Магнетрон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнетрон - электровакуумный генератор электромагнитных колебаний СВЧ, основанный на взаимодействии электронов, движущихся в магн. поле, с возбуждаемыми ими электромагнитными полями. Основу конструкции магнетрона составляет коаксиальный цилиндрический диод с внутренним электродом - катодом в однородном магнитостатическом поле, направленном вдоль его оси. Эмитированные катодом электроны совершают дрейфовое движение поперёк скрещенных статических электрического Е₀ и магнитного Н₀ полей (

|, образуя замкнутый поток вокруг катода.

Анод многорезонаторного М.- массивный полый цилиндр, во внутр. части к-рого вырезаны объёмные резонаторы со щелями, выходящими на поверхность (рис. 1). Последовательность резонаторов образует периодич. структуру на поверхности анода и обусловливает азимутальное замедление вращающихся эл--магн. волн, для к-рых всё пространство М. является единым высокодобротным объёмным резонатором. Энергообмен электронного потока с эл--магн. полями в М. обусловлен их непрерывным взаимодействием в условиях синхронизма ср. скорости электронов с фазовой скоростью одной из мод единого резонатора (рабочей модой, см. ниже).

Рис. 1. Схематическое изображение многорезонаторного магнетрона: а - общий вид; б - сечение плоскостью, перпендикулярной H₀.

Формирование и свойства электронного потока. В предгенерац. период в невозмущённом СВЧ-полями потоке азимутальное и радиальное перемещения электронов, в соотв. с интегралами угл. момента и анергии, характеризуются скоростями

где г,

- полярные координаты, t - время, е, m - заряд и масса электрона, - циклотронная частота r,_к - радиус катода, - потенциал электростатич. поля E₀ (на катоде

, на аноде

). При заданном анодном напряжении U и малых Н₀электроны попадают на анод. С ростом H₀, как видно из (

), увеличивается доля энергии в азимутальном движении, а радиальная скорость уменьшается. При век-ром критич. H₀=H_кр (U задано) или при U=U_кp(H₀ задано)

траектории электронов только касаются поверхности анода, r=r_а. При

(или при

) происходит т. н. отсечка анодного тока - вершины траекторий оказываются на нек-ром расстоянии от анода (магн. изоляция диода). С уменьшением U (с ростом Н₀)поток всё ближе примыкает к катоду, тем самым происходит углубление магнитной изоляции диода. В пренебрежении собств. полями электронного облака движение отдельных частиц представляет собой суперпозицию вращения с частотой w_с и дрейфа в скрещенных полях, траектории - эпициклоиды. При интенсивной электронной эмиссии и значит. объёмном заряде в потоке движение частиц несколько трансформируется.

В условиях магн. изоляции диода поток электронов, замыкающийся вокруг катода, образует электронный резонатор с дискретным спектром собств. колебаний типа вращающихся волн с частотами

, где t_e - ср. время дрейфа вокруг катода, в - целое число. Под действием разл. флуктуации (дробовой шум и др.) н электронном потоке развиваются шумовые колебания, в спектре к-рых в окрестности

обнаруживаются максимумы интенсивности. Полная энергия шумовых колебаний в предгенерац. периоде

от энергии потока. Столь высокий уровень шумовых колебаний может быть связан с развитием разл. волновых неустойчивостей, в т. ч. диокотронной, обусловленной наличием радиального градиента угловой скорости электронов.

Электродинамическая система магнетрона. Для возбуждения генерации необходим синхронизм ср. азимутальной скорости электронов и фазовой скорости возбуждаемых ими волн. Существуют различные периодич. системы замедления вращающихся волн у резонансных типов колебании М.: цепочки связанных резонаторов (рис. 1), гребенчатые структуры и др. (см. Замедляющая система ).Но независимо от конкретного типа резонансной структуры анода её осн. функция состоит в создании СВЧ-полей заданной частоты и конфигурации, способных взаимодействовать с электронным потоком.

Система N резонаторов М. имеет N основных видов колебаний, определяемых сдвигом фаз колебаний

внутри соседних элементов структуры (n - целое число). При чётном N невырожденными являются колебания с n=0 (синфазные) и с n=N/2 (

-вид, противофазные). В этом случае образуются стоячие волны поля. Для остальных n поля имеют вид волн, бегущих по внутр. поверхности анода, а сами колебания являются двукратно вырожденными (одинаковой собств. частотой обладают, напр., колебания с

). Для простейших анодов зависимость длины волны колебаний

от n имеет вид

где коэф.

определяется степенью связи элементов структуры, напр. близостью катода к аноду в масштабе периода структуры,

- длина волны резонансных колебаний отд. резонаторов структуры.

Рис. 2. Структура электрического поля основной гармоники замедленной полны (колебания

-вида).

Рис. 3. Виды резонаторных систем магнетрона (а - равно-резонаторная без связок, б - со связками, в - разнорсзонатор-ная) и графики разделения их резонансных частот

, где

-частота колебаний для л-вида,

- частота, соответствующая m-му колебанию. В 18-резонаторном магнетроне п = 9 является колебанием

-вида.

Самым высокочастотным является p-вид, к-рый обычно используется в качестве рабочего колебания (рис. 2). При больших N соседние колебания имеют близкие собств. частоты и фазовые скорости вращающихся волн. В этом случае возможны возбуждения "паразитных" видов колебаний и перескоки с одного вида на другой. Поэтому для устойчивой работы на колебаниях я-вида часто разрежают примыкающий участок спектра, обычно с помощью двух кольцевых связок, соединяющих соответственно чётные и нечётные элементы системы (рис. 3).

Вывод энергии из М. обычно осуществляется с помощью коаксиальных линий и радиоволноводов через петли связи или щели (рис. 4). При этом нагруженная добротность резонатора

. Кои струкция и параметры электродинамич. системы М. варьируются в зависимости от требований к выходным характеристикам прибора (см. ниже).

Рис. 4. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции: а -общий вид, б - разрез (1 - анодный блок с 8 резонаторами, 2 - катод, 3 - связка, 4 - петля связи, 5 - стержень для присоединения к коаксиальной линии).

Взаимодействие электронов с полями в М. Характеристики М. При включении анодного напряжения шумовые колебания в электронном потоке связываются с колебаниями электродинамич. системы М. Сначала эта связь мала, но как только напряжение U достигнет порогового значения

обеспечивающего синхронизм ср. скорости электронов (и вращающихся собств. волн потока) со скоростью распространения волны в резонаторной системе М., происходит быстрая раскачка колебаний до уровня, определяемого нелинейными механизмами. Характерное время установления колебаний в М. 20-30 периодов колебании.

В основе процессов взаимодействия электронов с СВЧ-полями рабочего вида колебаний лежит явление фазовой группировки. Электроны помимо вращательного циклотронного движения и синхронного с волной дрейфа в статических электрич. и магн. полях

совершают стационарное дрейфовое перемещение перпендикулярно неоднородному электрич. полю волны

(рис. 2) с дрейфовой скоростью

Такое перемещение происходит но направлению к аноду в областях благоприятных фаз (при этом траектории "захваченных" волной электронов сближаются по пути к аноду, образуя т. н. "спицы" пространств. заряда, рис. 1, б) и к катоду в областях неблагоприятных фаз. В последнем случае электроны попадают на катод в конце первой же петли траектории и их роль в энергообмене незначительна. Электроны, дрейфующие к аноду, попадают на анод, отдав СВЧ-полю свою потенциальную энергию в количестве, определяемом разностью потенциала анода U и потенциала на вершине первой петли траектории. Поэтому эффективность преобразования энергии электронов в энергию излучения оказывается тем выше, чем глубже магн. изоляция, т. е. чем выше U_кp по сравнению с пороговым

С увеличением напряжённости поля H₀ и пропорционально ему Е0 кпд и выходная мощность Р растут. Однако на практике такое нарастание ограничивается либо электрич. прочностью конструкции, либо перегревом электродов из-за электронной бомбардировки. Можно поднимать

, увеличивая Н₀ и сохраняя умеренным поле Е₀, однако тогда с ростом замедления уменьшаются размеры прибора, ухудшаются условия фазовой группировки (захвата электронов волной в окрестности катода); при этом быстро падает генерируемая мощность. Оптимизация параметров М. с точки зрения достижения макс. мощности излучения показывает, что среди генераторов сантиметрового диапазона длин волн (и прилегающих участков соседних диапазонов) М. является одним из наиб. эффективных; его полный кпд составляет 35- 70%.

По мере роста анодного напряжения сверх порогового (H₀ фиксировано) анодный ток и мощность Р сначала быстро нарастают - почти пропорционально этому превышению; кпд при этом изменяется слабо (рис. 5), улучшаются условия фазовой группировки и соответственно токопрохождения на анод. Одновременно увеличивается вклад в ток со стороны электронов вторичной электронной эмиссии с катода, вызванной электронами неблагоприятных фаз. В рабочих режимах электроны вторичной эмиссии могут составлять подавляющую часть тока I_а. При больших превышениях анодного напряжения U над пороговым

мощность Р начинает быстро снижаться из-за ухудшения фазовой группировки вследствие нарушения синхронизма потока с волной рабочего вида колебаний.

Рис. 5. Рабочая характеристика импульсного магнетрона (l= 10 см); заштрихованы области отсутствии генсрации; сплошные линии-зависимости от анодного тока I_а выходной мощности Р и магнитного поля Н, пунктирные-

(без учёта подогрева катода).

В длинноволновой части сантиметрового диапазона М. позволяют в режиме микросекундных импульсов получать мощности

Вт, в непрерывном режиме - 10³ Вт. С укорочением

мощности снижаются

(и чуть быстрее). В диапазонах коротких миллиметровых волн и ниже М. утрачивает свою конкурентоспособность. Рекордная мощность достигнута на сантиметровых волнах в т. н. релятивистских М., работающих в режимах коротких (10^-7 с) импульсов от сильноточных ускорителей электронов (

Вт).

Разновидности М., родственные приборы. Существует много типов М., конструкции к-рых модернизируются применительно к требуемым выходным характеристикам. Кроме того, образовался целый класс электровакуумных приборов СВЧ со скрещенными электрич. и магн. полями и катодом в пространстве взаимодействия, по принципу действия родственных М. (приборы М-типа). Их классифицируют по типам устройств формирования электронного потока и замедляющих систем: 1) приборы с замкнутыми в кольцо замедляющей системой и электронным потоком (с катодом в пространстве взаимодействия или с боковой инжекцией трубчатого электронного пучка вдоль оси); 2) приборы с разомкнутой замедляющей системой и замкнутым в кольцо электронным потоком (с катодом в пространстве взаимодействия); 3) приборы с разомкнутыми замедляющей системой и пучком (инжектированным с катода, вынесенного из пространства взаимодействия).

К первому семейству относится сам М. и нек-рые его разновидности: регенеративно-усилительный М., в к-ром возбуждение колебаний и управление их частотой осуществляются внеш. сигналом малой мощности, вводимым обычно через циркулятор в сильно нагруженную резонаторную систему; М., настраиваемый напряжением (митрон), в к-ром нагруженная колебат. система (обычно стержневого типа) обладает слабо выраженными резонансными свойствами и пространств. заряд электронов регулируется температурой катода или инжекцией трубчатого потока вдоль оси прибора. Вследствие этого при малой мощности (Р

10 Вт) в непрерывном режиме достигается широкий диапазон перестройки частоты (

около октавы).

Второе семейство включает платинотроны. Важнейшие их представители: амплитрон - мощный импульсный усилитель обратной волны с согласованными входным и выходным устройствами,

Вт, коэф. усиления К до 20 дБ; ультрон- мощный усилитель прямой волны с

до 20%, К до 30 дБ; стабилотрон - механически перестраиваемый по частоте высокостабильный генератор на базе амплитрона, дополненного резонатором и фазо-вращателем на невыходном конце разомкнутой замедляющей системы.

К приборам М-типа иногда относят и электроннолучевые приборы СВЧ со скрещенными полями, в к-рых незамкнутый поток электронов формируется с катода, вынесенного из пространства взаимодействия. Эти приборы ближе К лампе бегущей волны и лампе обратной волны, их наз. ЛБВМ, ЛОВМ. С М. их роднит характер фазовой группировки потока и его энергообмена с полями.

Литература по магнетронам

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.