Мини-лекции. СВЧ, лампы М-типа ЛБВМ и ЛОВМ

   Приборами М-типа называют приборы, в которых, в энергию СВЧ-поля непосредственно преобразуется потенциальная энергия электронов, а не кинетическая энергия, как в приборах О-типа. Как же нам всё это сделать, это про потенциальную энергию? И причём здесь магнитное поле? Разберёмся... В общем виде прибор М-типа показан на рис.8. Где:

1 — замедляющая система;
2 — коллектор (анод);
3 — отрицательный электрод, иногда его называют «холодный катод»;
4 — направление силовых линий магнитной индукции, В;
5 — направление электронного потока;
6 — направление силовых линий электрического поля, Е.

   Как видите здесь налицо два поля перпендикулярные (скрещенные) друг-другу, то есть приборы М-типа со скрещенными полями Е и В. Все приборы М-типа обычно зовут МАГНЕТРОНАМИ. Да, конечно есть отдельный вид приборов, именно имеющие название магнетроны, а все остальные как бы их родственники. Родственники связанные между собой этими самыми скрещенными магнитными и электрическими полями. А, в остальном всё те же ЛБВ и ЛОВ с добавлением буковки М! Да, первые попытки приручить магнитное поле были сделаны аж в 1912 году! Потом начались более серьёзные работы как импортных учёных так и наших, тогда ещё в СССР. В основном разработки и усовершенствование магнетрона было связано с радиолокацией. Не даром же использование магнетрона началось ещё во время Второй мировой войны, в Англии в составе радиолокационных станций. Позже были изобретены лампы бегущей волны с использованием магнитных полей М-типа. Да, с точки зрения хронологии надо бы начинать знакомство с магнетронов. А, вот из методических соображений с родственников. Мы с них и начнём. Знакомство же с приборами ЛБВМ и ЛОВМ мы будет проводить в два этапа. 1) В статическом режиме. 2) В режиме с применением СВЧ-поля. Итак!

   СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

   Статика. Статический от греческого statos «стоящий, неподвижный», находящийся в состоянии покоя и равновесия. В нашем же случае электрическое и магнитное поля постоянные, а вот с электронами (электронным потоком) не совсем есть хорошо. Вся морока именно с ними! При рассмотрении режима мы сделаем отступление. Всё, что на рис.8 упростим до двух металлических пластин (как бы конденсатор). На рис.4 и рис.4а, 4b верхняя пластина, положительный электрод (анод, замедляющая система). Нижняя пластина, отрицательный электрод («холодный катод»). Почему холодный? Потому как в обычных радиолампах (приборах) работающий катод разогрет до высокой температуры. В смысле чтобы хотчее эмитировал электроны. А, если не очень, скажем при комнатной температуре? Всё будет, но только в малых дозах. Конечно в воздухе они быстро застревают и возвращаются в свои «пенаты». А, если в вакууме, да ещё и в сильном электрическом положительном поле?

   Перед нашими исследованиями мы сделаем небольшое отступление. Вот рис.8а и на нём (вспомните школу) два разноимённо заряженных шарика. Слева положительно, справа отрицательно. С положительного исходит силовая линия поля Е. В общем виде с любой точки поверхности. Но, я не об этом. Поле действует на отрицательный шарик с силой F (сила Кулона) которая направлена навстречу линиям поля. Стало быть оба шарика ломанутся навстречу друг другу! А, если положительная пластина массивная, а отрицательный всего лишь электрон? Правильно, на этот раз он устремится к пластине! И? Да, в отсутствие магнитного поля он ударится об анод и нейтрализуя часть заряда, и сгинет в пластине (туды ему и дорога!).

   Но у нас есть в рукаве «туз», — магнитное поле! И тут начнётся... Как только, так сразу появится сила Лоренца и стало быть начнётся «битва» за электрон... В результате (в свободном пространстве) электрон начнёт рисовать круги. Но у нас замкнутое пространство, а посему процесс проходит по плану. Итак, электрон почти с нулевой скоростью отделяется от холодного катода. Тут же, не отходя от кассы на него начнёт действовать суммарное поле верхней пластины и коллектора (хотя в литературе коллектор игнорируют)! Да, на рис.4 он не изображён, но мы его подразумеваем. Скорость движения электрона возрастает и с ней сила Лоренца. Электрон кроме движения вверх и вправо (для нашего случая) теперь должен описывать окружность. Но по пути электрона сила Кулона будет противодействовать силе Лоренца. В результате этой «битвы» электрон нагруженный кинетической энергией, начинает её терять. При подборе соотношения Е и В электрон практически у самого нижней пластины потеряет свою энергию и стало быть скорость. Сила Лоренца сразу же потеряет свой нездоровый интерес... А сила Кулона перехватит инициативу и всё начнёт повторяться! Что мы и видим на рис.4.

   И вот когда учёные дядьки обсчитали весь процесс, то оказалось, что загогулина которую нарисовал бедный, несчастный электрон, терзаемый Е и В называется ТРОХОИДА!

   ТРОХОИДА от греческого, «колесообразный» — Общее название циклоидальных кривых, которые описывает точка, находящаяся внутри или вне КРУГА, КАТЯЩЕГОСЯ БЕЗ СКОЛЬЖЕНИЯ по направляющей, ПЛОСКАЯ трансцендентная кривая. Если направляющая — ПРЯМАЯ линия, то трохоида является ЦИКЛОИДА. Если направляющая КРУГ (не путайте этот круг с тем что упоминается выше!!!), то трохоида будет являться гипотрохоидой. Качение происходит по ВНУТРЕННЕЙ стороне направляющего круга. Или эпитрохоидой (качение происходит по ВНЕШНЕЙ стороне направляющего круга). ЦИКЛОИДА это всего лишь, — частный случай. Вот у нас и есть тот самый, частный случай! Да, та самая ЦИКЛОИДА! А, всегда ли это получается так красиво? Оказалось, что нет?!

   Во-первых, электрон может появиться и из других миров, а не только из замёрзшего катода... Во-вторых, со своей скоростью и какой ужас, даже больше нулевой и не дай Бог ещё и с отрицательной... В данном случае циклоиды может не получиться? Обратимся к рис.3. Это некое повторение рис.4, но не совсем... Итак, мы имеем так называемую ЦИКЛОТРОННУЮ частоту Омега-ц = еВ/m. Где: В — магнитная индукция, е и m соответственно заряд и масса электрона. Циклотронная частота, это УГЛОВАЯ частота вращения электрона в однородном магнитном поле. Стрелочка указывает направление вращение нашего виртуального круга. Почему виртуального и вообще о чём это мы??? Если Вы просто так или сдуру бросаете мячик под углом в 45° (камень и пр.), то говорят, что он летит по траектории. Хотя её, эту траекторию никто не видит и скорее всего так и не увидит?! А, потом оказывается, что траектория (в идеале) описывает точка на окружности круга если его катить по земле. Да диаметр его будет ого-го какой? Но помечтать-то мы можем... То есть как бы круг есть, но его не пощупать?! Это и есть наш случай. Итак на рис.3, радиус круга r. Vп, — так называемая скорость переносного движения или проще, — переносная скорость. Так ещё, скорость передвижения (переноса) центра виртуального круга [0] вдоль плоскости катода. Радиус круга r из формулы рис.10а зависит как Vп, так и круговой частоты Омега-ц. Она на рис.3 «пурпурная» формула, а на рис.8b Vп, формула переносной скорости. Как видите их величины и стало быть длина r зависят только от В и Е, а они в свою очередь не изменяются в процессе. Получается, что r не зависит от начальной скорости электрона Vо. А вот ещё один подозреваемый R зависит!!! А, что такое R? R, некая величина, определяющая расстояние от центра катящегося круга до точки, «прочерчивающей» траекторию электрона, и очень даже зависит от величины и направления начальной скорости. Вот на рис.10 и показана та самая зависимость, как от Е, В, Омега-ц, так и от y и z составляющих начальной скорости электрона.

   Ниже под рис.3 некие варианты и то как меняется наша циклоида от начальной скорости Vo электрона, где:

1. Начальная скорость электрона Vо = 0. И в результате качения виртуального круга получается наша знакомая ЦИКЛОИДА.
2. Начальная скорость (прилёта из других миров) Vо > 0. Мы имеем уже не чистую циклоиду, а, как говорят, вялую или короткую циклоиду, — волнистую линию. Линию похожую на синусоиду. Только вот точка начала рисования загогулины находится не на окружности круга, а на меньшем расстоянии от центра, — условно точка А. Да, Вы правы, расстояние от 0 до А и есть R!
3. Скорость прилёта электрона равна той самой переносной Vп! И наша циклоида превращается в прямую. Действительно в формуле рис.10 Е/В и есть Vп (рис.8b) и стало быть при Vo = Vп числитель равен нулю. И наш таинственный тоже, R = 0!
4. Самая загадочная история. Скорость прилёт электрона Vо < 0, то есть отрицательная. А, это как??? Вот и я не знаю? Могу предположить это для ЛОВМ, и эти ЛОВ-штучки где фазовая скорость движется шиворот-навыворот. В смысле, в противоположную сторону движению электрону (электронам). Вся эта загогулина начинает рисоваться из точки С, находящейся вообще за границей круга! При всём вращается с той же круговой скоростью, что и сам круг. И хотя все эти зиги-заги могут быть рабочими в дальнейшем... Но, мы пока об этом не знаем?!

   Мне осталось лишь добавить, что расстояние от центра круга до точек отсчёта R в зависимости от вариантов 1,2,3,4 принимает, в отличие от r разные значения, в соответствие с рис.3: R=r; R<r; R=0; R>r!



   РЕЖИМ С УЧАСТИЕМ СВЧ-ПОЛЯ

   Наконец-то мы со статикой разобрались. Итак, что мы имеем? Как видите на рис.1 железяку со скрещенными полями В и Е и замедляющую систему, ЗС. Поток электронов со своими параметрами... По определению поток электронов состоит из разноскоростных этих самых электронов. И из рис.3 можно понять, что поток состоит из разновидности трохоид и имеет некою толщину d. Из этого мы и будем исходить. Не хватает только СВЧ поля?! Вернёмся опять к нашей урезанной модели рис.4, с одним электроном (так, на всякий случай)! На рис.1 как бы в разрезе прибор М-типа (магнетрон). Уже наступило утро, в прибор запущен СВЧ сигнал... Традиционно слева-направо побежала волна. ЗС, естественно поставила её на место, снизив скорость до скорости электронного потока. А, скорость потока, это скока? Ну, да получается, что это некая средняя скорость? После переговоров учёных дядек этой скоростью назначили Vп! Вот тут-то и вылезает отличие ЛБВ и ЛОВ О-типа от М-типа! Там, в О-типе скорость электронов почти равна СВЧ (замедленной), точнее чуточку быстрее. И хотя все талдычат о синхронизме, но чуточку быстрее... Как в базарной шутке: «Мне килограмм картошки, но побольше!» В ЛБВМ и ЛОВМ скорости по определению совпадают в точности, Vф = Vэл. То есть фазовая скорость волны и электронов равны! И вообще, если честно все эти ЛБВ и ЛОВ, дело тёмное...

   Вернёмся к рис.1. Так как все действующие лица несутся с сумасшедшей скоростью, поле СВЧ (в ЗС) и электроны с одной и той же, то? То мы не смотря на рост, вес и другие примечательности будем двигаться (мысленно конечно) с той же скоростью, и? Для нас как бы вся картинка замрёт на месте. И, что мы увидим? В верху резонаторная замедляющая система, ЗС. Линии электрического поля СВЧ. Магнитные линии направлены от нас в виде креста рядом с В. Линии постоянного электрического поля Е направлены сверху-вниз. Шарики под номерами, — электроны находящиеся в данном месте и в данное время. Стрелочки то там, то сям, направление силовых линий полей СВЧ!

   Итак, пройдёмся по цифоркам... 1 и 5, линии поля СВЧ железно перпендикулярны как ЗС, так и «холодному» катоду. Красные стрелки, направление постоянного поля Е. Стало быть совпадают с направлением линий СВЧ. То есть, в итоге величины суммируются и общая их величина увеличивается! А, в 3 и 7 наоборот, вычитаются и общая величина уменьшается! Что это для нас значит если (не вдаваясь в расчёты вообще)? Скорость электронов находится в зависимости от всяких полей вот так, Vэл = E/B. При всём, что B постоянное, а Е суммарное! А, это значит, что электроны 1 и 5 получат ускорение, а 3 и 7 наоборот замедление! Или по науке первые находятся в ускоренном дрейфе, вторые в замедленном! И это важно! А, что же с остальными гавриками? Здесь нам надо чудок затормозиться и кое, что вспомнить?!

   Так для 1, 5, 3 и 7 линии перпендикулярны ЗС и катоду (холодному). А, что же для остальных? Там направление полей и естественно сил действующих на электроны направлены по касательной в точках 2, 4 и 6. А направлены они параллельно и ЗС и катоду. А дальше одна неразбериха. Обе эти составляющие как только не называют?! Поперечная (для 1, 3, 5, 7) и продольная (для 2, 4, 6). Радиальная и тангенциальная. Радиальная и касательная! В общем поперечная, это поперёк движения электронов (в потоке) продольная, вдоль движения потока. И если в приборах О-типа поперечная и продольные малы и их влияние на общую картину также мало. А, вот в приборах М-типа влияние большое, даже очень!!! Во, как?! Возьмём два электрона 2 и 4, а про 6 пока забудем он аналогичен 2 и можно сказать не очень-то нам интересен?!. На рис.5,6 показано что происходит с продольной составляющими полей СВЧ, с учётом постоянного поля Е! На рис.5,6 продольные Е с тильдочкой, а постоянное Е, без тильдочки и смотрят только вниз. А так как они вообще-то векторные штучки, то по понятиям суммарное (результирующее) направление будет смотреть в сторону (ну неприятно им соседство...).

   И если раньше поперечное было перпендикулярно потоку, то для 2 перпендикулярно какой-то виртуальной плоскости (как бы ЗС и катоду)?! И стало быть наш, воображаемый круг на рис.4 раньше катился по катоду, то теперь должен как бы по наклонной плоскости рис.4а! Тоже самое и для электрона 6. А, что же с 4? Там получается тоже по наклонной плоскости, но только вниз к катоду рис.4b. Такого типа электроны благополучно оседают на катоде и в дальнейшем процессе не участвуют. На рис.5,6 Вы видите как направления V2 и V4 поменяли своё направление. Для электрона 2 вверх к аноду (ЗС), а для 4 вниз «холодному» катоду. Всё это конечно хорошо, только нам не очень подходит? Ведь всё рассматривается с учётом нулевой начальной скорости электрона. А все приборы в рабочем режиме имеют уже скоростной поток и наша мерзкая циклоида превращается в неполноценную циклоиду.

   Мы рассмотрели поведение поперечной составляющей электрического поля (силовых линий), а что же с продольными? Вот на рис.7 показаны три точки линий электрического поля. Центральная точка 2. Здесь имеется только продольная составляющая Еz. Роль поперечной играет постоянное поле Е. Действуя на электроны придаёт им скорость Vп = Е/В. Слева от центральной точка 1. Здесь картина интересней. Поперечная составляющая уже не равна нулю, а равна Еу. Направление совпадает с постоянным полем. Так ещё они складываются и под действием суммарного поля скорость электронов увеличивается. Всё происходит наоборот в точке справа от центральной 3. Там Еz (на величину не обращайте внимание) и она направлена против направления постоянного поля и значит? Правильно, будет вычитаться из Е. Скорость электронов наоборот снизится. Что будет происходить? Левые электроны будут догонять центральные и все вместе правые. Будет происходить группирование по скорости. В О-типа приборах тоже группирование по скорости, но как бы без внешнего влияния. В СВЧ М-типа принудительно.

   Нам осталось понять как будет реагировать электронный поток на все скачки, что на рис.1 с учётом СВЧ-поля с учётом разборок на рис.5,6 и рис.7. На рис.1 мы видим упрощённое количество силовых линий. Ведь кроме кривых загогулин со стрелочками существуют прямые направленные как параллельно Е как в ту же сторону, так и прямо в противоположную Всё тоже сложение и вычитание и ускорение и замедление... Вот только величины этих поперечных больше тех, что на рис.7. условно электроны точки 1 стремятся к электрону (догоняют) точки 2. А, с точки 3 наоборот приближается (стремится) тоже к точке 2. Если учесть, что поток электронов разноскоростной,то концентрация электронов в районе точки 2 получается такой растянутый как на рис.1. Где: красные штриховые линии ускорение электронов, синие наоборот замедление. Зелёные, электроны отдают свою энергию, чёрный забирают. В этом месте центр разгона электронов (разгруппирование). Налево к точке 2, направо к точке 6 (аналог 2). Почему такой вытянутый вид имеют сгустки? Потому как верхние электроны ближе к ЗС (аноду) и сильнее притягиваются полем. А так как по закону рис.5 электроны по наклонной (почти) стремятся вверх к замедляющей системе (аноду). В отличие от О-типа где сгустки образуются по плотности, в М-типа по увеличению потенциала. Из-за увеличения объёма сгустка плотность остаётся постоянной. В нормальном режиме граница сгустков не доходит до ЗС и отдав энергию в нагрузку в правой части ЗС, остатки же устремляются к коллектору. Крайние к катоду электроны, потерявшие всякую надежду, оседают на нём и в дальнейшем процессе не участвуют. Группирование и разгруппирование есть процесс сортировки... На рис.2 маленькие стрелочки это направление движения электронов к точкам на рис.1 2и6.

   Теперь ближе к делу! Поток электронов о котором мы так долго говорили создаётся либо с помощью электронной пушки, либо с помощью так называемой системы типа короткой оптики. На рис.12 именно такой, с короткой оптикой. Ну, с пушкой всё ясно. Ускоряющий электрод естественно ускоряет (разгоняет) электронный поток на первой стадии процесса. А, вот с оптикой всё гораздо сложнее. И не столько для понимания, скорее для изготовления и настройки. А, начнём мы с силы Лоренца! Потому как без яя нам не понять всю систему. Но, это попозже. А, пока?!

   Обратимся ка мы к рис.9. Как видите здесь просматриваются как бы две половинки, двух устройств?! Прикроем правую часть ровно на границе излома. Если левую продолжить в право и дорисовать... То получим циклоиду! В нашем же случае, народившаяся циклоида прерывается на «полуслове». Для чего? Электроны вылетевшие из горячего катода тут же попадают под влияние магнитного поля, силы Кулона и Лоренца! Отчего, электроны начинают выписывать ту, ужасную циклоиду. А если резко оборвать процесс, то? То электроны (по инерции) будут самостоятельно продолжать движение, но уже по прямой линии, вдоль пространства взаимодействия. То есть так же как и в случае с пушкой... Осталось понять для чего этот весь сыр-бор затеян??? И как это всё на практике осуществить?!

   Есть мнение, что электроны не двигаются точно по прямой, а каждый описывают ТРОХОИДУ. Да, ту самую, волнистую линию. Причём каждый свою в зависимости от скорости электрона? В сумме всех электронных линий получается как бы прямолинейный поток... Ну, хорошо всё едет, летит, а нам-то, что с этого? Зачем нам все эти магнитные страсти-мордасти? Для усиления и генерации. А, что в О-типа не было этого? Да было, но? В наших, М-типа, КПД гораздо выше чем в приборах О-типа!

   На рис.11 условно показано устройство ЛБВМ, а на рис.12, ЛОВМ. Где на рисунках обозначены:

1. — замедляющие системы, аналогичные замедляющим системам в лампах ЛБВ и ЛОВ, О-типа;
2 — «холодный катод»;
3 — «горячий катод»;
4 — управляющий электрод на рис.12 и ускоряющий электрод на рис.11. Кроме того, ещё и магнитный экран там же, на рис.11;
5 — коллектор (анод);
6 — электронный поток;
7 — согласованная нагрузка на рис.12;
8 — поглощающая вставка на рис.11;
9 — вход сигнала на рис.11;
10 — выход усиленного сигнала в ЛБВМ и выход сгенерированного СВЧ в ЛОВМ.

   Вот пожалуй и всё! Надеюсь, что Вы хоть, что-то поняли из всего этого нудного разбирательства! Смею Вас заверить, что дальше будет ещё занудливей, хотя может и короче?! Речь пойдёт о магнетронах, о тех настоящих, а не тех которых только так называют, магнетронами ЛБВМ и ЛОВМ...