Jak działa i działa magnetron

Magnetron - specjalne urządzenie elektroniczne, w którym generowanie oscylacji o ultrawysokiej częstotliwości (oscylacji mikrofalowych) odbywa się poprzez modulację przepływu elektronów pod względem prędkości. Magnetrony znacznie rozszerzyły zakres zastosowań ogrzewania prądami o wysokiej i bardzo wysokiej częstotliwości.

Mniej powszechne są amplitrony (platinotrony), klistrony i lampy z falą biegnącą oparte na tej samej zasadzie.

Magnetron to najbardziej zaawansowany generator częstotliwości mikrofalowych dużej mocy. Jest to lampa dobrze ewakuowana z wiązką elektronów sterowaną polem elektrycznym i magnetycznym. Pozwalają uzyskać bardzo krótkie fale (do ułamków centymetra) przy znacznych mocach.

Magnetrony wykorzystują ruch elektronów we wzajemnie prostopadłych polach elektrycznych i magnetycznych, powstających w pierścieniowej szczelinie między katodą a anodą. Pomiędzy elektrodami przykładane jest napięcie anodowe, które wytwarza promieniowe pole elektryczne, pod wpływem którego elektrony usunięte z nagrzanej katody pędzą do anody.

Blok anody jest umieszczony pomiędzy biegunami elektromagnesu, który wytwarza pole magnetyczne w pierścieniowej szczelinie skierowane wzdłuż osi magnetronu. Pod wpływem pola magnetycznego elektron odchyla się od kierunku promieniowego i porusza się po złożonej trajektorii spiralnej. W przestrzeni między katodą a anodą tworzy się obracająca się chmura elektronów z językami, przypominająca piastę koła ze szprychami. Przelatując obok szczelin rezonatorów wnęki anodowej, elektrony wzbudzają w nich oscylacje o wysokiej częstotliwości.

Ryż. 1. Blok anody magnetronowej

Każdy z rezonatorów wnękowych jest układem oscylacyjnym o rozłożonych parametrach. Pole elektryczne koncentruje się w szczelinach, a pole magnetyczne jest skoncentrowane wewnątrz wnęki.

Energia wyjściowa z magnetronu realizowana jest za pomocą pętli indukcyjnej umieszczonej w jednym lub częściej dwóch sąsiadujących ze sobą rezonatorach. Kabel koncentryczny dostarcza zasilanie do obciążenia.

Ryż. 2. Urządzenie magnetronowe

Nagrzewanie prądami mikrofalowymi odbywa się w falowodach o przekroju kołowym lub prostokątnym lub w rezonatorach objętościowych, w których fale elektromagnetyczne najprostsze formy TE10 (H10) (w falowodach) lub TE101 (w rezonatorach wnękowych). Ogrzewanie można również wykonać poprzez emisję fali elektromagnetycznej do ogrzewanego obiektu.

Magnetrony zasilane są prądem wyprostowanym z uproszczonym obwodem prostownika. Jednostki o bardzo małej mocy mogą być zasilane prądem zmiennym.

Magnetrony mogą pracować na różnych częstotliwościach od 0,5 do 100 GHz, z mocami od kilku W do kilkudziesięciu kW w trybie ciągłym i od 10 W do 5 MW w trybie pulsacyjnym z czasem trwania impulsu głównie od ułamków do kilkudziesięciu mikrosekund.

Ryż. 2. Magnetron w kuchence mikrofalowej

Prostota urządzenia i stosunkowo niski koszt magnetronów w połączeniu z dużą intensywnością nagrzewania i różnorodnymi zastosowaniami prądów mikrofalowych otwierają ogromne perspektywy ich wykorzystania w różnych dziedzinach przemysłu, rolnictwa (np. dielektryczne instalacje grzewcze) oraz w domu (kuchenka mikrofalowa).

Działanie magnetronu

Więc to magnetron lampa elektryczna specjalna konstrukcja służąca do generowania oscylacji o ultrawysokiej częstotliwości (w zakresie fal decymetrowych i centymetrowych).Cechą charakterystyczną jest wykorzystanie stałego pola magnetycznego (do wytworzenia niezbędnych ścieżek dla ruchu elektronów wewnątrz lampy), od od którego magnetron otrzymał swoją nazwę.

Magnetron wielokomorowy, którego pomysł po raz pierwszy zaproponował M. A. Bonch-Bruevich i zrealizowali sowieccy inżynierowie D. E. Malyarov i N. F. Alekseev, jest połączeniem lampy elektronowej z rezonatorami objętościowymi. W magnetronie znajduje się kilka takich rezonatorów wnękowych, dlatego ten typ nazywany jest wielokomorowym lub wielownękowym.

Zasada budowy i działania magnetronu wielokomorowego jest następująca. Anodą urządzenia jest masywny wydrążony cylinder, na wewnętrznej powierzchni którego wykonano szereg wnęk z otworami (te wnęki są rezonatorami objętościowymi), katoda znajduje się wzdłuż osi cylindra.

Magnetron jest umieszczony w stałym polu magnetycznym skierowanym wzdłuż osi cylindra. Na elektrony uciekające z katody po stronie tego pola magnetycznego oddziałuje tzw Siła Lorentza, który zakrzywia drogę elektronów.

Pole magnetyczne jest tak dobrane, aby większość elektronów poruszała się po zakrzywionych ścieżkach, które nie dotykają anody. Jeśli pojawią się kamery urządzenia (rezonatory wnękowe). wibracje elektryczne (niewielkie wahania objętości zawsze występują z różnych przyczyn, np. w wyniku włączenia napięcia anodowego), wówczas zmienne pole elektryczne istnieje nie tylko wewnątrz komór, ale także na zewnątrz, w pobliżu otworów (szczelin).

Elektrony przelatujące w pobliżu anody wpadają w te pola iw zależności od kierunku pola przyspieszają lub zwalniają w nich. Kiedy elektrony są przyspieszane przez pole, pobierają energię z rezonatorów, przeciwnie, gdy są zwalniane, oddają część swojej energii rezonatorom.

Gdyby liczba przyspieszanych i zwalnianych elektronów była taka sama, to średnio nie dawałyby one energii rezonatorom. Ale elektrony, które są spowolnione, mają wtedy mniejszą prędkość niż ta, którą uzyskują, gdy zbliżają się do anody. Dlatego nie mają już dość energii, aby powrócić do katody.

Wręcz przeciwnie, te elektrony, które zostały przyspieszone przez pole rezonatora, mają wtedy energię większą niż wymagana do powrotu do katody. Dlatego elektrony, które wchodząc w pole pierwszego rezonatora, są w nim przyspieszane, powrócą do katody, a te, które są w nim spowolnione, nie powrócą do katody, ale będą poruszać się po zakrzywionych ścieżkach w pobliżu anody i spadać w pole kolejnych rezonatorów.

Przy odpowiedniej prędkości ruchu (co jest w jakiś sposób związane z częstotliwością oscylacji w rezonatorach) elektrony te wpadną w pole drugiego rezonatora z taką samą fazą oscylacji w nim jak w polu pierwszego rezonatora, stąd , w polu drugiego rezonatora, również zwolnią.

Zatem przy odpowiednim doborze prędkości elektronu, tj.napięcia anodowego (a także pola magnetycznego, które nie zmienia prędkości elektronu, ale zmienia jego kierunek), możliwe jest osiągnięcie takiej sytuacji, że pojedynczy elektron będzie albo przyspieszany polem tylko jednego rezonatora, lub hamowany przez pole kilku rezonatorów.

Dlatego elektrony średnio oddają rezonatorom więcej energii, niż im zabiorą, to znaczy oscylacje, które występują w rezonatorach, wzrosną i ostatecznie ustalą się w nich oscylacje o stałej amplitudzie.

Procesowi utrzymywania oscylacji w rezonatorach, rozpatrywanemu przez nas w sposób uproszczony, towarzyszy inne ważne zjawisko, gdyż elektrony, aby zostać spowolnione przez pole rezonatora, muszą wlecieć w to pole w określonej fazie oscylacji rezonatora, oczywiście jest to, że muszą one poruszać się w nierównomiernym przepływie (t. wtedy wchodziłyby w pole rezonatora w dowolnym momencie, nie w określonych momentach, ale w postaci pojedynczych wiązek.

W tym celu cały strumień elektronów musi być jak gwiazda, w której elektrony poruszają się wewnątrz osobnymi wiązkami, a cała gwiazda jako całość obraca się wokół osi magnetronu z taką prędkością, że jej wiązki docierają do każdej komory z prędkością właściwe chwile. Proces powstawania oddzielnych wiązek w wiązce elektronów nazywany jest ogniskowaniem fazowym i odbywa się automatycznie pod wpływem zmiennego pola rezonatorów.

Nowoczesne magnetrony są w stanie wytworzyć wibracje do najwyższych częstotliwości w zakresie centymetrów (fale do 1 cm, a nawet krótsze) i dostarczyć moc do kilkuset watów przy promieniowaniu ciągłym i kilkuset kilowatów przy promieniowaniu pulsacyjnym.

Zobacz też:Przykłady zastosowania magnesów trwałych w elektrotechnice i energetyce