Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-уральский государственный университет»

Факультет «Физический»

Кафедра «Физика наноразмерных систем»

РЕФЕРАТ

на тему «Магнетрон»

Выполнил:

студент группы ЕТ-453

Васильев Н.И.

Проверил:

Куц Д.А.

Челябинск

2022

Введение

Для возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот большое практическое значение имеет коаксиальный магнетрон. Вторая половина 20-го столетия отмечена значительными успехами в области совершенствования конструкции и параметров магнетрона. Следует отметить 3 события, кардинальным образом повлиявших на перспективу использования магнетрона в современной технике. К таковым следует отнести появление коаксиального магнетрона (КМ), магнетрона с безнакальным автоэмиссионным запуском и магнетрона на пространственной гармонике не р-вида колебаний.

С появлением новых технологий и большого количества накопленных знаний появляются возможности модернизации старых приборов и создания на их основе новых, более совершенных, лёгких, компактных.

Безнакальные магнетроны успешно используются в навигационной аппаратуре морских и речных портов, в РЛС самолетов и вертолетов, в охранной аппаратуре, включая переносную, в метеорадарах. Расширение области использования в технике и быту и рост производства безнакальных магнетронов можно обеспечить несколькими путями. Первый - разработка более мощных магнетронов в освоенном диапазоне частот. Это вполне реальный путь, так как при увеличении выходной мощности растет напряжение анода магнетрона и, следовательно, улучшаются условия для автоэмиссии катода.

магнетрон колебание сверхвысокие частоты безнакальный

1. Магнетроны

Магнетрон (от греч. мбгнЮфзт -- магнит и электрон) -- электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

В многорезонаторном магнетроне используется внутренний цилиндрический катод, который создает эмиссию электронов по всей длине кольцевого пространства взаимодействия и обеспечивает получение замкнутого электронного потока.

1.1 Конструкция и особенности магнетронов

Резонансный магнетрон (рисунок 1) состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Рисунок 1 - Магнетрон с продольном разрезе

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема магнетрона в поперечном разрезе

Резонаторы магнетрона образуют кольцевую колебательную систему, около них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет р-вид. Среди нескольких резонансных частот системы (при N резонаторах в системе возможно существование любого целого количества стоячих волн в диапазоне от 1 до N/2) чаще всего используется р-вид колебаний, при котором фазы в смежных резонаторах различаются на р. При наличии рядом с рабочей частотой (ближе 10%) других резонансных частот возможны перескоки частоты и нестабильная работа прибора. Для предотвращения подобных эффектов в магнетронах с одинаковыми резонаторами в них могут вводиться различные связки либо применяться магнетроны с разными размерами резонаторов (четные резонаторы с одним размером, нечётные -- с другим).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов (рисунок 3): щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Рисунок 3 - Различные формы резонаторов анодного блока

(щель-отверстие, щелевой, лопаточный)

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 140 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %). Магнетроны бывают как неперестраиваемые, 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 последние 10-15 лет почти во всех классах приборов, являющихся источниками СВЧ-энергии, достигнуто существенное улучшение параметров и характеристик. Это способствует расширению традиционных и появления новых сфер применения энергии СВЧ электромагнитных волн, что, в свою очередь, выдвигает постоянно растущие требования к электрическим характеристикам, показаниям надежности, долговечности и экономичности и стимулирует как дальнейшее совершенствование существующих классов и типов СВЧ -приборов, так и разработку новых . Реальная конкуренция привела с одной стороны к, достаточно ясному и объективному пониманию ограничений, а, с другой стороны к более или менее определенному разграничению сфер предпочтительного использования тех или иных приборов.

Так за магнетронами остаются преимущества в тех областях, где требуется минимизация массогабаритных параметров прибора и радиоэлектронного средства (РЭС) в целом, эксплуатация надежность и простота управления; низкие рабочие напряжения и уровни рабочих колебаний.

На сегодня магнетроны остаются самыми дешевыми источниками СВЧ-энергии среди ЭВП СВЧ ( в расчете на 1 Вт мощности ) и обладают самой высокой удельной мощностью.

За последние два десятилетия классические магнетроны были существенно усовершенствованы в направлении миниатюризации, повышения долговечности и надежности. Это касается как магнетронов непрерывного действия, применение которых для бытовых СВЧ печей, установок промышленного нагрева, для медицинской аппаратуры и др. неуклонно ширится, так и импульсных магнетронов.

Межтиповая же конкуренция среди магнетронов все же привела к заметному вытеснению классических импульсных магнетронов коаксиальными (КМ) и обращено коаксиальными (ОКМ).

Соответственно, типовое представительство магнетронов существенно расширилось.

Появились магнетроны запускающиеся с “холодного“ катода, что обеспечивает минимальное время готовности. В целом интерес к магнетронам как в среде их разработчиков, так и в среде создателей современных РЭС, в связи с развитием и раскрытием еще не исчерпанных возможностей этих приборов, возродился и заметно возрастает.

Создание магнетронов, отвечающих современным нарастающим требованиям, встречают трудности и ограничения, появляющиеся при совокупности или автономном решении таких задач как:

- достижение повышенных уровней мощности, особенно по мере продвижения в коротковолновый участок сантиметрового диапазона и в миллиметровый диапазон длин волн;

- достижение повышенной стабильности частоты (в частности от импульса к импульсу);

- достижение широкого диапазона перестройки частоты; - обеспечение повышенной скорости перестройки частоты и специфических законов её изменения от импульса к импульсу и внутри импульса; - достижение повышенных длительностей импульса; - достижение пониженных уровней побочных колебаний, в том числе гармоник, генерируемых магнетроном.

Типичные характеристики Магнетрона приведены на рисунке 4. Магнетрон начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд Магнетрона увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд Магнетрона достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Рисунок 4 - Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона

Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями -- импульсная выходная мощность Р_и и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями -- кпд (без учёта мощности подогрева катода).

В практике эксплуатации магнетронов широко пользуются графическими рабочими характеристиками, позволяющими в зависимости от конкретных условий установить требуемые значения мощности и КПД. По вертикальной координатной оси отложены значения анодного напряжения, по горизонтальной оси -- значения анодного тока.

Для выражения взаимной зависимости нескольких параметров магнетрона на рабочие характеристики наносят ряд кривых, вдоль которых одна из представляемых величин остается неизменной. Эти кривые называются соответственно линиями постоянной мощности, КПД и магнитной индукции. На рисунке 5 линии постоянной индукции сплошные, линии постоянного КПД -- пунктирные.

Если изменять напряжение на магнетроне от значения U₁ до U₂, оставляя неизменной магнитную индукцию В_З, то рабочая точка, определяющая режим работы магнетрона, будет перемещаться вдоль линии постоянной индукции. Вследствие слабого наклона линий постоянной индукции при этом будет наблюдаться сильное изменение тока, протекающего через магнетрон (от h до Ь). Из характеристик видно, что в пределах одной линии постоянной индукции ток изменяется практически от нуля до своего максимального значения при относительно небольшом изменении анодного напряжения. Поэтому на практике режим работы магнетрона удобнее контролировать не по напряжению на магнетроне, а по анодномутоку.

В областях очень малых и очень больших токов магнетрон работает неустойчиво, в области малых токов наблюдается низкая стабильность частоты магнетрона, а в области больших токов возможно появление искрения -- кратковременных электрических пробоев внутри магнетрона, приводящих к быстрому разрушению катода.

КПД магнетрона возрастает при одновременном увеличении анодного напряжения и магнитной индукции, если при этом не нарушаются условия синхронизма. КПД магнетрона напрямую зависит от потерь, которые происходят двумя путями. Часть мощности теряется потому, что некоторые электроны прибывают на анодный блок магнетрона с крупными скоростями и тратят свою энергию на его нагрев. Вследствие этого магнетрон разогревается до высокой температуры и необходимо принимать специальные меры для его охлаждения. Другая часть мощности теряется в резонаторах магнетрона, так как в них возникают СВЧ токи большой силы. Для снижения этих потерь необходимо повышать добротность резонаторов. Существуют и некоторые другие виды потерь, но их удельный вес невелик.

+

Рисунок 5 - Рабочие характеристики магнетронов.

2. Принцип работы магнетрона

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае -- по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода.

+В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения увеличивается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона уменьшается, центр окружности вращения смещается ближе к аноду, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне.

Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

Резонаторная система принимает поток электронов, движущихся от катода к аноду, и одновременно отводит тепло. В резонаторной системе есть несколько частот, при которых на длине резонатора укладывается целое число стоячих волн от 1 до n/2 (n-число резонаторов). На определенной резонансной частоте и возникают СВЧ колебания.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет р-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на р.

В резонаторе на электроны, двигающиеся от катода к аноду, действуют три поля: постоянное электрическое, сообщающее кинетическую энергию электронам, постоянное магнитное поле, изменяющее траекторию их движения, и СВЧ поле, возникающее в резонаторах и проникающее через щели в промежуток катод-анод. При этом часть электронов, которые замедляются полем, отдают энергию, поддерживая колебания в резонаторе. В магнетроне процессы формирования, управления и преобразования энергии электронного потока происходят в одном пространстве взаимодействия, что осложняет анализ работы этого устройства.

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные -- другой).

На рисунке 6 приведена структура ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия вблизи одиночного резонатора (а) и по кругу всего анодного блока. Вектор напряженности поля можно разложить на радиальную и тангенциальную составляющие. При этом в пространстве взаимодействия возникает стоячая волна на определенной частоте, а резонаторный блок представляет собой замедляющую систему.

Рисунок 6 - Структура ВЧ электрического поля

Если средняя составляющая скорости электрона равна фазовой скорости СВЧ волны вдоль резонансной системы (условие синхронизма), то СВЧ поле группирует электроны, замедляя их и отбирая энергию, полученную от статического электрического поля. Траектория движения электрона в пространстве взаимодействия приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Траектория движения электрона в пространстве взаимодействия

Три электрона (А, Б и В) находятся в разных точках тормозящего ВЧ поля в пространстве взаимодействия и имеют различные скорости. Электрон А будет ускоряться радиальной составляющей ВЧ поля, а электрон В - замедляться. В результате оба они с разных сторон будут приближаться к электрону Б, находящемуся в плоскости, где радиальная составляющая электрического поля равна нулю. Таким образом, происходит группировка электронов по скорости, а отбор энергии электронного пучка осуществляется тангенциальной составляющей поля, что приводит к образованию в магнетроне электронных пучков, двигающихся от катода к аноду. Число таких пучков в два раза меньше числа резонаторов. На рисунке 8 показана огибающая этих пучков в фиксированный момент времени (траектории конкретных электронов показаны сплошными линиями).

Рисунок 8 - Огибающая электронных пучков в фиксированный момент времени

Весь пространственный заряд электронных пучков вращается вокруг катода синхронно с изменением ВЧ электрического поля. В моменты времени, когда электронные пучки подходят к щелям резонаторов, поле в них оказывается тормозящим, отбирающим энергию у электронов. В результате потенциальная энергия электронного потока, получаемая им от источника постоянного анодного напряжения, преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, генерируемых магнетроном.

В зависимости от режима работы различают магнетроны импульсного и непрерывного действия. К.п.д. магнетронов достигает 95%, рабочая частота от 0,5 до 100 ГГц, длительность импульсов колебаний 0,02-100 мкс, мощность прибора от нескольких Вт до десятков МВт.

https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/magnetrony/

Заключение

С появлением новых технологий и большого количества накопленных знаний появляются возможности модернизации старых приборов и создания на их основе новых, более совершенных, лёгких, компактных.

Можно внести значительный вклад в решение экологических проблем городов, если перевести автомобильный транспорт на экономичные и экологически чистые двигатели, запускаемые СВЧ-энергией безнакальных магнетронов. При этом требуемые инвестиции в десятки раз меньше, чем необходимо для перевода автомобильного транспорта на электромобили и на строительство дополнительных электростанций близ крупных городов. Таким образом, безнакальные магнетроны, специально приспособленные для конкретных приложений, могут эффективно применяться в различных отраслях техники.

Список используемой литературы

1. И.В. Лебедев «Техника и приборы СВЧ» тома 1-ый и 2-ой, издательство 2-ое, переработанное и дополненное, издательство «Высшая школа», Москва 1972г.

2. Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П. Магнетроны. М., "Советское Радио", 1948.

3. Шевчик В.Н. Основы электроники сверхвысоких частот. М., "Советское радио", 1959.

4. Гвоздовер С. Д. Теория электронных приборов сверхвысоких частот. М., Гостехиздат, 1956.

5. Сретенский В.Н. Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот. М., "Советское радио", 1963.

Размещено на Allbest.ru