ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ СВЧ З ДИНАМІЧНИМ УПРАВЛІННЯМ І СХРЕЩЕНІ ПОЛЯМИ - ПРИЛАДИ ТИПУ М

Загальні відомості

Основні відмінності між механізмами взаємодії в

приладах типу О і М полягають в наступному.

• 1. У приладах типу Про передача енергії від променя до хвилі здійснюється тільки тоді, коли швидкість електронів більше фазової швидкості обуреної хвилі. У приладах типу М передача енергії здійснюється за однакової кількості середньої швидкості електронів і швидкості хвилі.
• 2. У приладах типу Про процес <Гпередачі енергії від електронного потоку СВЧ-хвилі триває до тих пір, поки електрони не сповільняться полем хвилі до швидкості, що дорівнює фазової швидкості хвилі. Оскільки початкова перевищення швидкості електронів над швидкістю хвилі зазвичай мало, то хвилі передається лише невелика частина кінетичної енергії пучка, і ККД, як правило, невеликий. У приладах типу М в енергію хвилі переходить потенційна енергія, причому процес взаємодії здійснюється при незмінній середній швидкості електронів. У енергію НВЧ-поля переходить вся потенційна енергія електрона за винятком невеликої частини, необхідної для створення синхронної швидкості. З ростом анодного напруги відносна частка енергії, необхідна для створення синхронної швидкості, зменшується, і ККД зростає, досягаючи 80 ... 90%.
• 3. У приладах типу М на відміну від приладів типу Про змінна компонента об'ємного заряду р практично не грає ролі в процесі перетворення енергії. У приладах типу Про вплив об'ємного заряду може бути вельми значно, що сильно знижує ефективність перетворення енергії.

Магнетрони. Рух електронів в схрещених полях

У магнетронах процес перетворення потенційної енергії електронів відбувається в схрещених електричних і магнітних полях.

Магнетрони використовуються в якості вузькосмугових генераторів. Ці прилади можуть працювати в діапазоні від метрових до міліметрових довжин хвиль і генерувати НВЧ-енергію до 100 кВт в безперервному і до десятків і навіть сотень мегават в імпульсному режимі.

Основними достоїнствами цих приладів є наступні: високі значення ККД (до 70% і більше), порівняно невисокий рівень напруги живлення, досить великі потужності як в безперервному, так і в імпульсному режимах, висока ефективність на вельми коротких довжинах хвиль (міліметровий діапазон довжин хвиль) , невеликі габарити і маса.

В даний час використовуються переважно багаторезонаторні магнетрони. Пристрій багаторезонаторного магнетрона представлено на рис. 14.1.

Магнетрон складається з катода 1, емітує електрони; анодного блоку 2 , який об'єднує функції електрода, що збирає відпрацьовані електрони, і коливальні системи, що складається з замкнутого ланцюжка резонаторів 3; магнітної системи 4, яка умовно відзначена кружечком з точкою (вектор індукції магнітного поля спрямований з площини креслення на спостерігача); пристрою виведення енергії (магнітної петлі) 5. Магнітна система виконується на основі постійних магнітів або магнітних котушок (електромагнітів).

Анодний блок виконується у вигляді мідного або латунного диска з прорезя-

Мал. 14.1

ми для формування резонаторів. Через великих розмірів і труднощі ізоляції анод зазвичай заземлюється, а на катод подається великий негативний потенціал через спеціальний елемент конструкції, що дозволяє ізолювати катод. Конструкція магнетрона, як правило, аксіально симетрична.

Рух електронів в просторі взаємодії магнетрона відбувається в високочастотних схрещених постійних електричних і магнітних полях по складних траєкторіях. Структура і властивості СВЧ-полів в просторі взаємодії також вельми складні, тому, перш ніж розглядати принцип дії магнетрона, розглянемо окремо рух електронів в схрещених постійних електричному і магнітному полях при відсутності СВЧ-полів, а потім властивості коливальної системи, т. Е. структуру СВЧ-полів в просторі взаємодії. Якщо не враховувати змінні поля, то магнетрон можна розглядати як вакуумний діод, поміщений в магнітне поле.

Хоча магнетрон виконаний у вигляді циліндричної конструкції (рис. 14.2, а), рух електронів для простоти будемо розглядати для плоскої конфігурації (моделі) (рис. 14.2, б). Таке наближення досить коректно для магнетронів, у яких радіуси катода і анода не сильно відрізняються.

Зробимо наступні припущення: існує постійне електричне поле напруженістю £ ₀ =, що має єдину

складову, спрямовану по осі у , і постійне магнітне поле, спрямоване вздовж осі г (В ₀ = В _г , см. рис. 14.2, б); відсутній вплив просторового (об'ємного) заряду електро-

Мал. 14.2

нейронів; початкові швидкості електронів прийняті рівними нулю: ° хо ⁼ ° уо ^{= і} го ⁼ релятивістські поправки не враховуються. У цих умовах необхідно визначити (обчислити) траєкторію електронів. Запишемо рівняння руху електричного заряду в присутності електричного і магнітного полів, т. Е. Під дією сили Лоренца:

де т, е - відповідно маса і абсолютна величина заряду електрона, V - вектор його швидкості.

Розкладаючи вектори і ₀ , Г ₀ , В ₀ і [у х £ ₀ ] по ортам і враховуючи, <х з у Лг

що і _х = ; про _у =; і _г = , отримуємо в декартовій системі координат три скалярних рівняння, руху електрона, рішення яких з відповідними початковими умовами, сформульованими вище, дозволяє обчислити траєкторію руху електрона (при х (£ = 0) = х ₀ ; у (у = 0) = у ₀ = 0 і г = (£ = 0) = г ₀ ).

При знаходженні електрона в точці 1 (рис. 14.2), коли і _х0 = = і _у0 = про _г0 = 0, у ₀ = 0 (* ₀ , у ₀ у = 0, г ₀ - початкові координати по осях Ху у у г ) і при зроблених раніше допущених про напрямки полів ^ 'і В, рішення рівняння (14.1) має вигляд:

де (про _ц = - У ₀ - циклотронна частота.

Співвідношення (14.2), (14.3), (14.4) описують траєкторії руху електронів. Ці траєкторії є кривими, що лежать в площині z = z ₀ = const. Початкова координата х ₀ тільки зрушує траєкторію вздовж осі z. Рівняння (14.2) і (14.3) описують криву, яка називається циклоїдою. Канонічна форма рівнянь, що описують циклоиду, має вигляд

Мал. 14.3

Циклоїда - це крива, яку описує точка, розташована на ободі кола (наприклад, на рис. 14.3 точка а) при коченні останнього без ковзання по площині (на рис. 14.3 початок координат х ₀ = у ₀ = 0 перенесено на катод). У нашому випадку радіус т $ ₀

окружності Я =; ср = зі _ц г - кут повороту круга. Швидкість переміщення центру кола і _цк = е ₀ / В ₀ . Циклотронна частота зі _ц визначає кутову швидкість кочення кола і, отже, кутову швидкість руху електрона по циклоїдальних орбіті.

Таким чином, електрони, вилітаючи з катода, будуть рухатися в просторі взаємодії між катодом і анодом по циклоїдальних кривої. Змінюючи напруженість електричного і індукцію В ₀ магнітного полів, можна змінити радіус циклоїди і, отже, параметри траєкторії руху. при

Я = £ (сі - відстань між катодом і анодом, див. Рис. 14.3) електрони будуть стосуватися поверхні анода в вершині цикло- " (I

іди; при Я> ^ електрони потрапляють на анод, і магнетрон в цьому

випадку поводиться як звичайний вакуумний анод.

Магнітне поле, при якому припиняється анодний струм, називається критичним. Індукцію критичного поля Я _кр можна визначити з умови Я = (1/2.

Використовуємо отримане раніше вираз для радіуса кола Я = - ^ 2 ^і врахуємо, що поле £ між анодом і катодом г ^і 0

можна вважати однорідним. Тоді / ₀ =, де £ / _а - потенціал анода, і рівняння для знаходження У _кр має вигляд

звідки слід

Аналогічно можна отримати такий вираз:

Цей вислів описує так звану параболу критичного

Режиму _, яка зображена на рис. 14.4, де також представлені траєкторії електронів для різних значень £ / _а і В. Лівіше параболи розташовуються траєкторії електронів для значень і _а і Ву відповідних діодному режиму, а правіше знаходяться траєкторії для £ У _а й У, відповідних магнетронним режимам. Конструкція магнетронів є циліндричної і розглянуте наближення для плоского випадку може виявитися досить грубим, тоді використовують циліндричні координати. В циліндричних координатах циклоїда перетворюється в криву, яка називається епіциклоїда.

Мал. 14.4