Поэтому электроны, находящиеся под положительным сегментом, догоняют электроны, находящиеся в плоскости АА. Электроны, находящиеся под отрицательным полюсом, тормозятся радиальной составляющей СВЧ поля, поэтому их скорость в направлении движения электронного облака снижается. В результате образуются области электронных скоплений, по форме напоминающие спицы колеса, как это показано на рис. 1.23. Эти спицы вращаются с такой скоростью, чтобы за половину периода проходить расстояние от одной резонаторной щели до другой.

Ер- радиальная составляющая СВЧ поля Ек- касательная составляющая СВЧ поля ЕА- поле, созданное анодным напряжением

Рис. 1.22. Распределение силовых линий переменного электрического поля в пространстве взаимодействия

Рис. 1.23. Форма вращающегося электронного облака в работающем магнетроне

В этом случае электроны, находящиеся в спицах, пролетая над щелями резонаторов, могут постоянно попадать в тормозящее поле касательной составляющей и отдавать ему энергию, накопленную во время движения по радиальной составляющей. Таким образом, основная роль касательной составляющей СВЧ поля заключается в преобразовании кинетической энергии электронов в энергию колебаний, а основная роль радиальной составляющей заключается в преобразовании равномерного электронного облака в колесо от телеги.

Рассмотрим более подробно движение отдельного электрона в двух случаях: когда он находится в спице и когда он вне ее. Как уже отмечалось, при отсутствии СВЧ поля электрон, вылетевший с катода со скоростью, равной нулю, совершит круг почета вблизи анода и вновь вернется на катод. Причем скорость в конце пути будет той же, что и в начале, т.е. в нашем случае нулевой. При наличии СВЧ поля возможны два случая:

1. Допустим, электрон находится в области спицы. Тогда, вылетев с катода, он будет разгоняться анодным напряжением и за счет магнитного поля постепенно изменять направле-

ние движения. Влетев в тормозящее СВЧ поле, он отдаст ему часть своей кинетической энергии, и его скорость снизится. В результате ему не хватит оставшейся энергии, чтобы долететь обратно до катода. В какой-то момент он остановится, а затем вновь начнет движение к аноду под воздействием анодного напряжения. Все предыдущие процессы повторятся, за исключением того, что точкой начала движения будет не катод. В этом же духе будут происходить и последующие циклы, пока в конце концов электрон не доберется до анода. Таким образом, электрон на пути к аноду проходит по сложной траектории (рис. 1.24) несколько раз, отдавая свою энергию СВЧ полю.

2. Возможен, однако, и другой случай. Если при прочих равных условиях электрон вылетел с катода в момент, когда он находился между спицами, то он попадет в ускоряющее СВЧ поле, и поэтому ему после правого разворота в магнитном поле вполне хватит энергии врезаться в катод. Избыток кинетической энергии выделится в виде тепла, приводя к дополнительному разогреву катода.

Рис. 1.24. Траектория электрона, находящегося в "спице", при движении от катода к аноду

Рис. 1.25. Рабочие характеристики магнетронов

Характеристики магнетронов

Основными параметрами магнетронов являются: рабочая частота, выходная мощность, коэффициент полезного действия (КПД), рабочие токи и напряжения. Частота магнетронов для мик-

роволновых печей составляет 2450 МГц. Отклонение от этой частоты в ту или иную сторону может быть вызвано изменением анодного напряжения или параметрами нагрузки. Величина смещения частоты составляет несколько мегагерц. Мощность магнетронов лежит в пределах от 500 Вт, до 1 кВт, а КПД составляет от 50% у электронных динозавров до 85% в наиболее удачных конструкциях. Анодный ток магнетронов для микроволновых печей обычно составляет 250 - 300 мА. Рабочие напряжения некоторых типов магнетронов приведены в таблице 2.1.

В практике эксплуатации магнетронов широко пользуются графическими рабочими характеристиками, позволяющими в зависимости от конкретных условий установить требуемые значения мощности и КПД. Типичные рабочие характеристики приведены на рис. 1.25. По вертикальной координатной оси отложены значения анодного напряжения, по горизонтальной оси - значения анодного тока.

Для выражения взаимной зависимости нескольких параметров магнетрона на рабочие характеристики наносят ряд кривых, вдоль которых одна из представляемых величин остается неизменной. Эти кривые называются соответственно линиями постоянной мощности, КПД и магнитной индукции. На рисунке линии постоянной индукции сплошные, линии постоянного КПД - пунктирные.

Если изменять напряжение на магнетроне от значения U1 до U2, оставляя неизменной магнитную индукцию ВЗ, то рабочая точка, определяющая режим работы магнетрона, будет перемещаться вдоль линии постоянной индукции. Вследствие слабого наклона линий постоянной индукции при этом будет наблюдаться сильное изменение тока, протекающего через магнетрон (от h до Ь). Из характеристик видно, что в пределах одной линии постоянной индукции ток изменяется практически от нуля до своего максимального значения при относительно небольшом изменении анодного напряжения. Поэтому на практике режим работы магнетрона удобнее контролировать не по напряжению на магнетроне, а по анодному току.

В областях очень малых и очень больших токов магнетрон работает неустойчиво: в области малых токов наблюдается низкая стабильность частоты магнетрона, а в области больших токов возможно появление "искрения" - кратковременных электрических пробоев внутри магнетрона, приводящих к быстрому разрушению катода.

КПД магнетрона возрастает при одновременном увеличении анодного напряжения и магнитной индукции, если при этом не нарушаются условия синхронизма. КПД магнетрона напрямую зависит от потерь, которые происходят двумя путями. Часть мощности теряется потому, что некоторые электроны прибывают на анодный блок магнетрона с большими скоростями и тратят свою энергию на его нагрев. Вследствие этого магнетрон разогревается до высокой температуры и необходимо принимать специальные меры для его охлаждения. Другая часть мощности теряется в резонаторах магнетрона, так как в них возникают СВЧ токи большой силы. Для снижения этих потерь необходимо повышать добротность резонаторов. Существуют и некоторые другие виды потерь, но их удельный вес невелик.

1.4. Взаимодействие микроволновой энергии с веществом

Для того чтобы понять за счет чего происходит нагрев в микроволновой печи, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами вещества. Электромагнитное поле проявляет себя и как магнитное, и как электрическое, но, поскольку продукты, приготавливаемые в микроволновой печи, являются диэлектриками, воздействие магнитного поля на них пренебрежимо мало и его можно не учитывать. Диэлектрические свойства материалов могут интересовать нас по двум причинам. Во-первых, приготавливаемые продукты должны максимально поглощать СВЧ энергию, в противном случае возможно ее отражение обратно в магнетрон со всеми вытекающими последствиями. Во-вторых, в камере микроволновой печи имеются диэлектрические детали конструкции (СВЧ-окна, поддоны и т.д.), которые не должны подвергаться нагреву под воздействием микроволновой энергии.

Диэлектриками принято называть вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Такое поле может длительно сохраняться лишь в средах, плохо проводящих электрический ток.

Электропроводность - способность проводить электрический ток - обусловлена наличием в веществе свободных носителей заряда - электрически заряженных частиц, которые под воздействием внешнего электрического поля направленно перемещаются сквозь толщу материала,