Электронные «свистки»


Дуньте в дырочку ключа — раздастся свист: возникнут быстрые механические колебания. Часовой маятник колеблется благодаря спусковому механизму. А в струе воздуха колебания получаются иначе: вдувание ее в полость ключа вызывает возникновение то сгущений, то разрежений. Иначе говоря, в полости образуются волны, вибрации.

Сходным образом работает и электронный генератор. В безвоздушном пространстве вблизи раскаленного катода помещают электрод, в котором сделана одна или несколько полостей. Поток электронов направляется в эти полости. Если надлежащим образом подобрать напряжение электрического поля, направление и мощность потока электронов, то он группируется в отдельные сгустки. В полости — в полом колебательном контуре — возникают электромагнитные колебания, появляется электромагнитная волна.

Такие сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы называют приборами с группированным потоком. Длина электромагнитной волны, возникающей в полости, определяется ее геометрическими размерами. Эта длина волны равна приблизительно удвоенной длине полости. Таким образом можно получить сантиметровые и миллиметровые волны, т. е. ток с частотой в миллиарды герц;

Схема многорезонаторного магнетрона.
Схема многорезонаторного магнетрона.

Конструкторы создали много видов СВЧ-генераторов с группированным электронным потоком. Один из распространенных СВЧ-генераторов, получивший широкое распространение в радиолокационных передатчиках, — это многоpезонаторный магнетрон.

Анодом его служит массивный кусок меди, в котором сделано цилиндрическое отверстие, окруженное кольцом вырезов-резонаторов — полых контуров. В центральном отверстии помещается катод.

Под влиянием высокого положительного напряжения на аноде электроны от катода стремятся лететь к аноду по радиусам. Прибор помещают между полюсами сильного постоянного магнита (отсюда и название — магнетрон) так, чтобы силовые линии магнитного поля были параллельны оси катода и тем самым перпендикулярны путям полета электронов в электрическом поле. Под действием магнитного поля пути электронов искривляются. Электроны движутся по спиральным кривым, группируются в отдельные сгустки. Можно сказать, что в пространстве между катодом и анодом вращается «облако» электронов, «облако» отрицательных зарядов. Они отдают свою энергию на возбуждение колебаний в кольце резонаторов.

Другой распространенный тип СВЧ-генератора с группированным электронным потоком получил название клистрон.

Схема клистрона — генератора с группированным электронным потоком.
Схема клистрона — генератора с группированным электронным потоком.

Катод клистрона испускает поток электронов, похожий на. луч. Электроны этого потока ускоряются постоянным напряжением, а затем проходят через систему полых резонаторов. В первом резонаторе их скорости немного изменяются: электроны, пролетающие в течение одного полупериода, ускоряются, а в течение другого полупериода замедляются, т. е. поток электронов, как говорят, модулируется по скорости. Промодулированный электронный поток летит затем некоторое время в пространстве, где нет электрических полей, — в дрейфовом пространстве. Здесь более быстро движущиеся электроны догоняют более медленные и весь поток распадается на отдельные сгустки. Затем такой сгруппированный поток попадает во второй колебательный контур и возбуждает в нем колебания. Этому контуру электроны отдают свою энергию.

Многорезопаторные магнетроны и клистроны предназначены для непрерывного генерирования и для импульсной работы (кратковременными отдельными толчками). При непрерывном генерировании их мощность достигает десятков киловатт на сантиметровых волнах. При этом напряжение на аноде у магнетронов — несколько киловольт, а у клистронов — десятки киловольт. В импульсных приборах максимальная мощность на сантиметровых волнах достигает десятков тысяч киловатт. Для питания клистронов такой мощности необходим импульс постоянного тока с напряжением в сотни тысяч вольт.