Kako magnetron deluje in deluje

Magnetron - posebna elektronska naprava, v kateri se ustvarjanje ultravisokofrekvenčnih nihanj (mikrovalovna nihanja) izvaja z modulacijo toka elektronov glede na hitrost. Magnetroni so močno razširili področje uporabe ogrevanja z visoko in ultravisokofrekvenčnimi tokovi.

Manj pogosti so amplitroni (platinotroni), klistroni in žarnice s potujočimi valovi, ki delujejo na istem principu.

Magnetron je najnaprednejši generator visoko močnih mikrovalovnih frekvenc. Je dobro izpraznjena svetilka z elektronskim žarkom, ki ga nadzirata električno in magnetno polje. Omogočajo pridobivanje zelo kratkih valov (do delcev centimetra) pri znatnih močeh.

Magnetroni uporabljajo gibanje elektronov v medsebojno pravokotnih električnih in magnetnih poljih, ki nastanejo v obročasti reži med katodo in anodo. Med elektrodama se uporablja anodna napetost, ki ustvarja radialno električno polje, pod vplivom katerega elektroni, odstranjeni iz segrete katode, hitijo k anodi.

Anodni blok je nameščen med poloma elektromagneta, ki ustvarja magnetno polje v obročasti reži, usmerjeno vzdolž osi magnetrona. Pod vplivom magnetnega polja elektron odstopa od radialne smeri in se premika po kompleksni spiralni poti. V prostoru med katodo in anodo nastane rotirajoči elektronski oblak z jeziki, ki spominja na pesto kolesa z naperami. Elektroni, ki letijo mimo rež resonatorjev anodnih votlin, v njih vzbujajo visokofrekvenčna nihanja.

riž. 1. Magnetronski anodni blok

Vsak od resonatorjev votline je nihajni sistem s porazdeljenimi parametri. Električno polje je koncentrirano v režah, magnetno polje pa je koncentrirano znotraj votline.

Izhodna energija iz magnetrona se realizira s pomočjo induktivne zanke, nameščene v enem ali pogosteje dveh sosednjih resonatorjih. Koaksialni kabel napaja obremenitev.

riž. 2. Magnetronska naprava

Ogrevanje z mikrovalovnimi tokovi se izvaja v valovodih s krožnim ali pravokotnim presekom ali v volumskih resonatorjih, v katerih elektromagnetni valovi najpreprostejši obliki TE10 (H10) (v valovodih) ali TE101 (v votlih resonatorjih). Ogrevanje se lahko izvede tudi z oddajanjem elektromagnetnega valovanja na grelni objekt.

Magnetroni se napajajo z usmerjenim tokom s poenostavljenim usmerniškim vezjem. Enote z zelo nizko močjo se lahko napajajo z izmeničnim tokom.

Magnetroni lahko delujejo na različnih frekvencah od 0,5 do 100 GHz, z močmi od nekaj W do deset kW v neprekinjenem načinu in od 10 W do 5 MW v impulznem načinu s trajanjem impulza večinoma od frakcij do desetin mikrosekund.

riž. 2. Magnetron v mikrovalovni pečici

Enostavnost naprave in sorazmerno nizki stroški magnetronov v kombinaciji z visoko intenzivnostjo segrevanja in raznoliko uporabo mikrovalovnih tokov odpirajo velike možnosti za njihovo uporabo na različnih področjih industrije, kmetijstva (npr. dielektrične ogrevalne instalacije) in doma (mikrovalovna pečica).

Magnetronsko delovanje

Torej je magnetron električna svetilka posebna zasnova, ki se uporablja za generiranje ultravisokofrekvenčnih nihanj (v območju decimetrskih in centimetrskih valov).Njegova značilnost je uporaba trajnega magnetnega polja (za ustvarjanje potrebnih poti za gibanje elektronov znotraj svetilke), od po kateri je magnetron dobil ime.

Večkomorni magnetron, katerega zamisel je prvi predlagal M. A. Bonch-Bruevich in uresničila sovjetska inženirja D. E. Malyarov in N. F. Alekseev, je kombinacija elektronske cevi z volumskimi resonatorji. V magnetronu je več teh votlih resonatorjev, zato se ta tip imenuje večkomorni ali več votlinski.

Načelo zasnove in delovanja večkomornega magnetrona je naslednje. Anoda naprave je masiven votli valj, v notranji površini katerega so narejene številne votline z luknjami (te votline so volumski resonatorji), katoda se nahaja vzdolž osi valja.

Magnetron je postavljen v trajno magnetno polje, usmerjeno vzdolž osi valja. Na elektrone, ki uhajajo iz katode na strani tega magnetnega polja, vpliva Lorentzova sila, ki ukrivi pot elektronov.

Magnetno polje je izbrano tako, da se večina elektronov giblje po ukrivljenih poteh, ki se ne dotikajo anode. Če se pojavijo kamere naprave (resonatorji votline). električne vibracije (majhna nihanja volumnov se vedno pojavijo iz različnih razlogov, na primer zaradi vklopa anodne napetosti), potem izmenično električno polje obstaja ne samo znotraj komor, ampak tudi zunaj, v bližini lukenj (rež).

Elektroni, ki letijo blizu anode, padejo v ta polja in se v njih, odvisno od smeri polja, pospešijo ali zavirajo. Ko elektrone pospešuje polje, jemljejo energijo resonatorjem, nasprotno, ko so upočasnjeni, predajo del svoje energije resonatorjem.

Če bi bilo število pospešenih in upočasnjenih elektronov enako, potem v povprečju ne bi dali energije resonatorjem. Toda elektroni, ki so upočasnjeni, imajo takrat nižjo hitrost od tiste, ki jo dobijo, ko se premaknejo na anodo. Zato nimajo več dovolj energije za vrnitev na katodo.

Nasprotno, tisti elektroni, ki jih je resonatorsko polje pospešilo, imajo nato večjo energijo od tiste, ki je potrebna za vrnitev na katodo. Zato se bodo elektroni, ki vstopijo v polje prvega resonatorja in se v njem pospešijo, vrnili na katodo, tisti, ki so v njej upočasnjeni, pa se ne bodo vrnili na katodo, ampak se bodo premikali po ukrivljenih poteh blizu anode in padli v polje naslednjih resonatorjev.

Pri primerni hitrosti gibanja (ki je nekako povezana s frekvenco nihanja v resonatorjih) bodo ti elektroni padli v polje drugega resonatorja z enako fazo nihanja v njem kot v polju prvega resonatorja, torej , v polju drugega resonatorja pa se bodo prav tako upočasnile.

Tako ob primerni izbiri hitrosti elektronov, t.j.anodne napetosti (pa tudi magnetnega polja, ki ne spreminja hitrosti elektrona, spreminja pa njegovo smer), je možno doseči tako situacijo, da bo posamezen elektron bodisi pospešil polje samo enega resonatorja, ali upočasnjeno s poljem več resonatorjev.

Zato bodo elektroni resonatorjem v povprečju dali več energije, kot jim je bodo odvzeli, to pomeni, da se bodo nihanja, ki nastajajo v resonatorjih, povečala in sčasoma se bodo v njih vzpostavila nihanja konstantne amplitude.

Proces vzdrževanja nihanj v resonatorjih, ki ga obravnavamo na poenostavljen način, spremlja še en pomemben pojav, saj morajo elektroni, da bi jih upočasnilo polje resonatorja, v določeni fazi nihanja leteti v to polje. resonatorja, očitno je, da se morajo gibati v neenakomernem toku (t. potem bi vstopili v polje resonatorja kadarkoli, ne ob določenih trenutkih, ampak v obliki posameznih snopov.

Za to mora biti celoten tok elektronov podoben zvezdi, v kateri se elektroni gibljejo v ločenih žarkih, cela zvezda kot celota pa se vrti okoli osi magnetrona s tako hitrostjo, da njeni žarki pridejo v vsako komoro pri prave trenutke. Proces tvorbe ločenih žarkov v elektronskem žarku se imenuje fazno fokusiranje in se izvaja samodejno pod vplivom spremenljivega polja resonatorjev.

Sodobni magnetroni so sposobni ustvarjati tresljaje do najvišjih frekvenc v centimetrskem območju (valovi do 1 cm in celo krajši) in oddajati moč do nekaj sto vatov pri neprekinjenem sevanju in več sto kilovatov pri pulznem sevanju.

Poglej tudi:Primeri uporabe trajnih magnetov v elektrotehniki in energetiki