Jak magnetron funguje a funguje

Magnetron - speciální elektronické zařízení, ve kterém se generování ultravysokofrekvenčních oscilací (mikrovlnné oscilace) provádí modulací toku elektronů z hlediska rychlosti. Magnetrony značně rozšířily oblast použití ohřevu vysokofrekvenčními a ultravysokofrekvenčními proudy.

Amplitrony (platinotrony), klystrony a lampy s postupnou vlnou založené na stejném principu jsou méně obvyklé.

Magnetron je nejpokročilejší generátor vysoce výkonných mikrovlnných frekvencí. Je to dobře evakuovaná lampa s elektronovým paprskem řízeným elektrickým a magnetickým polem. 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 elektrony odebrané z vyhřívané katody řítí k anodě.

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 prolétají kolem štěrbin anodových dutinových rezonátorů a v nich budí vysokofrekvenční oscilace.

Rýže. 1. Magnetronový anodový blok

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

Výstupní energie z magnetronu je realizována pomocí indukční smyčky umístěné v jednom nebo častěji dvou sousedních rezonátorech. Koaxiální kabel dodává energii do zátěže.

Rýže. 2. Magnetronové zařízení

Ohřev mikrovlnnými proudy se provádí ve vlnovodech s kruhovým nebo obdélníkovým průřezem nebo v objemových rezonátorech, ve kterých elektromagnetické vlny nejjednodušší formy TE10 (H10) (ve vlnovodech) nebo TE101 (v dutinových rezonátorech). Vytápění lze také provádět vysíláním elektromagnetické vlny do topného předmětu.

Magnetrony jsou napájeny usměrněným proudem se zjednodušeným obvodem usměrňovače. Jednotky s velmi nízkým výkonem mohou být napájeny střídavým proudem.

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

Rýže. 2. Magnetron v mikrovlnné troubě

Jednoduchost zařízení a relativně nízká cena magnetronů v kombinaci s vysokou intenzitou ohřevu a rozmanitými aplikacemi mikrovlnných proudů otevírají velké vyhlídky pro jejich využití v různých oblastech průmyslu, zemědělství (např. dielektrická topná zařízení) a doma (mikrovlnná trouba).

Provoz magnetronu

Takže je to magnetron elektrická lampa speciální konstrukce sloužící ke generování ultravysokofrekvenčních kmitů (v rozsahu decimetrových a centimetrových vln) Její charakteristikou je využití permanentního magnetického pole (k vytvoření potřebných drah pro pohyb elektronů uvnitř výbojky), od který magnetron dostal 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 objemovými rezonátory. V magnetronu je několik těchto dutinových rezonátorů, proto se tento typ nazývá vícekomorový nebo vícedutinový.

Princip konstrukce a funkce 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 permanentním magnetickém poli směrovaném podél osy válce. Elektrony unikající z katody na straně tohoto magnetického pole jsou ovlivněny o Lorentzova síla, který ohýbá dráhu elektronů.

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

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

Pokud by byl počet urychlených a zpomalených elektronů stejný, pak by v průměru nedávaly energii rezonátorům. Ale elektrony, které jsou zpomalené, pak mají nižší rychlost, než jakou získají při pohybu k anodě. Proto již nemají dostatek energie na návrat ke katodě.

Naopak ty elektrony, které byly urychleny polem rezonátoru, pak mají energii větší, než je potřeba k návratu ke katodě. Proto elektrony, které vstoupí do pole prvního rezonátoru a jsou v něm urychleny, se vrátí ke katodě a ty, které jsou v ní zpomaleny, se nevrátí ke katodě, ale budou se pohybovat po zakřivených drahách v blízkosti anody a padat do oblasti následujících rezonátorů.

Při vhodné rychlosti pohybu (která nějak souvisí s frekvencí kmitů v rezonátorech) budou tyto elektrony dopadat do pole druhého rezonátoru se stejnou fází kmitů v něm jako v poli prvního rezonátoru. , v poli druhého rezonátoru také zpomalí.

Tedy při vhodné volbě rychlosti elektronů, tzn.anodového napětí (i magnetického pole, které nemění rychlost elektronu, ale mění jeho směr), lze dosáhnout takové situace, že jednotlivý elektron bude buď urychlován polem pouze jednoho rezonátoru, nebo zpomalené polem několika rezonátorů.

Elektrony tedy v průměru dodají rezonátorům více energie, než jim odeberou, to znamená, že oscilace, které se v rezonátorech vyskytují, se zvýší a případně v nich vzniknou oscilace konstantní amplitudy.

Námi zjednodušeně uvažovaný proces udržování kmitů v rezonátorech provází ještě jeden důležitý jev, neboť elektrony, aby byly polem rezonátoru zpomaleny, musí do tohoto pole v určité fázi kmitání vlétnout. rezonátoru, zjevně je, že se musí pohybovat v nerovnoměrném toku (t. pak by vstoupily do pole rezonátoru kdykoli, nikoli v určitých časech, ale ve formě jednotlivých svazků.

K tomu musí být celý proud elektronů jako hvězda, ve které se elektrony pohybují uvnitř v samostatných paprscích a celá hvězda jako celek rotuje kolem osy magnetronu takovou rychlostí, že její paprsky přicházejí do každé komory rychlostí ty správné okamžiky. Proces tvorby samostatných paprsků v elektronovém paprsku se nazývá fázové fokusování a probíhá automaticky při působení proměnného pole rezonátorů.

Moderní magnetrony jsou schopny vytvářet vibrace 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.

Viz také:Příklady použití permanentních magnetů v elektrotechnice a energetice