Магнетрон (от греч. μαγνήτης — 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.

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 наружней поверхности окружности большего диаметра - в конкретном случае по наружней 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 анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится 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.

В простейшей конструкции многорезонаторного магнетрона (рис.1) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. 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 магнетронах с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2, а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2, б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой) (рис. 2, в).

 

 

Магнетроны, благодаря своей надежности и относительно малой стоимости по сравнению с дорогостоящими, но высокоэффективными, лампами бегущей волны, применяемыми в военной технике, занимают нишу гражданского применения таких устройств - от обзорных РЛС и систем морских и речных судов, самолетов и вертолетов до РЛС картографирования местности, метеорологических и экологических исследований. В таких 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 чуствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты.

Также магнетроны нашли широкое применение в области генерации СВЧ-излучения. Они являются незаменимым компонентом бытовых СВЧ-печей - "микроволновок".

Распространение магнетронов вызвано высоким КПД (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются магнетроны для работы на различных частотах от 0.5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мкс. Магнетроны выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), 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.

 

Устройство магнетрон широко используется в бытовых СВЧ-печах. На рис.1 показана схема включения магнетрона в бытовой СВЧ печи. На высоковольтном диоде пульсирующее (импульсное) напряжение, которое и подводится к магнетрону. При этом за время действия импульса напряжения происходит формирование электронно-плазменного облака-ротора в магнетроне и перезаряд высоковольтного конденсатора. Цепь анодного источника оказывается замкнутой (переходные процессы) и работает закон Ома. В бытовых импульсных СВЧ печах анодный ток достигает значений 0,3-0,5 Ампера.