Hogyan működik és működik a magnetron
Magnetron - egy speciális elektronikus eszköz, amelyben az ultra-nagyfrekvenciás rezgések (mikrohullámú rezgések) generálását az elektronáramlás sebesség szerinti modulálásával hajtják végre. A magnetronok nagymértékben kibővítették a nagy és ultra-nagy frekvenciájú áramokkal történő fűtés alkalmazási területét.
Az azonos elven működő amplitronok (platinotronok), klistronok és utazóhullámú lámpák ritkábban fordulnak elő.
A magnetron a nagy teljesítményű mikrohullámú frekvenciák legfejlettebb generátora. Ez egy jól kiürített lámpa, elektromos és mágneses térrel vezérelt elektronsugárral. Lehetővé teszik nagyon rövid hullámok (a centiméter töredékekig) elérését jelentős teljesítmény mellett.
A magnetronok az elektronok mozgását használják fel egymásra merőleges elektromos és mágneses mezőkben, amelyek a katód és az anód közötti gyűrű alakú résben jönnek létre. Az elektródák közé anódos feszültséget kapcsolunk, amely radiális elektromos mezőt hoz létre, amelynek hatására a felmelegített katódról eltávolított elektronok az anódhoz rohannak.
Az anódblokkot egy elektromágnes pólusai közé helyezzük, amely a magnetron tengelye mentén mágneses teret hoz létre a gyűrű alakú résben. Mágneses tér hatására az elektron eltér a sugáriránytól, és összetett spirális pályán mozog. A katód és az anód közötti térben forgó, nyelvekkel ellátott elektronfelhő képződik, amely egy küllős kerék agyára emlékeztet. Az anódüreges rezonátorok rései mellett elrepülve az elektronok nagyfrekvenciás rezgéseket gerjesztenek bennük.
Rizs. 1. Magnetron anód blokk
Az üregrezonátorok mindegyike elosztott paraméterekkel rendelkező oszcillációs rendszer. Az elektromos tér a résekben, a mágneses tér pedig az üregben koncentrálódik.
A magnetron kimenő energiáját egy vagy többször két szomszédos rezonátorban elhelyezett induktív hurok segítségével valósítják meg. A koaxiális kábel táplálja a terhelést.
Rizs. 2. Magnetron készülék
A mikrohullámú árammal történő melegítést kör- vagy téglalap keresztmetszetű hullámvezetőkben vagy térfogatrezonátorokban végzik, amelyekben elektromágneses hullámok a legegyszerűbb formák a TE10 (H10) (hullámvezetőkben) vagy a TE101 (üregrezonátorokban). A fűtés történhet úgy is, hogy elektromágneses hullámot bocsátanak ki a fűtőtárgyra.
A magnetronok egyenirányított árammal vannak ellátva, egyszerűsített egyenirányító áramkörrel. A nagyon kis teljesítményű egységek váltakozó árammal működhetnek.
A magnetronok különböző frekvenciákon, 0,5-100 GHz-en működhetnek, folyamatos üzemmódban néhány W-tól több tíz kW-ig, impulzus üzemmódban pedig 10 W-tól 5 MW-ig, az impulzusok időtartama főként töredékektől több tíz mikroszekundumig terjed.
Rizs. 2. Magnetron mikrohullámú sütőben
Az eszköz egyszerűsége és a magnetronok viszonylag alacsony költsége, valamint a magas fűtési intenzitás és a mikrohullámú áramok változatos alkalmazása nagyszerű lehetőségeket nyit az ipar, a mezőgazdaság különböző területein történő felhasználásukra (pl. dielektromos fűtőberendezések) és otthon (mikrohullámú sütő).
Magnetron működés
Tehát ez a magnetron elektromos lámpa ultramagas frekvenciájú (deciméteres és centiméteres hullámok tartományában) oszcilláció generálására használt speciális kialakítás, melynek jellemzője az állandó mágneses tér alkalmazása (a lámpán belüli elektronok mozgásához szükséges utak kialakítása), tól aminek a magnetron a nevét kapta.
A többkamrás magnetron, amelynek ötletét először M. A. Bonch-Bruevich javasolta, és D. E. Malyarov és N. F. Alekseev szovjet mérnökök valósították meg, egy elektroncső és térfogatrezonátor kombinációja. Egy magnetronban több ilyen üreges rezonátor található, ezért ezt a típust többkamrásnak vagy többüregesnek nevezik.
A többkamrás magnetron kialakításának és működésének elve a következő. A készülék anódja egy masszív üreges henger, melynek belső felületében számos lyukas üreg van kialakítva (ezek az üregek térfogatrezonátorok), a katód a henger tengelye mentén helyezkedik el.
A magnetront a henger tengelye mentén irányított állandó mágneses térbe helyezzük. A katódról kiszabaduló elektronokat ennek a mágneses térnek az oldalán befolyásolja Lorentz erő, amely meggörbíti az elektronok útját.
A mágneses mezőt úgy választják meg, hogy az elektronok nagy része ívelt pályákon mozogjon, amelyek nem érintik az anódot. Ha az eszköz kamerái (üregrezonátorok) megjelennek elektromos rezgések (kis térfogat-ingadozások mindig különböző okok miatt lépnek fel, pl. az anódfeszültség bekapcsolása miatt), akkor váltakozó elektromos tér nemcsak a kamrákon belül, hanem kívül is, a lyukak (rések) közelében van.
Az anód közelében repülő elektronok ezekbe a mezőkbe esnek, és a mező irányától függően ezekben vagy felgyorsulnak, vagy lelassulnak. Amikor az elektronokat egy mező felgyorsítja, energiát vesznek el a rezonátoroktól, ellenkezőleg, ha lelassítják, energiájuk egy részét a rezonátoroknak adják át.
Ha a gyorsított és lassított elektronok száma azonos lenne, akkor átlagosan nem adnának energiát a rezonátoroknak. De a lelassult elektronok sebessége kisebb, mint amit az anódhoz való mozgáskor kapnak. Ezért már nincs elég energiájuk a katódra való visszatéréshez.
Éppen ellenkezőleg, a rezonátortér által felgyorsított elektronok energiája nagyobb, mint amennyi a katódra való visszatéréshez szükséges. Ezért azok az elektronok, amelyek az első rezonátor mezőjébe lépve felgyorsulnak benne, visszatérnek a katódra, és azok, amelyek lelassulnak, nem térnek vissza a katódra, hanem ívelt pályákon mozognak az anód közelében, és leesnek. a következő rezonátorok területére.
Megfelelő mozgási sebesség mellett (ami valamilyen módon összefügg a rezonátorokban fellépő rezgések frekvenciájával) ezek az elektronok a második rezonátor mezejébe esnek, ugyanolyan rezgési fázissal, mint az első rezonátor mezőjében, ezért , a második rezonátor terén ezek is lelassulnak.
Így az elektronsebesség megfelelő megválasztásával, pl.anódfeszültség (valamint a mágneses tér, amely nem változtatja meg az elektron sebességét, hanem változtatja irányát), el lehet érni olyan helyzetet, hogy egy elektront vagy csak egy rezonátor tere gyorsítson, vagy több rezonátor mezeje lassítja.
Ezért az elektronok átlagosan több energiát adnak a rezonátoroknak, mint amennyit elvesznek tőlük, vagyis a rezonátorokban fellépő rezgések megnőnek, és végül állandó amplitúdójú oszcillációk jönnek létre bennük.
Az általunk leegyszerűsítve értelmezett rezonátorok rezgésfenntartásának folyamatához egy másik fontos jelenség is társul, hiszen az elektronoknak ahhoz, hogy a rezonátor tere lelassítsák őket, a rezgés bizonyos fázisában ebbe a mezőbe kell repülniük. a rezonátorról nyilván az, hogy nem egyenletes áramlásban kell mozogniuk (t. akkor bármikor belépnének a rezonátormezőbe, nem bizonyos időpontokban, hanem egyedi kötegek formájában.
Ehhez a teljes elektronáramnak olyannak kell lennie, mint egy csillagnak, amelyben az elektronok külön-külön nyalábban mozognak belül, és az egész csillag egészében olyan sebességgel forog a magnetron tengelye körül, hogy sugarai minden kamrába bejussanak. a megfelelő pillanatokat. Az elektronnyalábban különálló nyalábok képződésének folyamatát fázisfókuszálásnak nevezzük, és a rezonátorok változó mezőjének hatására automatikusan végbemegy.
A modern magnetronok a centiméteres tartományban a legmagasabb frekvenciájú rezgéseket képesek létrehozni (1 cm-es és még ennél is rövidebb hullámok), és folyamatos sugárzással akár több száz watt, impulzussugárzással pedig több száz kilowatt teljesítményt képesek leadni.
Lásd még:Példák az állandó mágnesek felhasználására az elektrotechnikában és az energetikában