Hur magnetronen fungerar och fungerar

Magnetron - en speciell elektronisk enhet där genereringen av ultrahögfrekventa oscillationer (mikrovågsoscillationer) utförs genom att modulera elektronflödet i termer av hastighet. Magnetroner har kraftigt utökat användningsområdet för uppvärmning med hög- och ultrahögfrekventa strömmar.

Amplitroner (platinotroner), klystroner och vandringsvågslampor baserade på samma princip är mindre vanliga.

Magnetronen är den mest avancerade generatorn av högeffektmikrovågsfrekvenser. Det är en väl evakuerad lampa med en elektronstråle som styrs av ett elektriskt och magnetiskt fält. De gör det möjligt att erhålla mycket korta vågor (upp till bråkdelar av en centimeter) vid betydande styrkor.

Magnetroner använder rörelsen av elektroner i ömsesidigt vinkelräta elektriska och magnetiska fält som skapas i det ringformiga gapet mellan katoden och anoden. En anodisk spänning appliceras mellan elektroderna, vilket skapar ett radiellt elektriskt fält under påverkan av vilket elektronerna som avlägsnas från den uppvärmda katoden rusar till anoden.

Anodblocket placeras mellan polerna på en elektromagnet, vilket skapar ett magnetfält i det ringformiga gapet riktat längs magnetronens axel. Under påverkan av ett magnetfält avviker elektronen från den radiella riktningen och rör sig längs en komplex spiralbana. I utrymmet mellan katoden och anoden bildas ett roterande elektronmoln med tungor som påminner om navet på ett hjul med ekrar. När de flyger förbi slitsarna i anodkavitetsresonatorerna exciterar elektronerna högfrekventa svängningar i dem.

Ris. 1. Magnetronanodblock

Var och en av kavitetsresonatorerna är ett oscillerande system med fördelade parametrar. Det elektriska fältet är koncentrerat i slitsarna och det magnetiska fältet är koncentrerat inuti kaviteten.

Utgångsenergin från magnetronen realiseras med hjälp av en induktiv slinga placerad i en eller flera ofta två intilliggande resonatorer. Koaxialkabeln förser lasten med ström.

Ris. 2. Magnetronanordning

Uppvärmning med mikrovågsströmmar utförs i vågledare med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt eller i volymresonatorer där elektromagnetiska vågor de enklaste formerna TE10 (H10) (i vågledare) eller TE101 (i kavitetsresonatorer). Uppvärmning kan också ske genom att sända ut en elektromagnetisk våg till värmeobjektet.

Magnetroner drivs av likriktad ström med en förenklad likriktarkrets. Enheter med mycket låg effekt kan drivas med växelström.

Magnetroner kan arbeta vid olika frekvenser från 0,5 till 100 GHz, med effekter från några W till tiotals kW i kontinuerligt läge och från 10 W till 5 MW i pulsat läge med pulslängder huvudsakligen från bråkdelar till tiotals mikrosekunder.

Ris. 2. Magnetron i mikrovågsugn

Anordningens enkelhet och den relativt låga kostnaden för magnetroner, i kombination med hög uppvärmningsintensitet och olika tillämpningar av mikrovågsströmmar, öppnar stora möjligheter för deras användning inom olika industriområden, jordbruk (till exempel i dielektriska värmeinstallationer) och hemma (mikrovågsugn).

Magnetrondrift

Så det är magnetronen elektrisk lampa en speciell design som används för att generera ultrahögfrekventa svängningar (i intervallet decimeter- och centimetervågor). Dess kännetecken är användningen av ett permanent magnetfält (för att skapa de nödvändiga banorna för rörelsen av elektroner inuti lampan), från som magnetronen fick sitt namn.

Flerkammarmagnetronen, vars idé först föreslogs av M. A. Bonch-Bruevich och realiserades av de sovjetiska ingenjörerna D. E. Malyarov och N. F. Alekseev, är en kombination av ett elektronrör med volymresonatorer. Det finns flera av dessa hålrumsresonatorer i en magnetron, varför denna typ kallas multikammar eller multikavitet.

Principen för design och drift av en flerkammarmagnetron är som följer. Anordningens anod är en massiv ihålig cylinder, i vars inre yta ett antal kaviteter med hål är gjorda (dessa kaviteter är volymresonatorer), katoden är placerad längs cylinderns axel.

Magnetronen är placerad i ett permanent magnetfält riktat längs cylinderns axel. Elektroner som strömmar ut från katoden på sidan av detta magnetfält påverkas av Lorentz kraft, som böjer elektronernas väg.

Magnetfältet är valt så att de flesta elektronerna rör sig längs krökta banor som inte berör anoden. Om enhetens kameror (kavitetsresonatorer) visas elektriska vibrationer (små fluktuationer i volymer uppstår alltid av olika anledningar, t.ex. som ett resultat av att anodspänningen slås på), då existerar ett alternerande elektriskt fält inte bara inuti kamrarna utan även utanför, nära hålen (slitsarna).

Elektroner som flyger nära anoden faller in i dessa fält och, beroende på fältets riktning, accelererar eller bromsar de antingen in i dem. När elektroner accelereras av ett fält tar de energi från resonatorerna, tvärtom, när de bromsas upp ger de upp en del av sin energi till resonatorerna.

Om antalet accelererade och retarderade elektroner var detsamma, skulle de i genomsnitt inte ge energi till resonatorerna. Men elektronerna, som bromsas, har då lägre hastighet än vad de får när de förflyttar sig till anoden. Därför har de inte längre tillräckligt med energi för att återgå till katoden.

Tvärtom besitter de elektroner som accelererades av resonatorfältet energi som är större än vad som krävs för att återgå till katoden. Därför kommer elektroner som kommer in i den första resonatorns fält och accelereras i den att återvända till katoden, och de som saktas ner i den kommer inte att återvända till katoden, utan kommer att röra sig längs krökta banor nära anoden och falla. in i fältet för följande resonatorer.

Vid en lämplig rörelsehastighet (som på något sätt är relaterad till frekvensen av svängningar i resonatorerna), kommer dessa elektroner att falla in i fältet för den andra resonatorn med samma svängningsfas i det som i fältet för den första resonatorn, därför , i fältet för den andra resonatorn kommer de också att sakta ner.

Med ett lämpligt val av elektronhastighet, dvs.anodspänning (liksom magnetfältet, som inte ändrar elektronens hastighet, utan ändrar dess riktning), är det möjligt att uppnå en sådan situation att en enskild elektron antingen kommer att accelereras av fältet för endast en resonator, eller bromsas av fältet för flera resonatorer.

Därför kommer elektronerna i genomsnitt att ge mer energi till resonatorerna än vad de tar ifrån dem, det vill säga svängningarna som uppstår i resonatorerna kommer att öka och så småningom kommer svängningar med konstant amplitud att etableras i dem.

Processen att upprätthålla oscillationer i resonatorer, betraktad av oss på ett förenklat sätt, åtföljs av ett annat viktigt fenomen, eftersom elektroner, för att bromsas av resonatorns fält, måste flyga in i detta fält vid en viss svängningsfas av resonatorn, är uppenbarligen att de måste röra sig i ett ojämnt flöde (t. då skulle de komma in i resonatorfältet när som helst, inte vid vissa tidpunkter, utan i form av individuella buntar.

För detta måste hela strömmen av elektroner vara som en stjärna, där elektronerna rör sig inuti i separata strålar, och hela stjärnan som helhet roterar runt magnetronens axel med en sådan hastighet att dess strålar kommer in i varje kammare kl. rätt ögonblick. Processen för bildning av separata strålar i elektronstrålen kallas fasfokusering och utförs automatiskt under verkan av resonatorernas variabla fält.

Moderna magnetroner är kapabla att skapa vibrationer upp till de högsta frekvenserna i centimeterområdet (vågor upp till 1 cm och ännu kortare) och leverera effekt upp till flera hundra watt med kontinuerlig strålning och flera hundra kilowatt med pulsad strålning.

Se även:Exempel på användning av permanentmagneter inom elektroteknik och energi