Электроны, выброшенные пушкой, летят до первой пары сеток все с одинаковой скоростью и сплошным потоком. Попав в пространство между сетками, электроны оказываются во власти высокочастотного поля этих сеток.

Постоянное электрическое поле действует на электроны подобно ветру — на пылинки. Оно увлекает, гонит и несет электроны, ускоряет их движение или, наоборот, замедляет его.

Переменное же поле можно сравнить с ветром, который дует то спереди, то сзади, то есть поочередно и подгоняет электроны, и тормозит.

Электронные сгустки

В тот момент, когда на сетке, более близкой к электронной пушке, появляется плюс, на второй сетке будет минус. Электроны, оказавшиеся в междусеточном пространстве, испытывают одновременно воздействие обеих сеток.

Сетка, которую они уже пролетели, то есть оставшаяся у электронов позади, притягивает их к себе, — замедляет движение электронов. Вторая сетка, которую еще предстоит проскочить, отталкивает электроны назад, то есть тоже замедляет их полет.

В целом же получается так, как будто «ветер дует электронам в лоб», — электрическое поле сеток тормозит их движение, и электроны покидают междусеточное пространство с пониженной скоростью.

Разумеется, что электроны, потеряв часть своей скорости, отстают от тех электронов, которые проскочили сетки раньше их и летят впереди. В электронном потоке образуется разрыв.

В следующий миг сетки обмениваются знаками зарядов. На первой сетке, более близкой к электронной пушке, появляется минус, и она начинает отталкивать электроны, подгонять их. На второй сетке минус сменяется плюсом, и она начинает притягивать к себе электроны, то есть тоже ускоряет их движение. И эти электроны покидают сетки, так сказать, с «попутным ветром» и летят с повышенной скоростью.

Вполне очевидно, что они тоже оторвутся от тех электронов, которые движутся позади и занимают их место в междусеточном пространстве. В потоке электронов, миновавших первую пару сеток, образуются обособленные стайки.

Так как электроны, составляющие головной отряд такой стайки, летят с пониженной скоростью, а электроны, оказавшиеся в хвосте стайки, летят с повышенной скоростью, то, очевидно, задние будут нагонять передних, и по мере продвижения вперед стая электронов будет становиться все плотнее и плотнее. Стайка собьется в довольно плотный электронный сгусток, или, как иногда говорят, — «пакет».

Такие электронные стайки-сгустки получаются после каждой смены зарядов на сетках первого резонатора. Следовательно, число электронных сгустков, образующихся за секунду, равно частоте колебаний на сетках, а плотность электронов в каждом сгустке соответствует силе этих колебаний.

Итак, сетки первого резонатора рубят электронный поток на отдельные стаи и уплотняют их, сбивая электроны в «пакеты».

Подлетая к сеткам второго резонатора, который называется улавливателем, эти электронные сгустки-пакеты обрушиваются на них подобно волнам морского прибоя.

Сгустки один за другим проходят сквозь сетки улавливателя и в силу индукции отдают им свою энергию, возбуждая во втором резонаторе колебания той же частоты, что и в первом, но более мощные. Потеряв в улавливателе значительную часть своей энергии, «отработавшие» электроны налетают на коллектор, который выводит их из лампы.

Но невольно возникает вопрос: откуда же берется высокая частота, которой питают первый «бублик»? На это легко ответить — от улавливателя. Внутрь полостей обоих резонаторов введены концы проводника, соединяющего резонаторы между собой (рис. 89).

Это устанавливается между обоими резонаторами связь, благодаря которой клистрон самовозбуждается, как и обычная генераторная лампа с обратной связью в колебательном контуре.

В последние годы чаще всего применяют клистроны, работающие на волнах от 9 до 11 и от 3 до 3,3 см. Но уже изготовляются клистроны и для волн в 7–8 миллиметров.

В вихре магнитного поля

Еще раньше клистрона появился другой прибор, тоже предназначенный для создания очень коротких радиоволн и названный магнетроном.

Магнетроны отличаются от всех остальных радиоламп тем, что управление электронным потоком производится в них не электрическим полем сетки, а магнитным. Если электрическое поле сравнимо с обычным ветром, то магнитное поле — это вихрь или смерч.

Электрон, пересекая магнитное поле, движется по дуге окружности, и чем сильнее поле, тем круче изогнется траектория полета электрона. Электрон в магнитном поле вьется, как песчинка, подхваченная вихрем (рис. 90).

Рис. 90. Движение электрона, попавшего в магнитное поле.

Эту особенность магнитного поля использовали для создания магнетронов. Первый в мире мощный магнетрон построили в 1939 году советские инженеры Д. Е. Моляров и Η. Ф. Алексеев.

В магнетроне только два электрода — анод и катод; сеток нет. Анод изготовлен в виде полого, металлического цилиндра с толстыми стенками. Катод имеет форму палочки или стержня и помещается внутри полости анода в самом ее центре, то есть он расположен по оси анода. В стенках анода, параллельно его оси, высверлены каналы, соединенные боковой стороной с внутренней полостью магнетрона; это объемные резонаторы (рис. 91).

Рис. 91. Основные части разрезного магнетрона. Электроны крутятся вихрем вокруг катода. Электрические колебания возникают внутри каждого цилиндрического канала, разрез которого служит конденсатором.

Оба электрода находятся в сильном магнитном поле, направленном так, что его силовые линии пронизывают пространство между анодом и катодом вдоль их оси.

На катод, как и в обычной лампе, подают отрицательное напряжение, на анод — положительное.

Катод подогревают электрическим током. Он испускает электроны. Увлекаемые электрическим полем, электроны мчатся от катода к аноду. Если б не было магнитного поля, они полетели бы по прямым линиям, то есть по радиусам, и без помех «приземлились» бы на аноде.

Но магнитное поле диктует им свои законы. Пересекая магнитные силовые линии, электроны сворачивают с прямого пути и несутся по кругу, как щепки, попавшие в водоворот.

Напряжение на электродах и сила магнитного поля подобраны с таким расчетом, чтобы электроны поворачивали обратно к катоду как раз возле самой поверхности анода. Они скользят вдоль анода и летят назад. Ток через магнетрон почти не идет.

Электроны же, вылетая из раскаленного катода, накапливаются в «вихре» магнитного поля: в пространстве между катодом и анодом сосредоточивается мощный электрический заряд.

Этот заряд не остается неизменным, на нем сказывается влияние полых резонаторов, высверленных в стенках анода. Под их воздействием электронный вихрь начинает пульсировать, он то сжимается, то расширяется. Но, расширяясь, электронный вихрь каждый раз касается анода.

На анод обрушиваются миллиарды миллиардов электронов сразу. Возникает резкий отрывистый толчок, создающий в цепи анода колебания электрического тока. Такие толчки следуют один за другим — магнетрон генерирует колебания.

Эти колебания происходят с частотой, которая определяется размерами резонаторов и устройством магнетрона.

Анодное напряжение на магнетрон подается не все время, а только на очень короткие промежутки времени мощными импульсами, например, на одну стотысячную долю секунды через каждую сотую долю секунды. После каждого такого импульса магнетрон, создав в течение его колебания огромной мощности, может «отдохнуть», а общий расход затраченной в секунду энергии оказывается не очень большим — магнетрон каждую 0,00001 секунды работает, а 0,01 секунды отдыхает.

В результате разных усовершенствований, соединив в себе колебательный контур с мощной лампой, магнетрон стал очень портативным прибором.