя исследуемый магнетрон 1, регулируемый источник анодного напряжения 2, источник питания соленоида электромагнита 3, высокочастотный тракт 4, соединяющий магнетрон с измерителем мощности 5 и час-

тотомером 6. Подробное описание измерительных приборов и техники проведения измерений дается в отдельной лабораторной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

59

6.4.Программа работы и указания к ее выполнению

1.Ознакомиться с материалом теоретической части работы, описанием конструкции, макетом прибора и описанием измерительной установки.

2.Ознакомиться с «Инструкцией по включению установки и проведению измерений».

3.Включить установку и снять следующие экспериментальные зависимости:

– вольтамперные характеристики, построенные в координатах Ia , Ua ;

– зависимости величины генерируемой мощности Pвых и частоты f от анодного тока Ia для предложенных преподавателем значений магнитной индукции Pвых ψ Ia , f φ Ia ;

–зависимость частоты от анодного напряжения при различных значениях магнитной индукции;

–зависимость порогового напряжения от магнитной индукции.

6.5. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Схематический чертеж магнетрона с обозначением его основных узлов.

3.Схема измерительной установки и перечень использованных измерительных приборов.

4.Таблицы полученных экспериментально зависимостей с оценкой точности проведенных измерений.

5.Графики следующих зависимости:

–вольтамперные характеристики, построенные в координатах Ià ,Ua ;

–зависимости генерируемой мощности Pвых и частоты f от анодного

– зависимости КПД магнетрона η от анодного тока Ia , η φ Ia для различных значений магнитной индукции. Расчет КПД производится по

экспериментальных зависимостей Pвых ψ Ia ;

60