Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Аннотация
• Перечень сокращений
• Введение
• Глава 1. История создания и конструкция магнетрона
• 1.1 История создания магнетрона
• 1.2 Основные конструктивные узлы магнетрона
• 1.2.1 Анодная система
• 1.2.3 Катодный узел
• 1.2.3 Узел вывода высокочастотной энергии
• 1.2.4 Магнитная система
• 1.2.5 Узел перестройки частоты
• Глава 2. Принцип работы магнетрона
• 2.1 Общее устройство и принцип действия магнетрона
• 2.2 Картина явлений в многорезонаторном магнетроне
• 2.3 Свойства многорезонаторной колебательной системы
• 2.4 Условия возбуждения колебаний в магнетроне
• Глава 3. Расчет конструкции магнетрона
• 3.1 Постановка задачи
• 3.2 Анализ распределения тепла в анодной замедляющей системе с разной конфигурацией ламелей
• 3.3 Расчет потерь различных конфигураций анодной замедляющей системы
• 3.4 Тепловой расчет
• 3.4.1 Передача теплоты через стержень
• 3.4.2 Передача теплоты через ребра
• 3.4.3 Расчетная часть
• 3.5 Конструкция анодных блоков
• 3.6 Расчет магнитопровода
• 3.7 Экспериментальное исследование магнетрона
• Выводы к главе 3
• Глава 4. Охрана труда
• 4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов
• 4.2 Классификация электрического оборудования по способу защиты от электрического тока
• 4.3 Защитное зануление
• 4.5 Устройство защитного отключения УЗО1
• 4.6. Выбор типа УЗО7
• Глава 5. Экологическая часть
• 5.1 Строение и характеристики геомагнитного поля Земли
• 5.2 Параметры магнитного поля1
• 5.3 Влияние геомагнитного поля на организм человека
• Глава 6. Экономическая часть
• Заключение
• Список литературы0
• Приложение 1. Установка высокого уровня мощности
• Приложение 2. Сборочный чертеж

Аннотация

В данной работе будет рассмотрено общее устройство, физика процессов прибора, имеющего огромное практическое значение в области возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот - многорезонаторного магнетрона. За магнетронами остаются преимущества в тех областях, где требуется минимизация массогабаритных параметров прибора и радиоэлектронного средства в целом, эксплуатационная надежность и простота управления, низкие рабочие напряжения и уровни побочных колебаний, а также относительно невысокая стоимость. При этом при использовании магнетрона не предъявляется чрезмерно высоких требований к квалификации эксплуатационного персонала, к средствам обеспечения техники безопасности.

В работе приведены различные расчеты, необходимые для разработки магнетрона, удовлетворяющего требованиям заказчика. Проведен тепловой расчет ребер охлаждения, расчет распределения тепла в ламелях, расчет потерь в анодной замедляющей системе, расчет магнитопровода. Проверка магнетрона на установках низкого уровня мощности и высокого уровня мощности показали, что выходные параметры полностью удовлетворяют поставленным требованиям и подтверждают хорошую работоспособность созданного прибора.

В приложениях приведены сборочные чертежи разрабатываемого магнетрона, блок схемы и фотографии установок для измерения параметров магнетрона.

Перечень сокращений

АЗС - анодная замедляющая система.

ВПФ - вредные производственные факторы.

ВУМ - высокий уровень мощности.

ВЧ - высокая частота.

КЗ - короткое замыкание

КСВ - коэффициент стоячей волны.

МС - магнитная система.

НУМ - низкий уровень мощности.

ОЗП - основная заработная плата.

ОПФ - опасные производственные факторы.

ПУЭ - правила устройства электроустановок.

РЛС - радиолокационная станция.

РПЗ - радиационные пояса земли.

СВЧ - сверхвысокая частота.

ТЗ - техническое задание.

ТТНП - трансформатор тока нулевой последовательности.

УЗО - устройство защитного отключения.

ЭВП - электровакуумный прибор.

ЭМП - электромагнитное поле.

Введение

многорезонаторный магнетрон колебательный геомагнитный

Магнетроны являются генераторами электромагнитных колебаний и рассчитаны в настоящее время для работы в узкой полосе частот в диапазоне 300 ч300 000 МГц при выходной мощности в импульсе от 10 Вт до 10 МВт и длительности импульса 0,1ч5 мкс. Вес магнетронов колеблется от 200 г до 100 кг и более. Среди СВЧ приборов магнетроны являются лидерами по такому параметру как отношение генерируемой мощности к единице массы прибора. С экономической точки зрения стоимость изготовления магнетрона на порядок меньше стоимости изготовления таких приборов как клистрон и ЛБВ при прочих одинаковых характеристиках.

Впервые созданные советскими учеными импульсные многорезонаторные магнетронные генераторы СВЧ колебаний получили широкое распространение в связи с развитием радиолокации. С созданием магнетронов мощностью до нескольких мегаватт в импульсе появились радиолокационные станции дальнего обнаружения, определения места нахождения и управления движением самолетов на авиалиниях. Построены мощные передатчики, применяемые в астрономии для локации планет, а также в ускорителях элементарных частиц.

Компактность и высокий к. п. д. открывают широкие перспективы применения импульсных магнетронов в телеметрической аппаратуре космических кораблей, в различных приборах для измерения скорости и расстояния, в строительстве, сельском хозяйстве и т. д.

Магнетрон -- двухэлектродный электровакуумный прибор, помещенный в магнитное поле. Генерирование СВЧ колебаний происходит в результате передачи энергии электронов высокочастотному полю колебательной системы в скрещенных электрическом и магнитном полях. За относительной простотой конструкции магнетрона скрывается глубокое принципиальное отличие магнетронного генератора от лампового генератора, состоящее в длительном (многократном) взаимодействии электронов с ВЧ полем на их пути от катода к аноду и соблюдении при этом фазовых условий самовозбуждения с общим к. п. д. 30--60%. Специфика электронного механизма состоит также в том, что катод магнетрона подвергается интенсивной обратной бомбардировке электронами, в результате которой отбор тока может достигать 100 А с 1 см2 поверхности катода. В основном этими обстоятельствами объясняется выбор режима работы магнетрона.

В общем, условия генерации колебаний в магнетроне выполняются в широком интервале значений магнитного поля, анодного напряжения и параметров ВЧ нагрузки.

Однако для получения максимальной мощности и стабильности работы магнетрона необходимо соблюдать определенные условия его применения. Отклонение от оптимальных условий приводит к изменению выходных параметров и снижает надежность магнетрона и аппаратуры.

В данном дипломном проекте ставится задача разработки мощного малогабаритного магнетрона 3мм диапазона длин волн с принудительным воздушным охлаждением. Разрабатываемый магнетрон должен удовлетворять следующим основным требованиям:

· Выходная импульсная мощность не менее 6 кВт при скважности 2000.

· Допустимая температура анода магнетрона не более 100 °С.

· Масса не более 1 кг.

· Время готовности не более 60 секунд.

Возможные конструктивные варианты магнетронов необходимо выбирать исходя из показателя максимальной передачи тепла от источника нагрева на ребра охлаждения. При этом необходимо сохранение конфигурации и параметров внешнего магнитопровода, обладающего минимальными потерями по магнитному полю, а так же минимальных потерь в АЗС.

Важным функциональным узлом магнетрона, определяющим его массогабаритные характеристики, является магнитная система (МС) на постоянных магнитах. Характеристики МС оказывают большое влияние на выходные параметры ЭВП, стабильность работы. Если учесть, что масса традиционных магнитных систем на основе литых магнитов составляет 50-80% от общей массы ЭВП, то понятно, что её снижение представляет один из основных путей борьбы за решение этой проблемы. Методы математического моделирования магнитных систем позволяют получить большой объём достоверной информации о параметрах магнитных систем, существенно сокращают объём экспериментальных работ. В данном проекте будет проводиться моделирование в программе BEMS.

Для обеспечения требуемого отвода тепла, будет произведена оптимизация формы и размеров ребер охлаждения. Также будет предложена конструкция анодного блока, в которой тепло передается от корпуса по пяти цилиндрам.

Расчетной оценке также подлежат конструкции АЗС, изготовленные из различных материалов и с различной конфигурацией ламелей.

Глава 1. История создания и конструкция магнетрона

1.1 История создания магнетрона

Магнетрон -- один из наиболее великовозрастных представителей электровакуумных приборов (ЭВП) сверхвысоких частот (СВЧ). В сегодняшнем понимании, магнетрон -- это генераторный ЭВП СВЧ, в котором формирование электронного потока и его взаимодействие с электромагнитным полем СВЧ происходит в пространстве, где действуют взаимно перпендикулярные статические (постоянные) электрическое и магнитное поля. Отсюда магнетрон и его последующие разновидности получили общее название: СВЧ-приборы со скрещенными полями.

Более чем 85-летняя история магнетрона в изложении различных зарубежных и отечественных авторов (как правило -- прямых или косвенных участников разработок и/или преподавания в ВУЗах) содержит множество искажений, как непреднамеренных, так и "заказных", призванных доказать приоритеты своих стран или научных школ, а то и являющихся результатом честной, но завышенной оценкой собственного вклада и недооценкой вклада других авторов - предшественников и коллег. Определенную роль в оценке исторических вех играло и то, что ряд результатов исследований и разработок, приходившихся на ближний предвоенный и военный период, открыто не публиковался и не становился предметом обмена информацией. В не меньшей степени нарастала глубина незнания «чужих» результатов (и даже направлений работ) в период «холодной войны» и гонки вооружений.

Принято считать, что класс ЭВП берет начало от изобретения Дж. А. Флемингом вакуумного диода (1904 г.), последующего появления управляемой трехэлектродной лампы Л. де Фореста (1906 г.) и использования триода для генерирования электрических колебаний (А. Мейснер 1913 г.). Это дало толчок к разработке и применению мощных генераторных ламп в радиопередатчиках для радиовещания и дальней радиосвязи. Наряду с этим в 1910 г. был предложен управляемый магнитным полем диод (К.Гадинг, Германия; патент №2765228/10), названный изобретателем «магнетрон», что не приобрело известности. По общепринятой версии автором термина «магнетрон» считается американский физик А.Халл, впервые опубликовавший (1921 г.) результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом и динамическом режимах. Эффект же генерирования магнетроном СВЧ-колебаний открыл в 1924 г. А.Жачек (Чехословакия). Это циклотронные колебания (в эксперименте Жачека -- на длине волны более 30 см). Практически в то же время американский физик Хаббан обнаружил колебания «типа отрицательного сопротивления» в магнитном диоде с разрезным 12-ти сегментным анодом.

В последующий период 1926-36 гг. магнетрон развивался уже как генератор электромагнитных колебаний. Так в 1927 г. Слуцкий А.А. и Штериберг Д.С. в СССР впервые создали магнетроны в диапазонах 60-30 и 7,5 см. Основная тенденция этого периода, кстати, характерная и для сегодняшнего времени -- увеличение мощности и продвижение в диапазон все более коротких волн. Однако вплоть до 1936-40 гг. все попытки реализовывались в рамках использования магнитного диода с разрезным анодом и внешнего подключенного к аноду LC-колебательного контура. Так, в 1929 г. А. Окабе (Япония) добился в 4-х сегментном магнитном диоде генерирования колебаний в диапазоне 3-5 см, а в 1932 г. К. Мегоу (Англия) получил колебания в диапазоне 40-60 см в диоде с 12-ти сегментным анодом. Параллельно с экспериментальными исследованиями прилагались усилия в области теории магнетронов. Важной вехой в этой сфере стало введение концепции синхронизма при взаимодействии вращающегося электронного потока с полями бегущей волны (1934 г., К.Постумус, Голландия). В сфере практического решения задач увеличения мощности и частоты надо считать появление в 1936-40 гг. магнетронов с цельным медным анодом, в теле которого выполнены несколько полых СВЧ-резонаторов, что дало возможность исключить внешние LC-контуры.

В СССР первый образец такого многорезонаторного магнетрона был разработан инженерами. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в ходе цикла работ, проводимых в 1936-40 гг. под руководством М. А. Бонч-Бруевича, собственные научные интересы которого относились отнюдь не к магнетронам, а к ламповым генераторам. Публикация результатов была осуществлена только в 1940 г., но рекордный по тому времени уровень мощности (до 300 Вт в непрерывном режиме) был получен на длине волны ~ 9 см, что стало хорошим подтверждением продуктивности идеи построения таких магнетронов.

Тем не менее, в СССР период 1940-1945 гг. не стал этапом активного продвижения и успехов в создании многорезонаторных магнетронов и тем более в их производстве. Тогда как в Великобритании, в США и Франции были достигнуты значительные практические результаты. Великобритания в условиях нарастающих воздушных атак Германии была вынуждена форсировать создание радиолокаторов и, соответственно, СВЧ-генераторов для них, причем не отдельных образцов, а промышленно тиражируемых приборов. В обстановке секретности, но в сотрудничестве с США и Францией разработчикам (Дж. Рэндолл, Г. Бут и Дж. Сэйерс) удалось решить ряд электродинамических, конструкторских, измерительных и технологических проблем, добиться устойчивой генерации многорезонаторными магнетронами значительных импульсных мощностей в 10-ти и 3-х сантиметровых диапазонах длин волн. Были созданы основные типы резонаторных систем: сначала равнорезонаторные, затем равнорезонаторные с эшелонированными и кольцевыми связками, а также разнорезонаторные. Все эти меры обеспечили достаточно надежную работу многовидовой колебательной системы на - виде колебаний. Эти технические решения оказались долгоживущими и базовыми на последующие десятилетия, и используются по сей день.

В ходе второй мировой войны, в частности, в 1942-43 гг. по ленд-лизу от союзников было получено более 150 радиолокаторов разных типов (главным образом станции орудийной наводки). В их числе станции, использующие магнетроны 10-и см диапазона. Нехватка в нашей армии специалистов приводила к медленному освоению этой техники, а то и к выходам ее из строя, что, впрочем, отдавало в руки инженеров образцы, в том числе сохранявшие работоспособность. Это относится и к магнетронам и к другим СВЧ-приборам и элементам.

Вопрос о воспроизведении и в дальнейшем о создании и развитии собственных ЭВП СВЧ должен был решаться в комплексной (организационной, научно-технической и производственной) связи с развитием в стране радиолокации. Причем в условиях слаборазвитой электронной и радиопромышленности, слабой разработческой базы и недостаточной координационно-управленческой системы.

Ряд предприятий СССР был нацелен на решение этих задач (естественно не только в части магнетронов). Это, прежде всего Фрязинский многопрофильный институт (ныне «Исток»), Ленинградский завод «Светлана», Московский завод (ныне «Плутон») и др. Так, в 1946 г. на заводе «Плутон» было создано ОКБ, организовано электровакуумное производство. Первые шаги -- воспроизведение (копирование) импульсных магнетронов зарубежного происхождения 10- и 3-х сантиметрового диапазонов. Следом за этим разработка собственных приборов, технологий и оборудования для вакуумного производства, средств измерений и испытаний.

Главным побудительным фактом, вызывающим создание и развитие магнетронов каждого нового типа (а то и поколения) являлись и являются требования заказчика (разработчика новой РЛС). Это, прежде всего требования по диапазону рабочих частот, уровню мощности, форме, стабильности, и чистоте сигнала, а также по совместимости с другими блоками и элементами системы.

Основной тенденцией развития магнетронов уже с начала 50-х годов являлось создание приборов с повышенными частотно-энергетическими характеристиками и освоение все новых задаваемых заказчиками участков рабочих частот. При этом использование быстроразвивающимся заказчиком передовых идей в создании РЛС различных типов и назначений, с различными законами формирования и обработки сигналов, заставляло находить новые или рационально использовать известные технические решения, реализации которых, как правило, препятствовал ряд имеющихся и возникающих технических ограничений и трудностей электродинамического, теплового, механического характера и недостаточностью арсенала технологических возможностей. Поиск и нахождение путей и средств преодоления трудностей и ограничений - это существенный фактор и побудительный мотив для рождения новых идей и способов их реализаций.

В создании магнетронов миллиметрового диапазона в ОКБ «Плутон» в начале 50-х годов, использовались разнорезонаторные системы с рабочим - видом колебаний. Многие внутренние проблемы, нарастающие по мере продвижения в диапазон длин волн короче 8 мм, требовали решения и стимулировали совершенствование методов формообразования миниатюрных колебательных систем, что вызвало к жизни создание и использование электроэрозионного оборудования. Необходимость достижения высоких точностей и сохранения их на всем технологическом маршруте изготовления магнетрона требовала тщательного выбора материалов и режимов механо- и термообработки, тщательного взаимного позиционирования сопрягаемых узлов. Отсюда, в частности, родились конструкции с так называемой горячей центровкой катода в динамическом режиме в обеспечение компромисса между максимизацией КПД и сохранением стабильности работы. Идеология использования горячей центровки в различных конструктивных построениях сохранялась в разработках последующих лет до и после 90-х годов.
Однако проблемы наращивания мощности и продвижения в диапазон все более коротких волн миллиметрового диапазона в ряду других задач изучались и решались в ряде зарубежных и отечественных институтов и КБ.

1.2 Основные конструктивные узлы магнетрона

Рисунок 1.1. Устройство многорезонаторного магнетрона:

1 - анодная система;

2 - полые колебательные контуры;

3 - пространство взаимодействия;

4 - оксидный катод;

5 - подогреватель;

6 - экранный диск;

7 - петля связи;

8 - кольца связи;

9 - выводы накала и анодного напряжения - траверсы;

10 - вывод высокочастотной энергии.

Основными конструктивными элементами многорезонаторного магнетрона являются:

1. анодная система, состоящая из полых колебательных контуров;

2. катодный узел;

3. узел вывода высокочастотной энергии;

4. магнитная система;

5. узел перестройки частоты (для настраиваемых магнетронов).

На рис. 1.1 и 1.2 показано устройство непакетированного и пакетированного многорезонаторного магнетрона.

Рисунок 1.2. Внешний вид пакетированного магнетрона.

1 - гнезда для подключения анодного напряжения и напряжения накала; 2 - анодный блок с резонаторной системой; 3 - магнитная система; 4 - выходной фланец вывода энергии.

1.2.1. Анодная система

Колебательная система магнетрона состоит из полых резонаторов, расположенных по окружности. Количество резонаторов может быть от 8 до 40. Широкое распространение получили резонаторы типа «щель-отверстие» и лопаточного типа. На рис. 1.3 представлены различные виды резонаторных систем.

Экспериментальные исследования показали, что резонаторная система возбуждается на тех частотах, при которых по окружности резонаторной системы укладывается целое число волн. При этом каждой частоте соответствует свое определенное распределение высокочастотного поля в пространстве взаимодействия.

По числу целых волн видам колебаний присваиваются номера видов (n=0,1,2,3,…,N/2).



Рисунок 1.3. Системы резонаторов, применяемые в магнетронах.

Системы с одинаковыми резонаторами: а - щелевого типа; б - типа щель-отверстие; в - лопаточного типа.

Разнорезонаторные системы: г - щелевого типа; д - типа щель-отверстие; е - лопаточного типа.

Резонаторная система, состоящая из N резонаторов, может иметь бесконечно число видов колебаний, но виды колебаний с числом N/2+1 возбуждаются редко и практического интереса не имеют. Многорезонаторные магнетроны, как правило, работают на таком виде колебаний, при котором n=N/2, т.е. напряжения и токи в соседних резонаторах сдвинуты по фазе на 180°. Этот вид колебаний получил название р - вида.

Для получения устойчивой работы магнетрона на р - виде колебаний применяются специальные меры: в резонаторных системах с одинаковыми резонаторами устанавливают металлические кольца связи с торцевых сторон, соединяющие сегменты системы через один резонатор, т.е. одно кольцо связи соединяет между собой все четные, другое - все нечетные сегменты.

При колебаниях р - вида емкость колец связи прибавляется к емкости резонаторов. Это приводит к увеличению резонансной длины волны р - вида. Для других видов колебаний разность фаз между сегментами, присоединенными к кольцам связи, не равна нулю, и по кольцам течет ток. В этом случае кольца связи играют роль индуктивности.

В результате для всех видов колебаний (кроме р - вида) параллельная индуктивность уменьшает резонансную длину волны, и разделение по частоте между р - видом и другими видами увеличивается.

1.2.3 Катодный узел

Источником электронов в магнетроне является накаливаемый катод цилиндрической формы. Геометрические размеры катода выбирает таким образом, чтобы обеспечить необходимые условия для возбуждения рабочего вида колебаний и эффективной передачи энергии электронов высокочастотному полю резонаторной системы. Крепление катода в магнетроне осуществляют с помощью радиально расположенных траверс или специальной катодной ножки аксиального типа (рис. 1.4).

Рисунок 1.4. Конструкция катодного узла:

1 - траверса; 2 - цилиндр; 3 - баллон; 4 - экранный диск; 5 - эмитирующий состав; 6 - подогреватель; 7 - керамический изолятор.

Катод магнетрона должен обеспечивать большую плотность электронной эмиссии. В магнетронах 10ч30 сантиметрового диапазона плотность электронной эмиссии должна быть 3-10 А/см2 и более.

В современных импульсных магнетронах средней мощности широко применяются оксидно-бариевые, а в мощных магнетронах - оксидно-ториевые и другие катоды.

В последнее время для повышения надежности и долговечности в импульсных магнетронах применяются L-катоды, импрегнированные и др.

На рис. 1.5 показаны конструкции L-катода и импрегнированного катода. По краям обычно устанавливаются экраны, которые служат для улучшения распределения электрического поля в пространстве взаимодействия и уменьшения утечки электронов в торцевую полость из пространства взаимодействия.

Катод в импульсных магнетронах находится в несколько необычных условиях по сравнению с катодами в других электронных приборах. Основной особенностью условий работы катода магнетрона является интенсивная обратная бомбардировка его поверхности электронами. Физическая сущность обратной бомбардировки заключается в том, что некоторая часть электронов ускоряется переменным электрическим полем и возвращается на катод. Вследствие этого происходит дополнительный разогрев катода.

Рисунок 1.5. Конструкции L-катода (а) и импрегнированного катода (б): 1 - пористый вольфрамовый цилиндр; 2 - подогреватель; 3 - изолятор; 4 и 5 - танталовые пластинки; 6 - молибденовый внутренний цилиндр; 7 - эмитирующий материал; 8 - молибденовый экран; 9 - цилиндр из пористого вольфрама, пропитанный эмитирующим материалом.

Мощность, которую отдают электроны при возвращении на катод, может составлять до 10% подводимой мощности источника анодного напряжения. Поэтому в некоторых магнетронах после включения анодного напряжения и возбуждения высокочастотных колебаний напряжение накала снижают, а иногда и полностью выключают. Однако в некоторых случаях эти меры являются недостаточными, поэтому нормальный температурный режим катода поддерживают путем принудительного охлаждения катодного узла.

Обратная электронная бомбардировка, с одной стороны, играет положительную роль, увеличивая электронную эмиссию за счет вторичных электронов, с другой стороны - отрицательную, уменьшая срок службы катода.

1.2.3 Узел вывода высокочастотной энергии

Высокочастотная энергия из колебательной системы магнетрона передается к высокочастотной нагрузке через выходное устройство, которое должно согласовывать волновое сопротивление резонаторной системы с входным сопротивлением линии передачи СВЧ энергии. Согласующие элементы называются трансформаторами сопротивлений.

При разработке многорезонаторных магнетронов применяются следующие типы выводов энергии: коаксиальные, волноводные, коаксиально-волноводные.

Рисунок 1.6. Коаксиальный вывод энергии магнетрона:

1 - наружный цилиндр; 2 - внутренний штырь с петлей связи; 3 - медный штуцер; 4 - кольцо коваровое; 5 - стеклянная вакуумноплотная диафрагма; 6 - петля связи; 7 - резонаторная система.

В коаксиальном выводе энергии, как правило, применяется индуктивная связь при помощи петли связи, которая располагается в одном из резонаторов. Один конец петли связи соединяется с анодным блоком, другой является внутренним проводником короткой коаксиальной линии, к которой присоединяется коаксиальная линия передачи, соединяющая магнетрон с антенной или другой высокочастотной нагрузкой. Если используется в качестве передающей линии волновод, то внутренний проводник коаксиальной линии служит для возбуждения волновода (рис. 1.6).

В волноводном выводе энергии высокочастотная энергия отводится из магнетрона через щель, которая соединяет полость одного из резонаторов с волноводом. Согласование волнового сопротивления резонаторной системы с волновым сопротивлением волновода осуществляется с помощью ступенчатых и экспоненциальных переходов (рис. 1.7).

Рисунок 1.7. Магнетрон с волноводным выводом энергии:

1 - резонаторная система; 2 - ступенчатый трансформатор сопротивлений; 3 - фланец дроссельного сочленения; 4 - вакуумноплотная диафрагма; 5 - щель связи.

1.2.4 Магнитная система

Для создания в пространстве взаимодействия магнитного поля применяются постоянные магниты, которые изготавливаются из специальных сплавов с высокой остаточной индукцией. В мощных импульсных магнетронах с длинным анодом для создания магнитного поля применяются электромагниты и соленоиды. Величина магнитного поля для импульсных магнетронов сантиметрового диапазона составляет 1500-7000 э.

Из соображений малых габаритов и веса обычно отказываются от электромагнитов и применяют почти исключительно постоянные магниты. В лабораторных условиях при разработке и исследованиях магнетронов, однако, более удобным оказываются электромагниты, позволяющие в широких пределах изменять величину магнитного поля. Форма магнитной цепи электромагнитов и постоянных магнитов выбирается из соображений минимального поля рассеяния. Некоторые варианты конструкций изображены на рис. 1.8.

Рисунок 1.8. Постоянные магниты и электромагниты для магнетронов с радиальными (а,б) и аксиальными (в,г) выводами катода: 1 - магнетрон; 2 - магнитная цепь из магнитномягкого материала; 3 - материал с большой коэрцитивной силой; 4 - катушка электромагнита.

1.2.5 Узел перестройки частоты

Существуют магнетроны, работающие как на фиксированной частоте, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот. Перестройка магнетронов по частоте осуществляется механическим путем емкостным или индуктивным методом. Емкостный метод заключается в том, что между кольцами связи перемещается специальное кольцо, которое изменяет емкость резонаторов. Сущность индуктивного метода в том, что металлические штыри погружаются в цилиндрическую часть резонаторов, изменяя их индуктивность. Иногда применяется комбинированная настройка, т.е. индуктивно-емкостная. Диапазон перестройки импульсных магнетронов составляет 5-10%. При дальнейшем расширении диапазона перестройки наблюдается нарушение нормальной работы магнетрона.

Глава 2. Принцип работы магнетрона

2.1 Общее устройство и принцип действия магнетрона

Магнетроном называется двухэлектродная лампа, в которой электроны движутся в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.

Вследствие действия постоянного магнитного поля, препятствующего попаданию электронов на анод, электроны движутся по сложным нерадиальным путям, и внутри магнетрона создается заметный объемный заряд.

Благодаря простоте конструкции магнетрон как источник колебаний сверхвысоких частот применяется во многих областях науки и техники, от радиолокации до пищевой промышленности.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту устройства многорезонаторных магнетронов, физические явления, наблюдаемые в них, чрезвычайно сложны и многообразны.

Устройство типичного многорезонаторного магнетрона показано схематически на рис. 2.1. Анодом магнетрона является сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.

Для связи магнетрона с внешней нагрузкой в одном из резонаторов установлена небольшая медная петля связи, которая одним концом припаяна к стенке резонатора, а другим присоединена к короткой коаксиальной линии, используемой для возбуждения прямоугольного волновода.



Рисунок 2.1. Схема устройства и включения магнетронного генератора.

1 - анодный блок, 2 - катод, 3 - резонатор типа «щель-отверстие», 4 - пространство взаимодействия, 5 - вывод энергии.

Для герметизации внутренней полости магнетрона на конце коаксиальной линии установлены перегородки из специального стекла. Выводимая с помощью петли связи высокочастотная энергия в дальнейшем передается нагрузке (например, антенне) по волноводу.

Постоянное магнитное поле B направлено вдоль оси прибора, т.е. перпендикулярно плоскости чертежа на второй проекции рис. 2.1. Постоянное или импульсное анодное напряжение Ua приложено между катодом и анодом и создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля.

В пространстве взаимодействия между катодом и анодом магнетронов происходят все процессы, которые должны присутствовать в любом электронном генераторе и усилителе СВЧ: Управление электронным потомком, образование сгустков и отдача энергии высокочастотному электрическому полю.

Перед рассмотрением принципа действия магнетрона, необходимо описать движение электронов в электрическом и магнитном поле в отсутствие резонаторной системы.

В магнетронах, так же как и в ряде других генераторов электрических колебаний, переносчиками энергии являются электроны. Двигаясь в постоянном электрическом поле, они увеличивают свою скорость и, следовательно, кинетическую энергию за счет энергии внешнего источника этого поля, а попадая в тормозящее переменное электрическое поле, передают ему часть своей кинетической энергии. В стационарном режиме передача электронами энергии внешнего источника постоянного тока переменному полю, связанному с колебательной системой генератора, осуществляется непрерывно: происходит непрерывное пополнение энергии, которая расходуется в колебательной системе генератора и во внешней нагрузке. Следует заметить, что в большинстве генераторов, в том числе и в магнетронах, процесс отбора энергии электронами от внешнего источника и процесс передачи электронами части своей кинетической энергии переменному полю колебательной системы протекают одновременно и в одних и тех же областях пространства взаимодействия. Раздельное рассмотрение этих двух процессов, к которому мы будем в дальнейшем прибегать, используется исключительно для упрощения.

Прежде чем изучать непосредственно многорезонаторные магнетроны, в которых используется эффективное взаимодействие электронного потока с постоянным и переменным электрическими полями в присутствии постоянного магнитного поля, выясним характер движения электронов в электрическом и магнитном полях и вы ведем некоторые простейшие количественные соотношения.

Предварительно рассмотрим движение электрона отдельно в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, а затем в обоих полях, действующих одновременно. Для упрощения будем полагать, что поля однородны, т.е. величина и направление в их одинаковы в различных точках пространства.

Предположим, что электрон e, находящийся в диоде в точке 1 (рис. 2.2а), под действием электрического поля начинает движение и через некоторое время достигает точки 2.



Рисунок 2.2. Движение электрона в постоянном электрическом поле:

а - в направлении сил, действующих со стороны поля; б - против сил, действующих со стороны поля.

Определим величину кинетической энергии, которую приобрел электрон, двигаясь в поле, создаваемом источником с напряжением U.

Энергия, приобретенная электроном при движении в постоянном электрическом поле равна

Где ц1 и ц2 - потенциалы точек, соответствующих начальному и конечному положению электрона. Если расстояние между электродами диода равно d, то приближенно можно считать, что напряженность электрического поля между электродами

В этом случае разность потенциалов между точками 2 и 1 равна

где l - расстояние между точками 1 и 2.

Энергия, приобретенная электроном равна

Очевидно, что действие электрического поля на электрон проявляется в увеличении скорости его движения, и, следовательно, в увеличении кинетической энергии. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия, которую получил электрон от источника поля, равна кинетической энергии электрона, т.е.

где m - масса электрона;

н - скорость электрона в точке 2. Из последнего выражения можно определить скорость электрона в точке 2:

В процессе перемещения электрона между электродами диода во внешней цепи будет протекать ток I, направление которого показано на рис. 2.2а.

В рассмотренном случае электрон двигался в направлении сил действующих на него со стороны электрического поля, т.е. в ускоряющем поле, и увеличивал свою кинетическую энергию за счет энергии источника поля. При движении электрона в тормозящем поле он, наоборот, отдает часть своей кинетической энергии источнику поля.

Допустим, что в отверстие, сделанное в верхнем электроде диода, влетает электрон, имеющий скорость н рис. 2.2б. Очевидно, что двигаясь против сил, действующих на него со стороны поля, электрон будет тормозиться, в результате чего уменьшиться его кинетическая энергия, часть которой он передает источнику поля. Во внешней цепи диода при этом будет протекать ток, направление которого показано на рис. 2.2б. Если бы при этом источником внешнего поля U был аккумулятор, то он бы при движении электрона между электродами несколько подзаряжался.

Рассмотрим теперь движение электрона в постоянном магнитном поле. Остановимся на частном случае движения электрона, когда направление его скорости перпендикулярно направлению магнитного поля. Такое взаимное расположение векторов скорости электрона и магнитной индукции характерно для магнетронов.

Сила Лоренца Fл, действующая на электрон со стороны магнитного поля, для данного случая пропорциональна скорости электрона н и магнитной индукции B:

Учитывая, что заряд электрона отрицателен, направление силы F можно определить по правилу «правого винта (рис. 2.3а).

Для этого нужно мысленно поместить винт на прямой MP, перпендикулярной плоскости, в которой располагаются векторы B и н, и вращать его в направлении от вектора B к вектору н по кратчайшему расстоянию (в данном случае ввинчивать). Винт с правой нарезкой при этом будет перемещаться сверху вниз вдоль прямой MP, направление силы F будет совпадать с направлением перемещения винта.



Рисунок 2.3. Движение электрона в магнитном поле:

а - определение направления силы Fм; б - траектория движения электрона и действующие на него силы.

Сила F всегда направлена перпендикулярно скорости электрона, поэтому магнитное поле не изменяет величины скорости, а влияет только на ее направление. В рассматриваемом случае сила F перпендикулярна также и магнитному полю, поэтому траектория движения электрона лежит в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля.

На рис. 2.3б изображены траектория движения электрона и действующие на него силы: центробежная Fц и центростремительная Fм. Направление магнитного поля (от читателя за плоскость чертежа) условно показано крестиками.

Траекторией движения электрона является окружность, радиус которой можно определить из условия, что центробежная сила равна центростремительной:

Отсюда получим выражение для радиуса траектории:



Угловая частота вращения электрона по окружности, называемая циклотронной частотой, равна

Последнее выражение показывает, что циклотронная частота не зависит от скорости электрона н, а определяется величиной магнитной индукции.

Рассмотрев простейшие случаи движения электрона отдельно в электрическом и магнитных полях, перейдем к определению траекторий движения электронов в плоском диоде, помещенном в магнитное поле (рис. 2.4). Напряженность электрического поля, создаваемая источником с напряжением U равна E; магнитное поле с напряженностью H перпендикулярно плоскости чертежа (от читателя за плоскость чертежа).

В точке A находится электрон с начальной скоростью равной нулю. Под действием электрического поля, он начинает двигаться к аноду. Поскольку в начальный момент скорость электрона мала, то магнитное поле слабо действует на него. При увеличении скорости электрона усиливается в соответствии с законом Лоренца (2.7).

Под действием этой силы траектория движения электрона искривляется. Необходимо заметить, что при достаточно большой величине напряженности магнитного поля H электрон, пройдя точку B, не попадает на анод, а начнет двигаться против сил электрического поля, т.е. тормозиться. Поэтому в точку C на катоде он попадает с нулевой скоростью. После этого начинается следующий цикл его движения.



Рисунок 2.4. Траектория электрона, движущегося между плоскими электродами в постоянных взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях.

Траектория, по которой движется электрон в рассматриваемом случае, является циклоидой. Из механики известно, что такую кривую описывают точки круга, катящегося без скольжения по плоскости. Если воспользоваться этой аналогией, то можно считать, что траектория движения электрона соответствует траектории точки, находящейся на окружности круга радиусом , катящегося без скольжения с угловой скоростью . При этом центр круга перемещается со скоростью , которая соответствует средней переносной скорости движения электронов в направлении, параллельном катоду.

В цилиндрическом диоде, помещенном в магнитное поле, электроны движутся по эпициклоидам (рис. 2.5) - кривым, по которым перемещаются точки круга при качении его без скольжения вокруг другого круга (катода). Радиус образующего круга r, угловую частоту щ и переносную скорость нe можно приближенно определить на основании приведенных выше формул, приняв за напряженность электрического поля E напряженность в точках, распложенных на одинаковом расстоянии от анода и катода.



Рисунок 2.5. Примерные траектории движения электронов в магнитном поле

Напряженность магнитного поля, при которой электрон, двигаясь по эпициклоиде, достигает непосредственной близости анода, но не касается его, называется критической напряженностью.

Подбирая величину анодного напряжения, а, следовательно, и напряженность электрического поля E, можно установить такую среднюю переносную скорость электронного потока, что будет выполняться условие синхронизма между изменением полярности высокочастотного поля и движением электронного потока.

Будем считать, что один электрон вылетел из точки A катода. Если переменное поле отсутствует, то электрон будет двигаться по эпициклоиде AB'C'. Пусть на электрон действует тормозящее ВЧ электрическое поле, тогда, передавая часть своей энергии, электрон не сможет возвратиться на катод. При движении по кривой ABCD он полностью потеряет свою скорость в точке B, затем под действием сил электрического поля начнет новый цикл движения и т.д. В результате электрон попадет на анод.

Электроны, попадающие в ускоряющее ВЧ поле, увеличивают энергию за счет этого поля и возвращаются на катод. Избыток энергии, полученный электронами от ВЧ поля, выделяется в виде тепла или приводит к появлению вторичных электронов.

На рис. 2.6 показано влияние напряженности магнитного поля на траекторию движения электрона в цилиндрическом диоде и соответствующий этим состояниям ток, протекающий в диоде.



Рисунок 2.6. Зависимость анодного тока в диоде от величины напряженности магнитного поля

Для упрощения мы все время говорили о движении только одного электрона. В действительности в магнетронах, так же как и в других электронных приборах, движется огромное число электронов, образующих пространственный заряд. В частности, в цилиндрическом диоде при магнитной индукции выше критической, электронный поток представляет собой кольцо пространственного заряда движущегося вокруг катода.

Рассмотрев движение электронов в плоском и цилиндрическом диодах, можно сделать некоторые выводы.

1. В постоянных электрическом и магнитных полях электронный поток может двигаться вдоль катода (в плоском диоде) или вокруг него (в цилиндрическом диоде) со средней переносной скоростью . Этой величиной можно управлять, изменяя напряжение на аноде или магнитную индукцию.

2. В рассмотренных примерах магнитное поле используется для управления электронным потоком. Оно непосредственно не участвует в обмене энергии, а влияет только на взаимодействие электронного потока с электрическим полем.

3. Движущийся в цилиндрическом диоде электронный поток обладает определенным количеством кинетической энергии, которую он получает от внешнего источника анодного напряжения. Как будет показано ниже, при определенных условиях эту энергию можно преобразовать в высокочастотную энергию

2.2 Картина явлений в многорезонаторном магнетроне

Теперь рассмотрим принцип действия магнетрона более подробно, используя акустическую аналогию, так как процесс возбуждения звуковых колебаний в акустических резонаторах имеет много общего с возбуждением электрических колебаний в объемных резонаторах.

В простейшем акустическом резонаторе - отрезке трубы, закрытом с одного конца, можно возбудить звуковые колебания, направляя струю воздуха над открытым концом трубы с определенной скоростью, зависящей от геометрических размеров резонатора. При возбуждении резонатора в нем наблюдается интенсивное колебательное движение воздуха, а в движущемся воздушном потоке возникают области повышенной плотности, чередующиеся с разрежениями, т.е. образуются обычные звуковые волны рис. 2.7а. Воздействуя на барабанную перепонку уха, звуковые волны приводят ее в колебательное движение, вызывая ощущение звука.

Рисунок 2.7. Возбуждение резонаторов движущимся потоком:

а - акустический резонатор; б - электрические резонаторы.

Аналогично происходит возбуждение электрических резонаторов движущимся электронным потоком. Конечно, при этом следует помнить, что процесс взаимодействия воздушного потока с акустическим резонатором имеет механическую природу, а процессы, протекающие в магнетроне - электродинамическую. В магнетроне аналогом воздушного потока является электронный поток, который под действием постоянных магнитного и электрического полей «продувается» мимо электрических резонаторов.

Для упрощения рассмотрим «развернутый» магнетрон, т.е. магнетрон, анодный блок которого образуется серией резонаторов, расположенных вдоль прямой линии (рис. 2.7б). Постоянное электрическое поле между анодом и катодом создается внешним источником Ua. Магнитное поле будем предполагать направленным перпендикулярно плоскости чертежа.

Если магнитное поле несколько выше критического, то электроны, двигаясь по циклоидальным траекториям, будут перемещаться вдоль катода (слава направо) со средней скоростью . При большом числе электронов, движущихся в самых разнообразных фазах, можно отвлечься от характера траекторий движения и учитывать только перемещение массы электронов вдоль катода с переносной скоростью н. Справедливость такого допущения будет ясна из дальнейшего.

Движущийся электронный поток при определенной скорости (аналогично воздушному потоку) возбуждает резонатор путем электрического взаимодействия с полем резонатора, наводя на его стенках электрические заряды. При этом в резонаторе устанавливается колебательный процесс, выражающийся в периодическом переходе энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратно, а в электронном потоке, проходящем над резонатором, образуются области с повышенной и пониженной плотностью пространственного заряда.

В связанной колебательной системе магнетрона, состоящей из ряда резонаторов, колебания, возникающие в одном из резонаторов, возбуждают колебания в остальных. Очевидно, что электронный поток будет поддерживать колебательный процесс в магнетроне, если скопления электронов, образованные в результате взаимодействия с первым резонатором, попадут под второй, когда изменяющееся во времени электрическое поле этого поля станет тормозящим. Соответствующим расположением резонаторов вдоль анодного блока можно это условие выполнить и добиться того, что электронный поток будет непрерывно передавать часть своей кинетической энергии полю резонаторов.

В реальных магнетронах цепь резонаторов, располагающихся по окружности, замкнута. Поэтому образующиеся электронные скопления, пройдя последовательно всю цепь резонаторов, возвращаются к первому и начинают новый цикл движения, многократно взаимодействуя с полем резонаторов.

На первый взгляд может показаться, что области электронных скоплений, имеющие повышенную плотность заряда, должны по мере взаимодействия непрерывно тормозиться и, следовательно, выйти из синхронизма и рассеяться. В действительности, они не рассеиваются, а, наоборот, при нарастании колебаний в магнетроне делаются более плотными под действием радиальной составляющей переменного электрического поля.

При рассмотрении взаимодействия электронов с электромагнитным полем в многорезонаторном магнетроне пренебрежем действием объемного заряда.

В системе связанных между собой резонаторов могут происходить колебания многих типов с разными частотами. Поэтому не исключена возможность того, что электронный поток будет скачками возбуждать то один, то другой тип колебания и устойчивый режим работы магнетрона станет невозможным.

Чтобы сделать работу магнетрона устойчивой, применяют систему связок, которыми соединяют через один сегменты магнетрона. Благодаря связкам замыкаются накоротко и подавляются те типы колебаний, при которых соединенные между собой сегменты анодного блока имеют разные потенциалы. Наоборот, связки не действуют на тот тип колебаний, при котором соединенные ими сегменты имеют одинаковые потенциалы. Поэтому в магнетроне со связками преимущественно возбуждается такой тип колебаний, когда соседние резонаторы колеблются с одинаковыми амплитудами, но противоположными фазами, а поверхностные заряды на соседних сегментах обладают противоположной полярностью. Такой тип колебаний магнетрона принято называть по углу сдвига фаз между колебаниями соседних резонаторов колебаниями типа р или просто «р - колебаниями». В действительности в диапазоне сверхвысоких частот каждая связка обладает известным комплексным сопротивлением, благодаря чему она производит несколько более сложное действие, чем простое короткое замыкание. Однако качественно результирующий эффект, производимый связками, оказывается тем же: связки преимущественно выделяют «р - колебания» и ослабляют другие типы колебаний.

Еще раз рассмотрим многорезонаторный магнетрон плоской конструкции (рис. 2.8), который получается путем спрямления аналогичного цилиндрического магнетрона. На рисунке показано распределение поверхностного заряда и примерный ход электрических силовых линий высокочастотного поля в случае «р - колебаний», когда магнетрон возбуждается извне, а постоянное напряжение между катодом и анодом отсутствует. Из рис. 2.8 видно, что из-за краевых эффектов переменное поле из щелей проникает в пространство взаимодействия и возбуждает в нем высокочастотное поле, воздействующее на электроны.

Рисунок 2.8. Распределение поверхностных зарядов и ход электрических силовых линий в плоском магнетроне при «р - колебаниях».

Пунктиром качественно изображено переносное движение «работающего» электрона, достигающего анода. В областях а переносное движение электронов направлено к аноду, а в областях b - к катоду.

Для выяснения особенностей поля при «р - колебаниях» разобьем чертеж на рис. 2.8 на отдельные области, опустив перпендикуляры из середин сегментов на катод.

В точках, лежащих на перпендикулярах, электрическое поле имеет только поперечную слагающую Ey. Если перемещаться вдоль любой силовой линии, то при переходе через точку М, где ордината минимальна, поперечная слагающая поля обращается в нуль и меняет свой знак. На соседних перпендикулярах электрическое поле направлено в противоположные стороны. Очень важным обстоятельством является то, что во всех точках внутри каждой области продольная слагающая электрического поля Ex направлена только в одну сторону, а в соседних областях продольные слагающие поля направлены в противоположные стороны.

Очевидно, что волнам, распространяющимся в противоположные стороны, соответствуют скорости разных знаков. Интенсивность каждой из бегущих волн падает по мере приближения к катоду.

Рассмотрим механизм возбуждения многорезонаторного магнетрона. В таком магнетроне электроны находятся одновременно под действием постоянных Е0, В0 и высокочастотных полей E1 В1, причем В0 больше критического поля В1.

Предположим, что ось х направлена вдоль катода, а постоянные поле Е0 - против положительного направления оси у, направленной от катода к аноду, а магнитное поле В0 - против положительного направления оси z. Тогда при отсутствии высокочастотного поля электроны будут обладать переносным движением вдоль положительного направления оси х.

Когда магнетрон возбужден, то действием высокочастотного магнитного поля на электроны можно пренебречь по сравнению с действием электрического поля и достаточно рассмотреть движение электронов под действием постоянных полей Е0, Во и одного только переменного поля Е1.

Из рис. 2.8 видно, что в тех областях а, где продольная слагающая поля Ex направлена по движению наблюдателя, переносное движение электронов будет направлено только в сторону анода.

Наоборот, в тех областях b, где продольное поле Ex направлено в противоположную сторону, электроны будут двигаться к катоду. В этих областях большинство электронов после выхода из катода вновь возвращаются на катод.

Таким образом, благодаря возникновению продольного переменного поля Еx в зависимости от фазы вылета из катода электроны в магнетроне или перемещаются к аноду, или возвращаются назад на катод. Конечно, перед тем как осесть на аноде, электрон, вышедший из катода, может пройти через несколько областей поля, то приближаясь, то удаляясь от анода. Но последняя область обязательно будет той, в которой электрон тормозится продольным полем.