МАГНЕТРОН

МАГНЕТРОН [от греч. magnetis - магнит и (элек)трон], в первоначальном и широком смысле слова - коаксиальный цилиндрич. диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в к-ром взаимодействие электронов с электрич. составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрич. полю.

Термин "М." был введён амер. физиком А. Халлом (A. Hull), к-рый в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статич. режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах Л = 29 см) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е гг. влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Ха-бан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-29, СССР), К. Окабе и X. Яги (1928-29, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е гг. исследования М. как генератора СВЧ велись во мн. странах. Осн. задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-37 сов. 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 к-рого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп сов. академиком А. А. Чернышёвым в 1918. В 30-е гг. мн. инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, напр. амер. инж. К. Хенсел в 1933 (для М., у к-рого катод окружает анод), амер. инж. 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 гг. в многорезонаторный М. инженерами мн. стран (СССР, Великобритании, США, Японии и др.) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации. С кон. 60-х гг. 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 пром. установках (мощностью 5-100 квт). В 1950- 1970-е гг. 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 нач. 70-х гг. промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от неск. вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мет в импульсном режиме при длительностях импульсов гл. обр. 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 центр, круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центр, отверстием, в к-ром расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а неск. резонансных частот, при к-рых на кольцевой колебат. системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при к-ром число полуволн равно числу резонаторов (т. н. я-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на я. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на др. виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебат. системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10% ). Т. к. в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2, в), её увеличивают либо введением связок в виде металлич. колец, одно из к-рых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис., 2, б), либо применением разнорезонаторной колебат. системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2, в).

Рис. 1. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (слева - внешний вид; справа - разрез): 1 - анодный блок с 8 резонаторами типа ель-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.

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

В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрич. поле, постоянное магнитное поле и электрич. поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетич. энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрич. полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Т. к. часть электрич. поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрич. 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 электрич. полем СВЧ является осн. принципом работы многорезонаторного М. Электроны, к-рые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетич. энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

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

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., X а г-струм 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 многоре-зонаторных магнетронов, М., 1966. S. Ф. Коваленко.