Лабораторний практикум НВЧ(Шматько А.А
.).pdf
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
Не пригнічуються лише ті види коливань, які мають однакові високочастотні потенціали на різних кінцях зв'язок. В магнетроні зв'язки з'єднують сегменти анодного блока через один. Це призводить до того, що в сусідніх резонаторах анодного блоку високочастотні поля збуджуються з однаковими за амплітудою величинами, але протилежними фазами, зрушеними на 180 градусів, тобто на π радіан. Тому такий вид коливань називають π -видом. Крім різних видів коливань (просторових розподілів поля по азимуту вздовж анодного блока), у магнетроні можуть збуджуватися коливання кратної частоти за рахунок наявності в електронному потоці часових гармонік основної частоти. У цьому випадку для їхнього пригнічення в магнетроні використовується дросель – узгоджуване навантаження на основній частоті, завдяки чому магнетрон не підтримує вищі часові гармоніки поля. Вивід високочастотної енергії з резонатора магнетрона може здійснюватися через хвилевідну щілину або через металеву петлю зв'язку з навантаженням, розташовану в одному з його резонаторів, завдяки наведеному в ній магнітною компонентою високочастотного поля резонатора високочастотного струму, або в потужних приладах за допомогою металевого штиря, закріпленого на одному із сегментів анодного блока, завдяки наведеному в ньому електричною компонентою поля високочастотного струму.
Для роботи й збудження в магнетронному генераторі високочастотних коливань необхідно, щоб кутова швидкість руху поля й швидкість обертання спиць приблизно збігалися, тобто рух поля й спиць за азимутом були близькими до синхронних. Щоб електронна хмара спиці перебувала в гальмуючій фазі поля число спиць у магнетроні повинно бути у два рази менше числа резонаторів. Електрони, рухаючись по циклоїдальних траєкторіях від катода до анода в спиці, віддають свою потенціальну енергію НВЧ-полю. Коливання π -виду має максимальну кількість періодів поля, що дорівнює половині числа резонаторів N.
Тому й число спиць для цього виду коливань максимальне й дорівнює N2 . Для
переміщення електронів по радіальному напрямку з одночасним їхнім обертанням по циклоїдальних траєкторіях потрібні певні значення величин магнітного поля B0 , різниці потенціалів анодаUa й катодаUk .
Перші НВЧ-коливання в коаксіально-циліндричному діоді із суцільним анодом отримав А. Жачек у 1924 р. У такому діоді частота коливань була близькою до циклотронної частоти ωc , обумовленої величиною індукції
магнітного поля B0 , зарядом електрона e, масою електрона m :
ωc = me B0 .
Фактично це були коливання мазера на циклотронному резонансі (частота коливань ω близька до циклотронної частоти ωc обертання електронів у
79
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
статичному магнітному полі). У |
цьому ж |
році в Харківському університеті |
А. А. Слуцкін і Д. С. Штейнберг під керівництвом проф. Д. А. Рожанського |
||
розробили конструкції приладів |
М-типу |
(магнетронів) з розрізним анодним |
блоком, що генерували коливання в сантиметровому і дециметровому діапазонах, які й привели до відкриття магнетронного способу збудження високочастотних коливань. У 1936–1939 рр. М. Ф. Алексєєв і Д. Є. Маляров розробили багаторезонаторний магнетрон промислового застосування.
Щоб скласти повне уявлення про фізичні процеси й особливості електроннохвильової взаємодії, що відбуваються в приладах М-типу, попередньо розглянемо особливості руху електрона в схрещених електричних і магнітних полях у плоскій моделі діода та з'ясуємо природу групування електронів у високочастотних полях таких систем.
Рух електрона в схрещених електричному і магнітному статичних полях
Припустимо, що постійне електричне поле E0 , яке прискорює електрони, прикладене між катодом й анодом у плоскому діоді, спрямовано проти позитивного напрямку вісі Oy , а статичне магнітне B0 спрямоване проти позитивного напрямку вісі Oz (рис. 2). Тоді на електрон, що рухається зі швидкістю vG(vx , vy, vz ), у просторі діода буде діяти сила Лоренця:
|
|
|
|
|
|
G |
G |
|
−e |
G |
G |
|
|
G |
|
|
−e |
|
xG0 |
yG0 |
zG0 |
|
. |
(1) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
v |
|
v |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
F = −eE |
0 |
v, |
B |
0 |
= y eE |
0 |
|
x |
y |
z |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
xG0, yG0, |
zG0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 0 |
−B0 |
|
|
|
|||||
Тут |
|
– |
одиничні |
орти |
по |
відповідним |
координатним |
напрямках. |
|||||||||||||||||||||
Скористаємося рівнянням руху електрона під дією сили Лоренця FG : |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dmvG |
|
G |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
= F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
яке розпишемо в проекціях на відповідні осі координат з урахуванням (1): |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d2x = ω dy, |
d2y |
= |
e |
E |
|
− ω dx , |
d2z = 0. |
(3) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
dt2 |
|
|
c |
dt |
dt2 |
|
m |
|
0 |
|
c |
dt |
|
dt2 |
|
|
|
|
|||||
Тут v |
x |
= dx , |
v |
y |
= dy , |
v |
z |
= dz . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
dt |
|
|
dt |
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Будемо вважати, що в момент часу |
t = 0 |
електрон перебуває на початку |
|||||||||||||||||||||||||||
координат |
x = y |
= 0 |
з |
|
|
початковою |
швидкістю |
vG0 |
(v0x , v0y, 0). |
Фактично |
|||||||||||||||||||
розглядається двомірний рух електрона. Для інтегрування рівнянь руху (3) |
|||||||||||||||||||||||||||||
введемо нову змінну u |
= ix + y . Далі помножимо перше рівняння з (3) на уявну |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
одиницю i |
= −1 |
й складемо із другим, тоді система рівнянь перетвориться в одне |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
лінійне рівняння другого порядку відносно змінної величини u : |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
2u |
|
|
− iω du |
= |
|
e |
E |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
dt |
|
|
|
|
m |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Розв’язок неоднорідного рівняння (4) має вигляд: |
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
u = C (1 −exp (iωct )) + i |
B0 |
t. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Невідома константа C знаходиться з початкових умов для швидкостей електрона |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
vG0 (v0x , v0y, |
0) по різним напрямкам; тоді одержимо: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
C = |
|
|
|
|
E0 |
− v |
|
|
|
+ i |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
0 |
|
|
|
|
0x |
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
З урахуванням константи C з рівняння (5) знаходимо координати електронів |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
у двох проекціях, попередньо розділивши його на дійсну й уявну частини: |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x′ = x −a = − |
v0y |
|
cosωct −bsinωct = Rsin (ωct −ψ0 ), |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωc |
|
|
|
|
|
|
|
v0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sinωct = Rcos (ωct −ψ0 ), |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
y′ = y −b = −bcosωct |
|
+ |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E0 |
|
|
|
|
v |
0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
E0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
a = |
t |
+ |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b = |
|
|
|
− v |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
B |
0 |
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
0 |
|
|
0x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
R = b2 |
+ |
|
|
|
0y |
= |
|
|
v |
|
+ |
E0 |
− v |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ω |
2 |
|
ω |
0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
0x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ψ |
|
|
v |
0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
0y |
|
|
|
|
||
|
= −arctg |
= −arctg v |
|
|
|
/ ( |
|
|
− v |
|
|
|
) |
|
|
b = −Rcosψ |
|
, |
|
= Rsinψ |
|
. |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
bω |
|
|
|
|
|
|
|
0y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
||||||||||
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|||
Тут ψ0 – початкова фаза. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
З (6) легко одержати рівняння для траєкторії електрона: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x −a )2 + (y −b)2 = R2 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
яке являє собою коло з радіусом |
R , центр якого має координати a й b по вісі Ox |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
й вісі |
Oy |
відповідно і |
рухається |
|
на відстані |
b |
|
від |
вісі |
|
Oy |
поступально й |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
рівномірно |
паралельно |
вісі |
|
Ox |
та |
|
|
перпендикулярно напрямку |
статичного |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
електричного поля E0 з переносною (дрейфовою) швидкістю dadt , яка дорівнює:
81
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
|
|
|
|
|
|
|
v |
= |
da |
= |
E0 |
c, |
G |
|
|
G |
|
G |
|
|
. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a || |
|
E |
0 |
,B |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
dt |
|
B0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Аналіз траєкторії руху електрона в схрещених полях показує, що її можна |
|||||||||||||||||||||||||||
представити як накладення двох рухів: поступального рівномірного руху із |
|||||||||||||||||||||||||||
дрейфовою |
швидкістю |
v = E0 |
|
й обертового |
|
|
руху |
|
з |
постійною |
кутовою |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
B0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
швидкістю, що дорівнює циклотронній швидкості |
ωc , по колу з радіусом R . |
|
|||||||||||||||||||||||||
З огляду на вищесказане, траєкторію електрона в схрещених полях можна |
|||||||||||||||||||||||||||
ототожнити із траєкторією точки, що перебуває на відстані |
r |
від центра диска з |
|||||||||||||||||||||||||
радіусом R , що котиться по площині вздовж вісі |
|
Oy |
з переносною (дрейфовою) |
||||||||||||||||||||||||
швидкістю без ковзання. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Рух електрона по координаті Oy обмежено смугою: y = b ± R . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Аналіз отриманих параметричних виразів (6) показує, що існує три |
|||||||||||||||||||||||||||
характерних види траєкторій руху електрона. Це циклоїда, подовжена й |
|||||||||||||||||||||||||||
вкорочена циклоїди. Вид траєкторії електрона визначається початковим його |
|||||||||||||||||||||||||||
місцем |
розташування |
rG |
, що |
пов'язано |
з напрямком |
|
і значенням початкової |
||||||||||||||||||||
швидкості. |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для простоти аналізу будемо припускати, що електрон влітає в простір |
|||||||||||||||||||||||||||
взаємодії паралельно |
до |
вісі |
Ox |
, тобто |
його |
швидкість |
в |
іншому |
напрямку |
||||||||||||||||||
v0y = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Якщо початкова швидкість електрона v0x |
в напрямку вісі Ox відсутня, |
то |
|||||||||||||||||||||||||
електрон |
|
спочатку |
|
розташований |
точно |
|
на |
|
|
колі |
|
G |
G |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
радіусом r = R |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
(R = |
1 |
E0 |
= |
vd |
). Його траєкторія описується траєкторією точки, що котиться на |
||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||
ω |
B |
0 |
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
c |
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Циклоїда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
Подовжена циклоїда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
BG0 |
x |
|
|
|
Вкорочена циклоїда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Траєкторія електронів у схрещених електричному і магнітному полях
82
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
ободі диска, називається циклоїдою. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
> 0, то |
||||
Якщо ж початкова швидкість електрона відмінна від нуля, тобто |
v0x |
||||||||||||||||||||||||||||||
електрон перебуває |
всередині |
кола |
|
( |
|
rG0 |
|
< |
|
RG |
|
), а траєкторія його описується |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
подовженою циклоїдою. Частковим випадком подовженої циклоїди є пряма лінія, |
|||||||||||||||||||||||||||||||
що реалізується за умови рівності початкової швидкості й переносної швидкості |
|||||||||||||||||||||||||||||||
електрона (v0x = vd ), тоді R = 0, |
b = r0 |
й x = vdt. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
І, нарешті, якщо початкова швидкість електрона негативна, то він |
|||||||||||||||||||||||||||||||
розташований поза колом з радіусом R |
|
( |
|
rG0 |
|
> |
|
|
RG |
|
) |
і його траєкторія описується |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
вкороченою циклоїдою. Ці три різновиди траєкторій електрона показані на рис. 2. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Обмежимося розглядом найпростішого випадку, коли можна знехтувати |
|||||||||||||||||||||||||||||||
початковою швидкістю електрона порівняно з його поступальною або дрейфовою |
|||||||||||||||||||||||||||||||
швидкістю |
da . У |
цьому |
випадку |
|
|
електрон рухається |
по циклоїдальним |
||||||||||||||||||||||||
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
траєкторіям. На гребені циклоїди ордината, швидкість і кінетична енергія |
|||||||||||||||||||||||||||||||
електрона досягають максимальних величин, які дорівнюють: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
y |
= 2R = 2 m E0 , v |
|
= dx |
|
|
|
|
= 2 E0 , T |
|
= mvmax |
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= 2m E0 . (7) |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
e |
B0 |
|
dt |
max |
|
|
|
|
|
|
|
B0 |
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B0 |
|
|||||||||||||||||||
max |
|
2 |
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
У реальному плоскому діоді електрон може рухатися досить довго в просторі між |
||||||||
його електродами, не осідаючи на анод, якщо відстань між ними d |
буде більше |
|||||||
від діаметра кола 2R, тобто |
|
|
|
|
|
|
|
|
d ≥ y |
max |
= 2R = |
2 m E0 . |
|
|
|||
|
|
|
|
|
e B2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
Будемо називати критичними ті поля, при яких траєкторія електрона тільки |
||||||||
торкається поверхні анода, які будемо позначати, як |
Eкр й Bкр. |
Тоді можна |
||||||
одержати формулу, що пов'язує відстань між анодом і катодом d із критичними |
||||||||
значеннями електричних і магнітних полівm: |
E |
кр . |
|
(8) |
||||
|
d = 2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
e |
B2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
кр |
|
|
З огляду на те, що E0 =U0 / d , |
де U |
0 |
– прискорювальний |
потенціал, і |
||||
Eкр =Uкр / d, одержимо з (8) для критичного потенціалуUкр такий вираз: |
||||||||
Uкр |
= 1 e d2Bкр2 . |
|
(9) |
|||||
|
|
2 m |
|
|
|
|
||
Якщо збільшувати прискорювальну |
|
напругу U0 |
при постійній величині |
|||||
індукції магнітного поля B0 , то, поки буде виконуватися нерівністьU0 <Uкр,
83
|
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики |
|
||||||
електрони не будуть долітати до анода. Коли напруга стане більше критичного |
|||||||||||||
значення |
U0 |
≥Uкр, |
електрони будуть досягати поверхні анода. Як випливає з (9), |
||||||||||
між критичним потенціалом і критичним значенням індукції магнітного поля Bкр |
|||||||||||||
існує квадратична залежність. Функціональна залежність критичного потенціалу |
|||||||||||||
Uкр |
від |
величини |
Bкр |
називається параболою критичного режиму. Її вид |
|||||||||
зображений на рис. 3 якісно відповідає режимам, розглянутими А. Халлом в своїй |
|||||||||||||
експериментальній роботі ще в 1921 році, який вивчав рух електронів у |
|||||||||||||
коаксіально-циліндричному діоді й |
|
|
|
|
|||||||||
схрещених |
статичних |
електричних і |
U0 |
|
|
|
|||||||
магнітних |
|
полях |
та |
встановив |
|
коливання неможливі |
|
||||||
існування докритичного, критичного й |
|
|
|
|
|||||||||
закритичного |
|
режимів |
його |
роботи |
|
|
|
|
|||||
(рис. 4). При слабкому |
магнітному |
|
|
|
|
||||||||
полі електрони рухаються від катода |
|
|
|
|
|||||||||
до анода практично вздовж силових |
|
|
|
|
|||||||||
ліній постійного електричного поля, |
|
|
коливання можливі |
||||||||||
тобто по прямих лініях. Критичний |
|
|
|
B0 |
|||||||||
режим |
роботи |
діода |
(критичне |
|
|
|
|||||||
значення величини магнітного поля) |
|
Рис. 3. Парабола критичного режиму |
|||||||||||
відповідає випадку, коли електрони |
|
|
|
|
|||||||||
починають відриватися від анода, торкаючись його своєю траєкторією. При цьому |
|||||||||||||
струмопроходження фактично спадає до нуля. Надалі при збільшенні величини |
|||||||||||||
індукції магнітного поля електрони рухаються від катода до анода по |
|||||||||||||
циклоїдальним траєкторіям (рис. 4). |
|
|
|
|
|||||||||
|
У |
приладах |
М-типу |
|
B0 = 0 |
B0 < Bкр |
B0 = Bкр |
B0 > Bкр |
|||||
використовуються як плоскі, |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
так і коаксіально-циліндричні |
|
|
|
|
|
||||||||
конструкції |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
||
електродинамічних |
систем. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
Рух електронів для систем із |
|
|
|
|
|
||||||||
циліндричною |
|
симетрією |
|
|
U0=const |
|
|
||||||
зручніше |
|
|
розглядати |
в |
|
|
|
|
|||||
циліндричній |
|
|
системі |
|
|
|
|
|
|||||
координат. Однак й у цьому |
|
|
|
|
B0 |
||||||||
випадку варто очікувати, |
що |
Рис. 4. Залежність струму анода від індукції магнітного |
|||||||||||
траєкторії |
|
електронів |
за |
поля і траєкторії електронів для різних значень В0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
аналогією |
до |
системи |
з |
|
|
|
|
|
|||||
плоских електродів можна представити як рух точки, яка перебуває на відстані r |
|||||||||||||
від диска з радіусом R , |
що котиться по циліндричній поверхні із дрейфовою |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
84 |
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики |
швидкістю v = |
E0 |
у цьому ж напрямку. Похибка такого розгляду залежить від |
d |
B0 |
|
|
|
радіусів електродів, а оскільки вони великі, то й похибка розгляду мала. |
|
||||
Для коаксіально-циліндричного діода формула (9) набуває такого вигляду: |
|||||
Uкр = |
eB2 r2 |
|
r |
2 |
|
кр a |
1 |
− a . |
(10) |
||
|
8m |
|
r |
|
|
|
|
|
k |
|
|
Принцип дії магнетрона. Групування електронів
Принцип дії багаторезонаторного магнетрона пояснимо на моделі приладу |
||||||||||||||||||
при збудженні |
π - виду коливань. Як зазначалося вище, для π |
- виду коливань |
||||||||||||||||
характерним є те, що збудження високочастотної напруги по фазі між сусідніми |
||||||||||||||||||
сегментами |
анодного |
блоку |
дорівнює |
1800 |
. Будемо вважати, що в просторі |
|||||||||||||
взаємодії між катодом і анодом існує, крім статичних схрещених полів, і |
||||||||||||||||||
високочастотне поле. Воно може вводиться в систему, якщо це підсилювальний |
||||||||||||||||||
прилад або збуджуватися електронним пучком, якщо це генератор. У загальному |
||||||||||||||||||
випадку електромагнітні поля являють собою нескінченний набір просторових |
||||||||||||||||||
гармонік, що біжать уздовж періодичної структури |
зі своїми швидкостями. Для |
|||||||||||||||||
обмежених систем з кінцевою кількістю резонаторів періодичної структури |
||||||||||||||||||
вводяться види коливань, що відрізняються власними частотами й просторовим |
||||||||||||||||||
розподілом поля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
На рис. 5 й рис. 6 |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
показані |
миттєві картини |
|
|
|
|
|
|
анод |
|
|
|
|
|
|||||
розподілів високочастотних |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
і статичного |
електричних |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
полів між катодом й анодом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
у приладі М-типу для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
плоскої |
й |
|
циліндричної |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
моделей |
анодного |
блоку |
|
E1 |
E0 |
vdΣ |
|
|
|
|
|
E0 |
E1 |
|||||
відповідно. |
|
Суцільними |
|
Ex |
|
Ey |
Ex |
Ex |
Ex |
Ex Ey |
E Ex |
|||||||
лініями |
|
зі |
стрілками |
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
показані |
|
силові |
лінії |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
катод |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
високочастотного |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 5. Розподіл електричного поля в плоскому |
||||||||||||||||
електричного |
|
поля. |
|
|||||||||||||||
Поздовжньому |
|
|
|
|
|
|
магнетроні для коливання π-виду |
|
||||||||||
високочастотному |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
електричному полю (щодо руху електронів від катода до анода) відповідає Ey |
||||||||||||||||||
компонента, а поперечному – |
Ex |
компонента (рис. 5). Статичне магнітне поле B0 |
||||||||||||||||
спрямоване |
перпендикулярно до площини |
рисунка, причому |
його |
величина |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
85 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
перевищує значення критичного магнітного поля Bкр |
. Векторами позначені |
|||||||||||||||
напрямки відповідних компонент електричних полів, а також їхнього сумарного |
||||||||||||||||
поля. Знаками |
± на рисунках позначені миттєві значення високочастотних полів у |
|||||||||||||||
відповідному секторі простору взаємодії. |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
Виділимо три випадки, пов'язані з трьома різними електронами. Один |
|||||||||||||
електрон потрапляє в область дії сумарних прискорювальних і високочастотного |
||||||||||||||||
полів (напруженості електричних полів збігаються за напрямком), другий |
||||||||||||||||
електрон рухається тільки в прискорювальному статичному полі за відсутності |
||||||||||||||||
високочастотного поля, |
третій потрапляє в область дії сумарного гальмуючого |
|||||||||||||||
високочастотного |
|
електричного |
поля (напруженості електричних полів |
|||||||||||||
спрямовані в протилежні сторони). |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
На рис. 6 перший електрон |
|
|
|
|
||||||||||
позначений цифрою 1, другий – |
|
|
|
анод |
||||||||||||
цифрою 2, третій – цифрою 3. На рис. |
|
|
|
|||||||||||||
5 виділені два електрони – 1-й і 3-й, і |
|
1 Et |
|
Er |
||||||||||||
для |
|
|
них |
|
показані |
вектори |
Er |
2 |
3 Et |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
електричного |
|
поля. |
|
Розглянемо |
|
E |
||||||||||
|
|
|
E0 |
|
||||||||||||
окремо вплив на характер руху |
|
|
E0 |
|||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||
електронів |
|
двох |
компонентів |
|
катод |
|||||||||||
(поздовжньої |
|
|
й |
|
поперечної) |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
високочастотного |
електричного поля |
Рис. 6. Структура електричного поля |
||||||||||||||
за |
наявності |
постійної |
складової |
|||||||||||||
в циліндричному магнетроні |
||||||||||||||||
E |
|
= |
Ua |
(U |
|
=U |
|
, U |
|
– анодна |
|
|
|
|
||
0 |
|
a |
0 |
a |
|
|
|
|
||||||||
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
напруга).
Вплив поздовжнього високочастотного поля на характер руху електронів у приладі М-типу розглянемо для трьох електронів, що перебувають під дією різних за величиною й полярністю значень сумарного електричного поля. Електрон, позначений цифрою 1, отримує додаткове прискорення за рахунок дії поздовжньої високочастотної компоненти електричного поля (Ey або Er
відповідно на різних рисунках). Електрон, позначений цифрою 2, швидкість свою не змінює, тому що високочастотне повздовжнє поле відсутнє. Електрон із цифрою 3 сповільнює свій рух, тому що високочастотне поле спрямоване в протилежний прискорювальному полю бік. Якщо припустити, що первісна швидкість електронів дорівнює фазовій швидкості однієї із просторових гармонік періодичної структури, то під час руху електронів від катода до анода буде відбуватися їхнє групування в згустки густини заряду поблизу одного електрона, а розрідження – поблизу іншого. Електрон 1 буде наздоганяти електрон 2, а
86
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
електрон 3 відставати, наближаючись до електрона 2. Таким чином, поблизу електрона 2 буде формуватися згусток електронів. Якщо провести аналогічні міркування для електронів, розташованих на наступному напівперіоді, де поле має протилежну фазу, то електрон, у якого поздовжня компонента високочастотного поля відсутня, буде центром розрідження. Із цього розгляду випливає, що поздовжнє високочастотне поле в приладах М-типу приводить до групування електронів по швидкостях й утворення згустків електронів.
Вплив поперечної компоненти високочастотного електричного поля
Як зазначалося в попередньому параграфі, у випадку схрещених електричних |
||||||||||||
і магнітних полів вектор переносної (дрейфової) швидкості електрона, абсолютне |
||||||||||||
значення якої визначається за виразом v |
= E B−1 , |
спрямований перпендикулярно |
||||||||||
|
|
|
|
|
d |
0 |
0 G |
. Якщо зобразити на рисунках |
||||
вектору електричного прискорювального поля |
E0 |
|||||||||||
вектор |
сумарної |
напруженості |
EG = EG∑ |
поперечного |
високочастотного |
|||||||
компонента електричного поля й постійної |
|
G |
|
G |
G |
|||||||
складової (E∑ |
= x0Ex |
+ y0E0 , |
||||||||||
наприклад, рис. 5), то видно, що цей вектор відхиляється від напрямку вектора |
||||||||||||
напруженості прискорювального поля у бік від нормалі на певний кут. Оскільки |
||||||||||||
напрямок |
сумарної поступальної |
(дрейфової) |
швидкості |
vG |
|
електронів |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dΣ |
|
|
|
перпендикулярний до напрямку сумарної напруженості електричного поля EGΣ , то |
||||||||||||
для одних електронів вона буде спрямована у бік до анода, а для інших – до |
||||||||||||
катода (це видно на представлених рисунках для двох моделей). Для електронів, |
||||||||||||
що перебувають у гальмуючій фазі поля, дрейфова швидкість спрямована у бік |
||||||||||||
анода. Для електронів, що перебувають у прискорювальній фазі високочастотного |
||||||||||||
поля, вона спрямована до |
катода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Таким чином, електрони, які гальмуються й віддають свою потенційну |
||||||||||||
енергію полю, рухаються у бік до |
y |
Ex < 0 |
|
Ex > 0 |
|
|||||||
сповільнювальної системи і більшою за |
|
|
|
|||||||||
величиною амплітудою |
високочастотного |
|
|
|
|
|
|
|||||
поля, а електрони, які прискорюються й |
|
|
|
|
|
|
||||||
забирають високочастотну енергію в поля, |
|
|
|
|
|
|
||||||
рухаються до катода й згодом осідають на |
|
|
|
|
|
|
||||||
нього. Зсув електронів тим більший, чим |
|
|
|
|
|
|
||||||
ближче електрони перебувають до поверхні |
|
|
|
|
|
|
||||||
анода, |
де |
вище |
|
концентрація |
0 |
|
|
|
|
x |
||
високочастотної |
енергії. |
Відбувається |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
сортування електронів пучка. Вид траєкторії |
Рис. 7. Зсув меж електронного потоку |
|||||||||||
електрона на рис. 5 зображено штриховою |
|
в високочастотному полі |
|
|||||||||
кривою. |
Якщо перейти |
від |
аналізу руху |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
87 |
|
|
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
одного електрона до потоку електронів, то спостерігається зміна форми потоку, як показано на рис. 7. Стрілками на рис. 7 позначено зсув електронів у потоці, що перебувають у різних фазах НВЧ-поля (Ex < 0 , Ex > 0 ). Форма поверхні потоку електронів видозмінюється порівняно з первісною плоскою. Крім того, зсув верхньої границі потоку більше, ніж нижньої. Перетин пучка в гальмуючій фазі збільшується, а в прискорювальній – зменшується.
Утворення спиць в електронному потоці
Деформація поверхні пучка електронів не супроводжується, як це було в приладах О-типу, зміною об'ємної густини заряду, тобто модуляція електронів за швидкістю не переходить у модуляцію пучка електронів за густиною заряду. Це відбувається тому, що, як в областях утворення згустків електронів, так і в областях розрідження, об'ємна густина заряду залишається постійною величиною за рахунок того, що перетин пучка в гальмуючій і прискорювальній фазах різний. У будь-якій точці області взаємодії змінюється лише поверхнева й погонна густина заряду вздовж поперечноїG координати (перпендикулярно до прискорювального електричного поля E0 ). Разом з тим повний заряд змінюється з поперечною координатою: він збільшується в області розширення й зменшується в області утворення згустку, що змінює просторовий заряд й утворює хвилясту поверхню пучка. По мірі руху електронів у згустках до анода ущільнення електронів витягаються, перетворюючись на спицю, а в місцях розрідження електронів притискаються до катода. Загальна картина не змінюється й у коаксіально-циліндричному приладі, наприклад у магнетроні (рис. 8), – вплив радіальної компоненти аналогічний до впливу поздовжньої компоненти електричного поля в плоскій конструкції приладу М-типу (рис. 5). Траєкторія руху електронів від катода до анода є циклоїдальною кривою, число петель якої залежить від величини індукції магнітного поля B0 , анодної напруги Ua й
амплітуди напруженості високочастотного електричного поля EG. На рис. 8 показані можливі
траєкторії електронів, що рухаються до анода, й утворення спиці на одній з ділянок простору взаємодії в магнетроні. Суцільними кривими показані циклоїдальні траєкторії електронів у спиці для різних значень магнітного поля. Таких електронних спиць у коаксіально-циліндричному приладі М- типу рівно у два рази менше, ніж кількість резонаторів анодного блоку. Вид таких електронних ущільнень у
88
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
приладі нагадує спиці у звичайному колесі. Звідси й така їхня назва. |
||||||
Один з варіантів утворення електронних спиць у магнетроні представлений |
||||||
на рис. 9. Фактично із часом полярність |
|
|||||
високочастотного |
потенціалу |
на сегментах |
|
|||
анодного блоку приладу М-типу змінюється |
|
|||||
на протилежну за знаком. Ця ситуація |
|
|||||
повторюється |
|
через кожні |
півперіоду |
|
||
високочастотних |
коливань. |
Створюється |
|
|||
враження, що |
спиці обертаються навколо |
|
||||
своєї вісі |
з |
|
певною тангенціальною |
|
||
швидкістю, і |
|
|
поле обертається вздовж |
|
||
анодного блока |
|
з певною азимутальною |
|
|||
(кутовою) швидкістю. |
|
Рис. 9. Електронні спиці в магнетроні |
||||
Робочий режим магнетрона
Для збудження коливань у магнетроні необхідно виконання певних умов, за яких перебувають робочі значення анодної напруги. По-перше, анодна напругаUa
повинна перевищувати критичний потенціал Uкр , як це випливає із графіка на
рис. 3. Крім цієї умови, для характеристики стійкої роботи магнетрона вводять
потенціал синхронізації UС й граничний потенціал U Г . Ці значення потенціалу й визначають робочий режим магнетрона. Знайдемо ці значення потенціалу.
Потенціал синхронізації. Як зазначалося вище, для стійкої роботи магнетрона поряд із гвинтовим циклоїдальним рухом електронів від катода до анода необхідно й синхронне обертання електронних спиць із високочастотним полем. Таким чином, потрібна певна кутова швидкість обертання (або переміщення) електронних спиць, яка повинна бути синхронною до швидкості поширення високочастотного поля в області взаємодії (або швидкості зміни фаз поля на сегментах анодного блоку).
Для обраного раніше π - виду коливань час руху спиці tc між двома сусідніми резонаторами анодного блоку може дорівнювати цілому числу n
напівперіодів високочастотного поля T 2 , тобто
tc = (n + 1 / 2)T,
Зрозуміло, що максимальна кутова швидкість переміщення спиць реалізується при значенні n = 0. Ціле число n визначає номер просторової гармоніки поля кільцевої періодичної структури магнетрона.
Уведемо ціле число k , що дорівнює кількості резонаторів, пройдених спицею уздовж анодного блока, що складається з N резонаторів. Тоді час, за який спиця пройде цю відстань, дорівнює:
89
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
= k T . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прирівнюючи |
ці |
часи |
для |
π - |
|
видуNколивань, |
|
одержимо |
співвідношення |
||||||||||||||||||
k = n + 1 . |
Якщо |
вид |
коливань |
|
відрізняється |
від |
π-виду |
й |
зрушення між |
||||||||||||||||||
N |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сусідніми резонаторами дорівнює величині |
|
p |
, де p – номер виду коливань, то |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для величини |
k |
одержимо: |
k |
= n + |
p . |
|
Тоді циклічна частота синхронного |
||||||||||||||||||||
|
|
|
N |
|
|
N |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
буде дорівнювати: |
|||||||||
обертання спиці й поля для виділеного значення k |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ω |
|
= |
|
2π = |
2πc . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
kT |
|
k |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Тут |
λ = cT |
– |
довжина хвилі |
збуджених |
|
коливань, |
c |
|
– |
швидкість світла. |
|||||||||||||||||
Тангенціальна швидкість електронів |
vτ |
у поверхні анодного блока при відомому |
|||||||||||||||||||||||||
радіусі ra дорівнює: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
v |
|
= ω r |
= 2πcra . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
0 |
a |
|
|
k |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При |
такій |
тангенціальній швидкості |
електронів біля |
|
|
поверхні анода його |
|||||||||||||||||||||
кінетична енергія буде визначатися виразом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
Ek |
|
mv 2 |
|
m |
2πcr |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
= |
|
|
τ |
|
|
= |
2 |
|
|
|
a . |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
kλ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Використовуючи |
закон |
збереження |
|
енергії |
mv 2 |
= eU |
|
, |
знайдемо значення |
||||||||||||||||||
|
|
|
τ |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
a |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потенціалуUa , що і називається потенціалом синхронізаціїUС |
(UС =Ua ): |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
m |
|
πcr |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
r |
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
UС = 2 |
|
|
|
|
|
a |
|
4.04 107 |
|
a |
. |
|
|
(11) |
|||||||||
|
|
|
|
e |
|
kλ |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kλ |
|
|
|
|
|||||||
Ця величина визначає найменше значення анодного потенціалу, при якому |
|||||||||||||||||||||||||||
спостерігається синхронне обертання з полем електронних спиць для заданого |
|||||||||||||||||||||||||||
параметра k |
= p + nN. Коли анодна напруга менша, |
ніж потенціал синхронізації, |
|||||||||||||||||||||||||
тангенціальна (переносна) швидкість спиці поблизу поверхні анода менше від швидкості взаємодіючої з нею просторової гармоніки обраного виду коливань, й енергообмін практично відсутній. З наведеної формули випливає, що потенціал синхронізації не залежить від індукції магнітного поля B0 .
90
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
Граничний потенціал. Потенціал синхронізації забезпечує синхронне |
||||||||||||||||||||||
обертання спиць із полем. Однак електрон, що віддав свою енергію полю, |
||||||||||||||||||||||
повинен бути вилучений із простору взаємодії шляхом осідання його на анод. В |
||||||||||||||||||||||
іншому випадку він почне забирати енергію в поля, зменшуючи ефективність |
||||||||||||||||||||||
електронно-хвильової взаємодії. Таким чином, існує таке значення анодного |
||||||||||||||||||||||
потенціалу, що називається граничним, при якому електрони, що віддали свою |
||||||||||||||||||||||
енергію |
полю |
під |
|
час |
|
|
|
їхнього |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
циклоїдального руху від катода до анода, |
|
|
|
|
|
Fм |
|
|
|
|||||||||||||
осідають на анод. Знайдемо це граничне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
значення анодного потенціалу. На |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
електрон, що рухається в просторі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
взаємодії від катода до анода й синхронно |
|
|
|
|
ω0 |
e |
Fц |
|
|
|||||||||||||
обертається з полем у спиці з кутовою |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
швидкістю ω |
, діють три сили (рис. 10). |
|
|
|
|
|
Fe |
|
|
|
||||||||||||
Сила FG , |
яка0 |
пов'язана з дією постійного |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10. Сили, що діють на електрон в |
||||||||
електричного поля, спрямована по радіусу |
|
|
|
просторі взаємодії |
||||||||||||||||||
до анода. Сила Лоренця |
FG , |
яка пов'язана з |
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|||||||||||
|
|
|
G |
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
спрямована, |
|
дією магнітного поля B |
0 |
, спрямована до катода. Відцентрова сила F |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ц |
|
||
як і сила |
FG , від катода до анода. Для того щоб електрон потрапив на анод під час |
|||||||||||||||||||||
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= FG |
+ FG |
|
|
руху від катода до анода необхідно, щоб сумарна сила FG |
(електрична і |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FG |
|
|
|
∑ |
e |
ц |
|
|
відцентрова) була більшою за силу Лоренця |
|
. Випишемо вирази для цих трьох |
||||||||||||||||||||
сил: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F = −eE |
0 |
, |
|
F = mω2r, |
|
F = eB ω r. |
|
|
(12) |
||||||||||
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
ц |
|
0 |
|
|
м |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
Граничне значення анодного потенціалу знаходимо з умови |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
F∑ |
= Fe + Fц |
≥ Fм . |
|
|
|
|
|
|
||||||
Для розв’язку поставленого завдання скористаємося рівнянням руху |
||||||||||||||||||||||
електрона в радіальному напрямку під дією виділених трьох сил (12): |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
m d2r |
= eE |
|
+ mω2r |
|
−eB ω r. |
|
|
|
|
(13) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
dt |
2 |
|
|
0 |
|
0 |
|
0 |
0 |
у межах від положення |
||||||
Проінтегруємо це рівняння за радіальною змінною |
r |
|||||||||||||||||||||
катода r |
= rk до анода r |
= ra |
, тобто: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
ra |
m d dr |
2 |
|
|
ra |
|
|
ra |
|
|
|
ra |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
= |
|
|
eB ω rdr |
mω2rdr. |
|
(14) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
eE dr − |
+ |
|
|||||||||||||||
|
|
r∫ |
|
|
|
|
|
|
|
r∫ |
|
|
r∫ |
|
|
|
r∫ |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
dt |
|
|
|
0 |
|
0 0 |
|
0 |
|
|
|
|||||||
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
Усі інтеграли, що входять у це рівняння, обчислюються елементарно, і тоді (14) набуває вигляду:
91
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
|
|
m |
dr |
2 |
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
ω2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
a = eUa −e |
|
0 |
B0 (ra2 − rk2 ) + m |
0 |
(ra2 |
− rk2 ). |
(15) |
|||||||||||||
|
|
2 |
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
У початковий момент часу тангенціальна |
U |
|
|
|
|
|
Uкр k = 1 |
|||||||||||||||||
швидкість електрона на катоді дорівнює |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
нулю, а поблизу анода тангенціальна |
UC1 |
|
|
|
|
|
|
k = 2 |
||||||||||||||||
швидкість |
дорівнює |
|
vτ = ω0ra , |
|
тому |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k = 4 |
||||||
третьому |
|
доданку |
|
(15) |
|
|
величина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
vτ = ω0rk |
= 0 |
. Радіальна швидкість електрона |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
поблизу анода повинна бути більшою від |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
нуля dra |
≥ 0 . У цьому |
випадку |
електрони |
UC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
B0 |
долетять до анода й осядуть на нього. Це |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
граничне значення |
анодного |
потенціалу й |
|
Рис. 11. Діаграма робочих режимів |
||||||||||||||||||||
визначає |
U Г |
, що описується таким виразом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
магнетрона |
||||||||||||
|
|
|
|
|
U Г = B0 |
|
ω0 |
(ra2 |
− rk2 ) − m |
ω02 |
ra2 . |
|
|
|
|
(16) |
||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2e |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Вважаючи, що циклічна частота дорівнює ω |
= 2πc |
, а також підставляючи в (16) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
kλ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
абсолютні значення |
|
величин |
e, m, c , одержимо для граничного значення |
|||||||||||||||||||||
потенціалуU Г такий вираз у вольтах: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
U Г |
= 1884B0 (ra2 − rk2 ) − 4.04 107 |
ra |
|
. |
|
|
(17) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
kλ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kλ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Другий доданок в (17) являє собою потенціал синхронізації. Із цього виразу |
||||||||||||||||||||||||
випливає, що для видалення відпрацьованих електронів на анод потенціал анода |
||||||||||||||||||||||||
повинен перевищувати потенціал синхронізації Uc |
. Крім цього зі збільшенням |
|||||||||||||||||||||||
цілого значення k = p + nN граничне значення U Г |
зростає. З формул (16), (17) |
|||||||||||||||||||||||
випливає, що граничний потенціал є лінійною функцією індукції магнітного поля. |
||||||||||||||||||||||||
Найменший граничний потенціал відповідає π -виду коливань. |
|
|
||||||||||||||||||||||
На рис. 11 саме й зображена діаграма робочих режимів магнетрона. На |
||||||||||||||||||||||||
діаграмі робочих режимів представлені три залежності для критичного потенціалу |
||||||||||||||||||||||||
Uкр , потенціалу синхронізації |
Uc |
|
й |
граничного потенціалу |
U Г |
від величини |
||||||||||||||||||
індукції магнітного поля B0 . Затемнена область рисунка відповідає неробочому |
||||||||||||||||||||||||
режиму магнетрона. Незатемнена область – робочому |
режиму. Лінії, що |
|||||||||||||||||||||||
відповідають граничному потенціалу U Г , |
починаються в |
|
точці |
перетинання |
||||||||||||||||||||
параболи критичного потенціалу й потенціалу синхронізації Uc і далі йдуть під
92
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
певним кутом до вісі OB0 , величина якого обернено пропорційна значенню цілого числа k = p + nN. Як видно з рисунка, для збудження π -виду коливань потрібна менша анодна напруга, ніж для інших типів коливань. З укороченням довжини хвилі необхідно збільшувати індукцію магнітного поля для збереження незмінності граничного значення потенціалу. Зазначимо також, що магнетрон працює при помітному перевищенні анодної напруги над її граничним значенням U Г , це викликане тим, що його ККД вищий для цих напруг. На діаграмі робоча точка для оптимального режиму, як показує експеримент, знаходиться ближче до прямої граничної напруги, ніж до параболи критичної напруги. Таким чином, пряма граничної напруги й парабола критичної напруги обмежують область значень анодної напруги й індукції магнітного поля, при яких можливий синхронізм між електронами і біжучою електромагнітною хвилею збуджуваних коливань.
Вихідні характеристики магнетрона
До вихідних характеристик магнетрона відносять потужність генерованих |
|||||||||
коливань P, |
коефіцієнт корисної дії η, робочу довжину хвилі коливань λ, |
||||||||
електронний |
зсув |
частоти |
δ f |
і |
його крутість |
S. Крім цих експлуатаційних |
|||
характеристик, вводять ще й робочі характеристики магнетрона – залежності |
|||||||||
анодної напруги від величини анодного струму |
Ua = f |
(Ia ) . Їх ще називають |
|||||||
вольт-амперними характеристиками при B0 = const. |
|
|
|
||||||
Потужність коливань P пов'язана із ККД приладу η |
простим виразом: |
||||||||
Коефіцієнт |
корисної |
дії |
|
P = ηIaUa . |
|
|
|
|
|
η |
магнетрона |
визначається, як |
відношення |
||||||
потужності коливань до постійної потужності пучка |
IaUa . Розрізняють повний |
||||||||
ККД η, електронний ККД |
ηe |
і контурний ККД ηk , |
які пов'язані між собою |
||||||
співвідношенням: |
|
|
|
η = ηeηk . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Величина ККД η повністю визначається робочим режимом магнетрона і |
|||||||||
зв'язком з навантаженням. Енергія електронів передається високочастотному |
|||||||||
полю, а також витрачається на відновлення втрат, зумовлених поглинанням у |
|||||||||
пристроях вводу й виводу, а також у коливальній системі. Ці втрати визначаються |
|||||||||
контурним ККД ηk . Електронний ККД ηe визначає ефективність передачі енергії |
|||||||||
електронів високочастотному полю. Максимальна енергія, що електрони можуть |
|||||||||
віддати полю, дорівнює eUa |
. Однак частина цієї потенційної енергії переходить у |
||||||||
кінетичну енергію електронів, |
з |
якої вони досягають анода. |
Максимальну |
||||||
|
|
|
|
|
93 |
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
швидкість електронів, з якої вони потрапляють на анод, приблизно можна |
||||||||||||||||||||||||||
прирівняти зі швидкістю електрона у верхній точці циклоїди: |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
v |
max |
= 2 E0 ≈ |
|
|
2Ua |
, |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
B0 |
|
|
dB0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
де |
d – відстань між катодом й анодом. З огляду на цей факт, |
одержимо для |
||||||||||||||||||||||||
електронного ККД таку формулу: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
= 1 − |
2mUa . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
ed2B02 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
У критичному режимі U |
|
= |
ed2Bкр2 |
|
, й тоді вираз для електронного ККД набуває |
|||||||||||||||||||||
кр |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вигляду: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
= 1 − |
|
Ua |
|
|
|
Bкр |
2 |
|
|
|
|
(18) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
U |
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||
Із цієї формули видно, що в критичному |
|
режимі |
ηe = 0 . |
У цьому |
випадку |
|||||||||||||||||||||
самозбудження коливань відсутнє. У реальних багаторезонаторних магнетронах |
||||||||||||||||||||||||||
електронний ККД досягає значень ηe ≈ |
(50–70) %. Залежність електронного ККД |
|||||||||||||||||||||||||
магнетрона від індукції магнітного поляB0 |
|
|
може бути встановлена з формули |
|||||||||||||||||||||||
(18). Величини Ua |
йB0 пов'язані між собою умовою синхронізму, за допомогою |
|||||||||||||||||||||||||
якої була визначена величина граничного анодного потенціалу: |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωnB0 |
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Ua, Г = |
|
(ra − rk ). |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
2(p + nN ) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Тут ωn – |
частота коливань p -виду. Використовуючи цю величину для анодної |
|||||||||||||||||||||||||
напруги, з формули для ККД (18) одержимо: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
ηe |
= 1 − |
m |
|
ωn |
(ra2 − rk2 ). |
|
|
|
|
(19) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
edB |
0 |
2p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Як випливає із цього виразу, для електронного ККД зі зростанням величини |
|||||||||||||||||||||||||
магнітної |
індукції |
B0 |
|
відбувається збільшення ККД. Зрозуміло що, зі |
||||||||||||||||||||||
збільшенням магнітної індукції, як це випливає з умови синхронізму, необхідно |
||||||||||||||||||||||||||
синхронно збільшувати й величину анодної |
напруги Ua |
|
(інакше необхідно |
|||||||||||||||||||||||
перебувати на прямій для обраного p -го виду коливань |
на діаграмі робочих |
|||||||||||||||||||||||||
режимів (рис. 11)). Із цієї причини переносна (дрейфова) швидкість електронів vd |
||||||||||||||||||||||||||
і |
максимальна |
швидкість |
|
електронів, |
|
|
|
що |
досягають |
анода, |
va.max |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
94 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
(v |
|
= 2v |
= |
2E0 |
2Ua ), |
залишаються практично незмінними за величиною й |
||||||||||
|
|
|||||||||||||||
a.max |
|
d |
|
B0 |
dB0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
напрямком. |
Як |
|
випливає |
з |
виразу |
|
для |
|
|
|||||||
кінетичної енергії електронів W = |
mv2 |
, ця |
ηe |
|
||||||||||||
|
|
a |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
2 |
|
|
1 |
|
||
величина |
|
залишається |
|
|
|
а |
p = 4 |
|||||||||
|
незмінною, |
|
||||||||||||||
величина потенційної енергії зростає за |
0.5 |
p = 3 |
||||||||||||||
рахунок збільшення потенціалу на аноді |
Ua . |
p = 2 |
||||||||||||||
Із цієї причини електронний ККД |
|
p = 1 |
||||||||||||||
магнетрона |
росте. З виразу |
(19) |
також |
0 |
B0 |
|||||||||||
випливає, |
що зі |
збільшенням |
номера |
|
типу |
|
||||||||||
|
Рис. 12. Залежність електронного |
|||||||||||||||
коливань |
p ККД збільшується. Максимальне |
|||||||||||||||
ККД від величини магнітного поля |
||||||||||||||||
значення |
ККД |
реалізується для |
π |
|
-виду |
|
|
|||||||||
коливань. На рис 12 якісно показані залежності електронного ККД від величини |
||||||||||||||||
магнітної індукції статичного магнітного поля, які, як випливає з формули (19), |
||||||||||||||||
мають вигляд гіпербол. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Робочі характеристики. Робочими характеристиками магнетрона називають |
|||||||||||||||
залежності анодної напруги від величини анодного струму (Ua = f (Ia )) при |
|||||||||||||
постійних значеннях |
B0, P, η, ω0. |
Сімейство цих кривих наведено на рис. 13. |
|||||||||||
Пояснення ходу кривих на рис. 13 безпосередньо випливає з діаграми робочих |
|||||||||||||
напруг, зображених на рис. 11. Збудження коливань спостерігається при |
|||||||||||||
граничній напрузі. При іншому значенні індукції магнітного поля характеристики |
|||||||||||||
зміщуються відповідно до діаграми робочих напруг. Зі збільшенням анодної |
|||||||||||||
напруги Ua анодний струм |
Ia |
для |
Ua, |
|
|
|
P5 |
|
|||||
заданого |
значення |
B |
0 |
зростає |
P2 |
P3 |
P4 |
H6 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
кВ |
|
|
|
|
|
|
повільно. Ця частина кривих |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
η4 |
|
H5 |
||||||||
відповідає |
анодним |
|
напругам |
20 |
|
|
|
||||||
нижче від її граничного значення. |
|
|
|
|
η2 |
||||||||
|
|
|
|
η3 |
|||||||||
Більшість електронів повертається |
18 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
на катод під дією сили |
Fм . |
16 |
H4 |
|
|
|
|
||||||
Величину |
U Г |
можна |
визначити |
14 |
|
|
|
η1 |
|||||
графічно, |
продовживши |
лінійну |
H3 |
P1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
||||||||||
частину кривої до перетинання з |
12 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
віссю ординат. Сімейство кривих |
UП |
H2 |
|
|
|
|
|||||||
при |
P = const |
близьке за видом |
10 |
H1 |
|
|
|
|
|||||
до гіпербол. З рис. 13 видно, |
що |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
при |
Ia = const |
й збільшенні |
Ua |
|
8 |
12 |
16 20 |
24 |
28 Ia, A |
||||
ККД |
приладу |
збільшується. |
Це |
Рис. 13. Робочі характеристики магнетрона |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
95 |
|
|
|
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
пов'язане з тим, що збільшення Ua й B0 викликає до зменшення радіуса утворюючої кола і, як наслідок, до зменшення швидкості, з якою електрони потрапляють на анод.
Довжина хвилі коливань визначається геометричними розмірами резонаторів анодного блоку магнетрона і зв'язком з навантаженням, яке змінюється незначною мірою зі зміною електричних параметрів системи.
Електронне зміщення частоти. Зі зміною анодного струму частота магнетрона змінюється. Для оцінки роботи магнетрона вводять такий параметр,
як крутість електронної перебудови S = df , яка є максимальною при малих dIa
анодних струмах і становить кілька десятків мегагерц на ампер. Відомості про параметр S є частиною паспортних даних магнетрона.
Опис експериментальної установки для вимірювання експлуатаційних характеристик магнетрона
Експериментальна установка складається з досліджуваного магнетрона,
10 
1 
3 
4 
6
11 |
2 |
5 |
7 |
|
|
|
8 |
|
|
|
9 |
Рис.14. Структурна схема експериментальної установки
фіксованого атенюатора, вимірника потужності, хвилеміра, джерела живлення з |
||||
вольтметром й амперметром для вимірювання напруги й струму |
Ia |
(рис. 14). |
||
Позначення на рис. 14: |
|
|
|
|
1. |
Магнетрон |
|
|
|
2. |
Блок живлення УІП-1 |
|
|
|
3. |
Перемінний атенюатор |
|
|
|
4. |
Направлений відгалужувач |
|
|
|
5. |
Термісторний міст Я2М-64 з прийомним перетворювачем |
|
|
|
6. |
Вимірювальна лінія 33І з реєстру вальним мікроамперметром М24 |
|||
7. |
Трансформатор повних опорів 52І |
|
|
|
8. |
Частотомір резонансний Ч2-32 |
|
|
|
9. |
Узгоджувальне навантаження |
96 |
|
|
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
10. Вентилятор охолодження магнетрона з блоком живлення
Завдання й порядок виконання роботи
1.Перед початком вимірювання необхідно ознайомитися з інструкціями для експлуатації приладів, використовуваних в установці.
2.Увімкнути джерело живлення електромагніта й установити мінімальне значення магнітної індукції B0 = 0.1 Тл (U ≈ 55 В).
3.Увімкнути вентилятор, джерело живлення й подати напругу на розігрівання приладу. Анодна напруга вибирається мінімально можливою.
4.Включити вимірник потужності й прогрівати його протягом 15–20 хвилин. Зробити калібрування вимірника.
5.Зняти вольт-амперні характеристики магнетрона при фіксованих значеннях магнітної індукції B0 = 0.1 Тл (U ≈ 55 В), 0.15 Тл (60 В), 0.175 Тл (62.5 В), 0.2 Тл (65 В).
6.Знайти граничну напругу за формулою (17) для кожного із зазначених вище значень.
7.Зняти лінії постійної потужності для трьох значень P. Як вихідне значення потужності взяти поблизу значення Pmax при B0 = 0.1 Тл і максимальному значенні анодного струму Ia . Збільшуючи послідовно значення магнітної індукції B0 , установити таке значення анодного струму Ia , для якого рівень вихідної потужності магнетрона залишався б постійним. При цьому фіксувати відповідні значення B0 , Ia , Ua . Наступні два значення потужності P вибрати в півтора й два рази більшими від вихідної величини.
8.Зняти залежності частоти генерації від анодного струму f (Ia ) при постійному значенні магнітної індукції для 7–10 значень анодного струму в межах 0 < Ia < Iпред . Величину струму Iпред задає викладач. Перед кожним вимірюванням значення частоти f необхідно робити паузу не менш 2 хв. для стабілізації температурного режиму.
Увага! Щоб уникнути перевищення допустимого значення струму Iпред ,
значення магнітної індукції необхідно змінювати тільки відключивши напругу Ua . Наступне збільшення напруги Ua робити плавно, контролюючи при цьому
струм Ia .
1. Розрахувати й побудувати вольт-амперні характеристики, знайти потенціал синхронізації за формулою (11), граничне значення потенціалу за формулою
97
Магнетрон – експлуатаційні характеристики
(17) для значень магнітної індукції B0 , зазначених у п. 5. Значення струму Ia взяти в межах 0 < Ia < Iпред . Геометричні розміри анодного блока й довжину
хвилі задає викладач.
2. На підставі отриманих даних обчислити ККД і побудувати лінії постійних значень ККД у координатах Ia й Ua , попередньо обчисливши потужність розігріву.
3. Результати вимірювання представити у вигляді графіків і таблиць.
4. Порівняти розрахункові й експериментальні дані. Пояснити отримані результати.
2. Пояснити принцип дії магнетрона і його структуру.
2. Які види коливань існують у магнетроні?
2. Намалюйте розподіл поля для π -виду.
2. У чому полягає роль поздовжнього й поперечного високочастотного поля? 2. Як утворюються спиці в магнетроні?
2. Що являє собою умова синхронізму?
2. Що являє собою парабола критичної напруги?
2. Дайте визначення граничного потенціалу й потенціалу синхронізації.
2. Які характеристики магнетрона називаються робочими?
Рекомендована література [1, 4, 7, 8, 25–28]
98