Общие принципы возбуждения в магнетроне

Вращающийся электронный поток индуцирует на краях щелей резонаторов заряды. Если наведены заряды, это значит, что в резонатор внесена энергия и в нем начинается колебательный процесс. Как следствие колебаний, в резонаторах, в щелях и под щелями возникает поле СВЧ.

Колебательная система состоит N связанных между собой резонаторов. Каждый отдельный резонатор эквивалентен одиночному колебательному контуру, имеющему связь с соседними контурами.

Между контурами существует фазовый сдвиг токов. Суммарный сдвиг фаз токов во всех N резонаторах должен быть равен целому числу 2p. Только в этом случае, приняв фазу тока в одном из резонаторов за исходную и обойдя все N резонаторов по замкнутому кольцу, придем к исходному току с его начальной фазой. Тип колебаний называется противофазным или типом " p ". Он является основным в магнетроне. В колебательной системе устанавливаются стоячие волны, причем по окружности анодного блока укладываются N/2 волн, а на каждом резонаторе - половина волны.

Пучность напряжения стоячих волн находится в щелях резонатора, а пучность тока - на стенках резонаторов.

Возникшие колебания поддерживаются электронным потоком вращающегося электронного облака. Благодаря связкам, колебания в соседних резонаторах в противофазе, а поэтому при взаимодействии электронов с электрическим полем под щелями, часть электронов будет тормозиться полем резонаторов и отдавать энергию полю (это полезные электроны), другая часть электронов ускоряется полем соседних резонаторов, отбирая энергию (это "вредные" электроны).

Для того, чтобы колебания были незатухающими необходимо рассортировать электронный поток на "полезные" и "вредные" электроны и исключить из него "вредные". А для создания колебаний значительной мощности необходимо сфокусировать "полезные" в сгустки. Обе задачи решаются автоматическим, за счет взаимодействия электронов с переменным электрическим полем под щелью.

Сортировка электронов на "полезные" и "вредные".

В каждой точке пространства взаимодействия напряженность электрического поля можно разложить на две составляющие: Е_t - тангенциальную, тормозящую движение электронов вдоль анодного блока, и Е_r - радиальную, способствующую образованию сгустков электронов (рис.2.32)

Рис. 2.32. Сортировка электронов в магнетроне.

Пусть электроны 1 группы, вылетая из катода, попадают в тормозящее поле резонатора 1,когда оно максимально. Такие электроны будем называть " полезными ". Они испытывают максимальное тормозящее действие тангенциальной составляющей поля резонатора. Описав петлю эпициклоиды в точке "а", электроны прекращают приближение к катоду, начинается новая петля эпициклоиды. Вторую петлю электроны совершают в тормозящем поле резонатора 2, а следующую в тормозящем поле резонатора 3 и т.д., до тех пор, пока не долетят до анода. Таким образом, электроны достигают анода, многократно отдавая свою энергию электрическому полю резонатора.

У щелей с ускоряющим полем образуется разрежение электронов. Получив добавочную энергию от поля, эта группа электронов увеличит свою тангенциальную составляющую скорости и возвратится на катод.

Электроны "полезные" (благоприятной фазы), пролетают тормозящие поля нескольких резонаторов, отдавая им энергию, а " вредные " - выходят из пространства взаимодействия, пройдя только щель с ускоряющим полем.

Против щелей с тормозящим полем заряд накапливается и вытягивается от катода к аноду, образуя электронную нить - "спицу".

При движении в тормозящем поле, электроны отдают полю кинетическую энергию, которую они приобрели за счет постоянного поля, т.е. за счет источника анодного питания.

Энергия, отдаваемая "полезными" электронами больше энергии, отбираемой "вредными", по следующим причинам:

1. Время взаимодействия "полезных" электронов с ВЧ полем резонаторов значительно больше времени взаимодействия "вредных" электронов.

2. Вследствие того, что "полезные" электроны сфокусированы в сгусток, они движутся далее в благоприятной фазе и испытывают, таким образом, наибольшее торможение, т.е. одновременно попадают в максимальное тормозящее поле резонаторов. "Вредные" же электроны, рассеяны, поэтому движутся в неблагоприятных фазах.

3. Напряженность поля резонаторов в районе катода меньше, чем вблизи анода, поэтому "вредные" электроны, которые движутся только вблизи катода, за один цикл движения отбирают меньше энергии, чем отдают ее за один цикл движения "полезные" электроны.

Поэтому колебания, возникшие в резонаторах, возрастают по амплитуде до какого-то установившегося уровня.

Для обеспечения самовозбуждения необходимо выполнить 2 условия:

а) Условие критического режима:

Для возбуждения колебаний, при заданном анодном напряжениинеобходимо создать такое магнитное поле, которое соответствовало бы его критическому значению (рис. 2.31.в)

б) Условие синхронизма: