Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Воскресенье, 22.04.2018
Главная » Статьи » Другие статьи » Статьи из литературы

Магнетрон
В 1940 году в «Журнале Технической Физики» советские исследователи Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров опубликовали результаты своих опытов. Они впервые в истории мировой радиотехники получили колебания на волне 9 см мощностью до 300 Вт. Этого удалось достигнуть с помощью сконструированного ими многокамерного магнетрона. До Алексеева и Малярова тоже получали колебания такой длины волны, однако предельная мощность колебаний была в десятки раз меньше, а КПД был так низок, что ни о каком практическом применении таких генераторов не могло быть и речи. Изобретение русских исследователей быстро распространилось по всему миру и вскоре стало одним из важнейших элементов тогдашней радиолокации. Почти во всех радиолокаторах, работающих на сантиметровых волнах, использовались многокамерные магнетроны, способные генерировать колебания с мгновенной мощностью в сотни, а иногда даже тысячи киловатт.

Как же устроен и работает магнетрон?

Магнетроном называется особая электронная лампа, в которой наряду с электрическими полями на движущиеся в лампе электроны действуют также и магнитные поля. Существует несколько различных типов магнетронов, однако в настоящее время для генерирования больших мощностей в сантиметровом диапазоне волн получили распространение только магнетроны того типа, которые были предложены Алексеевым и Маляровым. Ниже мы будем говорить именно о таких магнетронах.

УСТРОЙСТВО МАГНЕТРОНА

В отличие от электронных генераторных ламп, с которыми обычно приходится иметь дело радиолюбителю, в магнетроне имеются только два электрода — катод и анод. Имеется и другое отличие: колебательные контуры, которые в генераторах более длинных волн отделены от генераторной лампы, в магнетроне сильно видоизменены и помещены в баллоне лампы. Таким образом, магнетрон представляет собой комбинацию электронной лампы и колебательных контуров.

Устройство магнетрона показано на рис. 1.
 
 

Внутренний короткий и толстый цилиндр представляет собой обычный подогревный катод с оксидным покрытием. Вокруг катода расположен массивный медный (для лучшего отвода тепла) цилиндрический анод. В теле анода высверлены отверстия (камеры), которые сообщаются с кольцевым пространством, расположенным между поверхностью катода и внутренней поверхностью анодного цилиндра. Каждая камера играет такую же роль, какую в обычных генераторах играет колебательный контур. В одной из камер помещена проволочная петля, которая служит для вывода высокочастотной энергии из магнетрона и подведения ее к нагрузке. Обычно такой нагрузкой является волновод, идущий к антенне. Вся эта система помещена в баллон с высоким вакуумом.

Для того чтобы магнетрон мог генерировать колебания, необходимо накалить катод, на анод подать положительное по отношению к катоду напряжение и, кроме того, всю систему поместить между полюсами сильного магнита или электромагнита.

Рассмотрим несколько подробнее особенности всех перечисленных деталей магнетрона.

Магнетроны часто строятся на огромные мгновенные мощности высокочастотных колебаний — сотни киловатт. При этом магнетрон потребляет мощность от источников питания и часть ее отдает в виде высокочастотных колебаний в нагрузку (например, в антенну). Магнетрон преобразует энергию источников питания (энергию постоянного тока) в энергию высокочастотных колебаний. Всякое преобразование энергии связано с потерями, относительная величина которых определяет коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя. Если, скажем, КПД магнетрона будет 50 процентов, то это значит, что для получения мощности в 100 кВт к магнетрону нужно будет подвести мощность 200 кВт, причем только 100 кВт превратятся в полезную мощность высокочастотных колебаний, а остальные 100 кВт будут бесполезно расходоваться в самом магнетроне, превращаясь в тепло и разогревая анод и катод магнетрона.

Этой мощности хватило бы для того, чтобы совершенно расплавить весь магнетрон, если бы такая мощность выделялась в нем сколько-нибудь продолжительное время. Но дело в том, что работает магнетрон не непрерывно, а только во время посылки импульса. Обычно время импульса, т. е. время, в течение которого магнетрон включен и действительно отдает и рассеивает большие мощности (в нашем примере по 100 кВт) не превышает 1—2 - миллионных долей секунды. За импульсом следует пауза. Время паузы значительно больше времени импульса, и в течение паузы все детали магнетрона успевают остыть, так как в это время магнетрон не генерирует. После паузы следует новый импульс, затем новая пауза и т. д. Частота повторения импульсов обычно выбирается в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч импульсов в секунду. Таким образом, средняя мощность, подводимая к магнетрону, а значит и рассеиваемая в магнетроне, оказывается в тысячи и сотни раз меньше мгновенных («импульсных») мощностей.

Импульсная работа первоначально делала магнетрон пригодным только для целей радиолокации, так как в радиолокации импульсная работа передатчика является необходимой. В настоящее время появились многочисленные другие применения импульсных магнетронов. Среди них особого внимания заслуживает применение импульсных магнетронов в так называемых импульсных многоканальных системах радиотелефонной связи.

Сравнительно небольшие средние мощности при импульсной работе определяют тепловой режим магнетрона. Однако все части импульсного магнетрона должны обеспечивать получение больших мгновенных мощностей. Это требование относится в первую очередь к катоду. Если, например, к аноду магнетрона приложено напряжение в 10000 В, то для получения 200 кВт подводимой мощности нужно, чтобы через магнетрон мог пройти анодный ток в 20 А (10 000 В х 20 А = 200 кВт). Значит катод должен обеспечивать ток эмиссии в 20 А. Конструирование надежных и долговечных катодов, обеспечивающих такие большие токи эмиссии при малых размерах, является весьма трудной задачей. В современных магнетронах применяются главным образом подогревные катоды с оксидным покрытием, которые удовлетворяют перечисленным выше требованиям.

Камеры, высверленные в теле анодного блока, как мы уже указывали, выполняют роль колебательных контуров. Обычно колебательный контур мы привыкли представлять себе состоящим из катушки индуктивности L и конденсатора С. Волна в 10 см соответствует частоте колебаний в 3 000 000 000 Гц. Это очень высокая частота и построить обычные колебательные контуры на такие частоты невозможно. Вместо них на этих волнах применяются полости, в которых могут происходить колебания определенных частот (зависящих от размеров полости) и в этом смысле аналогичные колебательным контурам. Именно так и сделано в магнетроне. Каждая из шести камер представляет собой полость (резонатор), эквивалентную колебательному контуру. Иногда таким колебательным контурам вместо цилиндрического отверстия со щелью придают вид прямоугольных или трапецеидальных прорезей (как показано на рис. 2, справа).
 

Такие колебательные контуры сказываются значительно лучше, чем обычные, т. е. те, которые применяются на более длинных волнах. Одно из главных их преимуществ заключается в том, что колебательная энергия из таких контуров не может излучаться в окружающее пространство. Поэтому КПД такого «контура», а значит и всего генератора в целом, оказывается очень высоким. Однако у этих «контуров» есть и существенный недостаток — они всегда настроены только на одну определенную частоту (длину волны). Таким образом, если мы имеем передатчик, работающий на волне, скажем, 10 см, и захотим его перестроить на волну 9 см, то для этого нам придется заменить весь магнетрон другим, имеющим «контуры» других размеров. Короче говоря, магнетронный передатчик не может перестраиваться и должен работать всегда только на одной определенной длине волны. Правда, за счет значительного усложнения конструкции можно в небольших пределах (порядка нескольких процентов) изменять частоты колебаний резонаторов.

Для того чтобы колебания высокой частоты вывести из магнетрона и подвести к антенне, обычно употребляют петлю связи. Эта петля, хорошо видная на рис. 2, и представляет собой виток проволоки, помещенной внутри одного из резонаторов. На очень коротких электромагнитных волнах энергия из магнетрона выводится без помощи петли. В этих случаях в одном из резонаторов магнетрона делается щелевидное отверстие, связывающее магнетрон с волноводом (электромагнитную энергию очень высокой частоты оказывается выгоднее передавать не по проводам, как это делается на сравнительно низких частотах, а по полым трубам, называемым волноводами).

Как уже указывалось, магнетрон необходимо поместить между полюсами большого и сильного магнита. Он изготовляется обычно из специальных магнитных сплавов, аналогичных тем, которые применяются в динамических громкоговорителях с постоянными магнитами. Магнетрон располагается между полюсами магнита так, чтобы силовые линии магнитного поля были направлены вдоль катода магнетрона (рис. 3). Таким образом, в кольцевом пространстве между катодом и анодом магнетрона будет существовать магнитное поле, направление которого перпендикулярно к плоскости сечения магнетрона, изображенного на рис. 2

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Перейдем теперь к вопросу о том, как работает магнетрон.

Если отбросить магнит, то магнетрон ничем не отличается от обычного кенотрона. Подадим на анод магнетрона большое положительное напряжение по отношению к катоду, при этом в пространстве между анодом и катодом появится электрическое поле. Все электроны, вылетающие из накаленного катода, под действием электрического поля будут притягиваться к аноду. В пространстве между катодом и анодом возникнет постоянный поток электронов. Все электроны будут двигаться по траекториям, совпадающим с электрическими силовыми линиями, т. е. по радиусам магнетрона. Так обстоит дело в магнетроне, пока магнитное поле отсутствует (рис. 4).
Поместим теперь магнетрон в магнитное поле так, как это было показано на рис. 3. На каждый электрон по прежнему будет действовать электрическое поле, притягивающее его к аноду. Но помимо этого теперь появится еще другая сила, обусловленная действием магнитного поля. Ее величина пропорциональна напряженности магнитного поля и, что особенно важно для нас, скорости, с которой движется электрон. Эта сила направлена под прямым углом к направлению магнитных силовых линий и направлению движения электрона.
Таким образом, на вылетающие из катода электроны действуют две силы, показанные на рис. 5. Под действием этих сил траектории электронов искривляются. Чем сильнее магнит, тем больше будет сила Fмагн и тем сильнее будут искривляться траектории электронов. Если взять достаточно сильное магнитное поле, то траектории вылетающих из катода электронов будут так сильно искривлены, что электроны вовсе не смогут попасть на анод и будут снова возвращаться на катод.

Напряженность магнитного поля, при которой траектории искривятся так, что они будут только касаться поверхности анода, называется критической. Если напряженность магнитного поля будет больше критической, то ни один электрон не сможет достигнуть анода. Если напряженность магнитного поля будет меньше критической, то, наоборот, все электроны будут попадать на анод и ни один из них не сможет возвратиться на катод.

Для нормальной работы магнетрона необходимо, чтобы напряженность магнитного поля была несколько больше критической величины.

Для понимания дальнейшего нужно пояснить следующую особенность действия магнитного поля на движущиеся электроны. Магнитное поле создает силу, действующую перпендикулярно к направлению скорости электрона и искривляющую его траекторию. Но эта сила именно потому, что она действует всегда перпендикулярно к скорости электрона, не изменяет ее абсолютной величины, а значит не изменяет и той кинетической энергии, которой обладает электрон (кинетическая энергия равна: (mv2)/2, где m — масса электрона, a v — его скорость).

Увеличение кинетической энергии электрона происходит за счет энергии электрического поля, в котором он движется; величина кинетической энергии электрона определяется только тем, какой путь и в каком электрическом поле он прошел. Магнитное поле, влияя на траекторию электронов, изменяет вместе с тем и длину пути, который проходят электроны в электрическом поле. Поэтому магнитное поле, хотя и не изменяет непосредственно энергии электронов, может влиять на условия получения энергии электроном из электрического поля

(Окончание следует)

Источник публикации: ж. Радио, 1950, № 5, с. 30 - 32
Категория: Статьи из литературы | Добавил: cner (30.07.2017)
Просмотров: 189 | Рейтинг: 0.0/0