тропы обладают пулевой скоростью, их кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная энергия максимальна (точка / на рис. 10.34). J3 процессе движения к аноду электроны приобретают большую скорость, вследствие чего на них действует все увеличивающаяся сила магнитного поля, искривляющая траекторию движения. В точке 2 кинетическая энергия электрона максимальна, а потенциальная - минимальна. С этого момента электроны движутся в сторону катода II запасенная кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Следовательно, анодное поле в среднем не тратит энергии на такое движение электронов.

Определим траекторию движения электронов с учетом электрического ВЧ-поля. Средняя скорость переноса электронов равна фазовой скорости электромагнитной волны. Попав в тормозящее поле, электро-

Рис. 10.33

? г к

Рис. 10.34

ны будут двигаться вместе с ним. В тор.мозящем поле (траектория- сплошная линия на рис. 10.34) скорость электронов уменьшается, запас кинетической энергии расходуется. Прежнее значение потенциальной энергии не может быть восстановлено, электроны не могут вернуться на катод. Циклоидальная траектория электронов приобретает наклон в сторону анода. При каждом витке циклоиды разница потенциальных энергий в начале и конце витка связана с преобразованием энергии постоянного анодного поля в энергию поля СВЧ. После каждого торможения электронов полем, когда они приблизились к аноду, скорость переноса вдоль оси г восстанавливается за счет действия дополнительной силы доп (см. § 10.8). В процессе взаимодействия электронного потока и поля условие синхронизма не нарушается.

Однако не вся потенциальная энергия анодного поля преобразуется в энергию поля СВЧ. Часть энергии от поля СВЧ отбирают электроны, попавшие в ускоряющее поле и движущиеся к катоду. Их скорость при возвращении на катод будет больше начальной. Полученную энергию они потратят на нагрев катода. Часть энергии анодного поля электроны, движущиеся в тормозящем поле, расходуют на нагревание анодного блока из-за наличия поперечной составляющей скорости при соударении с анодом. Величина отдаваемой энергии зависит от разности потенциалов между начальной и конечной точками Последнего витка Д£а (рис. 10.34). В начале каждого витка поперечная составляющая скорости обращается в нуль В процессе движения к аноду она сначала увеличивается, а затс:/ несколько уменьшается, росто.м магнитной индукции Да уменьшается, следовательно, сни-

лоются затраты энергии, идущей на нагрев анода. При этом возрастает к. п. д. Если магнитная индукция становится очень большой, электронные траектории статического режима располагаются вблизи катода. Предшествующее возбуждению колебаний поле флуктуации не сможет оторвать электроны от катода, т. е. процесс преобразования энергии анодного поля в энергию поля СВЧ не начнется, колебания не возникнут. Поэтому магнетроны обычно работают при магнитной индукции немного больше критической.

Большое влияние на работу магнетрона оказывает пространственный заряд электронов. При взаимодействии электронов с полем СВЧ происходит группирование электронов в области тормозящего продольного поля и их разгруппирование в области ускоряющего поля (см. § 10.8). Поскольку в бегущей волне области замедляющего и ускоряющего полей следуют друг за другом, движущиеся синхронно с полем СВЧ группирующиеся электроны создают специфические образования пространственного заряда -спицы. Спицы перемещаются вместе с полем, подобно якорю синхронного электродвигателя. Электроны, попавшие в ускоряющем поле, создают слой объемного заряда около катода.

Режим работы магнетрона зависит от заданных значений анодного напряжения £а и магнитной индукции В. Определим режимы работы, в которых происходит возбуждение колебаний СВЧ. Необходимыми условиями самовозбуждения являются существование положительной ОС и усиление поля СВЧ.

Ограничимся рассмотрением ОС по электромагнитному полю, возникающей за счет замкнутой кольцевой замедляющей системы. На рнс. 10.35 показана схема кольца ОС. Электромагнитное поле непрерывно вращается по кольцу и усиливается. Если ВЧ-поле, распространяющееся из точки Л, обойдя всю замедляющую систему длиной /, вернется в эту точку в той же фазе, то колеба1ШЯ поля буду т поддерживаться. ОС положительна на тех частотах, где суммарный сдвиг фаз Фе на длине I кратен 2я:

Фе = 2пп,

где п - иелое положительное число, принимаемое в дальнейгием ча ит,скс вида 10лебаний. В свою очередь,

Щ) (аз ) 2пп

Таг как фазовая скорость рабочей пространственной гармоники Уф зависит от частоты*, каждому значению индекса п соответствует своя частота сОд, на которой происходит самовозбуждение (рис. 10.36). В магнетронах чаще всего используют вид колебаний я, у которого

* Вид этой > ь частно.определяется настройкой резонаюров

индекс п равен половине числа резонаторов. Колебания этого вяда наиболее стабильны.

Усиление поля СВЧ происходит при = v. Скорость переноса электронов

v = SjB = Ej(dB). Приравнивая значения скоростей и Уф, получим

Да / МпМ g

(10.2)

Полученное выражение представляет собой аналитическую связь между значениями Еа и В, при которых выполняются необходимые условия самовозбуждения.

Рассмотрим режим работы магнетрона с помощью диаграммы на рис. 10.37. Каждая точка диаграммы характеризуется независимыми значениями Е и В ц определяет режим магнетрона На диаграмме рабочих режимов строят параболу критического режима в соответствии с (10.1) и пороговые прямые по (10.2). Последние представляют собой геометрические места точек (режимов магнетрона), в которых возможно самовозбуждение колебаний. На диаграмме можно выделить три области: /, и /. В области / существует ДГ, при котором вся энергия электронов тратится на нагревание анодного блока. В области колебания возбуждаются только на пороговых прямых. Возникает ЗР, когда электроны при взаимодействии с тормозящим продольным полем СВЧ достигают анода по наклонной

I г 3 4- г?

Рис. 10.36

циклоидальной траектории (сплошная линия на рпс. 10.34), преобразуя энергию анодного поля в энергию СВЧ-колебаний В области /, где индукция много больше критической, колебаний не возникает. Рассмотренная диаграмма рабочих режи.мов относится к простейшей идеальной модели магнетрона. В реальном приборе существует разброс начальных скоростей электронов, пространственный заряд, а Также взаимное влияние электронного потока на поле и наоборот, Появление электронов, покидающих катод со скоростью, отличной Т нуля, приводит к возникновению анодного тока в области , огда отсутствуют колебания СВЧ. Взаимное влияние скоростей электронов и фазовой скорости электромагнитной волны приводит к превращению пороговых прямых в пороговые области.