Inżynieria mikrofalowa - magnetrony

W przeciwieństwie do omawianych dotychczas lamp, magnetrony to rury o przekroju poprzecznym, w których pola elektryczne i magnetyczne przecinają się, czyli biegną prostopadle do siebie. W TWT zaobserwowano, że elektrony wchodzące w interakcję z RF przez dłuższy czas niż w Klystronie skutkowały wyższą wydajnością. Ta sama technika jest stosowana w magnetronach.

Rodzaje magnetronów

Istnieją trzy główne typy magnetronów.

Typ oporu ujemnego

• Wykorzystywana jest ujemna rezystancja między dwoma segmentami anody.
• Mają niską wydajność.
• Są używane przy niskich częstotliwościach (<500 MHz).

Magnetrony częstotliwości cyklotronu

• Uwzględniono synchronizację między składową elektryczną a oscylującymi elektronami.

• Przydatne w przypadku częstotliwości wyższych niż 100 MHz.

Typ fali ruchomej lub wnęki

• Uwzględniono interakcję między elektronami a wirującym polem elektromagnetycznym.

• Zapewnione są wysokie oscylacje mocy szczytowej.

• Przydatne w zastosowaniach radarowych.

Magnetron wnękowy

Magnetron nazywany jest magnetronem wnękowym, ponieważ anoda jest przekształcana we wnęki rezonansowe, a magnes stały jest używany do wytwarzania silnego pola magnetycznego, w którym działanie obu tych elementów powoduje, że urządzenie działa.

Budowa magnetronu wnękowego

W środku znajduje się gruba cylindryczna katoda, a cylindryczny blok miedzi jest zamocowany osiowo, który działa jak anoda. Ten blok anodowy składa się z wielu szczelin, które działają jak rezonansowe wnęki anodowe.

Przestrzeń między anodą a katodą nazywana jest Interaction space. Pole elektryczne jest obecne promieniowo, podczas gdy pole magnetyczne występuje osiowo w magnetronie wnękowym. To pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes stały, który jest umieszczony w taki sposób, że linie magnetyczne są równoległe do katody i prostopadłe do pola elektrycznego występującego między anodą a katodą.

Poniższe rysunki pokazują szczegóły konstrukcyjne magnetronu wnękowego i linie magnetyczne obecnego strumienia osiowego.

Ten magnetron wnękowy ma 8 wnęk ściśle połączonych ze sobą. Magnetron z wnęką N ma tryby działania $ N $. Operacje te zależą od częstotliwości i fazy oscylacji. Całkowite przesunięcie fazowe wokół pierścienia rezonatorów wnęki powinno wynosić 2 $ n \ pi $, gdzie $ n $ jest liczbą całkowitą.

Jeśli $ \ phi_v $ reprezentuje względną zmianę fazy pola elektrycznego prądu przemiennego w sąsiednich wnękach, to

$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$

Gdzie $ n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $

Co oznacza, że ​​tryb rezonansu $ \ frac {N} {2} $ może istnieć, jeśli $ N $ jest liczbą parzystą.

Gdyby,

$$ n = \ frac {N} {2} \ quad then \ quad \ phi_v = \ pi $$

Ten tryb rezonansu nazywany jest $ \ pi-mode $.

$$ n = 0 \ quad, a następnie \ quad \ phi_v = 0 $$

Nazywa się to Zero mode, ponieważ między anodą a katodą nie będzie pola elektrycznego o częstotliwości radiowej. Nazywa się to również jakoFringing Field i ten tryb nie jest używany w magnetronach.

Działanie magnetronu wnękowego

Podczas eksploatacji Cavity Klystron mamy do rozważenia różne przypadki. Przyjrzyjmy się im szczegółowo.

Case 1

Jeśli pole magnetyczne jest nieobecne, tj. B = 0, to zachowanie elektronów można zaobserwować na poniższym rysunku. Biorąc pod uwagę przykład, w którym elektrona bezpośrednio trafia do anody pod wpływem promieniowej siły elektrycznej.

Case 2

Jeśli następuje wzrost pola magnetycznego, na elektrony działa siła boczna. Można to zaobserwować na poniższym rysunku, biorąc pod uwagę elektronb który obiera zakrzywioną ścieżkę, podczas gdy działają na nią obie siły.

Promień tej ścieżki jest obliczany jako

$$ R = \ frac {mv} {eB} $$

Zmienia się proporcjonalnie do prędkości elektronu i jest odwrotnie proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego.

Case 3

Jeśli pole magnetyczne B jest dalej zwiększany, elektron podąża ścieżką taką jak elektron c, po prostu ocierając się o powierzchnię anody i powodując zerowy prąd anody. Nazywa się to „Critical magnetic field"$ (B_c) $, które jest granicznym polem magnetycznym. Zapoznaj się z poniższym rysunkiem dla lepszego zrozumienia.

Case 4

Jeśli pole magnetyczne jest większe niż pole krytyczne,

$$ B> B_c $$

Następnie elektrony podążają ścieżką jak elektron d, gdzie elektron wskakuje z powrotem do katody, bez przechodzenia do anody. To powoduje "back heating"katody. Patrz poniższy rysunek.

Osiąga się to poprzez odcięcie zasilania elektrycznego po rozpoczęciu oscylacji. Jeśli będzie to kontynuowane, wpłynie to na sprawność emitowania katody.

Działanie magnetronu wnękowego z aktywnym polem RF

Omówiliśmy do tej pory działanie magnetronu wnękowego, w którym pole RF jest nieobecne we wnękach magnetronu (przypadek statyczny). Omówmy teraz jego działanie, gdy mamy aktywne pole RF.

Podobnie jak w TWT, załóżmy, że występują początkowe oscylacje RF, spowodowane przejściowymi zakłóceniami. Oscylacje są podtrzymywane przez działanie urządzenia. W tym procesie emitowane są trzy rodzaje elektronów, których działanie rozumie się jako elektronya, b i c, w trzech różnych przypadkach.

Case 1

Gdy występują oscylacje, elektron aspowalnia przenoszenie energii do oscylacji. Takie elektrony, które przenoszą swoją energię na oscylacje, nazywane sąfavored electrons. Te elektrony są odpowiedzialne zabunching effect.

Case 2

W tym przypadku powiedzmy inny elektron bpobiera energię z oscylacji i zwiększa swoją prędkość. Kiedy to się stanie,

• Wygina się ostrzej.
• Spędza mało czasu w przestrzeni interakcji.
• Wraca do katody.

Te elektrony nazywane są jako unfavored electrons. Nie uczestniczą w efekcie grupowania. Również te elektrony są szkodliwe, ponieważ powodują „grzanie wsteczne”.

Case 3

W tym przypadku elektron c, który jest emitowany nieco później, porusza się szybciej. Próbuje dogonić elektrona. Kolejny wyemitowany elektrond, próbuje wkroczyć a. W rezultacie preferowane elektronya, c i dtworzą wiązki elektronów lub chmury elektronów. Nazywa się to „efektem skupienia fazy”.

Cały proces można lepiej zrozumieć, patrząc na poniższy rysunek.

Rysunek A pokazuje ruchy elektronów w różnych przypadkach, podczas gdy rysunek B przedstawia utworzone chmury elektronów. Te chmury elektronów pojawiają się podczas działania urządzenia. Ładunki obecne na wewnętrznej powierzchni tych segmentów anody podążają za oscylacjami we wnękach. Tworzy to pole elektryczne wirujące zgodnie z ruchem wskazówek zegara, co można faktycznie zobaczyć podczas wykonywania praktycznego eksperymentu.

Podczas gdy pole elektryczne się obraca, linie strumienia magnetycznego powstają równolegle do katody, w wyniku której połączone są wiązki elektronów z czterema szprychami, skierowanymi w regularnych odstępach, po spiralnych trajektoriach do najbliższego dodatniego segmentu anody.