До сих пор мы с Вами рассматривали СВЧ приборы М-типа с общим названием МАГНЕТРОНЫ. Те, в которых участвуют: магнитное поле, скрещенное с электрическим полем. И все вместе с полем СВЧ. Но официально (да и по устройству) это были лампы бегущих волн М-типа, как-то: ЛБВМ и ЛОВМ. В этой же мини-лекции и последующих мы будем рассматривать приборы именно МАГНЕТРОНЫ и их, в некотором роде модификации: ПЛАТИНОТРОНЫ (АМПЛИТРОНЫ и СТАБИЛОТРОНЫ). Итак!
Возвратимся к прежним мини-лекциям. Повторим пройденное. На рис.1 обычный плоский магнетрон. Для ясности анод не плоский, а как бы разбит на части, на резонаторы. Магнитные силовые линии направлены от Вас в сторону чертежа (крестик, условно это хвост стрелы, показывающей направление магнитных силовых линий). Электрические же линии постоянного поля Е направлены сверху-вниз, от анода к катоду. Кривые со стрелочками электрические линии СВЧ-поля. Всякие плюсы и минусы относятся к полю СВЧ в данный момент. Условно направление движения волны СВЧ и электронов слева-направо. Цифрами показаны характерные электроны: 1, 2, 3, 4. Всё это движется синхронно со скоростью замедленной волны. Если и мы рванём с той же скоростью, то вся картинка как бы застынет для нас. В смысле мы будем видеть то, что и на картинке. Немного пояснений. Во-первых, пространство между анодом и катодом разделено на секции и подкрашено цветом. Если бы мы продолжили и далее, то эти секции бы так же чередовались. В принципе нам хватило бы всего двух смежных секций. Линий СВЧ, это бесконечное множество, но каждая из них индивидуальна, и? И начиная с прямой между щелями резонатора и далее, сверху-вниз линии превращаются в две вертикальные прямые (электроны 1 и 3) рис.7. Как это понимать? Прямые параллельные катоду и аноду, превращаются в кривые (как на рисунке) и далее в искривлённые и наконец в прямые вертикальные, уже перпендикулярные аноду и катоду. Во-вторых, для нашего случая, все линии перпендикулярные катоду (аноду), ПОПЕРЕЧНЫЕ, а вдоль катода, ПРОДОЛЬНЫЕ. В настоящем магнетроне соответственно: РАДИАЛЬНЫЕ и ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЕ.
Рассмотрим каждый из наших (1, 2, 3, 4) характерных электронов. Если допустить отсутствие СВЧ-поля, то картинка будет такая же как на рис.5. Скажем из-за флуктуации все электроны выскочили из катода с одной и той же скоростью. Тогда сила Лоренца будет на все электроны действовать одинаково и электроны будут описывать классические окружности. Окружности с радиусом Rл = mv/qB. Это про колёса, о которых мы уже вторые мини-лекции талдычим! А, так ли это? Думаю, что нет, точнее не совсем так. Ведь в случае с Лоренцем электрон влетая в магнитное поле крутится по кругу и окружность никуда не собирается двигаться... А, если двигается, значит присутствует электрическое поле. И наш круг покатился, а электрон начал выписывать кренделя, то бишь циклоиду рис.2 и рис.10. И ещё в цилиндрическом магнетроне рис.12. Правда кривульки в нём получаются несколько иными из-за кривизны катода и анода. И они уже не циклоиды как в молодости, а ЭПИТРОХОИДЫ! Это частный случай из общего понятия как ТРОХОИДА, аналогично и циклоида. Направление движения электронов нам диктует магнитное поле, точнее отношение направление вектора В и V. Ещё точнее перпендикулярность друг другу... На рис.10 показано влияние величины В на форму циклоиды и вообще само её появление в пространстве плоского магнетрона. Влияние величины индукции магнитного поля В показано на поведении траекторий электрона! 1), В=0; 2), В>0; 3), В=Вкр, критическому значению В и наконец 4), В>Вкр! А, что произойдёт если будет нарушена перпендикулярность? Правильно, электрон начнёт «нарезать резьбу»! В смысле винтовую линию. Но из-за присутствия поля Е радиус круга и винтовой линии будет равен Rм = mE/qB в квадрате. Вот на рис.5 те самые зелёные формулы. Слева, радиус окружности при действии силы Лоренца (только одно магнитное поле). Справа, радиус окружности при присутствии электрического поля, скрещенного с магнитным.
А, что произойдёт с появлением СВЧ-поля так как на рис.1? На каждый электрон будут действовать уже не две, а три силы (бедный электрон!) и каждый из: 1, 2, 3, 4 получит свою долю. Всё зависит от направления и величины как поперечной так и продольной (тангенциальной) составляющих СВЧ-поля. Так на электроны 1 и 3 действует только поперечная составляющая, но? Но на 1 направленная в противоположную сторону от постоянного электрического поля Е, а на 3 наоборот в одну и туже с тем же Е. Что получается? В первом случае скорость движения замедлится, а во втором ускорится. Помните зависимость V = Eр/B, где Ер, — результирующее поле. В, — постоянное, а величина результирующего Ер как видите меняется. А, что происходит с электронами 2 и 4? На них действует только Е (поле между анодом и катодом). То есть скорость остаётся постоянной и равной фазовой, замедленной замедляющей системой. Как это всё, вместе называется? Началом сортировки электронов, девочки направо, мальчики налево, в смысле вверх и вниз... Но, как?!
Казалось бы с электронами 2 и 4 было всё ясно?! Но, не совсем. Да, для них нет поперечной составляющей, но поперечная всё-таки получается , в смысле продольная вместе с Е (как векторы) даёт суммарную или результирующую (как Вам угодно?) Ер. Да, она мало отличается по величине от Е, но? Но вот направление её уже не будет перпендикулярно плоскости катода (и анода тоже), и? И теперь, 2 и 4 с помощью нашего виртуального круга покатятся, но не по прямой как на рис.2, а по наклонной. Так электрон 4 вверх к аноду рис.3, а 2 к катоду, рис.4, где и скончается, не принимая никакого участия в магнитно-электрической афере! То бишь, налицо сортировка... А, так как все электроны 4 несутся синхронно с СВЧ-полем и стало быть всё время взаимодействуют с ним, то? То, электрон 2 находясь в ускоряющем поле отбирает энергию от поля и скатывается в сторону катода. Настало время понять, что значит в ускоряющее (а, заодно и тормозящее) поле? Оно на рис.1 подкрашено зелёным. Электроны так размещены на кривых (силовых линиях), что касательная в тех точках параллельна катоду (аноду) и по совместительству направлению движения потока электронов (пока приходящих как бы извне).
Если ориентироваться на направления силовых линий, то продольная составляющая в точках нахождения электронов 2 направлена влево (красная стрелочка), а сила Кулона наоборот вправо. То есть по направлению движения электронного потока. Стало быть подталкивает и выталкивает из зоны электроны 2. Так ещё ускоряет их. В соседней секции наоборот и продольная с силой Кулона меняются местами, а это значит, что поле противостоит движению электронов (тормозит!). Поле будет тормозящим. А, что же произойдёт? Тоже, что и с Вами если Вы против ветра. Нет не писать, а идти? Правильно Вы будете тратить энергию на преодоления сопротивления ветра, ТЕРЯТЬ энергию... Для нашего же случая электрон 4 отдаёт энергию, находясь в тормозящем поле. Обессилев отдаётся постоянному полю Е, устремляясь к аноду! А, там как повезёт? Аналогично и на рис.8 происходящее в цилиндрическом магнетроне. Роль цилиндра выполняет многорезонаторная замедляющая система, свёрнутая в кольцо.
Мы тут трендим про паровоз который и в глаза-то не видели? О чём это я? О магнетроне! Который мы ещё, толком и не видели. Он настолько видоизменился и стал отличаться от ЛБВМ и ЛОВМ что назвать его лампой язык не поворачивается. Короче это электровакуумный прибор, всё с теми же скрещивающимися магнитными и электрическими полями. Магнетрон изначально разрабатывался как генератор СВЧ. Более подробно устройство железяки мы рассмотрим в следующей мини-лекции, а пока... Это медный анод. Точнее многорезонаторный. Это замедляющая система свёрнутая в кольцо, без начала и конца (с виду). На самом деле некая граница есть. Но нам пока это как-то не очень... Да, на рис.1 он, многорезонаторный как бы отсутствует, но подразумевается, те голубые секции и есть части замедляющей системы состоящей из резонаторов... Ближе к истине то, что на рис.8, (фрагмент). Жёлтые кругляшки и есть резонаторы и плюс некая полоска это часть резонатора. По сути это колебательный контур, где кругляшка индуктивность, металлическое ограждение полоски конденсатор рис.12а. И стало быть есть у каждого своя резонансная частота. А, все вместе кругляшки образуют сложный контур с индуктивными и ёмкостными связями. И не только с теми кто рядышком, но и с другими через катод. В общем, Вам лучше не думать о плохом...
Если Вы ещё с памятью дружите, то помните из физики, что всякие изменения тока в контуре вызывает колебательный процесс в виде электромагнитных колебаний. А так как существует такое поганое слово как флуктуация, то как бы нам не было противно в резонаторе всегда присутствует электромагнитное поле. Да оно небольшенькое, но оно есть! С бандитской точки зрения есть начальный капитал и его можно раскрутить! Что и происходит в магнетроне!
Но вернёмся к мирной жизни. Рис.5, идеальная картинка, магнетрон в плоском виде. СВЧ-поле отсутствует напрочь (почти). А, что же далее будет происходить с появлением СВЧ и уже не в плоском виде, а в объёме?. Стоит электрону выбрать направление движения не перпендикулярно линиям В, тут же сила Лоренца заставит электроны не только крутиться, но и выписывать кренделя в виде винтовой линии. Вернёмся однако к своим подопечным 1, 2, 3, 4! И посмотрим что произойдёт с появлением СВЧ-поля? Электроны 2 и 4 хоть изменят свою ориентацию (это не про ЛГБТ), но скорость почти останется прежней, а вот 1 сбавит скорость, а 3 наоборот увеличит. Что для нас значит? А, значит 3 будет догонять 4, а оба вместе догонят 1. В итоге мы получим сгусток вытянутый вверх, к аноду. Вот на рис.5а и видите это безобразие. Начало выглядело как электронное облако вокруг катода, образовалась так называемая, ВТУЛКА рис.8а. Затем начинают образовываться сгустки, СПИЦЫ рис.8b. И вот финал, рис.8с две спицы вращающиеся синхронно с СВЧ-полем. Кто немного в курсе, как в синхронном электродвигателе. Только там синхронно с током 50Гц, а здесь с СВЧ частотой! Как пример, на рис.11 и показана та самая спица в «разрезе» и как электроны вращаясь движутся вверх, соединяясь с СВЧ-полем отдают ему свою энергию. А, почему на рис.8с две спицы? При всём как бы уже в «готовом» магнетроне, рис.6, их четыре? Всё это связано с числом полюсов-резонаторов. Чтобы вся эта хреновина работала ещё и эффективно, число спиц должно быть в половину меньше числа резонаторов. Всё конечно гораздо сложнее чем моё объяснение на пальцах?!
Вот пожалуй и весь минимум для перехода нам к следующей мини-лекции.