Ako magnetrón funguje a funguje

Magnetrón - špeciálne elektronické zariadenie, v ktorom sa generovanie ultravysokofrekvenčných oscilácií (mikrovlnné oscilácie) uskutočňuje moduláciou toku elektrónov z hľadiska rýchlosti. Magnetróny výrazne rozšírili oblasť použitia vykurovania vysoko a ultravysokofrekvenčnými prúdmi.

Amplitróny (platinotróny), klystróny a lampy s postupnou vlnou založené na rovnakom princípe sú menej bežné.

Magnetrón je najpokročilejší generátor vysokovýkonných mikrovlnných frekvencií. Je to dobre evakuovaná lampa s elektrónovým lúčom riadeným elektrickým a magnetickým poľom. Umožňujú získať veľmi krátke vlny (až do zlomkov centimetra) pri významných výkonoch.

Magnetróny využívajú pohyb elektrónov vo vzájomne kolmých elektrických a magnetických poliach vytvorených v prstencovej medzere medzi katódou a anódou. Medzi elektródami je aplikované anódové napätie, ktoré vytvára radiálne elektrické pole, pod vplyvom ktorého sa elektróny odstránené z vyhrievanej katódy vrhajú na anódu.

Anódový blok je umiestnený medzi pólmi elektromagnetu, ktorý vytvára magnetické pole v prstencovej medzere smerujúcej pozdĺž osi magnetrónu. Pod vplyvom magnetického poľa sa elektrón odchyľuje od radiálneho smeru a pohybuje sa po zložitej špirálovej trajektórii. V priestore medzi katódou a anódou vzniká rotujúci elektrónový oblak s jazýčkami, ktorý pripomína náboj kolesa s lúčmi. Elektróny, ktoré lietajú okolo štrbín rezonátorov anódovej dutiny, v nich vybudia vysokofrekvenčné oscilácie.

Ryža. 1. Magnetrónový anódový blok

Každý z dutinových rezonátorov je oscilačný systém s rozloženými parametrami. Elektrické pole je sústredené v štrbinách a magnetické pole je sústredené vo vnútri dutiny.

Výstupná energia z magnetrónu je realizovaná pomocou indukčnej slučky umiestnenej v jednom alebo častejšie dvoch susedných rezonátoroch. Koaxiálny kábel dodáva energiu do záťaže.

Ryža. 2. Magnetrónový prístroj

Ohrev mikrovlnnými prúdmi sa vykonáva vo vlnovodov s kruhovým alebo pravouhlým prierezom alebo v objemových rezonátoroch, v ktorých elektromagnetické vlny najjednoduchšie formy TE10 (H10) (vo vlnovodoch) alebo TE101 (v dutinových rezonátoroch). Ohrev je možné vykonať aj vyžarovaním elektromagnetickej vlny do vykurovacieho objektu.

Magnetróny sú napájané usmerneným prúdom so zjednodušeným obvodom usmerňovača. Jednotky s veľmi nízkym výkonom môžu byť napájané striedavým prúdom.

Magnetróny môžu pracovať na rôznych frekvenciách od 0,5 do 100 GHz, s výkonmi od niekoľkých W do desiatok kW v nepretržitom režime a od 10 W do 5 MW v pulznom režime s trvaním impulzov prevažne od zlomkov po desiatky mikrosekúnd.

Ryža. 2. Magnetrón v mikrovlnnej rúre

Jednoduchosť zariadenia a relatívne nízka cena magnetrónov v kombinácii s vysokou intenzitou ohrevu a rôznorodými aplikáciami mikrovlnných prúdov otvárajú veľké vyhliadky na ich využitie v rôznych oblastiach priemyslu, poľnohospodárstva (napr. dielektrické vykurovacie zariadenia) a doma (mikrovlnná rúra).

Prevádzka magnetrónu

Takže je to magnetrón elektrická lampa špeciálna konštrukcia slúžiaca na generovanie ultravysokofrekvenčných oscilácií (v rozsahu decimetrových a centimetrových vĺn) Jeho charakteristikou je využitie permanentného magnetického poľa (na vytvorenie potrebných dráh pre pohyb elektrónov vo vnútri výbojky), od r. ktorý magnetrón dostal svoje meno.

Viackomorový magnetrón, ktorého myšlienku prvýkrát navrhol M. A. Bonch-Bruevich a realizovali sovietski inžinieri D. E. Malyarov a N. F. Alekseev, je kombináciou elektrónovej trubice s objemovými rezonátormi. Týchto dutinových rezonátorov je v magnetróne niekoľko, preto sa tento typ nazýva viackomorový alebo viacdutinový.

Princíp konštrukcie a činnosti viackomorového magnetrónu je nasledovný. Anóda zariadenia je masívny dutý valec, v ktorého vnútornom povrchu je vytvorených množstvo dutín s otvormi (tieto dutiny sú objemové rezonátory), katóda je umiestnená pozdĺž osi valca.

Magnetrón je umiestnený v permanentnom magnetickom poli nasmerovanom pozdĺž osi valca. Elektróny unikajúce z katódy na strane tohto magnetického poľa sú ovplyvnené o Lorentzova sila, ktorý ohýba dráhu elektrónov.

Magnetické pole je zvolené tak, aby sa väčšina elektrónov pohybovala po zakrivených dráhach, ktoré sa nedotýkajú anódy. Ak sa objavia kamery zariadenia (dutinové rezonátory). elektrické vibrácie (malé kolísanie objemov sa vyskytuje vždy z rôznych dôvodov, napr. v dôsledku zapnutia anódového napätia), potom existuje striedavé elektrické pole nielen vo vnútri komôr, ale aj vonku, v blízkosti otvorov (štrbín).

Elektróny letiace v blízkosti anódy dopadajú do týchto polí a v závislosti od smeru poľa sa v nich buď zrýchľujú alebo spomaľujú. Keď sú elektróny urýchľované poľom, odoberajú energiu rezonátorom, naopak, keď sú spomalené, časť svojej energie odovzdávajú rezonátorom.

Ak by bol počet zrýchlených a spomalených elektrónov rovnaký, potom by v priemere nedávali energiu rezonátorom. Ale elektróny, ktoré sú spomalené, majú potom nižšiu rýchlosť, než akú dostanú pri prechode na anódu. Preto už nemajú dostatok energie na návrat na katódu.

Naopak, tie elektróny, ktoré boli urýchlené poľom rezonátora, potom majú energiu väčšiu, než je potrebná na návrat ku katóde. Preto elektróny, ktoré vstupujú do poľa prvého rezonátora a sú v ňom zrýchlené, sa vrátia na katódu a tie, ktoré sú v nej spomalené, sa nevrátia ku katóde, ale budú sa pohybovať po zakrivených dráhach v blízkosti anódy a padať do poľa nasledujúcich rezonátorov.

Pri vhodnej rýchlosti pohybu (ktorá nejako súvisí s frekvenciou kmitov v rezonátoroch) budú tieto elektróny padať do poľa druhého rezonátora s rovnakou fázou kmitov v ňom ako v poli prvého rezonátora, preto , v poli druhého rezonátora , tiež spomalia.

Teda pri vhodnom výbere rýchlosti elektrónu, t.j.anódového napätia (ako aj magnetického poľa, ktoré nemení rýchlosť elektrónu, ale mení jeho smer), je možné dosiahnuť takú situáciu, že jednotlivý elektrón bude buď urýchľovaný poľom iba jedného rezonátora, resp. alebo spomalené poľom niekoľkých rezonátorov.

Elektróny teda v priemere dodajú rezonátorom viac energie, ako im odoberú, to znamená, že kmity, ktoré sa v rezonátoroch vyskytujú, sa zvýšia a prípadne v nich vzniknú kmity konštantnej amplitúdy.

Nami zjednodušene uvažovaný proces udržiavania kmitov v rezonátoroch je sprevádzaný ďalším dôležitým javom, pretože elektróny, aby boli spomalené poľom rezonátora, musia v určitej fáze kmitania vletieť do tohto poľa. rezonátora, je zrejmé, že sa musia pohybovať v nerovnomernom prúdení (t. potom by vstúpili do poľa rezonátora kedykoľvek, nie v určitých časoch, ale vo forme jednotlivých zväzkov.

Na to musí byť celý prúd elektrónov ako hviezda, v ktorej sa elektróny pohybujú vo vnútri v samostatných lúčoch a celá hviezda sa ako celok otáča okolo osi magnetrónu takou rýchlosťou, že jej lúče prichádzajú do každej komory rýchlosťou tie správne chvíle. Proces vytvárania samostatných lúčov v elektrónovom lúči sa nazýva fázové zaostrovanie a prebieha automaticky pri pôsobení premenlivého poľa rezonátorov.

Moderné magnetróny sú schopné vytvárať vibrácie až do najvyšších frekvencií v rozsahu centimetrov (vlny do 1 cm a ešte kratšie) a dodávať výkon až niekoľko stoviek wattov pri nepretržitom žiarení a niekoľko stoviek kilowattov pri pulznom žiarení.

Pozri tiež:Príklady využitia permanentných magnetov v elektrotechnike a energetike