Hoe de magnetron werkt en werkt

Magnetron - een speciaal elektronisch apparaat waarin het genereren van ultrahoogfrequente oscillaties (microgolfoscillaties) wordt uitgevoerd door de elektronenstroom in termen van snelheid te moduleren. Magnetrons hebben het toepassingsgebied van verwarming met hoog- en ultrahoogfrequente stromen enorm uitgebreid.

Amplitrons (platinotrons), klystrons en lopende-golflampen op basis van hetzelfde principe komen minder vaak voor.

De magnetron is de meest geavanceerde generator van krachtige microgolffrequenties. Het is een goed geëvacueerde lamp met een elektronenstraal die wordt bestuurd door een elektrisch en magnetisch veld. Ze maken het mogelijk om zeer korte golven (tot fracties van een centimeter) te verkrijgen met aanzienlijke vermogens.

Magnetrons gebruiken de beweging van elektronen in onderling loodrechte elektrische en magnetische velden die worden gecreëerd in de ringvormige opening tussen de kathode en de anode. Tussen de elektroden wordt een anodische spanning aangelegd, waardoor een radiaal elektrisch veld ontstaat onder invloed waarvan de van de verwarmde kathode verwijderde elektronen naar de anode snellen.

Het anodeblok wordt geplaatst tussen de polen van een elektromagneet, die een magnetisch veld creëert in de ringvormige spleet gericht langs de as van de magnetron. Onder invloed van een magnetisch veld wijkt het elektron af van de radiale richting en beweegt het langs een complexe spiraalvormige baan. In de ruimte tussen de kathode en de anode ontstaat een roterende elektronenwolk met tongen, die doet denken aan de naaf van een wiel met spaken. Vliegend langs de sleuven van de anodeholteresonatoren wekken de elektronen daarin hoogfrequente oscillaties op.

Rijst. 1. Magnetronanodeblok

Elk van de holteresonatoren is een oscillerend systeem met gedistribueerde parameters. Het elektrische veld is geconcentreerd in de sleuven en het magnetische veld is geconcentreerd in de holte.

De uitgangsenergie van de magnetron wordt gerealiseerd door middel van een inductieve lus die in een of vaker twee aangrenzende resonatoren is geplaatst. De coaxkabel levert stroom aan de belasting.

Rijst. 2. Magnetronapparaat

Verwarming met microgolfstromen vindt plaats in golfgeleiders met een cirkelvormige of rechthoekige dwarsdoorsnede of in volumeresonatoren waarin elektromagnetische golven de eenvoudigste vormen TE10 (H10) (in golfgeleiders) of TE101 (in holteresonatoren). Verwarming kan ook worden gedaan door een elektromagnetische golf uit te zenden naar het verwarmingsobject.

Magnetrons worden aangedreven door gelijkgerichte stroom met een vereenvoudigd gelijkrichtercircuit. Apparaten met een zeer laag vermogen kunnen op wisselstroom worden gevoed.

Magnetrons kunnen werken op verschillende frequenties van 0,5 tot 100 GHz, met vermogens van enkele W tot tientallen kW in continue modus en van 10 W tot 5 MW in gepulste modus met pulsduur van voornamelijk fracties tot tientallen microseconden.

Rijst. 2. Magnetron in een magnetron

De eenvoud van het apparaat en de relatief lage kosten van magnetrons, gecombineerd met een hoge verwarmingsintensiteit en diverse toepassingen van microgolfstromen, openen grote perspectieven voor hun gebruik op verschillende gebieden van de industrie, de landbouw (bijvoorbeeld in diëlektrische verwarmingsinstallaties) en thuis (magnetron).

Magnetron operatie

Het is dus de magnetron elektrische lamp een speciaal ontwerp dat wordt gebruikt om ultrahoogfrequente oscillaties te genereren (in het bereik van golven van decimeters en centimeters). Het kenmerk is het gebruik van een permanent magnetisch veld (om de noodzakelijke paden te creëren voor de beweging van elektronen in de lamp), van waaraan de magnetron zijn naam te danken heeft.

De magnetron met meerdere kamers, waarvan het idee voor het eerst werd voorgesteld door M. A. Bonch-Bruevich en gerealiseerd door de Sovjet-ingenieurs D. E. Malyarov en N. F. Alekseev, is een combinatie van een elektronenbuis met volumeresonatoren. Er zijn verschillende van deze holteresonatoren in een magnetron, daarom wordt dit type meerkamer- of meerkamerresonatoren genoemd.

Het principe van ontwerp en werking van een magnetron met meerdere kamers is als volgt. De anode van het apparaat is een massieve holle cilinder, in het binnenoppervlak waarvan een aantal holtes met gaten zijn gemaakt (deze holtes zijn volumeresonatoren), de kathode bevindt zich langs de as van de cilinder.

De magnetron wordt geplaatst in een permanent magnetisch veld gericht langs de as van de cilinder. Elektronen die ontsnappen uit de kathode aan de kant van dit magnetische veld worden beïnvloed door Lorentz-kracht, die het pad van elektronen buigt.

Het magnetische veld is zo gekozen dat de meeste elektronen langs gebogen paden bewegen die de anode niet raken. Als de apparaatcamera's (holteresonatoren) verschijnen elektrische trillingen (kleine fluctuaties in volumes treden om verschillende redenen altijd op, bijvoorbeeld als gevolg van het inschakelen van de anodespanning), dan is er niet alleen in de kamers een wisselend elektrisch veld, maar ook daarbuiten, in de buurt van de gaten (sleuven).

Elektronen die in de buurt van de anode vliegen, vallen in deze velden en, afhankelijk van de richting van het veld, versnellen of vertragen ze daarin. Wanneer elektronen door een veld worden versneld, nemen ze energie van de resonatoren, integendeel, wanneer ze worden vertraagd, geven ze een deel van hun energie af aan de resonatoren.

Als het aantal versnelde en vertraagde elektronen hetzelfde zou zijn, zouden ze gemiddeld geen energie aan de resonatoren geven. Maar de elektronen, die worden afgeremd, hebben dan een lagere snelheid dan ze krijgen als ze naar de anode gaan. Daarom hebben ze niet langer genoeg energie om terug te keren naar de kathode.

Integendeel, die elektronen die door het resonatorveld werden versneld, bezitten dan een energie die groter is dan nodig is om terug te keren naar de kathode. Daarom zullen elektronen die het veld van de eerste resonator binnenkomen en erin worden versneld, terugkeren naar de kathode, en degenen die daarin worden vertraagd, zullen niet terugkeren naar de kathode, maar langs gebogen paden in de buurt van de anode bewegen en vallen in het veld van de volgende resonatoren.

Bij een geschikte bewegingssnelheid (die op de een of andere manier verband houdt met de frequentie van oscillaties in de resonatoren), zullen deze elektronen in het veld van de tweede resonator vallen met dezelfde fase van oscillaties erin als in het veld van de eerste resonator, daarom , in het veld van de tweede resonator , zullen ze ook vertragen.

Dus met een geschikte keuze van elektronensnelheid, d.w.z.anodespanning (evenals het magnetische veld, dat de snelheid van het elektron niet verandert, maar van richting verandert), is het mogelijk om een ​​situatie te bereiken dat een individueel elektron wordt versneld door het veld van slechts één resonator, of vertraagd door het veld van verschillende resonatoren.

Daarom zullen de elektronen gemiddeld meer energie aan de resonatoren geven dan ze van hen wegnemen, dat wil zeggen, de oscillaties die in de resonatoren optreden, zullen toenemen en uiteindelijk zullen er oscillaties van constante amplitude in ontstaan.

Het proces van het in stand houden van oscillaties in resonatoren, door ons op een vereenvoudigde manier beschouwd, gaat gepaard met een ander belangrijk fenomeen, aangezien elektronen, om te worden vertraagd door het veld van de resonator, in dit veld moeten vliegen in een bepaalde fase van oscillatie. van de resonator is duidelijk dat ze in een niet-uniforme stroom moeten bewegen (d.w.z. dan zouden ze op elk moment het resonatorveld binnengaan, niet op bepaalde tijden, maar in de vorm van individuele bundels.

Hiervoor moet de hele stroom elektronen als een ster zijn, waarin de elektronen in afzonderlijke stralen naar binnen bewegen, en de hele ster als geheel roteert rond de as van de magnetron met een zodanige snelheid dat de stralen in elke kamer komen met de juiste momenten. Het proces van vorming van afzonderlijke bundels in de elektronenbundel wordt fasefocussering genoemd en wordt automatisch uitgevoerd onder invloed van het variabele veld van de resonatoren.

Moderne magnetrons zijn in staat om trillingen te creëren tot de hoogste frequenties in het centimeterbereik (golven tot 1 cm en zelfs korter) en leveren een vermogen tot enkele honderden watt bij continue straling en enkele honderden kilowatt bij gepulseerde straling.

Zie ook:Voorbeelden van het gebruik van permanente magneten in elektrotechniek en energie