Cum funcționează și funcționează magnetronul

Magnetron - un dispozitiv electronic special în care generarea de oscilații de ultra-înaltă frecvență (oscilații cu microunde) se realizează prin modularea fluxului de electroni în termeni de viteză. Magnetronii au extins foarte mult domeniul de aplicare al încălzirii cu curenți de înaltă și ultra-înaltă frecvență.

Amplitronii (platinotronii), klystronii și lămpile cu undă călătoare bazate pe același principiu sunt mai puțin obișnuite.

Magnetronul este cel mai avansat generator de frecvențe de microunde de mare putere. Este o lampă bine evacuată cu un fascicul de electroni controlat de un câmp electric și magnetic. Ele fac posibilă obținerea de unde foarte scurte (până la fracțiuni de centimetru) la puteri semnificative.

Magnetronii folosesc mișcarea electronilor în câmpuri electrice și magnetice reciproc perpendiculare create în spațiul inelar dintre catod și anod. Între electrozi este aplicată o tensiune anodică, creând un câmp electric radial sub influența căruia electronii îndepărtați din catodul încălzit se repetă spre anod.

Blocul anodic este plasat între polii unui electromagnet, care creează un câmp magnetic în spațiul inelar îndreptat de-a lungul axei magnetronului. Sub influența unui câmp magnetic, electronul se abate de la direcția radială și se deplasează de-a lungul unei traiectorii spiralate complexe. În spațiul dintre catod și anod se formează un nor de electroni rotativ cu limbi, care amintește de butucul unei roți cu spițe. Zburând pe lângă fantele rezonatoarelor cavitatii anodice, electronii excită oscilații de înaltă frecvență în ei.

Orez. 1. Bloc anod magnetron

Fiecare dintre rezonatoarele cu cavitate este un sistem oscilator cu parametri distribuiți. Câmpul electric este concentrat în fante, iar câmpul magnetic este concentrat în interiorul cavității.

Energia de ieșire de la magnetron este realizată prin intermediul unei bucle inductive plasate în unul sau de mai multe ori două rezonatoare adiacente. Cablul coaxial furnizează energie sarcină.

Orez. 2. Dispozitiv cu magnetron

Încălzirea cu curenți de microunde se realizează în ghiduri de undă cu secțiune transversală circulară sau dreptunghiulară sau în rezonatoare de volum în care undele electromagnetice cele mai simple forme TE10 (H10) (în ghiduri de undă) sau TE101 (în rezonatoare cu cavitate). Încălzirea se poate face și prin emiterea unei unde electromagnetice către obiectul care se încălzește.

Magnetronii sunt alimentați de curent redresat cu un circuit de redresor simplificat. Unitățile de putere foarte mică pot fi alimentate cu curent alternativ.

Magnetronii pot funcționa la frecvențe diferite de la 0,5 la 100 GHz, cu puteri de la câțiva W la zeci de kW în modul continuu și de la 10 W la 5 MW în modul pulsat cu durate de impuls în principal de la fracțiuni la zeci de microsecunde.

Orez. 2. Magnetron într-un cuptor cu microunde

Simplitatea dispozitivului și costul relativ scăzut al magnetronilor, combinate cu intensitatea mare a încălzirii și diverse aplicații ale curenților de microunde, deschid perspective mari pentru utilizarea lor în diverse domenii ale industriei, agriculturii (de exemplu, în instalatii de incalzire dielectrica) și acasă (cuptor cu microunde).

Funcționare cu magnetron

Deci este magnetronul lampă electrică un design special folosit pentru a genera oscilații de ultra-înaltă frecvență (în intervalul undelor decimetrice și centimetrice).Caracteristica sa este utilizarea unui câmp magnetic permanent (pentru a crea căile necesare mișcării electronilor în interiorul lămpii), din pe care magnetronul și-a primit numele.

Magnetronul cu mai multe camere, a cărui idee a fost propusă pentru prima dată de M. A. Bonch-Bruevich și realizată de inginerii sovietici D. E. Malyarov și N. F. Alekseev, este o combinație a unui tub de electroni cu rezonatoare de volum. Există mai multe dintre aceste rezonatoare cu cavitate într-un magnetron, motiv pentru care acest tip se numește multi-cameră sau multi-cavitate.

Principiul de proiectare și funcționare a unui magnetron cu mai multe camere este următorul. Anodul dispozitivului este un cilindru masiv gol, în suprafața interioară a căruia sunt realizate o serie de cavități cu găuri (aceste cavități sunt rezonatoare de volum), catodul este situat de-a lungul axei cilindrului.

Magnetronul este plasat într-un câmp magnetic permanent îndreptat de-a lungul axei cilindrului. Electronii care scapă din catod de pe partea acestui câmp magnetic sunt afectați de forța Lorentz, care îndoaie calea electronilor.

Câmpul magnetic este ales astfel încât majoritatea electronilor să se deplaseze pe căi curbe care să nu atingă anodul. Dacă apar camerele dispozitivului (rezonatoare cu cavitate). vibratii electrice (micile fluctuații ale volumelor apar întotdeauna din diverse motive, de exemplu, ca urmare a pornirii tensiunii anodului), atunci un câmp electric alternativ există nu numai în interiorul camerelor, ci și în exterior, lângă găuri (fante).

Electronii care zboară lângă anod cad în aceste câmpuri și, în funcție de direcția câmpului, fie accelerează, fie decelerează în ele. Când electronii sunt accelerați de un câmp, ei preiau energie de la rezonatoare, dimpotrivă, atunci când sunt decelerati, renunță la rezonatoare o parte din energia lor.

Dacă numărul de electroni accelerați și decelerați ar fi același, atunci în medie nu ar da energie rezonatoarelor. Dar electronii, care sunt încetiniți, au apoi o viteză mai mică decât cea pe care o obțin atunci când se deplasează la anod. Prin urmare, nu mai au suficientă energie pentru a reveni la catod.

Dimpotrivă, acei electroni care au fost accelerați de câmpul rezonator posedă apoi o energie mai mare decât cea necesară pentru a reveni la catod. Prin urmare, electronii care, intrând în câmpul primului rezonator, sunt accelerați în el, se vor întoarce la catod, iar cei care sunt încetiniți în el nu se vor întoarce la catod, ci se vor deplasa pe căi curbe în apropierea anodului și vor cădea. în câmpul următoarelor rezonatoare.

La o viteză adecvată de mișcare (care este oarecum legată de frecvența oscilațiilor în rezonatoare), acești electroni vor cădea în câmpul celui de-al doilea rezonator cu aceeași fază de oscilații în el ca și în câmpul primului rezonator, prin urmare , în domeniul celui de-al doilea rezonator , vor încetini și ele.

Astfel, cu o alegere adecvată a vitezei electronilor, i.e.tensiunea anodului (precum și câmpul magnetic, care nu schimbă viteza electronului, ci își schimbă direcția), este posibil să se realizeze o astfel de situație încât un electron individual să fie accelerat de câmpul unui singur rezonator, sau decelerat de câmpul mai multor rezonatoare.

Prin urmare, electronii vor da, în medie, mai multă energie rezonatoare decât le vor lua, adică oscilațiile care apar în rezonatoare vor crește și, eventual, se vor stabili în ele oscilații de amplitudine constantă.

Procesul de menținere a oscilațiilor în rezonatoare, considerat de noi într-un mod simplificat, este însoțit de un alt fenomen important, întrucât electronii, pentru a fi încetiniți de câmpul rezonatorului, trebuie să zboare în acest câmp la o anumită fază de oscilație. a rezonatorului, evident este că trebuie să se deplaseze într-un flux neuniform (t. atunci ar intra în câmpul rezonatorului în orice moment, nu în anumite momente, ci sub formă de fascicule individuale.

Pentru aceasta, întregul flux de electroni trebuie să fie ca o stea, în care electronii se mișcă în interior în fascicule separate, iar întreaga stea în ansamblu se rotește în jurul axei magnetronului cu o astfel de viteză încât fasciculele sale ajung în fiecare cameră la momentele potrivite. Procesul de formare a fasciculelor separate în fasciculul de electroni se numește focalizare de fază și se realizează automat sub acțiunea câmpului variabil al rezonatoarelor.

Magnetronii moderni sunt capabili să creeze vibrații până la cele mai înalte frecvențe în intervalul de centimetri (valuri de până la 1 cm și chiar mai scurte) și să furnizeze putere de până la câteva sute de wați cu radiație continuă și câteva sute de kilowați cu radiație pulsată.

Vezi si:Exemple de utilizare a magneților permanenți în electrotehnică și energie