МАГНЕТРО́Н

МАГНЕТРО́Н (от маг­нит и …трон), ге­не­ра­тор­ный элек­тро­ва­ку­ум­ный СВЧ-при­бор, в ко­то­ром фор­ми­ро­ва­ние элек­трон­но­го по­то­ка и его взаи­мо­дей­ст­вие с элек­тро­маг­нит­ным по­лем СВЧ про­ис­хо­дит в про­стран­ст­ве, где по­сто­ян­ные элек­трич. и маг­нит­ные по­ля вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ны. Ос­но­ву кон­ст­рук­ции М. со­став­ля­ет ци­лин­д­рич. ди­од с внутр. элек­тро­дом – ка­то­дом в од­но­род­ном маг­ни­то­ста­тич. по­ле, на­прав­лен­ном вдоль его оси.

Тер­мин «М.» вве­дён амер. фи­зи­ком А. Хал­лом, ко­то­рый в 1921 впер­вые опу­б­ли­ко­вал ре­зуль­та­ты тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний ра­бо­ты М. в ста­тич. ре­жи­ме и пред­ло­жил ряд кон­ст­рук­ций при­бо­ра. Ге­не­ри­ро­ва­ние элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний в де­ци­мет­ро­вом диа­па­зо­не (дли­на вол­ны $λ≈29$ см) от­крыл и за­па­тен­то­вал в 1924 че­хосл. фи­зик А. Жа­чек. В 1930-х гг. это на­прав­ле­ние по­лу­чи­ло даль­ней­шее раз­ви­тие во мно­гих стра­нах. В 1936–37 рос. ин­же­не­ра­ми Н. Ф. Алек­сее­вым и Д. Е. Ма­ля­ро­вым под рук. М. А. Бонч-Бруе­ви­ча раз­ра­бо­тан мно­го­ре­зо­на­тор­ный М., что по­зво­ли­ло мно­го­крат­но уве­ли­чить вы­ход­ную мощ­ность при­бо­ра (по срав­не­нию с обыч­ны­ми од­но­ре­зо­на­тор­ны­ми М.). В 1940–1970-х гг. раз­ра­бо­та­но св. ты­ся­чи ти­пов мно­го­ре­зо­на­тор­ных М. (в осн. для ра­дио­ло­ка­ции). На ос­но­ве М. соз­дан класс но­вых при­бо­ров для ге­не­ра­ции и уси­ле­ния СВЧ-ко­ле­ба­ний (см. Маг­не­трон­но­го ти­па при­бор).

Рис. 1. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (основные узлы прибора): 1 – анодный блок; 2 – резонатор типа «щель – отверстие»; 3 – выводы подогревателя катода; 4 – катод; 5 – петля связи...

В мно­го­ре­зо­на­тор­ном М. (рис. 1) анод­ный блок пред­став­ля­ет со­бой мас­сив­ный мед­ный ци­линдр с цен­траль­ным круг­лым сквоз­ным от­вер­сти­ем и сим­мет­рич­но рас­по­ло­жен­ны­ми сквоз­ны­ми по­лос­тя­ми, вы­пол­няю­щи­ми роль объ­ём­ных ре­зо­на­то­ров. Ка­ж­дый ре­зо­на­тор со­еди­нён ще­лью с центр. от­вер­сти­ем, в ко­то­ром со­ос­но анод­но­му бло­ку рас­по­ло­жен по­лый ка­тод. Маг­нит­ное по­ле соз­да­ёт­ся внеш­ни­ми по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми или элек­тро­маг­ни­та­ми. Свя­зан­ные ме­ж­ду со­бой ре­зо­на­то­ры об­ра­зу­ют коль­це­вую за­мед­ляю­щую сис­те­му, на­зы­вае­мую ре­зо­на­тор­ной сис­те­мой (РС) маг­не­тро­на. Яв­ля­ясь ано­дом, РС при­ни­ма­ет по­ток элек­тро­нов, в ней про­ис­хо­дит взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов с элек­тро­маг­нит­ным по­лем. РС име­ет неск. ре­зо­нанс­ных час­тот, при ко­то­рых на за­мед­ляю­щей сис­те­ме ук­ла­ды­ва­ет­ся це­лое чис­ло стоя­чих волн от $1$ до $N/2$ ($N$ – чис­ло ре­зо­на­то­ров). На ре­зо­нанс­ной час­то­те ко­ле­ба­ния в двух со­сед­них ре­зо­на­то­рах сдви­ну­ты по фа­зе на $Δφ$: $Δφ= 2π (n+pN)/N$, где $n= 0,1,…, N/2; p=± 0,1,2,…$. При $n=N/2$ и $p=0$ фа­зо­вый сдвиг ра­вен $π$. Со­от­вет­ст­вую­щий это­му слу­чаю вид ко­ле­ба­ний (т. н. $π$-вид) обыч­но вы­би­ра­ют в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го. РС в М. раз­ли­ча­ют по фор­ме ре­зо­на­то­ров – ще­ле­вые, ти­па «щель – от­вер­стие», ло­па­точ­ные, ка­п­ле­вид­ные и др., а так­же по кон­ст­рук­ции сис­те­мы в це­лом – рав­но­ре­зо­на­торные, рав­но­ре­зо­на­тор­ные со связ­ка­ми и раз­но­ре­зо­на­тор­ные. В рав­но­ре­зо­на­тор­ной сис­те­ме $π$-вид и со­сед­ние ви­ды ко­ле­ба­ний име­ют близ­кие ре­зо­нанс­ные час­то­ты (раз­де­ле­ние час­тот тем мень­ше, чем боль­ше $N$). Для обес­пе­че­ния ста­биль­ной ра­бо­ты М. (во из­бе­жа­ние пе­ре­ско­ков на др. ви­ды ко­ле­ба­ний, со­про­во­ж­даю­щих­ся из­ме­не­ния­ми час­то­ты и вы­ход­ной мощ­но­сти) не­об­хо­ди­мо, что­бы бли­жай­шая ре­зо­нанс­ная час­то­та РС зна­чи­тель­но от­ли­ча­лась от ра­бо­чей час­то­ты (при­мер­но на 10%). В М. не­об­хо­ди­мо­го раз­де­ле­ния час­тот до­би­ва­ют­ся вве­де­ни­ем двух коль­це­вых свя­зок, со­еди­няю­щих со­от­вет­ст­вен­но чёт­ные и не­чёт­ные эле­мен­ты рав­но­ре­зо­на­тор­ной сис­те­мы, ли­бо при­ме­не­ни­ем раз­но­ре­зо­на­тор­ных сис­тем, в ко­то­рых чёт­ные ре­зо­на­то­ры име­ют один раз­мер, а не­чёт­ные – дру­гой. Для вы­во­да СВЧ-энер­гии, как пра­ви­ло, ис­поль­зу­ет­ся пет­ля свя­зи, за­кре­п­лён­ная в од­ном из ре­зо­на­то­ров маг­не­тро­на.

По­ми­мо осн. уз­лов – анод­но­го бло­ка, ка­то­да и вы­ход­но­го уст­рой­ст­ва, М. со­дер­жит до­пол­нит. эле­мен­ты, уз­лы и уст­рой­ст­ва, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют пе­ре­строй­ку час­то­ты в М., фор­ми­ро­ва­ние тре­буе­мой струк­ту­ры по­сто­ян­ных элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, по­дав­ле­ние не­ра­бо­чих ви­дов ко­ле­ба­ний, ох­ла­ж­де­ние при­бо­ра и пр. Пе­ре­строй­ка час­то­ты М. (из­ме­не­ние час­то­ты ге­не­ри­руе­мых ко­ле­ба­ний) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся: вве­де­ни­ем ме­тал­лич. или ди­элек­трич. эле­мен­тов, вы­зы­ваю­щих из­ме­не­ние струк­ту­ры СВЧ-по­ля РС и, со­от­вет­ст­вен­но, её ре­зо­нанс­ной час­то­ты (ме­ха­нич. пе­ре­строй­ка час­то­ты); вве­де­ни­ем до­пол­нит. элек­трон­ных по­то­ков или из­ме­не­ни­ем па­ра­мет­ров ра­бо­чего элек­трон­но­го по­то­ка (элек­трон­ная пе­ре­строй­ка час­то­ты); вве­де­ни­ем в ко­ле­ба­тель­ную сис­те­му М. си­хро­ни­зи­рую­ще­го СВЧ-сиг­на­ла (в т. н. син­хро­ни­зи­ро­ван­ном М.); пе­ре­строй­кой ре­зо­на­то­ров или от­рез­ков ли­нии пе­ре­да­чи СВЧ, элек­тро­ди­на­ми­че­ски свя­зан­ных с РС.

Рис. 2. Схематическое изображение пространства взаимодействия магнетрона при колебаниях π-вида: 1 – замедляющая система (анод); 2 – катод; 3 – граница электронного сгустка; 4 – траектория электронов (...

В М. на элек­тро­ны, дви­жу­щие­ся в про­стран­ст­ве ме­ж­ду ка­то­дом и анод­ным бло­ком (т. н. про­стран­ст­во взаи­мо­дей­ст­вия), дей­ст­ву­ют по­сто­ян­ное элек­трич. по­ле, по­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле и элек­трич. СВЧ-по­ле ре­зо­на­тор­ной сис­те­мы (рис. 2). Пе­ре­ме­ща­ясь от ка­то­да к ано­ду под дей­ст­ви­ем по­сто­ян­но­го элек­трич. по­ля, элек­тро­ны при­об­ре­та­ют ра­ди­аль­ную ско­рость; при этом энер­гия ис­точ­ни­ка анод­но­го на­пря­же­ния пре­об­ра­зу­ет­ся в ки­не­тич. энер­гию элек­тро­нов. По­сто­ян­ное маг­нит­ное по­ле, на­прав­лен­ное по оси ка­то­да, из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние дви­же­ния элек­тро­нов, т. е. элек­тро­ны при­об­ре­та­ют тан­ген­ци­аль­ную (ази­му­таль­ную) ско­рость. При воз­бу­ж­де­нии РС на к.-л. из ви­дов ко­ле­ба­ний (напр., на $π$-ви­де) элек­трич. СВЧ-по­ле, про­ни­каю­щее че­рез ще­ли ре­зо­на­то­ров в про­ме­жу­ток анод – ка­тод с оп­ре­де­лён­ной про­странств. пе­рио­дич­но­стью, ли­бо тор­мо­зит элек­тро­ны в ази­му­таль­ном на­прав­ле­нии (ес­ли тан­ген­ци­аль­ные со­став­ляю­щие элек­трич. СВЧ-по­ля и ско­ро­сти элек­тро­нов сов­па­да­ют по на­прав­ле­нию), ли­бо до­пол­ни­тель­но ус­ко­ря­ет их (в про­ти­во­по­лож­ном слу­чае). За­мед­лен­ные элек­тро­ны от­да­ют СВЧ-по­лю свою энер­гию и под­дер­жи­ва­ют ко­ле­ба­ния в ре­зо­на­то­рах. Для не­пре­рыв­но­го тор­мо­же­ния не­об­хо­ди­мо, что­бы элек­тро­ны пе­ре­ме­ща­лись по ази­му­ту ме­ж­ду дву­мя со­сед­ни­ми ре­зо­на­то­ра­ми за вре­мя, рав­ное пол­пе­рио­ду СВЧ-ко­ле­ба­ний, т. е. сред­няя ско­рость вра­ще­ния элек­тро­нов во­круг ка­то­да сов­па­да­ла с фа­зо­вой ско­ро­стью элек­тро­маг­нит­ной вол­ны (ус­ло­вие син­хро­низ­ма элек­тро­нов и волн). Элек­тро­ны, по­па­даю­щие в ус­ко­ряю­щее по­ле СВЧ, уве­ли­чи­ва­ют свою ки­не­тич. энер­гию и от­хо­дят от РС. Часть из них воз­вра­ща­ет­ся на ка­тод, вы­зы­вая вто­рич­ную эмис­сию; элек­тро­ны, по­па­даю­щие в ра­ди­аль­ное элек­трич. по­ле вол­ны, ли­бо ус­ко­ря­ют­ся в ази­му­таль­ном на­прав­ле­нии, ли­бо тор­мо­зят­ся, груп­пи­ру­ясь око­ло элек­тро­нов, на­хо­дя­щих­ся в тор­мо­зя­щем по­ле. Т. о., в М. в ус­ло­ви­ях син­хро­низ­ма фор­ми­ру­ют­ся сгу­ст­ки про­странств. за­ря­да (т. н. спи­цы), сле­дую­щие за тор­мо­зя­щей фа­зой СВЧ-по­ля и от­даю­щие ему свою энер­гию. Дли­тель­ное (в те­че­ние не­сколь­ких пе­рио­дов) взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов с ВЧ-по­лем и фа­зо­вая фо­ку­си­ров­ка элек­тро­нов в М. обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кий кпд при­бо­ра (до 80–90%) и воз­мож­ность по­лу­че­ния боль­ших мощ­но­стей – от не­сколь­ких Вт до де­сят­ков кВт в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме и от со­тен Вт до де­сят­ков МВт и бо­лее в им­пульс­ном ре­жи­ме при дли­тель­но­сти им­пуль­сов от до­лей до де­сят­ков мкс. М. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в ра­дио­тех­нич. сис­те­мах разл. на­зна­че­ния (в ра­дио­ло­ка­ции и на­ви­га­ции, ра­дио­ас­тро­но­мии, ме­тео­ро­ло­гии, свя­зи), в пром. и на­уч. СВЧ-ус­та­нов­ках, в бы­то­вых СВЧ-пе­чах, в ме­ди­цин­ской и др. ап­па­ра­ту­ре.