Kuinka magnetroni toimii ja toimii

Magnetron - erityinen elektroninen laite, jossa ultrakorkeataajuisten värähtelyjen (mikroaaltovärähtelyjen) generointi suoritetaan moduloimalla elektronien virtausta nopeuden suhteen. Magnetronit ovat laajentaneet suuresti korkea- ja ultrakorkeataajuisilla virroilla lämmityksen sovellusaluetta.

Samaan periaatteeseen perustuvat amplitronit (platinotronit), klystronit ja liikkuvan aallon lamput ovat harvinaisempia.

Magnetroni on edistyksellisin suuritehoisten mikroaaltotaajuuksien generaattori. Se on hyvin tyhjennetty lamppu, jonka elektronisäde ohjataan sähkö- ja magneettikentällä. Niiden avulla on mahdollista saada erittäin lyhyitä aaltoja (sentin murto-osaan asti) merkittävillä tehoilla.

Magnetronit käyttävät elektronien liikettä keskenään kohtisuorassa sähkö- ja magneettikentissä, jotka syntyvät katodin ja anodin väliseen rengasmaiseen rakoon. Elektrodien väliin kohdistetaan anodinen jännite, joka luo säteittäisen sähkökentän, jonka vaikutuksesta kuumennetusta katodista poistuneet elektronit ryntäävät anodille.

Anodilohko sijoitetaan sähkömagneetin napojen väliin, mikä luo magneettikentän magnetronin akselia pitkin suuntautuvaan rengasmaiseen rakoon. Magneettikentän vaikutuksesta elektroni poikkeaa säteen suunnasta ja liikkuu monimutkaista spiraalirataa pitkin. Katodin ja anodin väliseen tilaan muodostuu pyörivä elektronipilvi kielekkeineen, joka muistuttaa pinnoilla varustetun pyörän napaa. Lentäessään anodionteloresonaattorien rakojen ohi elektronit herättävät niissä suurtaajuisia värähtelyjä.

Riisi. 1. Magnetronianodilohko

Jokainen onteloresonaattori on värähtelevä järjestelmä, jolla on hajautetut parametrit. Sähkökenttä on keskittynyt rakoihin ja magneettikenttä on keskittynyt ontelon sisään.

Magnetronin lähtöenergia toteutetaan yhteen tai useammin kahteen vierekkäiseen resonaattoriin sijoitetun induktiivisen silmukan avulla. Koaksiaalikaapeli antaa virran kuormalle.

Riisi. 2. Magnetronilaite

Mikroaaltovirroilla lämmitys suoritetaan aaltoputkissa, joiden poikkileikkaus on pyöreä tai suorakaiteen muotoinen tai tilavuusresonaattoreissa, joissa elektromagneettiset aallot yksinkertaisimmat muodot TE10 (H10) (aaltoputkissa) tai TE101 (onteloresonaattoreissa). Lämmitys voidaan tehdä myös lähettämällä sähkömagneettista aaltoa lämmityskohteeseen.

Magnetronit saavat virtaa tasasuuntautuneesta virrasta yksinkertaistetulla tasasuuntauspiirillä. Erittäin pienitehoiset yksiköt voivat olla vaihtovirtalähteitä.

Magnetronit voivat toimia eri taajuuksilla 0,5 - 100 GHz, teholla muutamasta watista kymmeniin kW jatkuvassa tilassa ja 10 W - 5 MW pulssitilassa pulssien kestoilla pääosin murto-osista kymmeniin mikrosekunteihin.

Riisi. 2. Magnetron mikroaaltouunissa

Laitteen yksinkertaisuus ja magnetronien suhteellisen alhaiset kustannukset yhdistettynä korkeaan lämmitystehoon ja erilaisiin mikroaaltovirtojen sovelluksiin avaavat suuria mahdollisuuksia niiden käyttöön teollisuuden eri aloilla, maataloudessa (esim. dielektriset lämmitysasennukset) ja kotona (mikroaaltouuni).

Magnetronin toiminta

Se on siis magnetroni sähköinen lamppu erikoisrakenne, jota käytetään tuottamaan ultrakorkeataajuisia värähtelyjä (desimetri- ja senttimetriaaltojen alueella), jonka ominaispiirteenä on pysyvän magneettikentän käyttö (luomaan tarvittavat polut elektronien liikkumiseen lampun sisällä), alkaen josta magnetroni sai nimensä.

Monikammioinen magnetroni, jonka idean ensimmäisenä ehdotti M. A. Bonch-Bruevich ja jonka toteuttivat Neuvostoliiton insinöörit D. E. Malyarov ja N. F. Alekseev, on yhdistelmä elektroniputkea tilavuusresonaattoreiden kanssa. Magnetronissa on useita tällaisia ​​onteloresonaattoreita, minkä vuoksi tätä tyyppiä kutsutaan monikammioiseksi tai monionteloksi.

Monikammiomagnetronin suunnittelun ja toiminnan periaate on seuraava. Laitteen anodi on massiivinen ontto sylinteri, jonka sisäpintaan on tehty useita reikiä (nämä ontelot ovat tilavuusresonaattoreita), katodi sijaitsee sylinterin akselia pitkin.

Magnetroni asetetaan pysyvään magneettikenttään, joka on suunnattu sylinterin akselia pitkin. Tämän magneettikentän puolella katodista pakeneviin elektroneihin vaikuttaa Lorentzin voima, joka taittaa elektronien polkua.

Magneettikenttä valitaan siten, että suurin osa elektroneista liikkuu kaarevia polkuja pitkin, jotka eivät kosketa anodia. Jos laitteen kamerat (onteloresonaattorit) tulevat näkyviin sähköiset värähtelyt (pieniä tilavuuksien vaihteluita esiintyy aina eri syistä, esimerkiksi anodijännitteen kytkemisen seurauksena), silloin vaihtuva sähkökenttä ei ole vain kammioiden sisällä, vaan myös ulkopuolella, lähellä reikiä (rakoja).

Anodin lähellä lentävät elektronit putoavat näihin kenttiin ja kentän suunnasta riippuen joko kiihtyvät tai hidastuvat niissä. Kun elektroneja kiihdytetään kentällä, ne ottavat energiaa resonaattoreista, päinvastoin, kun niitä hidastetaan, ne luovuttavat osan energiastaan ​​resonaattoreille.

Jos kiihtyneiden ja hidastuneiden elektronien lukumäärä olisi sama, ne eivät keskimäärin antaisi energiaa resonaattoreille. Mutta elektroneilla, jotka ovat hidastuneet, on sitten pienempi nopeus kuin mitä he saavat siirtyessään anodille. Siksi niillä ei enää ole tarpeeksi energiaa palata katodille.

Päinvastoin, niillä elektroneilla, joita resonaattorikenttä kiihdytti, on silloin enemmän energiaa kuin se, joka tarvitaan palatakseen katodille. Siksi elektronit, jotka saapuvat ensimmäisen resonaattorin kenttään, kiihtyvät siinä, palaavat katodille, ja ne, jotka ovat hidastuneet, eivät palaa katodille, vaan liikkuvat kaarevia polkuja pitkin anodin lähellä ja putoavat. seuraavien resonaattoreiden kenttään.

Sopivalla liikenopeudella (joka liittyy jotenkin resonaattorien värähtelytaajuuteen) nämä elektronit putoavat toisen resonaattorin kenttään, jossa on sama värähtelyvaihe kuin ensimmäisen resonaattorin kentässä, joten , toisen resonaattorin alalla ne myös hidastuvat.

Siten sopivalla elektroninnopeuden valinnalla, ts.anodijännitteellä (sekä magneettikentällä, joka ei muuta elektronin nopeutta, mutta muuttaa sen suuntaa), on mahdollista saavuttaa sellainen tilanne, että yksittäistä elektronia joko kiihdyttää vain yhden resonaattorin kenttä, tai useiden resonaattoreiden kenttä hidastaa.

Siksi elektronit antavat resonaattoreille keskimäärin enemmän energiaa kuin ne ottavat niistä pois, eli resonaattoreissa esiintyvät värähtelyt lisääntyvät ja lopulta niihin muodostuu vakioamplitudisia värähtelyjä.

Yksinkertaistetusti katsomamme resonaattoreiden värähtelyjen ylläpitoprosessiin liittyy toinen tärkeä ilmiö, koska elektronien täytyy lentää tähän kenttään tietyssä värähtelyvaiheessa, jotta ne hidastuvat resonaattorin kentän vaikutuksesta. resonaattorista on tietysti se, että niiden täytyy liikkua epätasaisessa virtauksessa (t. silloin ne tulisivat resonaattorikenttään milloin tahansa, ei tiettyinä aikoina, vaan yksittäisinä nippuina.

Tätä varten koko elektronivirran on oltava kuin tähti, jossa elektronit liikkuvat sisällä erillisinä säteinä ja koko tähti kokonaisuudessaan pyörii magnetronin akselin ympäri sellaisella nopeudella, että sen säteet tulevat jokaiseen kammioon oikeat hetket. Erillisten säteiden muodostusprosessia elektronisuihkussa kutsutaan vaihefokusoitukseksi ja se tapahtuu automaattisesti resonaattorien muuttuvan kentän vaikutuksesta.

Nykyaikaiset magnetronit pystyvät luomaan värähtelyjä jopa korkeimmilla taajuuksilla senttimetrialueella (aallot jopa 1 cm ja jopa lyhyemmät) ja tuottamaan jopa useita satoja watteja jatkuvalla säteilyllä ja useita satoja kilowatteja pulssisäteilyllä.

Katso myös:Esimerkkejä kestomagneettien käytöstä sähkötekniikassa ja energiateollisuudessa