Магнетрон

Магнетрон

Магнетрон - це потужна електронна лампа, яка генерує мікрохвилі при взаємодії потоку електронів з магнітним полем.


1. Історія

Термін "магнетрон" був запропонований Альбертом Халлом, який в 1921 вперше опублікував результати теоретичних та експериментальних досліджень роботи приладу в статичному режимі і запропонував ряд конструкцій магнетрона. Генерування електромагнітних коливань в дециметровому діапазоні хвиль за допомогою магнетрона відкрив і запатентував в 1924 чехословацький фізик А. Жачек.

Діючі магнетронного генератора радіохвиль були створені незалежно і майже одночасно в трьох країнах: в Чехословаччині (Жачек, 1924 р.), в СРСР (А.А. Слуцкин і Д.С. Штейнберг, 1925 р.), в Японії (Окабе і Яги , 1927 р.).

Французький вчений Моріс Понт із співробітниками з паризької фірми "КСФ" в 1935 році створили електронну лампу з вольфрамовим катодом, оточеним резонаторних анодними сегментами. Вона була попередницею магнетронів з резонаторних камерами.

Конструкція багаторезонаторного магнетрона Алексєєва - Малярова, що забезпечує 300-ватних випромінювання на хвилі 10 сантиметрів, створеного в 1936-39 рр.., Стала відома світовій спільноті завдяки публікації 1940 р. (Alexeev Н. F., Malyarov Д. Є. Getting powerful vibrations of magnetrons in centimeter wavelength range / / Magazine of Technical Physics. 1940. Vol. 10. No. 15, P. 1297-1300.)

Своєю появою на світ багаторезонаторний магнетрон Алексєєва - Малярова зобов'язаний радіолокації. Роботи по радіолокації були розгорнуті в СРСР майже одночасно з початком радіолокаційних робіт в Англії і США. За визнанням зарубіжних авторів, до початку 1934 року СРСР просунувся в цих роботах більш, ніж США та Англія. (Brown, Louis. A Radar History of World War II. Technical and Military Imperatives. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9.)

У 1940 британські фізики Джон Рендалл ( англ. John Randall ) І Гарі Бут ( англ. Harry Boot ) Винайшли резонансний магнетрон [1] Новий магнетрон давав імпульси високої потужності, що дозволило розробити радар сантиметрового діапазону. Радар з короткою довжиною хвилі дозволяв виявляти більш дрібні об'єкти [2]. Крім того, компактний розмір магнетрона призвів до різкого зменшення розмірів радарної апаратури [3], що дозволило встановлювати її на літаках [4].

Явище перебудови частоти магнетрона напругою вперше виявили у 1949 американські інженери Д. Уілбур і Ф. Пітерс. Магнетрон, що настроюється напругою, або мітрон - генераторний прилад магнетронного типу, робоча частота якого в широкому діапазоні змінюється пропорційно анодному напрузі.

Починаючи з 1960-х років магнетрони отримали застосування в СВЧ-печах для домашнього використання.


2. Характеристики

Магнетрони можуть працювати на різних частотах від 0,5 до 100 ГГц, з потужностями від декількох Вт до десятків кВт в безперервному режимі, і від 10 Вт до 5 МВт в імпульсному режимі при тривалості імпульсів головним чином від доль до десятків мікросекунд.

Магнетрони володіють високим ККД (до 80%).

Магнетрони бувають як неперебудовувані, так і перебудовувані в невеликому діапазоні частот (зазвичай менше 10%). Для повільної перебудови частоти застосовуються механізми, що приводяться в рух рукою, для швидкої (до декількох тисяч перебудов в секунду) - ротаційні і вібраційні механізми.

Магнетрони як генератори надвисоких частот широко використовуються в сучасній радіолокаційної техніці.


3. Конструкція

Магнетрон в поздовжньому розрізі
Схема конструкції магнетрона

Резонансний магнетрон складається з анодного блоку, який являє собою, як правило, металевий товстостінний циліндр з прорізаними в стінках порожнинами, які виконують роль об'ємних резонаторів. Резонатори утворюють кільцеву коливальну систему. До анодному блоку закріплюється циліндричний катод. Усередині катода закріплений підігрівач. Магнітне поле, паралельне осі приладу, створюється зовнішніми магнітами або електромагнітом.

Для виведення НВЧ енергії використовується, як правило, дротяна петля, закріплена в одному з резонаторів, або отвір з резонатора назовні циліндра.

Резонатори магнетрона утворюють кільцеву коливальну систему, біля них відбувається взаємодія пучка електронів і електромагнітної хвилі. Оскільки ця система в результаті кільцевій конструкції замкнута сама на себе, то її можна порушити лише на певних видах коливань, з яких важливе значення має π-вид. Така система має не одну, а кілька резонансних частот, при яких на кільцевій коливальній системі укладається ціле число стоячих хвиль від 1 до N / 2 (N - число резонаторів). Найбільш вигідним є вид коливань, при якому число півхвиль дорівнює числу резонаторів (так званий π-вид коливань). Цей вид коливань названий так тому, що напруги СВЧ на двох сусідніх резонаторах зрушені по фазі на π.

Для стабільної роботи магнетрона (щоб уникнути перескоків під час роботи на інші види коливань, що супроводжуються змінами частоти і вихідний потужності) необхідно, щоб найближча резонансна частота коливальної системи значно відрізнялася від робочої частоти (приблизно на 10%). Так як в магнетроні з однаковими резонаторами різниця цих частот виходить недостатньою, її збільшують або введенням в'язок у вигляді металевих кілець, одне з яких сполучає всі парні, а інше всі непарні ламелі анодного блоку, або застосуванням разнорезонаторной коливальної системи (парні резонатори мають один розмір, непарні - інший).

Окремі моделі магнетронів можуть мати різну конструкцію. Так, резонаторна система виконується у вигляді резонаторів декількох типів: щілина-отвір, лопаткових, щілинних і т. д.


4. Принцип роботи

Схема роботи магнетрона

Електрони еміттіруєт з катода в простір взаємодії, де на них впливає постійне електричне поле анод-катод, постійне магнітне поле і поле електромагнітної хвилі. Якби не було поля електромагнітної хвилі, електрони б рухалися в схрещених електричному і магнітному полях по порівняно простим кривим: епіціклоідам (крива, яку описує точка на колі, Катя по зовнішній поверхні кола більшого діаметру, в конкретному випадку - по зовнішній поверхні катода). При досить високому магнітному полі (паралельному осі магнетрона) електрон, що рухається по цій кривій, не може досягти анода (з причини дії на нього з боку цього магнітного поля сили Лоренца), при цьому говорять, що сталося магнітне запирання діода. У режимі магнітного замикання деяка частина електронів рухається по епіціклоідам в просторі анод-катод. Під дією власного поля електронів, а також статистичних ефектів ( дробовий шум) в цьому електронному хмарі виникають нестійкості, які призводять до генерації електромагнітних коливань, ці коливання посилюються резонаторами. Електричне поле виниклої електромагнітної хвилі може уповільнювати або прискорювати електрони. Якщо електрон прискорюється полем хвилі, то радіус його циклотронного руху зменшується і він відхиляється в напрямку катода. При цьому енергія передається від хвилі до електрона. Якщо ж електрон гальмується полем хвилі, то його енергія передається хвилі, при цьому циклотронний радіус електрона збільшується і він отримує можливість досягти анода. Оскільки електричне поле анод-катод здійснює позитивну роботу тільки якщо електрон досягає анода, енергія завжди передається в основному від електронів до електромагнітної хвилі. Однак, якщо швидкість обертання електронів навколо катода не буде збігатися з фазовою швидкістю електромагнітної хвилі, один і той же електрон буде поперемінно прискорюватися і гальмуватися хвилею, в результаті ефективність передачі енергії хвилі буде невеликий. Якщо середня швидкість обертання електрона навколо катода збігається з фазової швидкістю хвилі, електрон може знаходитися безупинно в гальмуватиме області, при цьому передача енергії від електрона до хвилі найбільш ефективна. Такі електрони групуються в згустки (так звані "спиці"), що обертаються разом з полем. Багаторазове, протягом ряду періодів, взаємодія електронів з ВЧ-полем і фазова фокусування в магнетроні забезпечують високий коефіцієнт корисної дії і можливість отримання великих потужностей.


5. Застосування

Застережливий знак "Небезпечно. Радіовипромінювання"

В радарних пристроях хвилевід приєднаний до антени, яка може являти собою як щілинний хвилевід, так і конічний рупорний опромінювач в парі з параболічним відбивачем (так звана "тарілка"). Магнетрон управляється короткими високоінтенсивними імпульсами напруги, що подається, в результаті чого випромінюється короткий імпульс мікрохвильової енергії. Невелика порція цієї енергії відбивається назад антені і волноводу, де вона прямує до чутливого приймача. Після подальшої обробки сигналу він, врешті-решт, з'являється на електронно-променевій трубці (ЕПТ) у вигляді радарної карти А1.

В мікрохвильових печах хвилевід закінчується отвором, прозорим для радіочастот (безпосередньо в камері для готування). Важливо, щоб під час роботи печі в ній знаходилися продукти. Тоді мікрохвилі поглинаються замість того, щоб відбиватися назад в хвилевід, де інтенсивність стоячих хвиль може викликати іскріння. Іскріння, триваюче досить довго, може пошкодити магнетрон. Якщо в мікрохвильовій печі готується невелика кількість їжі, краще поставити в камеру ще й склянку води для поглинання мікрохвиль.


Джерела

  1. The Magnetron. Bournemouth University (1995-2009). Статичний з першоджерела 23 серпня 2011.
  2. Я. З. Перпя. Як працює радіолокатор. Оборонгіз, 1955
  3. Schroter, B. (Spring 2008). " How important was Tizard's Box of Tricks? ". Imperial Engineer 8: 10. Перевірено 2009-08-23.
  4. Who Was Alan Dower Blumlein?. Dora Media Productions (1999-2007). Статичний з першоджерела 23 серпня 2011.


Пасивні твердотільні Резистор Змінний резистор Підлаштування резистор Варистор Конденсатор Змінний конденсатор Конденсатори підлаштування Котушка індуктивності Кварцовий резонатор Запобіжник Самовідновлюється запобіжник Трансформатор Мемристор
Активні твердотільні Діод Світлодіод Фотодіод Напівпровідниковий лазер Діод Шотткі Стабілітрон Стабистор Варикап Варікондамі Діодний міст Лавинно-пролітний діод Тунельний діод Діод Ганна
Транзистор Біполярний транзистор Польовий транзистор КМОП-транзистор Одноперехідного транзистора Фототранзистор Складовою транзистор Балістичний транзистор
Інтегральна схема Цифрова інтегральна схема Аналогова інтегральна схема
Тиристор Сімістор Динистор
Пасивні вакуумні Бареттера
Активні вакуумні та газорозрядні Електронна лампа Електровакуумний діод Тріод Тетрод Пентод Гексод Гептод Пентагрид Октод Нонод Механотрон Клістрон Магнетрон Амплітрон Платінотрон Електронно-променева трубка Лампа біжучої хвилі
Пристрої відображення Електронно-променева трубка РК-дисплей Світлодіод Газорозрядний індикатор Вакуумно-люмінесцентний індикатор Прапорцевий індикатор Семисегментний індикатор
Акустичні пристрої і датчики Мікрофон Гучномовець Тензорезистор
Термоелектричні пристрої Термістор Термопара Елемент Пельтьє