61920 (762918), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Многие ЭВП СВЧ работают в импульсном режиме. Это значит, что электронный поток обрушивается на поверхность коллектора импульсами – скажем, 1 мкс ток идет, а потом 1 мс тока нет. Здесь, на коллекторе, кончается короткая, но яркая биография электрона – в вакууме он ускорялся, тормозился и генерировал, а в металле есть только безликий электронный газ, там электроны не отличаются друг от друга. Но напоследок электрон мстительно делает вот что – отдав остаток энергии на нагрев коллектора, он способствует его разрушению. Действительно, когда ток идет, поверхность коллектора нагревается, в паузе – остывает. При нагреве и охлаждении возникают термические напряжения, в материале коллектора понемногу накапливаются дислокации, потом возникают трещины, и в итоге коллектор начинает разрушаться.
Что касается окон для вывода энергии, то они перегреваются и разрушаются из-за поглощения в них энергии электромагнитной волны. Казалось бы, созданием диэлектриков с очень малой проводимостью эту задачу можно решить. Увы, электрон, ударяясь о любой материал, выбивает из него вторичные электроны. Ну и что? Пусть даже шальной электрон ударился в керамическое окно вывода энергии – ну выбьет он сколько-то вторичных электронов, ну разлетятся они куда попало, и все. Но, во-первых, выбьет он вторичных электронов довольно много – несколько штук. Во-вторых, раз окно это предназначено для вывода энергии, то, значит, вокруг него и в нем самом всегда есть сильное электромагнитное поле. Вторичные электроны ускорятся этим полем, наберутся от него энергии, врежутся в керамику, выбьют из нее еще больше вторичных электронов, которые опять ускорятся полем, и пошло-поехало. Электронная лавина нарастает, энергия отнимается от электромагнитной волны и идет на нагрев окна. Такого издевательства – а оно называется высокочастотным вторично-электронным разрядом – не выдерживает самая высокотемпературная керамика. Решение было найдено, но об этом – позже. А пока поговорим о другом приборе.
Возможно, что изобретатель лампы бегущей волны Р. Компфнер придумал ее в 1944 году, поднимаясь по какой-нибудь лестнице. Особенно удобно было бы сделать это изобретение, если бы в середине лестничного проема медленно двигался лифт, а человек, быстро поднимавшийся по лестнице, мог бы заглядывать в кабину. Конечно, восстановить, как именно было сделано изобретение, трудно. Технический детектив в чем-то, по-видимому, сильно отличается от просто детектива, ибо хороших детективов много, а хороших технических детективов мало.
Представьте себе, что лифт движется чуть быстрее человека и из него подталкивают бегущего по винтовой лестнице человека – быстрее, быстрее! Согласно третьему закону Ньютона, на лифт будет действовать сила, направленная против движения, он будет тормозиться и отдавать свою энергию человеку, бегущему по лестнице. В итоге их скорости уравняются. Не обвивайся лестница вокруг шахты лифта, ничего бы не получилось – человек движется по прямой лестнице быстрее лифта. А если она обвивается, длина ее увеличивается. Можно подобрать угол наклона витков спирали («лестницы») и скорость электронов («лифта») так, чтобы электромагнитная волна, бегущая по спирали, имела ту же скорость перемещения вдоль оси спирали, что и электроны.
Возьмем проволоку, свернем ее в спираль и запустим в один ее конец электромагнитную волну. По оси же пропустим электронный пучок и начнем варьировать энергию (скорость) электронов. Когда энергия электронов будет такая, что скорость их станет чуть больше скорости волны («осевой» скорости), начнется перекачка энергии от электронов к волне, и с выходного конца спирали мы получим более мощную волну и хилые – с уменьшенной энергией – электроны. В лампе бегущей волны, как и в клистроне, происходит преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности. Только напряженность поля у спирали меньше, чем в резонаторе (в резонаторе есть резонанс). Поэтому нужен большой путь – и электронам и волне надо пройти много витков спирали, чтобы возникла заметная модуляция, а потом, после преобразования модуляции, волна начала усиливаться, отбирая энергию от собирающихся в сгустки электронов. Собираются электроны в те места волны, где поле меняет знак – сзади оно ускоряющее, спереди тормозящее, – как люди перед входом в метро в час пик.
Можно сделать из клистрона и ЛБВ гибридный прибор, взяв один конец от одного прибора, а другой – от другого. Если создавать исходную модуляцию, как в ЛБВ, потом давать электронам подрейфовать, а снимать сигнал с пучка резонатором, как в клистроне, получится один гибридный прибор. Если же создавать исходную модуляцию, как в клистроне, а снимать сигнал с пучка, как в ЛБВ, получится другой гибридный прибор. Все эти приборы уже придуманы. Как бы узнать, какие приборы еще не придуманы? Ниже мы вернемся к этому интересному вопросу.
Мы начали с аналогии между лестницей и спиральной замедляющей системой. Раньше всех в ЛБВ была использована в качестве замедляющей системы спираль. Но время шло, требования к мощности и рабочей частоте ЛБВ увеличивались. А спираль трудно охлаждать – она закрепляется на диэлектрических опорах, которые проводят тепло плохо. При длине волны меньше 5 мм сделать спираль становится трудно. Для работы в области больших мощностей и малых длин волн применяются другие замедляющие системы. Такие системы состоят из отдельных резонаторов, связанных отверстиями, через которые электромагнитное поле проникает из одного в другой.
ЛБВ, как и клистрон, можно превратить в генератор. По спирали волна может распространяться в обе стороны. Идя в одну сторону, она усиливается, подкачиваясь от пучка, а в другую бежит сама по себе, понемногу затухая. Нельзя ли сделать некое подобие ЛБВ, в которой будет усиливаться обратная волна? Тогда замыкание цепи обратной связи будет автоматическим, даже без учета отражений на концах: в одну сторону энергия будет переноситься электронами, а обратно – волной. И мы получим генератор. Но можно ли сделать так, чтобы электроны отдавали энергию волне, спешащей навстречу им? Представьте себе, что электронный пучок летит с одной стороны от металлического экрана с окнами, а волна бежит с другой. Пусть электронный сгусток, пролетая мимо окна, увидел там тормозящее поле, притормозился, отдал часть энергии и полетел дальше. У следующего окна он опять увидел тормозящее поле и опять пострадал. Вы сразу же видите, что таким способом можно усиливать волну, не обязательно имеющую ту же скорость, что и электронный сгусток. Важно лишь, чтобы электрон, пробегая мимо окон, видел в них одинаковые фазы колебаний.
Сгусток будет в следующем окне видеть не то место волны, с которым взаимодействовал в предыдущем окне, а другое. Но что с того? Он будет отдавать энергию, а волна будет усиливаться. При этом электрону безразлично, куда летела эта волна – с ним или навстречу.
Конструирование – всегда компромисс. Если больше мощность – то меньше диапазон частот, а если нет – то короче срок службы или дороже прибор. И так одно за другое, другое за третье, пятое и девяносто девятое... При определенной длине волны резонаторы в клистроне и спираль в ЛБВ должны иметь определенные размеры. Какая-то доля электронного пучка перехватывается сеткой в зазоре резонатора или спиралью. Пучок перехватывается – мощность выделяется – деталь нагревается – металл испаряется или плавится. Если плавится, то все ясно. А если испаряется, то пары оседают или на изоляторах, превращая их в проводники, или на катоде, изменяя его состав до потери работоспособности.
Что делать? Во-первых, можно искать конструкции, в которых меньше плотность мощности, выделяющейся на поверхностях электровакуумных приборов. Ну конечно, электронный пучок не должен перехватываться тем, чем не должен. Но при попытке сжать пучок посильнее он теряет ламинарность. Такой пучок не удается сильно затормозить (рекуперировать) на коллекторе, кпд прибора падает. Не будем разматывать эти клубки до девяносто девятого слоя, но поверьте – цифра не преувеличена. В лампе бегущей волны все связано одно с другим. Как и в других приборах. Жизнь вообще так устроена. И не ситуация в ЛБВ – самая трудная для понимания.
Прибор, называемый магнетроном, был изобретен... о, это длинная история! Дело в том, что в отличие от ЛБВ и клистрона, изобретение магнетрона состояло из нескольких этапов – один элемент, потом второй, третий и так далее. А.У. Холл – 1921 год, Яга и Окабе – 1928 год (это тот самый Яга, который «антенна Уда-Яги» – посмотрите на крышу любого дома), Г. Бут и Дж. Рэндалл – 1939 год, наконец – Н.Ф. Алексеев, Д.Е. Маляров и В.П. Илясов в 1939 году (еще раз о приоритете – во многих книгах про последнего не упоминают, в некоторых – неправильно пишут его фамилию). Некоторые ЛБВ интересны тем, что изготавливаются лишь в нескольких десятках экземпляров (ЛБВ для спутников связи), а магнетрон интересен тем, что это первый действительно массовый СВЧ-прибор. Ибо те магнетроны, которые используются в СВЧ-печах, впервые начали выпускаться в Японии миллионами. Традиционная японская кухня предпочитает варить, парить и тушить, а не жарить. Румяная корочка (содержащая, между прочим, канцерогенные продукты термолиза низкосортных жиров) – не ее цель. Так вот, СВЧ-печи как раз и делают нечто похожее на варку, парку и тушение, поскольку электромагнитная волна сверхвысокой частоты поглощается всем объемом сразу.
Магнетрон – это прибор со «скрещенными полями»: с магнитным и электрическим полями, перпендикулярными друг другу. Электрон вылетает из катода с маленькой скоростью и начинает двигаться к аноду. Пока электрон пролетел мало и скорость его мала, сила, действующая со стороны магнитного поля, тоже мала, и электрон летит почти по прямой. По мере приближения к аноду скорость электрона растет, сила Лоренца увеличивается, траектория изгибается. При малой индукции магнитного поля электрон отклонится от прямой, но анода достигнет. При большой индукции поля траектория электрона анода не достигает, он описывает кривую и возвращается к катоду, уменьшив свою скорость до нуля – согласно закону сохранения энергии.
Но если в объеме прибора возбуждаются колебания электромагнитного поля, то есть происходит генерация, то энергия, которая перекачивается в поле, должна отбираться от электронов. Значит, часть из них не возвращается к катоду – у них не хватает на это энергии. Они падают на анод, а полученную от постоянного электрического поля энергию частично отдают на генерацию электромагнитного поля, а частично – аноду. В лампе бегущей волны электрон падает на участке от катода до начала замедляющей системы. Падает в том же смысле, в котором падает камень, оторвавшийся от вертикальной скалы – двигаясь по силе, уменьшая потенциальную энергию и увеличивая кинетическую. Электроны входят в замедляющую систему, набрав скорость, и уже в ней отдают кинетическую энергию электромагнитной волне.
В магнетроне поведение электронов описывается двумя процессами – сортировкой и фазировкой. Электрон, который вышел из катода в такой момент, что потом он должен отдавать энергию волне, падает на анод, падает и отдает энергию. Электрон, который вышел из катода в такой момент, что волна должна отдавать ему энергию, тут же завершает свою биографию, врезавшись в катод. Это и есть сортировка – поэтому большинство электронов отдает энергию волне, а не забирают ее у нее. Кроме того, электроны «фазируются», собираются в сгустки, как в ЛБВ.
В работающем магнетроне в каждый момент времени заряды и потенциалы участков поверхности между входами в резонаторы чередуются. При этом возникает электрическое поле, которое направлено от положительно заряженных участков к отрицательным. А поскольку магнитное поле перпендикулярно электрическому, возникает сила Лоренца, которая ускоряет и тормозит электроны, попавшие в зоны действия по-разному направленного электрического поля и, следовательно, собирает (замечаете аналогию с работой ЛБВ?) электроны в сгустки, протянутые от катода к аноду и называемые «спицами».
Классический магнетрон имеет цилиндрический катод и цилиндрический, коаксиальный ему анодный блок с резонаторами – то есть замедляющая система свернута в кольцо и электронные траектории тоже замкнуты. Поэтому магнетрон – генераторный прибор: сигнал в нем «возвращается». Но, разомкнув или одно, или другое, или и то и это вместе (итого 4 варианта), можно превратить магнетрон в усилитель. Не говоря уж о том, что магнетрон может работать на прямой и на обратной волне (как ЛБВ) и может использовать сформированный своим катодом или введенный извне («инжектированный») электронный пучок. Худо-бедно 4×2×2×2 = 32 варианта приборов со скрещенными электрическим и магнитным полем. И не все они реализованы...
Еще одно важное отличие магнетрона от клистрона и ЛБВ – «переплетенность». В клистроне все отдельно – катод, входной резонатор, дрейфовое пространство, выходной резонатор и коллектор. В ЛБВ средние три элемента соединены в спирали: входная ее часть в основном модулирует пучок, выходная в основном снимает сигнал с пучка и вся она – пролетное пространство. В магнетроне переплетено все – все его сечения эквивалентны, все они содержат кусочек катода, кусочек пролетного пространства, коллектора и замедляющей системы.
О переплетении работы и жизни рассказывает единственная художественная книга, названная именем электровакуумного прибора. Книга «Магнетрон» была написана в 1957 году физиком Г.И. Бабатом и писательницей А.Л. Гарф. Это книга о временах, когда перед физиками Америки и Англии стоял вопрос: как сделать, чтобы на экранах радаров были видны перископы германских нацистских подводных лодок? Сейчас это вообще не вопрос – длина волны, которую генерирует магнетрон, должна быть меньше диаметра перископа. А тогда этот вопрос стоил – и не «64 тысячи долларов», как пошутил персонаж Ст. Лема, а десятки тысяч жизней.
Но откуда в магнетроне взялось электромагнитное поле, почему возникла генерация? Как вы уже знаете, электронные сгустки, пролетая мимо резонаторов, вызывают появление в металле наведенного тока, а в резонаторе – поля. Если период выступов подобран правильно, то поля, возникающие при пролете сгустков, складываются, поле усиливается, и в итоге мы получаем мощную сверхвысокочастотную электромагнитную волну. Часть электронов, эмитированных катодом, возвращаются на него, причем имея вполне приличную скорость. Возврат таких электронов на катод влечет его нагрев. Иногда мощность, поступающая на катод, оказывается так велика, что его приходится не греть, а охлаждать. Электроны, попавшие на катод, выбивают из него вторичные электроны. Этот вид эмиссии называется вторичной электронной эмиссией. Часто вторичная электронная эмиссия оказывается достаточной, чтобы магнетрон работал только за ее счет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
