Magnetron. Velká ruská encyklopedie

Magnetron (z magnetu a . tronu), generátorové elektrické vakuové mikrovlnné zařízení, ve kterém ke vzniku toku elektronů a jeho interakci s elektromagnetickým polem mikrovln dochází v prostoru, kde jsou konstantní elektrická a magnetická pole vzájemně kolmá. Základem konstrukce magnetronu je válcová dioda s vnitřní elektrodou – katodou v rovnoměrném magnetostatickém poli směrovaném podél její osy.

Termín „magnetron“ zavedl americký fyzik A. Hull, který v roce 1921 poprvé publikoval výsledky teoretických a experimentálních studií provozu magnetronu ve statickém režimu a navrhl řadu konstrukcí zařízení. Generování elektromagnetických kmitů v rozsahu decimetrů (vlnová délka λ≈29 cm) objevil a patentoval v roce 1924 československý fyzik A. Žáček. Ve třicátých letech 1930. století tento směr prošel dalším rozvojem v mnoha zemích. V letech 1936–1937 Ruští inženýři N.F. Alekseev a D.E Malyarov pod vedením M.A.Bonche-Brueviče vyvinuli vícedutinový magnetron, který umožnil výrazně zvýšit výstupní výkon zařízení (ve srovnání s běžnými jednodutinovými magnetrony). Ve 1940.–1970. letech 1. století. Bylo vyvinuto přes XNUMX tisíc typů vícedutinových magnetronů (především pro radary). Na základě magnetronu byla vytvořena třída nových zařízení pro generování a zesilování mikrovlnných oscilací (podrobněji v článku Zařízení typu magnetron).

U vícedutinového magnetronu je anodový blok masivní měděný válec s centrálním kulatým průchozím otvorem a symetricky umístěnými průchozími dutinami, které fungují jako objemové rezonátory. Každý rezonátor je připojen štěrbinou ke středovému otvoru, ve kterém je koaxiálně s anodovým blokem umístěna dutá katoda. Magnetické pole je vytvářeno vnějšími permanentními magnety nebo elektromagnety. Vzájemně propojené rezonátory tvoří prstencový pomaluvlnný systém nazývaný rezonátorový systém (RS) magnetronu. Jako anoda PC přijímá tok elektronů a elektrony interagují s elektromagnetickým polem v něm. RS má několik rezonančních frekvencí, při kterých se do systému s pomalými vlnami vejde celočíselný počet stojatých vln od 1 do N / 2 (N je počet rezonátorů). Na rezonanční frekvenci jsou kmity ve dvou sousedních rezonátorech fázově posunuty o Δ φ: Δ φ = 2 π (n + = 0, 1. N / 2; p = ±0, 1, 2. Při n = N / 2 a p = 0 je fázový posun roven π Typ kmitání odpovídající tomuto případu (tzv. π-typ) se obvykle volí jako pracovní.

RS v magnetronu se vyznačují tvarem rezonátorů – štěrbinový, štěrbinový, lopatkový, kapkovitý atd., jakož i konstrukcí systému jako celku – rovnorezonátorové, rovno- rezonátor se svazky a různý-rezonátor. V equiresonantním systému mají π-mód a sousední módy kmitů blízké rezonanční frekvence (čím větší N, tím menší frekvenční odstup). Pro zajištění stabilního provozu magnetronu (aby nedocházelo ke skokům na jiné typy kmitů, doprovázené změnami frekvence a výstupního výkonu) je nutné, aby se nejbližší rezonanční frekvence RS výrazně lišila od pracovní frekvence (cca o 10 %) . V magnetronu je potřebného frekvenčního oddělení dosaženo zavedením dvou prstencových spojů, spojujících sudé a liché prvky systému se stejnými rezonátory, nebo použitím systémů různých rezonátorů, ve kterých mají sudé rezonátory jednu velikost a liché mají další. Pro výstup mikrovlnné energie se zpravidla používá komunikační smyčka, upevněná v jednom z magnetronových rezonátorů.

Kromě hlavních komponent – anodového bloku, katody a výstupního zařízení obsahuje magnetron další prvky, komponenty a zařízení, které zajišťují frekvenční ladění v magnetronu pro vytvoření požadované struktury konstantních elektrických a magnetických polí; potlačení nepracovních typů vibrací; chlazení zařízení atd. Ladění frekvence magnetronu (změna frekvence generovaných kmitů) se provádí: zavedením kovových nebo dielektrických prvků, které způsobují změnu struktury mikrovlnného pole RS a podle toho i jeho rezonanční frekvence (mechanické ladění frekvence); zavedení dalších elektronických toků nebo změna parametrů pracovního elektronického toku (elektronické ladění frekvence); zavedením synchronizačního mikrovlnného signálu do oscilačního systému magnetronu (v tzv. synchronizovaném magnetronu); restrukturalizace rezonátorů nebo úseků mikrovlnného přenosového vedení elektrodynamicky připojených k RS.

V magnetronu jsou elektrony pohybující se v prostoru mezi katodou a anodovým blokem (tzv. interakční prostor) ovlivňovány konstantním elektrickým polem, konstantním magnetickým polem a elektrickým mikrovlnným polem rezonátorového systému. Pohybem od katody k anodě pod vlivem konstantního elektrického pole získávají elektrony radiální rychlost; v tomto případě se energie zdroje anodového napětí přemění na kinetickou energii elektronů. Konstantní magnetické pole nasměrované podél osy katody mění směr pohybu elektronů, tj. elektrony nabývají tangenciální (azimutální) rychlost. Když je RS vybuzen některým z typů kmitů (například u typu π), elektrické mikrovlnné pole, pronikající štěrbinami rezonátorů do mezery anoda-katoda s určitou prostorovou periodicitou, nebo zpomaluje elektrony v azimutálním směru (pokud se tangenciální složky elektrických mikrovlnných polí a rychlosti elektronů ve směru shodují), nebo je navíc urychluje (v opačném případě). Pomalé elektrony odevzdávají svou energii mikrovlnnému poli a podporují oscilace v rezonátorech. Pro plynulé brzdění je nutné, aby se elektrony pohybovaly v azimutu mezi dvěma sousedními rezonátory za dobu rovnající se půlcyklu mikrovlnných oscilací, tj. průměrná rychlost rotace elektronů kolem katody se shoduje s fázovou rychlostí katody. elektromagnetické vlnění (podmínka synchronismu elektronů a vlnění). Elektrony vstupující do mikrovlnného urychlovacího pole zvyšují svou kinetickou energii a vzdalují se od RS. Některé z nich se vracejí ke katodě a způsobují sekundární emisi; elektrony vstupující do radiálního elektrického pole vlny jsou buď urychleny v azimutálním směru nebo zpomaleny, seskupují se poblíž elektronů umístěných ve zpomalovacím poli. V magnetronu se tak za podmínek synchronicity tvoří shluky prostorového náboje (tzv. paprsky), které sledují zpomalovací fázi mikrovlnného pole a odevzdávají mu svou energii. Dlouhodobá (několika období) interakce elektronů s RF polem a fázová fokusace elektronů v magnetronu poskytuje vysokou účinnost zařízení (až 80–90 %) a schopnost získat vysoké výkony – od několika W až po desítky kW v nepřetržitém režimu a od stovek W do desítek MW nebo více v pulzním režimu s trváním pulzů od zlomků do desítek mikrosekund.

Magnetrony jsou široce používány v radiotechnických systémech pro různé účely (v radaru a navigaci, radioastronomii, meteorologii, komunikacích), v průmyslových a vědeckých mikrovlnných instalacích, v mikrovlnných troubách pro domácnost, v lékařských a jiných zařízeních.

Šlifer Eduard Davidovič. První publikace: Velká ruská encyklopedie, 2011.

Publikováno 13. října 2023 ve 18:14 (GMT+3). Poslední aktualizace 13. října 2023 ve 18:14 (GMT+3). Kontaktujte redakci

Magnetron je speciální elektronické zařízení, ve kterém se generování ultravysokofrekvenčních oscilací (mikrovlnné oscilace) provádí modulací rychlosti toku elektronů. Magnetrony výrazně rozšířily rozsah ohřevu vysokofrekvenčními a ultravysokofrekvenčními proudy.

Méně časté jsou amplitrony (platinotrony), klystrony a elektronky s postupnou vlnou založené na stejném principu.

Magnetron je nejpokročilejší vysoce výkonný ultravysokofrekvenční generátor. Je to dobře evakuovaná trubice s tokem elektronů řízeným elektrickými a magnetickými poli. Umožňují získat velmi krátké vlny (až zlomky centimetru) při významných výkonech.

Magnetrony využívají pohybu elektronů ve vzájemně kolmých elektrických a magnetických polích vytvořených v prstencové mezeře mezi katodou a anodou. Mezi elektrody je přivedeno anodové napětí, které vytváří radiální elektrické pole, pod jehož vlivem se k anodě vrhají elektrony vyvržené z žhavené katody.

Anodový blok je umístěn mezi póly elektromagnetu, který vytváří magnetické pole v prstencové mezeře směřující podél osy magnetronu. Pod vlivem magnetického pole se elektron odchýlí od radiálního směru a pohybuje se po složité spirální trajektorii. V prostoru mezi katodou a anodou vzniká rotující elektronový oblak s jazýčky, připomínající náboj kola s paprsky. Elektrony, které prolétají kolem štěrbin anodových objemových rezonátorů, v nich budí vysokofrekvenční oscilace.

Rýže. 1. Magnetronový anodový blok

Každý z objemových rezonátorů je oscilační systém s rozloženými parametry. Elektrické pole je koncentrováno ve štěrbinách a magnetické pole je koncentrováno uvnitř dutiny.

Energie je z magnetronu odebírána pomocí indukční smyčky umístěné v jednom nebo častěji ve dvou sousedních rezonátorech. Koaxiální kabel dodává energii do zátěže.

Rýže. 2. Konstrukce magnetronu

Ohřev mikrovlnnými proudy se provádí ve vlnovodech kruhového nebo obdélníkového průřezu nebo v objemových rezonátorech, ve kterých jsou buzeny elektromagnetické vlny nejjednodušších forem TE10 (H10) (ve vlnovodech) nebo TE101 (v objemových rezonátorech). Ohřev lze také provádět vysíláním elektromagnetické vlny na ohřívaný předmět.

Magnetrony jsou napájeny usměrněným proudem se zjednodušeným obvodem usměrňovače. Zařízení s velmi nízkým výkonem lze napájet střídavým proudem.

Magnetrony mohou pracovat na různých frekvencích od 0,5 do 100 GHz, s výkony od několika W do desítek kW v kontinuálním režimu a od 10 W do 5 MW v pulzním režimu s dobou trvání pulsů převážně od zlomků do desítek mikrosekund.

Rýže. 2. Magnetron v mikrovlnné troubě

Jednoduchost zařízení a relativně nízká cena magnetronů v kombinaci s vysokou intenzitou ohřevu a rozmanitostí aplikací mikrovlnných proudů otevírají velké vyhlídky pro jejich použití v různých oblastech průmyslu, zemědělství (například v dielektrických topných instalacích) a v každodenním životě (mikrovlnné trouby).

Provoz magnetronu

Magnetron je tedy speciálně navržená elektronka, která slouží ke generování ultravysokofrekvenčních oscilací (v rozsahu decimetrových a centimetrových vln). Jeho rysem je využití konstantního magnetického pole (k vytvoření nezbytných drah pro pohyb elektronů uvnitř lampy), odkud má magnetron své jméno.

Vícekomorový magnetron, jehož myšlenku poprvé navrhl M. A. Bonch-Bruevich a realizovali sovětští inženýři D. E. Malyarov a N. F. Alekseev, je kombinací elektronky s volumetrickými rezonátory. Těchto volumetrických rezonátorů je v magnetronu několik, proto se tento typ nazývá vícekomorový nebo vícedutinový.

Princip konstrukce a činnosti vícekomorového magnetronu je následující. Anodou zařízení je masivní dutý válec, v jehož vnitřním povrchu je vytvořena řada dutin s otvory (tyto dutiny jsou objemové rezonátory), katoda je umístěna podél osy válce.

Magnetron je umístěn v konstantním magnetickém poli směrovaném podél osy válce. Na elektrony unikající z katody působí toto magnetické pole Lorentzovou silou, která ohýbá dráhy elektronů.

Magnetické pole je zvoleno tak, aby se většina elektronů pohybovala po zakřivených drahách, které se nedotýkají anody. Pokud v komorách zařízení (volumetrické rezonátory) dochází k elektrickým oscilacím (k malému kolísání objemů dochází vždy z různých důvodů, např. v důsledku zapnutí anodového napětí), pak nejen uvnitř komor existuje střídavé elektrické pole , ale i venku, v blízkosti otvorů (štěrbin) .

Do těchto polí dopadají elektrony letící v blízkosti anody a v závislosti na směru pole se v nich buď urychlují, nebo zpomalují. Elektrony při urychlování polem odebírají energii rezonátorům, naopak při zpomalování odevzdávají část své energie rezonátorům.

Pokud by byl počet urychlených a zpomalených elektronů stejný, pak by v průměru energii do rezonátorů nepředávaly. Ale elektrony, které jsou zpomalené, pak mají nižší rychlost, než jakou přijaly při pohybu směrem k anodě. Proto již nemají dostatečnou energii pro návrat ke katodě.

Naopak ty elektrony, které byly urychleny polem rezonátoru, pak mají více energie, než je potřeba k návratu ke katodě. V důsledku toho se elektrony, které vstoupí do pole prvního rezonátoru, jsou v něm urychleny, vrátí se ke katodě a ty, které jsou v ní zpomaleny, se nevrátí ke katodě, ale budou se pohybovat po zakřivených drahách poblíž anody a konce. až v oblasti následujících rezonátorů.

Při vhodné rychlosti pohybu (která určitým způsobem souvisí s frekvencí kmitů v rezonátorech) budou tyto elektrony dopadat do pole druhého rezonátoru ve stejné fázi kmitů v něm jako v poli prvního. rezonátoru, proto budou zpomaleny i v poli druhého rezonátoru.

Vhodnou volbou rychlosti elektronů, tedy anodového napětí (a také magnetického pole, které nemění hodnotu rychlosti elektronů, ale mění svůj směr), lze tedy dosáhnout takové situace, že jednotlivý elektron bude buď urychlen polem pouze jednoho rezonátoru, nebo bude inhibován polem několika rezonátorů.

Elektrony tedy v průměru dodají rezonátorům více energie, než z nich odeberou, to znamená, že oscilace vyskytující se v rezonátorech se zvýší a nakonec v nich vzniknou oscilace s konstantní amplitudou.

Proces udržování kmitů v rezonátorech, který jsme zjednodušeně uvažovali, je doprovázen dalším důležitým jevem, protože elektrony, aby byly inhibovány polem rezonátoru, musí do tohoto pole v určité fázi kmitů vletět. rezonátoru, je zřejmé, že se nesmí pohybovat rovnoměrným prouděním (protože pak by vlétly do rezonátorového pole kdykoliv, a ne v určitých okamžicích, ale ve formě samostatných shluků).

K tomu musí být celý tok elektronů jako hvězda, ve které se elektrony pohybují uvnitř jednotlivých paprsků a celá hvězda jako celek rotuje kolem osy magnetronu takovou rychlostí, že se její paprsky přibližují ke každé komoře vpravo. momenty. Proces tvorby jednotlivých shluků v toku elektronů se nazývá fázová fokusace a probíhá automaticky při působení střídavého pole rezonátorů.

Moderní magnetrony jsou schopny vytvářet oscilace až do nejvyšších frekvencí v rozsahu centimetrů (vlny do 1 cm a ještě kratší) a dodávat výkon až několik set wattů při trvalém záření a několik stovek kilowattů při pulzním záření.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře