Магнетроны и гиротроны

2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ЭП

Учебно-исследовательская работа

НА ТЕМУ

Магнетроны и гиротроны

План

1. Основные виды

1.1 Магнетроны

1.2 Гиротроны

2. Основные характеристики

2.1 Магнетроны

2.2 Гиротроны

3. Принцип работы

3.1 Магнетроны

3.2 Гиротроны

4. Сравнение магнетронов и гиротронов

5. Основное использование

1. Основные виды

1.1 Магнетроны

Магнетромн (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. Наиболее известным применением магнетронов являются радары и бытовые микроволновые печи.

Различные типы магнетронов: в области напряжений 0,4…1,0 МВ и токов от 2 до 30 кА при длительности импульса от 50 до 1000 нс.

А) Магнетроны с многорезонаторными анодными блоками, состоящие из одинаковых резонаторов, разных резонаторов лопаточного типа и типа щель-отверстие. В 10см диапазоне длин волн эти магнетроны имеют КПД 20…30 % при гигаваттном уровне мощности в импульсах длительностью 30…100 нс и полосе генерируемых частот 2%. Вывод СВЧ излучения производится в бок через щель связи в одном из резонаторов.

Б) Обращенный и коаксиальный обращенный магнетроны - дают СВЧ импульсы длительностью 500…700 нс с энергией до 250 Дж.

КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН, содержащий стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке и ферритовые стержни с катушками подмагничивания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона перестройки частоты, повышения устойчивости работы магнетрона путем подавления паразитных Hmnp Emnp видов колебаний, ферритовые стержни выполнены выступающими внутрь объема стабилизирующего резонатора и проходящими сквозь отверстия в его наружной стенке, при этом число К отверстий в стенке стабилизирующего резонатора и ферритовых стержней не кратно числу азимутальных индексов m паразитных видов колебаний и выбрано из ряда простых чисел: К 5,7,11.

1.2 Гиротроны(МЦР)

Гиротрон -- электровакуумный СВЧ прибор, с электронным пучком, вращающимся с циклотронной частотой в сильном магнитном поле. Представляет собой разновидность мазера на свободных электронах.

ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС - резонансное поглощение электромагнитной энергии электронными проводниками (полупроводниками, металлами), помещёнными в постоянное магнитное поле, на частотах, равных или кратных циклотронной частоте носителей заряда (электронов и дырок).

ЦИКЛОТРОННАЯ ЧАСТОТА - частота wc обращения заряженных частиц в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией H в плоскости, перпендикулярной H. Для свободной заряженной частицы Ц. ч. определяется из равенства Лоренца силы произведению массы частицы на центростремительное ускорение

При слаборелятивистских энергиях электронов наибольшее распространение получили генераторные и усилительные разновидности гиротрона. Релятивистские гиротроны могут генерировать излучение мощностью до 10 МВт.

2. Основные характеристики

2.1 Магнетроны

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 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.

Схема конструкции магнетрона

Рис. 1. Схематическое изображение многорезонаторного магнетрона: а - общий вид; б - сечение плоскостью, перпендикулярной H0.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих 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. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

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.

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

Типичные характеристики М. приведены на рис. 3. М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

2.2 Гиротроны

Современные мощные гиротроны для термоядерных исследований способны генерировать на частотах 30-170 ГГц излучение мощностью до 1 МВт с КПД 40-50 % в импульсах длительностью до сотен секунд. Излучают волны с частотами 20-1300 ГГц. Мощность -- от кВт до 1-2 МВт. Релятивистские гиротроны могут генерировать излучение мощностью до 10 МВт.

Гиротроны позволили освоить весь диапазон миллиметровых волн на высоких уровнях мощности (~1 МВт в импульсном и сотни кВт в непрерывном режимах) с кпд ~ 30-40%. Это делает их перспективными для ряда энергетических приложений, в частности для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

Схема, демонстрирующая, как из сложной моды, генерируемой в резонаторе мегаваттного гиротрона (справа внизу) с помощью системы профилированных зеркал, формируется высококачественный квазиоптический волновой пучок (справа вверху).

Рис. 2. Схема гиротрона - автогенератора.

В рамках многомодовой теории выполнены строгие численные расчеты резонансных частот и дифракционных добротностей рабочей и паразитных мод в коаксиальном резонаторе 2 МВт 170 ГГц гиротрона:

Показано, что дифракционные добротности конкурирующих мод существенно зависят от продольных профилей внешнего и внутреннего радиусов резонатора;

Разработаны рекомендации по селективному подавлению наиболее опасных паразитных мод путем модификации геометрии коаксиального резонатора;

Показано, что наблюдаемое в экспериментах заострение сценария конкуренции мод в резонаторе коаксиального гиротрона объясняется влиянием высших пространственных гармоник.

3. Принцип работы

3.1 Магнетроны

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 скрещеных 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 уменьшается, 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 увеличивается, 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.

3.2 Гиротроны

При движении электронов в магнитном поле H0 по винтовым траекториям взаимодействие электронов с электромагнитной волной, распространяющейся вдоль магнитного поля E , происходит при выполнении условия циклотронного резонанса (синхронизма), которое с учётом доплеровской поправки имеет вид:

Здесь - постулат, скорость электрона вдоль магн. поля H11,щ - частота волны, - компонента волнового вектора k вдоль- циклотронная частота,- полная энергия, е - заряд электрона. Из (1) ясно, что при s >= 1 в МЦР отсутствует необходимость замедлять волну. Именно это обстоятельство, сближающее МЦР с квантовыми генераторами, и определяет его преимущества на миллиметровых и субмиллиметровых волнах перед традиционными СВЧ-генераторами - магнетроном, лампой бегущей волны (ЛБВ) и др., где для осуществления синхронизма необходимо движение электронов вблизи замедляющей системы.

В МЦР преобразование энергии стационарного электронного пучка в излучение оказывается возможным благодаря группировке частиц полем "затравочной" волны. Образующиеся электронные сгустки усиливают первичную волну (циклотронная неустойчивость). Такой индуцированный процесс происходит в МЦР вследствие: 1) зависимости w, от энергии электрона (неизохронность вращения), которая приводит к азимутальной группировке частиц, меняющих свою энергию в процессе взаимодействия с волной; 2) различия поступательных смещений, которые приобретают электроны, попавшие в разные фазы пространственно неоднородной волны; этот механизм приводит к продольной (вдоль H0) группировке частиц.

При слаборелятивистских энергиях электронов наибольшее распространение получили генераторные и усилительные разновидности гиротрона (рис. 2). В гиротроне электроны слабо взаимодействуют с полем нерегулярного волновода на частоте, близкой к критической, когда фазовая скорость волны. В таких условиях доплеровская поправка к частоте, , мала, благодаря чему снижается до минимума уширение спектральной линии (вызванное разбросом поступательных скоростей электронов) и тем самым повышается электронный КПД. Отсутствие замедляющей системы и возможность использования открытых резонаторов делают гиротроны мощными генераторами и усилителями диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Для реализации гиротронов КВ-части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов требуются интенсивные магнитные поля H0 ~ 100 кЭ, которые обеспечиваются криомагнитными системами или импульсными соленоидами.

4. Сравнение магнетронов и гиротронов

Как и в др. классических СВЧ генераторах, в МЦР преобразование энергии стационарного электронного пучка в излучение оказывается возможным благодаря группировке частиц полем "затравочной" волны. Образующиеся электронные сгустки усиливают первичную волну (циклотронная неустойчивость). Такой индуцированный процесс происходит в МЦР вследствие: 1) зависимости w, от энергии электрона (неизохронность вращения), которая приводит к азимутальной группировке частиц, меняющих свою энергию в процессе взаимодействия с волной; 2) различия поступательных смещений, которые приобретают электроны, попавшие в разные фазы пространственно неоднородной волны; этот механизм приводит к продольной (вдоль H0) группировке частиц.

При переходе к релятивистским энергиям электронов эффективность гиротрона уменьшается вследствие слишком большой неизохронности вращения частиц, приводящей к их быстрому выходу из резонанса. Поэтому в релятивистской области энергий с гиротроном начинает конкурировать др. разновидность МЦР, в которой фазовая скорость волны близка к с и изменение wс компенсируется соответствующим изменением доплеровской поправки (авторезонанс). В таком МЦР частота генерации может во много раз превышать wс (режим лазера на свободных электронах).

Основным достоинством гиротронов является возможность достижения высокого уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Работа на высоком уровне мощности требует развитого пространства взаимодействия, однако при этом возникает необходимость селективного возбуждения рабочего типа колебаний, т.е. проблема конкуренции мод в сверхразмерных резонаторах, представляющих собой систему с числом степеней свободы, равным количеству возбуждаемых мод.

Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

5. Применение

Магнетроны:

В радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки). Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение. Искрение, продолжающееся достаточно долго, может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.

В РЛС находят применение коаксиальные магнетроны (КМ) с быстрой перестройкой частоты, что расширяет тактико-технические возможности РЛС.

Гиротроны:

Гиротроны позволили освоить весь диапазон миллиметровых волн на высоких уровнях мощности (~1 МВт в импульсном и сотни кВт в непрерывном режимах) с кпд ~ 30-40%. Это делает их перспективными для ряда энергетических приложений, в частности для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

Современные мощные гиротроны для термоядерных исследований способны генерировать на частотах 30-170 ГГц излучение мощностью до 1 МВт с КПД 40-50 % в импульсах длительностью до сотен секунд. Эти уникальные параметры обеспечиваются формированием мощного электронного потока с винтовыми траекториями частиц в сильном магнитном поле и использованием сверхразмерных цилиндрических резонаторов с очень высокими рабочими модами (например, ТЕ25.10.1). Наиболее мощные гиротроны оснащены искусственными алмазными выходными окнами, высокоэффективными квазиоптическими преобразователями рабочей моды в параксиальный волновой пучок и системами рекуперации остаточной энергии электронного пучка. Вследствие исключительно высокой теплопроводности и очень малых диэлектрических потерь алмазные окна гиротронов способны пропускать СВЧ-излучение с мощностью более 1 МВт. Прогресс в разработке численных методов анализа и синтеза многомодовых электродинамических систем позволил в последние годы довести эффективность преобразования рабочих мод высших типов в гауссовы волновые пучки до очень высоких значений 97-98 %, что необходимо для работы прибора с большой непрерывной мощностью. Использование в гиротронах коллекторов с рекуперацией не просто повышает КПД, но и принципиально упрощает реализацию источников питания и системы охлаждения коллекторов. В экспериментах уже продемонстрированы принципиальные возможности получения с помощью гиротронов еще большей непрерывной мощности (1,5-2 МВт) и более высокого (60-70 %) КПД. Для исследований импульсного теплового воздействия СВЧ-излучения на металлические структуры разработан релятивистский гиротрон с мощностью 10 МВт в импульсах длительностью 1-2 мкс при КПД 50 %.

Другим важным направлением в развитии гиротронов для УТС является исследование и разработка мегаваттных приборов с возможностью ступенчатой перестройки частоты. Использование таких гиротронов в плазменных установках УТС могло бы существенно повысить эффективность систем электронно-циклотронных волн, а также упростить антенные системы установок.