Магнетро́н (от магнит и …трон), генераторный электровакуумный СВЧ-прибор, в котором формирование электронного потока и его взаимодействие с электромагнитным полем СВЧ происходит в пространстве, где постоянные электрические и магнитные поля взаимно перпендикулярны. Основу конструкции магнетрона составляет цилиндрический диод с внутренним электродом – катодом в однородном магнитостатическом поле, направленном вдоль его оси.

Термин «магнетрон» введён американским физиком А. Халлом, который в 1921 г. впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом режиме и предложил ряд конструкций прибора. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне (длина волны λ≈29 см) открыл и запатентовал в 1924 г. чехословацкий физик А. Жачек. В 1930-х гг. это направление получило дальнейшее развитие во многих странах. В 1936–1937 гг. российскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича разработан многорезонаторный магнетрон, что позволило многократно увеличить выходную мощность прибора (по сравнению с обычными однорезонаторными магнетронами). В 1940–1970-х гг. разработано свыше 1 тыс. типов многорезонаторных магнетронов (в основном для радиолокации). На основе магнетрона создан класс новых приборов для генерации и усиления СВЧ-колебаний (подробнее см. в статье Прибор магнетронного типа).

В многорезонаторном магнетроне анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями, выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединён щелью с центральным отверстием, в котором соосно анодному блоку расположен полый катод. Магнитное поле создаётся внешними постоянными магнитами или электромагнитами. Связанные между собой резонаторы образуют кольцевую замедляющую систему, называемую резонаторной системой (РС) магнетрона. Являясь анодом, РС принимает поток электронов, в ней происходит взаимодействие электронов с электромагнитным полем. РС имеет несколько резонансных частот, при которых на замедляющей системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N / 2 (N – число резонаторов). На резонансной частоте колебания в двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на Δ φ: Δ φ = 2 π (n + = 0, 1… , N / 2; p = ±0, 1, 2… . При n = N / 2 и p = 0 фазовый сдвиг равен π. Соответствующий этому случаю вид колебаний (т. н. π-вид) обычно выбирают в качестве рабочего.

РС в магнетроне различают по форме резонаторов – щелевые, типа «щель – отверстие», лопаточные, каплевидные и др., а также по конструкции системы в целом – равнорезонаторные, равнорезонаторные со связками и разнорезонаторные. В равнорезонаторной системе π-вид и соседние виды колебаний имеют близкие резонансные частоты (разделение частот тем меньше, чем больше N). Для обеспечения стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота РС значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). В магнетроне необходимого разделения частот добиваются введением двух кольцевых связок, соединяющих соответственно чётные и нечётные элементы равнорезонаторной системы, либо применением разнорезонаторных систем, в которых чётные резонаторы имеют один размер, а нечётные – другой. Для вывода СВЧ-энергии, как правило, используется петля связи, закреплённая в одном из резонаторов магнетрона.

Помимо основных узлов – анодного блока, катода и выходного устройства, магнетрон содержит дополнительные элементы, узлы и устройства, которые обеспечивают перестройку частоты в магнетроне формирование требуемой структуры постоянных электрического и магнитного полей; подавление нерабочих видов колебаний; охлаждение прибора и пр. Перестройка частоты магнетрона (изменение частоты генерируемых колебаний) осуществляется: введением металлических или диэлектрических элементов, вызывающих изменение структуры СВЧ-поля РС и, соответственно, её резонансной частоты (механическая перестройка частоты); введением дополнительных электронных потоков или изменением параметров рабочего электронного потока (электронная перестройка частоты); введением в колебательную систему магнетрона сихронизирующего СВЧ-сигнала (в т. н. синхронизированном магнетроне); перестройкой резонаторов или отрезков линии передачи СВЧ, электродинамически связанных с РС.

В магнетроне на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком (т. н. пространство взаимодействия), действуют постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое СВЧ-поле резонаторной системы. Перемещаясь от катода к аноду под действием постоянного электрического поля, электроны приобретают радиальную скорость; при этом энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Постоянное магнитное поле, направленное по оси катода, изменяет направление движения электронов, т. е. электроны приобретают тангенциальную (азимутальную) скорость. При возбуждении РС на какой-либо из видов колебаний (например, на π-виде) электрическое СВЧ-поле, проникающее через щели резонаторов в промежуток анод – катод с определённой пространственной периодичностью, либо тормозит электроны в азимутальном направлении (если тангенциальные составляющие электрического СВЧ-поля и скорости электронов совпадают по направлению), либо дополнительно ускоряет их (в противоположном случае). Замедленные электроны отдают СВЧ-полю свою энергию и поддерживают колебания в резонаторах. Для непрерывного торможения необходимо, чтобы электроны перемещались по азимуту между двумя соседними резонаторами за время, равное полупериоду СВЧ-колебаний, т. е. средняя скорость вращения электронов вокруг катода совпадала с фазовой скоростью электромагнитной волны (условие синхронизма электронов и волн). Электроны, попадающие в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и отходят от РС. Часть из них возвращается на катод, вызывая вторичную эмиссию; электроны, попадающие в радиальное электрическое поле волны, либо ускоряются в азимутальном направлении, либо тормозятся, группируясь около электронов, находящихся в тормозящем поле. Таким образом, в магнетроне в условиях синхронизма формируются сгустки пространственного заряда (т. н. спицы), следующие за тормозящей фазой СВЧ-поля и отдающие ему свою энергию. Длительное (в течение нескольких периодов) взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка электронов в магнетроне обеспечивают высокий кпд прибора (до 80–90 %) и возможность получения больших мощностей – от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от сотен Вт до десятков МВт и более в импульсном режиме при длительности импульсов от долей до десятков мкс.

Магнетроны широко применяются в радиотехнических системах различного назначения (в радиолокации и навигации, радиоастрономии, метеорологии, связи), в промышленных и научных СВЧ-установках, в бытовых СВЧ-печах, в медицинской и другой аппаратуре.