Важным фактором, способствующим развитию радиолокации, явилось изобретение в 1910 г. К. Годингом (Германия) управляемого магнитным полем вакуумного диода, на основе которого впоследствии были созданы генераторы коротких и ультракоротких волн. Этот диод имеет всего два электрода: анод в виде пустотелого цилиндра и катод, совпадающий с осью анода.
Баллон диода находится между полюсами сильного магнита и расположен так, что силовые линии магнитного поля пронизывают пространство внутри баллона вдоль оси диода. На поток электронов в этом диоде одновременно действуют во взаимно перпендикулярных направлениях статические электрическое и магнитное поля. Диод Годинга представлял собой альтернативу управляемой напряжением трехэлектродной вакуумной лампе американца Ли де Фореста, которую тот изобрел в 1906 г. Годинг назвал свой диод «магнетроном» (от магнит и электрон), однако это наименование в его авторстве не получило известности.
По общепринятой версии, автором термина «магнетрон» является Альберт Уоллес Халл), сотрудник исследовательской лаборатории фирмы General Electric в Скенектади (штат НьюЙорк), опубликовавший в 1921 г. результаты своего исследования работы магнетрона, опробовав его в качестве усилителя в радиоприемниках и в качестве генератора низкой частоты. В первом случае усиливаемый ток подается в управляющую катушку магнетрона.
Когда электроны покидают катод, они попадают в сферу действия электрического поля анода и поля магнита. Сила электрического поля влечет электроны к аноду, и они устремляются туда по самым коротким путям — по радиусам. Сильное магнитное поле заставляет электроны лететь по кривым линиям. При определенных условиях электроны попадать на анод не будут; не долетая до него, они станут поворачивать обратно к катоду, и анодный ток прекратится. Анодное напряжение и напряженность магнитного поля подбирают таким образом, чтобы электроны немного не долетали до анода.
Электроны летят к аноду непрерывным потоком. На место тех, которые поворачивают обратно к катоду, тут же приходят новые. В результате рядом с анодом возникает электронное облачко, все электроны которого, подчиняясь действию магнитного поля, движутся в одну и ту же сторону и образуют непрерывный кольцевой поток. Это своеобразный катод, из которого можно черпать электроны. Его нетрудно «подтянуть» вплотную к аноду, регулируя анодное напряжение.
Халл подключил к магнетрону колебательный контур LC, в результате чего получилась схема генератора, создающего незатухающие колебания. При этом для управления магнитным полем магнетрона в целях генерации провод, образующий индуктивность L, этого колебательного контура LC, намотан в несколько витков вокруг корпуса магнетрона.
Благодаря тому, что круговой поток электронов почти касается поверхности анода, малейший электрический «толчок» в схеме нарушает равновесие и вызывает пульсации электронного потока. Электроны начинают попадать на анод. В анодной цепи создаются импульсы тока, которые возбуждают колебания в контуре. Созданный Халлом магнетронный генератор колебаний работал на частоте 20 КГц. Следует сказать, что в 1921 г. магнетрон не рассматривался как генератор СВЧ-колебаний.
В 1924 г. Август Жашек, профессор Карловского университета в Праге (Чехословакия), обнаружил возможность генерирования колебаний высокой частоты (в дециметровом диапазоне волн) при включении колебательного контура между катодом и анодом магнетрона и при магнитном поле вблизи его критического значения. В качестве колебательного контура использовался отрезок двухпроводной линии. Схема этого генератора показана на рис. 4, где 1 — магнетрон со сплошным анодом, 2 — двухпроводная линия (магнит магнетрона на рисунке не показан).
В магнетроне при Н, примерно равной Нкр, электроны совершают колебания в радиальных направлениях между катодом и анодом, и точка поворота электронов лежит возле анода. Данным колебательным движением электронов и возбуждаются колебания в контуре. При этом в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю, происходит также взаимодействие электронов с радиальным электрическим полем высокой частоты, развиваемым в колебательном контуре. Неправильнофазные электроны, выходящие из катода во время существования на аноде положительной полуволны напряжения, получают дополнительное ускорение и сразу попадают на анод. Правильнофазные электроны, оставляющие катод во время отрицательной полуволны, тормозятся высокочастотным полем. Они не достигают анода и могут совершить несколько оборотов, оставаясь все время в правильной фазе. Опыт показал, что в магнетроне со сплошным анодом наиболее благоприятным для возбуждения колебаний в контуре является равенство между периодом собственных колебаний в этом контуре и временем пролета электрона от катода к аноду и обратно.
На такой генератор Жашеку был выдан патент Чехословакии № 20293 «Схема для генерирования электрических волн».
Следующим шагом в развитии магнетрона явилось использование в нем анода, разделенного щелями, направленными вдоль оси магнетрона, на два симметрично расположенных сегмента (или большее их число). На рис. 5 показана схема двухщелевого магнетрона, где К — катод, А1 , А2 — сегменты анода, замкнутые накоротко проводником с небольшой распределенной самоиндукцией L и емкостью C (колебательный контур).
Самовозбуждение в этом магнетроне происходит при напряженности магнитного поля, близкой к Hкр, и резко уменьшенном через него токе. Вследствие случайного начального толчка, приводящего магнетрон к самовозбуждению, напряжение на сегментах анода становится неодинаковым. Допустим, что потенциал сегмента А1 несколько выше, чем сегмента А2. Симметрия радиального электрического поля будет этим несколько нарушена. Деформация электрического поля у щелей такова, что электроны, двигающиеся параллельно поверхности анода, будут испытывать у правой щели торможение и, утратив часть своей кинетической энергии, окажутся отброшенными на сегмент А2, что увеличит его электроотрицательность по отношению к сегменту А1 .
Увеличение разности потенциалов между сегментами А1, А2 будет продолжаться недолго и прекратится, как только большая часть электронного тока окажется замкнутой на сегмент А1 (вследствие более интенсивного поля этого сегмента). Тогда потенциал этого сегмента упадет, и он окажется электроотрицательным по отношению к А2. Теперь возникнет торможение электронов у противоположной щели, и электроны будут отбрасываться на сегмент А1, что усилит электроотрицательность сегмента А1 по отношению к А2 . Торможение электронов у щели опять будет сопровождаться преобразованием кинетической энергии электронов в энергию излучаемого электромагнитного поля. Частота самовозбуждающихся колебаний в этом магнетроне определяется электрическими параметрами (L и C, а стало быть, размерами и формой) полуанодов и замыкающей их цепи.
Иена (Германия) впервые исследовал двухщелевой магнетрон для своей докторской диссертации. Однако его магнетрон не смог генерировать колебания с длиной волны короче 7 м. Первые же работы в СССР, начатые в 1924 г., были направлены на получение колебаний деци- и сантиметрового диапазона волн. В результате этих работ советские радиофизики Абрам Александрович Слуцкин, сотрудник Харьковского университета и его профессор с 1928 г., и профессор этого же университета Дмитрий Самойлович Штейнберг создали магнетрон, генерировавший волны деци- и сантиметрового диапазона, а именно волны: длиной 60 см — в 1925 г., 30 см — в 1926 г., 7,6 см — в 1927 г. В Японии молодой электрофизик Кинийро Окабе из Императорского университета Тохоку (г. Сендай) в 1927 г. получил генерацию колебаний с длиной волны около 60 см, используя «разрезной» магнетрон с двухсегментным анодом. В 1929 г. Окабе добился в магнетроне с четырехсегментным анодом генерирования колебаний в диапазоне от 3 до 5 см.
Использование в магнетроне разрезного анода позволило повысить устойчивость высокочастотных колебаний в нем и их мощность, тем не менее на начало 30-х гг. прошлого столетия магнетрон оставался лабораторным прибором. Основная задача в его усовершенствовании заключалась в дальнейшем увеличении мощности генерируемых колебаний, необходимой для практического применения, и в продвижении в диапазон все более коротких волн.
