Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Вторник, 20.11.2018
Главная » Статьи » Другие статьи » Статьи из литературы

Магнетрон
Колебательный режим магнетрона

В резонаторах, как и в обычном колебательном контуре, могут происходить собственные колебания, частота которых зависит от диаметра резонатора и от размеров щели. Но вследствие неизбежных потерь энергии эти собственные колебания будут затухать.

Для того чтобы сделать колебания в резонаторе незатухающими, надо периодически добавлять в «контур» столько энергии, сколько он ее теряет. Добавление энергии к контуру должно производиться в определенные моменты времени, в такт с колебаниями, происходящими в контуре.

Эту задачу в обычных генераторах выполняет обратная связь, с помощью которой из анодной цепи электронной лампы подводится к контуру как раз столько энергии, сколько теряется в контуре. Однако при таких частотах, на которых должен работать магнетрон, даже самая хорошая электронная лампа обычного типа не в состоянии обеспечить пополнение энергии колебательного контура таким образом, чтобы поддерживать в нем незатухающие колебания. Обычные электронные лампы обладают слишком большой инерцией для столь высоких частот.

В магнетроне быстро летящий поток электронов воздействует на колебательный контур непосредственно, без всяких промежуточных звеньев. Благодаря этому обеспечивается необходимое пополнение энергии колебательного контура на высоких частотах.

Рассмотрим процессы, происходящие в магнетроне. Итак, катод магнетрона излучает электроны, на анод подано положительное напряжение, а напряженность магнитного поля выбрана несколько больше критической. Предположим, что колебания во всех резонаторах («колебательных контурах») уже возникли, причем колебания в смежных резонаторах совершаются в противоположных фазах. На рис. 6 представлена картина высокочастотных электрических полей, возникающих при таких колебаниях около каждого из резонаторов. Пусть в выбранный момент времени показанные высокочастотные поля проходят через свое максимальное значение. Тогда по прошествии промежутка времени, соответствующего четверти периода высокочастотных колебаний в контурах, все поля около резонаторов будут проходить через нулевое значение, а еще через четверть периода все поля опять станут максимальными, но изменят свое направление на обратное и т. д.
 

Рассмотрим какой-нибудь электрон, который, вылетев из катода, движется в пространстве между катодом и анодом по криволинейной траектории (рис. 6) и попадает в сферу действия высокочастотного поля первого резонатора. Это поле может либо тормозить, либо ускорять движение электрона вокруг катода. На рисунке изображен случай, когда высокочастотное поле первого резонатора тормозит движение электрона (на электрон, являющийся отрицательно заряженной частицей, действует сила, противоположная направлению электрического поля). Электрон, вылетевший из той же точки катода "а", что и первый, но немного позднее или раньше первого, мог бы попасть в поле первого резонатора в такой период времени, когда это высокочастотное поле ускоряет его движение. Мы пока будем рассматривать только те электроны, которые вылетели из точки "а" в такие моменты времени, что они попадают в тормозящее поле первого резонатора.

Вследствие действия тормозящего поля резонатора скорость электрона уменьшится и уменьшится его кинетическая энергия. Но это значит, что электрон уже не сможет вернуться к катоду. В самом деле, ведь для того, чтобы вернуться к катоду он должен преодолеть силы, действующие на него со стороны постоянного электрического поля между катодом и анодом, которые в начале ускоряли его движение. Если бы он не потерял части скорости в высокочастотном поле, то он мог бы преодолеть эти силы и вернуться на катод (так же, как вагонетка, скатывающаяся с горы, могла бы подняться ,на другую гору той же высоты, если бы не было сил трения). Но так как электрон потерял часть своей скорости в высокочастотном поле резонатора, то он возвращается с меньшей скоростью (меньшей кинетической энергией), не может преодолеть силы постоянного электрического поля и не может вернуться на катод. Следовательно он остановится, не долетев до катода, в точке "в", где под, действием постоянного электрического и магнитного полей снова начнет свое движение к аноду по криволинейной траектории "вс" попадает в высодачастотное поле следующего резонатора. За это время высокочастотное поле резонаторов успеет измениться и будет уже не таким, как изображено на рис. 6.

Направление поля второго резонатора в тот период, когда попадет в него рассматриваемый электрон, зависит, во-первых, от частоты колебаний резонаторов и, во-вторых, от времени, которое затратил электрон, чтобы проделать весь рассмотренный путь, т. е. в конечном счете от скорости движения электрона.

Расстояние между соседними резонаторами при изготовлении магнетрона выбирается таким, чтобы при заданных напряженностях электрического и магнитного полей электроны успевали пролетать это расстояние за такое время, которое соответствует половине периода высокочастотных колебаний в резонаторе. Поэтому, когда рассматриваемый электрон успеет долететь до высокочастотного поля второго резонатора, там к этому времени поле уже изменится на противоположное, и электрон будет тормозиться также и этим полем. То же самое произойдет и около третьего резонатора, около четвертого и т. д., пока электрон не упадет, наконец, на анод.

Теперь посмотрим, что будет с теми электронами, которые вылетают из катода в такие моменты времени, когда высокочастотное поле первого резонатора ускоряет их движение. Скорость и кинетическая энергия таких электронов очевидно будут возрастать. Вследствие этого электроны смогут преодолеть силы, действующие со стороны постоянного электрического поля, и будут возвращаться на катод.

Обычно это происходит после того, как электрон побывал в поле первого же резонатора. Но, если он не попадет сразу на катод и начнет движение ко второму резонатору, то поле второго резонатора успеет измениться на противоположное, электрон, ускорявшийся первым резонатором, будет ускоряться и вторым резонатором, энергия электрона еще больше увеличится и он сможет возвратиться на катод.

Таким образом, магнетрон рассортировывает все электроны, вылетающие из катода, на две группы. Одна группа электронов пролетает мимо большого числа резонаторов и тормозится высокочастотным полем каждого из них. Другая группа электронов пролетает мимо одного или двух резонаторов, ускоряется их высокочастотными полями и возвращается обратно на катод. Эти две группы электронов по-разному действуют на высокочастотные колебания резонаторов.

Вообразим, что мы идем за движущейся повозкой и держимся за нее рукою. Спрашивается, способствуем ли мы при этом движению повозки или тормозим ее? Решить этот вопрос можно довольно легко. Если повозка тормозит наше движение, т.е. если мы преодолеваем ее сопротивление, чтобы двигаться вперед, значит мы отдаем повозке некоторую энергию. Наоборот, если повозка ускоряет наше движение, значит мы получаем от нее энергию.

Нечто аналогичное имеет место и в магнетроне: из двух групп электронов первая отдает энергию высокочастотным полям резонаторов, а вторая забирает энергию от них.

Электроны, начиная движение от катода, получают некоторую энергию за счет электрического поля, созданного анодной батареей. Электроны первой группы, тормозящиеся в полях высокой частоты, отдают часть этой энергии резонатору. Двигаясь ко второму резонатору, они снова получают от анодной батареи некоторую энергию, снова отдают ее резонаторам и т.д.

Таким образом, первая группа электронов, которая отдает энергию высокочастотным полям резонаторов, пересекает поля многих резонаторов и отдает им много энергии. Электроны же второй группы, взаимодействуя обычно только с одним резонатором, забирают очень немного энергии, значительно меньше, чем резонаторы получают от электронов первой группы. Общий баланс энергии каждого резонатора таков, что резонаторы в среднем получают энергию от тормозящих электронов, т. е. в конечном счете от анодной батареи.

Отсюда следует, что если такие колебания, как мы предположили, возникнут хотя бы случайно, они будут продолжаться, не затухая даже в том случае, когда в контурах имеются значительные потери энергии. Так оно практически и получается. В момент включения магнетрона во всех его контурах возникают собственные колебания. Благодаря только что описанному процессу взаимодействия электронов с полями резонаторов и переноса энергии случайно возникшие собственные колебания не затухают, а наоборот, нарастают до тех пор, пока не наступает равновесие, т. е. пока энергия, передаваемая электронами высокочастотным полям резонаторов, не компенсирует потери в стенках резонаторов, а также потери на излучение.

Если в каком-либо резонаторе или даже группе резонаторов колебания в первый момент возникнут не в нужной фазе, то они не будут получать пополнения энергии и очень быстро затухнут. Пролетающие мимо этих резонаторов электроны вызовут появление таких колебаний, которые могут получать пополнение энергии. Таким образом, в магнетроне возникают и поддерживаются такие колебания, наличие которых мы вначале предположили.

Фазовая фокусировка электронного потока

Нетрудно видеть, что в процессе описанной «сортировки» электронов на две группы принадлежность электронов к первой или второй группе определяется моментом вылета электронов из катода, причем каждому участку катода соответствуют свои благоприятные и неблагоприятные моменты вылета электронов. Эта сортировка электронов на две группы является самым важным фактором во всей работе магнетрона. Если бы магнетрон не мог производить такую сортировку, он вообще не мог бы генерировать упорядоченных колебаний.

Все наши рассуждения до сих пор были очень упрощенными. В самом деле, мы не рассматривали тех электронов, которые, вылетая из катода, попадают в высокочастотные поля резонаторов в те моменты, когда поля эти имеют очень малую величину. Остался неясным и другой очень важный вопрос. Мы сказали, что электроны в их вращательном движении вокруг катода должны проходить расстояние между двумя соседними резонаторами за время, соответствующее половине периода высокочастотных колебаний. Иначе говоря, нужно, чтобы все электроны имели совершенно одинаковую скорость вращательного движения вокруг катода, а значит нужно, чтобы все электроны совершенно одинаково взаимодействовали с высокочастотными полями резонаторов.

Между тем эти требования не выполняются даже приблизительно. Более того, некоторое различие в скорости движения электронов совершенно неизбежно.

При таких условиях, даже если для каких-то электронов мы и сумеем добиться благоприятного взаимодействия с высокочастотными полями, огромное большинство остальных электронов взаимодействовало бы неблагоприятно и магнетрон не смог бы генерировать колебаний или, в лучшем случае, КПД такого магнетрона был бы чрезвычайно низким. То обстоятельство, что магнетроны все же прекрасно работают, объясняется явлением фазовой фокусировки, которая существует в магнетроне.

Сущность фазовой фокусировки легко уяснить из рис. 7. Пусть расстояние между резонаторами, величина электрического поля и величина магнитного поля рассчитаны на те электроны, которые имеют некоторую среднюю скорость. Некоторые из этих «средних» электронов попадут в высокочастотное поле первого резонатора на линию ММ' в тот момент, когда поле это имеет максимальную величину и тормозит электроны. Так как наша система рассчитана на эти «средние» электроны, то они попадут на линию второго резонатора в тот момент, когда и там будет максимальное тормозящее поле. Такая же картина будет и у третьего, и у четвертого и других резонаторов до тех пор, пока эти «средние» электроны не упадут на анод.
 

Пусть теперь электрон вылетел из катода в неблагоприятный момент или двигался со скоростью, отличающейся от скорости «средних» электронов. Такой электрон может попасть в поле первого резонатора не в тот момент, когда оно было максимально тормозящим, а несколько позже. В момент, когда высокочастотное поле достигнет максимальной величины, этот электрон окажется не на линии ММ', а в точке "а". Здесь на электрон, помимо действия сил, обусловленных постоянным электрическим и магнитным полями, начнет еще действовать сила высокочастотного поля резонатора. Эта сила будет притягивать электрон к аноду (направление ее совпадает с направлением касательной, проведенной к силовой линии в точке "а", см. рис. 7).

Под действием этой силы увеличится скорость движения электрона к аноду, а значит увеличится и сила, обусловленная наличием магнитного поля (мы уже говорили, что эта сила пропорциональна скорости электрона). Поэтому, начиная от точки "а", электрон начнет совершать вращательное движение вокруг катода быстрее, чем это делали «средние» электроны на этом же участке и проходившие поле первого резонатора без опоздания.

В результате этот электрон догонит «средние» электроны и пройдет линию у второго резоиатора вместе со «средними» электронами. Если же он опять опоздает, то его подгонит второй резонатор совершенно так же, как это сделал первый. Наоборот, если он придет ко второму резонатору слишком рано, то второй резонатор его притормозит, потому что тогда появится сила, отталкивающая электрон от анода и уменьшится его скорость движения.

Таким образом, благодаря фазовой фокусировке, независимо от скорости вылета электронов, независимо от момента и места вылета, все электроны разделяются только на две группы, о которых мы говорили выше. При этом группа благоприятно взаимодействующих электронов по мере ее продвижения к аноду, при одновременном вращении вокруг катода, все теснее и теснее собирается около «средних» электронов.

Мы говорили о первом, втором и т.д. резонаторах. Счет этот совершенно условный. Всякий резонатор для некоторых электронов будет первым, для некоторых — вторым и т. д. Все электроны совершают вращательное движение вокруг катода. Фазовая фокусировка заставляет проходить все электроны одновременно через линии ММ' каждого резонатора, которые являются как бы своеобразными контрольными пунктами. Результатом этого является образование вращающегося электронного облака, напоминающего своим видом спицы колеса или еще лучше — вращающуюся режущую звездочку мясорубки (рис. 8).
 

Подведем теперь «тоги. Вылетающие из катода электроны магнетрон сразу же сортирует на «годные» и «негодные». «Негодные» возвращаются обратно на катод, а «годные» подвергаются фазовой фокусировке. Фазовая фокусировка устанавливает среди «годных» жесткий порядок. Тем электронам, которые пришли вовремя, сразу поручается работа по переносу энергии, те же электроны, которые пришли не во-время, фазовая фокусировка сначала «вводит в строй», а уже потом нагружает работой.

Но и тогда, когда вое электроны в строю, фазовая фокусировка должна следить за ними. Ведь все электроны представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые отталкиваются друг от друга. Фазовая фокусировка удерживает электроны в «спицах», несмотря на это отталкивание.

КПД магнетрона

Рассмотрим баланс мощностей магнетрона. К анодной цепи магнетрона подводится мощность, которая определяется как произведение (Еа)х(Iа). Вся эта мощность расходуется на то, чтобы сообщить электронам некоторую скорость в радиальном направлении от катода к аноду. Как мы выяснили, часть электронов (примерно половина), получив некоторую долю энергии как от анодной батареи, так и от высокочастотных полей резонаторов, падает обратно на катод. При этом кинетическая энергия полностью преобразуется в тепловую энергию. В результате температура катода возрастает.

Энергия, расходуемая на разогревание катода магнетрона, есть бесполезно потерянная энергия. Доля энергии, которая теряется таким образом, достаточно велика. Вследствие этого при подаче на анод магнетрона анодного напряжения происходит значительный дополнительный разогрев катода, который, если не принять надлежащих мер, может даже привести к выходу магнетрона из строя. Поэтому иногда при подаче анодного напряжения приходится снижать ток накала магнетрона или даже вовсе выключать батарею накала.

Другая часть электронов, осуществляющая благоприятный перенос энергии, в конечном счете падает на анод. Электроны, падающие на анод, обладают еще некоторой энергией и при ударе отдают ее аноду, разогревают его — это тоже потерянная энергия. Часть электронов вообще не участвует в рассмотренном процессе и, забирая энергию от батарей, полностью расходует ее на разогрев анода. Наконец, токи высокой частоты, протекающие в резонаторах магнетрона, будут разогревать стенки резонаторов, а значит и анод магнетрона.
 

Вследствие этого значительная часть энергии, отдаваемая батареей, выделяется в магнетроне в виде тепла; чем меньше эта часть энергии, тем выше КПД магнетрона. Все выделяющееся тепло, во избежание сильного перегрева, необходимо как-то отвести от магнетрона. Поэтому во время работы магнетрон иногда обдувают сильной струей воздуха, а на корпусе магнетрона делают специальные ребра, улучшающие условия охлаждения (рис. 9).

КПД современных магнетронов по анодной цепи составляет обычно 50—60 процентов, достигая в некоторых случаях до 85 процентов. Это очень высокий КПД, недостижимый на волнах сантиметрового диапазона ни с какими другими, кроме магнетрона, лампами. Вот почему магнетрон стал в настоящее время почти единственной лампой, применяемой для генерации мощных колебаний в диапазоне сантиметровых волн.

Автор: Л. Клягин

Источник публикации: ж. Радио, 1950, № 6, с. 29 - 32
 
Категория: Статьи из литературы | Добавил: cner (30.07.2017)
Просмотров: 392 | Рейтинг: 0.0/0