Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (МА)"

Магнетрон

Магнетро'н [от греч. magnetis – магнит и электрон ], в первоначальном и широком смысле слова – коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике – генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

  Термин «М.» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статическом режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах  l ³ 29 см ) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926—1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928—1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М. как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода – увеличение выходной мощности генерируемых колебаний – была решена в 1936—1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича . Они увеличили мощность М. на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. М. такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М. оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М. В М. применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.).

  В 40—70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации . С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5—3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5—100 квт ). В 1950—1970-е годы на основе многорезонаторного М. был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы ).

  Распространение М. вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М. выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) – ротационные и вибрационные механизмы.

  В простейшей конструкции многорезонаторного М. (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов . Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему . Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый p-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на p. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные – другой) (рис. 2 , в).

  В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод – катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

  Типичные характеристики М. приведены на рис. 3 . М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

  Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297—1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., М., 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1—2, М., 1950—51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, М., 1966.

  В. Ф. Коваленко.

Рис. 3. Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями – импульсная выходная мощность Р_и и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями – кпд (без учёта мощности подогрева катода).

Рис. 2. Виды резонаторных систем магнетрона (а – равнорезонаторная без связок, б – равнорезонаторная со связками, в – разнорезонаторная) и графики разделения их резонансных частот D=( f_p – f_n )/f_p , где f_p – частота колебаний, соответствующая p-виду колебаний, f_n – частота колебаний, соответствующая n-му номеру колебаний. В 18-резонаторном магнетроне 9-й вид колебаний является p-видом.

Рис. 1. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (слева – внешний вид; справа – разрез): 1 – анодный блок с 8 резонаторами типа «щель-отверстие»; 2 – резонатор; 3 – ламель анодного блока; 4 – связка в виде металлического кольца (второе такое же кольцо расположено на другом торце анодного блока); 5 – катод; 6 – выводы подогревателя катода; 7 – радиатор; 8 – петля связи для вывода энергии СВЧ; 9 – стержень вывода энергии СВЧ для присоединения к коаксиальной линии.

Магнетрон коаксиальный

Магнетро'н коаксиа'льный, магнетрон с коаксиальным резонатором, магнетрон , в котором вокруг анодного блока расположен коаксиальный резонатор, соединённый щелями с резонаторами анодного блока. Щели, соединяющие коаксиальный резонатор с анодным блоком, прорезаются параллельно оси магнетрона в задних стенках не всех резонаторов, а через один (рис. ). М. к. применяются в наземных и бортовых радиолокационных станциях различного назначения. М. к. выпускаются для работы только в импульсном режиме как с механизмами медленной и быстрой перестройки частоты, так и на фиксированных частотах от 2 до 70 Ггц с выходными мощностями от 1 квт до 2 Мвт (в импульсе). М. к. был предложен французским инженером И. Азема в 1950 и более совершенной конструкции – американскими учёными Р. Колье и И. Фейнштейном в 1955.

  Коаксиальный резонатор в М. к.: а) повышает стабильность его работы (у М. к. уход частоты, вызванный отражением волн от нагрузки, ширина спектра частот и интенсивность боковых лепестков спектра примерно в 5 раз меньше, а уход частоты от изменения силы тока и пропуск импульсов примерно в 10 раз меньше, чем у обычного магнетрона); б) разделяет частоты равнорезонаторного анодного блока настолько, что отпадает необходимость применения связок; в) позволяет увеличить рабочую поверхность катода и анодного блока и за счёт этого снизить плотность электронного потока, увеличить долговечность М. к. в 3 – 4 раза по сравнению с обычным магнетроном; г) обеспечивает механическую перестройку частоты на 6 – 13% перемещением поршня в коаксиальном резонаторе без существенного изменения выходной мощности.

  Лит.: Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями, пер. с англ., под ред. М. М. Федорова, т. 2, М.,1961, с. 119 – 29.

  В. Ф. Коваленко.

Схема коаксиального магнетрона: а – вид системы резонаторов; б – вид в поперечном сечении; 1 – резонаторы анодного блока; 2 – коаксиальный резонатор; 3 – щели, соединяющие резонаторы анодного блока с коаксиальным резонатором; 4 – поршень коаксиального резонатора для перестройки частоты; 5 – окно для вывода мощности колебаний СВЧ; 6 – катод; 7 – полюсные наконечники магнита.

Магнетрон, настраиваемый напряжением

Магнетро'н, настра'иваемый напряже'нием , генераторный прибор магнетронного типа, рабочая частота которого в широком диапазоне изменяется пропорционально анодному напряжению. Его иногда называют митроном. Явление перестройки частоты магнетрона напряжением впервые обнаружили в 1949 американские инженеры Д. Уилбур и Ф. Питерс. Ими же в 1950 был предложен М., н. н., с центральным катодом и в 1955 – с вынесенной в торец электронной пушкой. М., н. н., выходной мощностью до 1 вт широко применяются в измерительной радиоаппаратуре, в гетеродинах широкополосных радиоприёмников с быстрой перестройкой частоты и в качестве задающих генераторов в радиолокационных станциях, 1—10 вт – в радиовысотомерах, телеметрической аппаратуре и других устройствах, где требуется режим частотной модуляции в широкой полосе генерируемых частот, свыше 10 вт – в широкополосных радиопередатчиках, телевизионных и телеметрических устройствах бортовых систем и других. В 50—60-х годах 20 века было выпущено много типов М., н. н., работающих на частотах 0,2—10 Ггц . М., н. н., с выходной мощностью до 1 вт (включительно) имеют диапазон перестройки частоты примерно 1—1,5 октавы, 1—10 вт – до 50% от средней частоты, 10—500 вт – до 10—20%. Кпд маломощных М., н. н., как правило, не превышает 10%, а наиболее мощных достигает 70%.

  От обычного многорезонаторного магнетрона М., н. н., отличается пониженной добротностью колебательной системы и уменьшенной силой электронного тока в пространстве взаимодействия. Колебательная система М., н. н. (рис .), представляет собой цилиндрический анод, выполненный в виде встречных штырей, встроенных в объёмный резонатор , или отрезок линии, например отрезок радиоволновода , полосковой линии и др. Уменьшение силы тока в пространстве взаимодействия М., н. н., достигается либо путём недогрева катода (ограничение эмиссии электронов температурой), либо применением торцевой электронной пушки и заменой центрального эмитирующего катода неэмитирующим электродом. Распространён второй способ, так как он позволяет посредством управляющего электрода изменять силу тока и, следовательно, мощность М., н. н. Так же, как и в многорезонаторном магнетроне, при генерировании колебаний электронные сгустки движутся с такой тангенциальной скоростью, что за один полупериод колебаний перемещаются на расстояние, равное шагу анодной штыревой системы. Это условие синхронизма выражается следующей линейной зависимостью между анодным напряжением U_a (в ) и рабочей частотой f (Ггц )

  ,

где В – индукция магнитного поля (гс ); N – число штырей; r_a и r_k – соответственно радиусы анода и центрального неэмитирующего электрода (см ).

Лит.: Стальмахов В. С., Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями, М., 1963, с. 254—77; Дятлов Ю. В., Козлов Л. Н., Митроны, М., 1967.

  И. В. Соколов.

Схематическое изображение магнетрона, настраиваемого напряжением: 1 – анод в виде системы встречных штырей; 2 – неэмитирующий электрод; 3 – катод; 4 – управляющий электрод; 5 – керамические цилиндры вакуумплотной оболочки; 6 – низкодобротный объёмный резонатор; 7 – экранирующий магнитопроводящий кожух; 8 – постоянный магнит; 9 – коаксиальный вывод энергии; 10 – элемент связи вывода энергии с объёмным резонатором; U_yпр – источник управляющего напряжения; U_a – источник анодного напряжения.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (МА)"