Microwave-engineering-magnetrons
マイクロ波工学-マグネトロン
これまで議論した管とは異なり、マグネトロンは電場と磁場が交差するクロスフィールド管です。 互いに垂直に走ります。 TWTでは、Klystronよりも長い時間RFと相互作用させると、電子の効率が向上することが観察されました。 マグネトロンでも同じ手法が採用されています。
マグネトロンの種類
マグネトロンには主に3つのタイプがあります。
負性抵抗タイプ
- 2つの陽極セグメント間の負性抵抗が使用されます。
- 効率が低い。
- 低周波数（<500 MHz）で使用されます。
サイクロトロン周波数マグネトロン
- 電気部品と振動電子の同期が考慮されます。
- 100MHzより高い周波数に役立ちます。
進行波またはキャビティタイプ
- 電子と回転電磁界との相互作用が考慮されます。
- 高いピーク電力振動が提供されます。
- レーダー用途に役立ちます。
キャビティマグネトロン
マグネトロンは空洞マグネトロンと呼ばれます。これは、陽極が共振空洞になり、永久磁石が強力な磁場を生成するために使用され、これらの両方の作用によりデバイスが機能するためです。
キャビティマグネトロンの構築
厚い円筒形の陰極が中心にあり、銅の円筒形ブロックが軸方向に固定されており、陽極として機能します。 この陽極ブロックは、共鳴陽極空洞として機能する多数のスロットでできています。
陽極と陰極の間に存在する空間は、*相互作用空間*と呼ばれます。 電場は放射状に存在し、磁場は空洞マグネトロンに軸方向に存在します。 この磁場は、磁力線が陰極と平行で、陽極と陰極の間に存在する電界に垂直になるように配置された永久磁石によって生成されます。
次の図は、空洞マグネトロンの構造の詳細と、存在する磁力線を軸方向に示しています。
このキャビティマグネトロンには、互いに密に結合された8つのキャビティがあります。 Nキャビティマグネトロンには、$ N $の動作モードがあります。 これらの動作は、振動の周波数と位相に依存します。 この空洞共振器のリングの周りの総位相シフトは$ 2n \ pi $でなければなりません（$ n $は整数）。
$ \ phi_v $が隣接するキャビティ全体のAC電界の相対的な位相変化を表す場合、
\ phi_v = \ frac \ {2 \ pi n} \ {N}
ここで、$ n = 0、\：\ pm1、\：\ pm2、\：\ pm \：（\ frac \ {N} \ {2} -1）、\：\ pm \ frac \ {N} \ {2 } $
つまり、$ N $が偶数の場合、$ \ frac \ {N} \ {2} $の共振モードが存在する可能性があります。
If,
n = \ frac \ {N} \ {2} \ quad、\ quad \ phi_v = \ pi
この共鳴モードは、$ \ pi-mode $と呼ばれます。
n = 0 \ quad、\ quad \ phi_v = 0
これは、アノードとカソードの間にRF電界がないため、*ゼロモード*と呼ばれます。 これは「フリンジフィールド」とも呼ばれ、このモードはマグネトロンでは使用されません。
キャビティマグネトロンの動作
Cavity Klystronが稼働中の場合、考慮すべきさまざまなケースがあります。 それらについて詳しく見ていきましょう。
- ケース1 *
磁場がない場合、つまり B = 0の場合、次の図で電子の挙動を観察できます。 電子 a が放射状の電気力の下で直接陽極に向かう例を考えてみましょう。
- ケース2 *
磁場が増加すると、横方向の力が電子に作用します。 これは、両方の力がそれに作用している間、曲がった経路をとる電子 b を考慮して、次の図で観察できます。
このパスの半径は次のように計算されます
R = \ frac \ {mv} \ {eB}
電子の速度に比例して変化し、磁場の強さに反比例します。
- ケース3 *
磁場 B がさらに増加すると、電子は電子 c などの経路をたどり、陽極表面をかすめて陽極電流をゼロにします。 これは、「臨界磁場」$（B_c）$と呼ばれ、カットオフ磁場です。 理解を深めるために、次の図を参照してください。
- ケース4 *
磁場が臨界磁場よりも大きくなると、
B> B_c
その後、電子は電子 d として経路をたどります。ここで、電子は陽極に行くことなく、陰極に戻ります。 これにより、カソードの「バックヒーティング」が発生します。 次の図を参照してください。
これは、振動が始まると電力供給を遮断することにより達成されます。 これを続けると、カソードの放出効率が影響を受けます。
アクティブRF場を備えたキャビティマグネトロンの動作
これまで、マグネトロンのキャビティ内にRF場が存在しないキャビティマグネトロンの動作について説明してきました（静的ケース）。 次に、アクティブなRFフィールドがある場合の動作について説明します。
TWTと同様に、過渡的なノイズのために、初期RF振動が存在すると仮定します。 振動は、デバイスの動作によって維持されます。 このプロセスで放出される電子には3種類あり、その動作は3つの異なるケースで電子 a 、 b および c として理解されます。
- ケース1 *
振動が存在する場合、電子 a は、振動するエネルギーの伝達を遅くします。 エネルギーを振動に伝達するこのような電子は、「お気に入りの電子」と呼ばれます。 これらの電子は*バンチング効果*の原因です。
- ケース2 *
この場合、 b などの別の電子が振動からエネルギーを受け取り、その速度を増加させます。 これが完了すると、
- より鋭く曲がります。
- インタラクション空間でほとんど時間を費やしません。
- カソードに戻ります。
これらの電子は「好ましくない電子」と呼ばれます。 彼らはバンチング効果に参加しません。 また、これらの電子は「逆加熱」を引き起こすので有害です。
- ケース3 *
この場合、少し遅れて放出される電子 c がより速く移動します。 電子 a に追いつきます。 次の放出電子 d は、 a でステップしようとします。 その結果、優先電子 a 、 c および d は電子バンチまたは電子雲を形成します。 「位相集束効果」と呼ばれます。
次の図を見ると、このプロセス全体がよく理解できます。
図Aはさまざまな場合の電子の動きを示し、図Bは形成された電子雲を示しています。 これらの電子雲は、デバイスの動作中に発生します。 これらの陽極セグメントの内面に存在する電荷は、空洞内の振動に従います。 これにより、時計回りに回転する電界が作成され、実際の実験を行っているときに実際に見ることができます。
電場が回転している間、磁束線はカソードと平行に形成され、その結合効果の下で、電子バンチはスパイラル軌道で最も近い正の陽極セグメントに規則的な間隔で向けられた4つのスポークで形成されます。
