Magnetron

Magnetron  je elektronické elektrovakuové zařízení, jehož velikost proudu je řízena elektrickým a magnetickým polem. Speciálním případem realizace zařízení (které se stalo prakticky jediným) je varianta s realizací anodového bloku ve formě rezonátorových struktur. Tato konstrukce dává magnetronu schopnost generovat mikrovlnné záření , když tok elektronů interaguje s elektrickou složkou mikrovlnného pole v prostoru, kde je konstantní magnetické pole kolmé na konstantní elektrické pole [1] .

Historie

V roce 1912 švýcarský fyzik Heinrich Greinacher studoval způsoby měření hmotnosti elektronu . V jeho nastavení byla elektrovakuová dioda s válcovou anodou kolem válcové katody umístěna do solenoidu vytvářejícího magnetické pole . Nepodařilo se mu změřit hmotnost elektronu kvůli problémům se získáním dostatečně vysokého vakua v lampě, ale v průběhu své práce vyvinul matematické modely pohybu elektronů ve zkřížených elektrických a magnetických polích [2] [3] .

Albert Hull (USA) použil svá data při pokusech obejít patenty Western Electric na elektrovakuovou triodu . Hull plánoval použít měnící se magnetické pole místo konstantního elektrického pole k řízení toku elektronů mezi katodou a anodou. V General Electric Research Laboratories ( Schenectady, New York ), Hull vytvořil lampy, které řídily proud změnou poměru magnetického a elektrického pole. V roce 1921 navrhl termín „magnetron“, publikoval několik článků o jejich zařízení a získal patenty [4] . Hullův magnetron nebyl navržen tak, aby produkoval vysokofrekvenční elektromagnetické vlny.

V roce 1924 československý fyzik A. Zachek [5] a německý fyzik Erich Haban ( německy  Erich Habann , Univerzita v Jeně ) nezávisle na sobě objevili možnost generování decimetrových vln magnetronem (na frekvencích 100 MHz - 1 GHz).

Ve 20. letech se výzkumem v oblasti generování mikrovlnných oscilací pomocí magnetických polí zabývali také A. A. Slutskin a D. S. Shteinberg (1926–1929, SSSR), K. Okabe a H. Yagi (1928–1929, Japonsko), I. Ranzi (1929, Itálie).

Provozní magnetronové generátory vznikly nezávisle a téměř současně ve třech zemích: v Československu (Zhachek, 1924), v SSSR (A. A. Slutskin a D. S. Steinberg, 1925), v Japonsku (Okabe a Yagi, 1927).

V letech 1936-1937 byl výkon magnetronových generátorů několikrát zvýšen (až na stovky wattů při vlnové délce 9 cm) použitím vícedutinového magnetronu, sestávajícího z masivní měděné anody s několika rezonátorovými dutinami a nuceným chlazením ( M. A. Bonch- Bruevich , N. F. Alekseev , D. E. Malyarov) [6] [7] .

Francouzský vědec Maurice Pont se zaměstnanci pařížské společnosti „CSF“ v roce 1935 vytvořil elektronickou lampu s wolframovou katodou obklopenou segmenty rezonátorové anody . Byl to předchůdce magnetronů rezonátorové komory.

Konstrukce Alekseev-Malyarovova multidutinového magnetronu, který poskytuje 300wattový výstupní výkon na vlnové délce 10 centimetrů, vytvořená v letech 1936-1939, se do povědomí světové komunity dostala díky publikaci z roku 1940 [8] .

Vynález multidutinového magnetronu Alekseev-Malyarov byl způsoben potřebami radaru. Radarové práce byly v SSSR zahájeny téměř současně se začátkem radarových prací v Anglii a USA. Podle zahraničních autorů pokročil SSSR v těchto dílech do začátku roku 1934 více než USA a Anglie [9] .

V roce 1940 britští fyzici John Randall a Harry Boot vynalezli rezonanční magnetron [10] .  Nový magnetron generoval vysoce výkonné pulsy, které umožnily vyvinout radar s centimetrovým dosahem . Radar s kratší vlnovou délkou umožnil detekovat menší objekty [11] . Kompaktní velikost magnetronu navíc vedla ke zmenšení rozměrů radarového zařízení [12] , což umožnilo jeho instalaci do letadel [13] .

V roce 1949 v USA inženýři D. Wilbur a F. Peters vyvinuli metody pro změnu frekvence magnetronu pomocí řízení napětí (zařízení se nazývalo „mitron“ - mitron ) [14] [15] .

Od 60. let 20. století se magnetrony používají v mikrovlnných troubách pro domácí použití [16] .

Charakteristika

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 od zlomků po desítky mikrosekund.

Magnetrony mají vysokou účinnost , dosahující 80 %.

Existují magnetrony jak frekvenčně neladitelné, tak laditelné v úzkém frekvenčním rozsahu (obvykle relativní ladění je menší než 10 %). Pro pomalé ladění frekvence se používají mechanismy s ručním ovládáním, pro rychlé (až několik tisíc ladění za sekundu) - rotační a vibrační zařízení.

Magnetrony jako mikrovlnné generátory jsou široce používány v moderní radarové technologii, i když začínají být nahrazovány aktivními fázovanými anténními soustavami a v mikrovlnných troubách.

Od roku 2017 je magnetron posledním typem sériově vyráběného elektronického elektrovakuového zařízení po omezení sériové výroby kineskopů na začátku roku 2010.

Konstrukce

Rezonanční magnetron se skládá z anodového bloku, což je zpravidla silnostěnný kovový válec s dutinami vyříznutými do stěn, které fungují jako dutinové rezonátory . Rezonátory tvoří prstencový oscilační systém . Ve středu anodového bloku je umístěna válcová katoda . Uvnitř nepřímo žhavené katody je ohřívač. Magnetické pole rovnoběžné s osou zařízení je vytvářeno vnějšími permanentními magnety nebo elektromagnetem.

Pro výstup mikrovlnné energie se zpravidla používá drátová smyčka - komunikační smyčka umístěná v jednom z rezonátorů nebo otvor mezi jedním z rezonátorů a vnějším povrchem anodového bloku.

Magnetronové rezonátory tvoří prstencový oscilační systém, v blízkosti štěrbinových štěrbin rezonátorů dochází k interakci toku elektronů a elektromagnetického pole. Vzhledem k tomu, že tento systém je v důsledku prstencové struktury uzavřený do sebe, může být vybuzen pouze v určitých oscilačních režimech, z nichž -mód má primární význam . Mezi několika rezonančními frekvencemi soustavy (u N rezonátorů v soustavě existence libovolného celočíselného počtu stojatých vln v rozsahu od 1 do N / 2) se nejčastěji používá - mód, ve kterém se fáze v sousedních rezonátorech liší o . Pokud jsou v blízkosti rezonanční pracovní frekvence jiné rezonanční frekvence (blíže než 10 %), jsou možné frekvenční skoky a nestabilní provoz zařízení. Aby se takovým efektům zabránilo u magnetronů se stejnými rezonátory, lze do nich zavést různé spojky nebo použít magnetrony s různými velikostmi rezonátorů (sudé rezonátory - s jednou velikostí, liché - s jinou).

Jednotlivé modely magnetronů mohou mít různou konstrukci. Rezonátorový systém je tedy vyroben ve formě rezonátorů několika typů: štěrbinový, lopatkový, štěrbinový atd.

Jak to funguje

Elektrony jsou emitovány z válcové katody do interakčního prostoru, kde na ně působí konstantní elektrostatické pole anoda-katoda, konstantní magnetické pole, jehož vektor síly je kolmý na vektor síly elektrostatického pole, a pole elektromagnetického pole. mávat.

Pokud by neexistovalo elektromagnetické vlnové pole, elektrony by se pohybovaly ve zkřížených elektrických a magnetických polích podél epicykloidů (křivka, která popisuje bod na kružnici valící se po vnějším povrchu kružnice o větším průměru, ve specifickém případě po vnějším povrchu katoda). Při dostatečně silném magnetickém poli (rovnoběžném s osou magnetronu) se elektron pohybující se po této křivce nemůže dostat k anodě (v důsledku Lorentzovy síly , která na něj působí ze strany tohoto magnetického pole ) a vrací se zpět ke katodě, zatímco říkají, že došlo k „magnetickému uzamčení diody“. V režimu magnetického zamykání se některé elektrony pohybují podél epicykloidů v prostoru anoda-katoda. Působením vlastního pole elektronů a také statistickými efekty ( šum výstřelu ) vznikají v tomto elektronovém oblaku nestability, které vedou ke vzniku elektromagnetických oscilací v rezonátorových dutinách anody, tyto oscilace jsou zesíleny v rezonátory. Elektrické pole vznikající elektromagnetické vlny může elektrony zpomalit nebo zrychlit. Pokud je elektron urychlován vlnovým polem, pak se poloměr jeho cyklotronového pohybu zvětšuje a je vychylován směrem ke katodě. V tomto případě se energie přenáší z vlny na elektron. Pokud je elektron zpomalen vlnovým polem, jeho energie se přenese na vlnu, zatímco cyklotronový poloměr elektronu se zmenšuje, střed rotačního kruhu se posune blíže k anodě a může dosáhnout anody.

Protože elektrické pole anoda-katoda působí kladně pouze tehdy, když elektron dosáhne anodu, energie se vždy přenáší primárně z elektronů na elektromagnetickou vlnu. Pokud se však rychlost rotace elektronů kolem katody neshoduje s fázovou rychlostí elektromagnetické vlny podél rezonátorů, bude stejný elektron vlnou střídavě urychlován a zpomalován, v důsledku čehož se účinnost přenosu energie elektronů sníží. k vlně bude malá. Pokud se průměrná rychlost rotace elektronu kolem katody shoduje s fázovou rychlostí vlny, elektron se dostane do zpomalovacího pole poblíž všech štěrbin rezonátorů a přenos energie z elektronu na vlnu je nejúčinnější. Takové elektrony jsou seskupeny do shluků (tzv. "paprsků"), rotují spolu s polem kolem katody a dochází k autofázování elektronových shluků. Vícenásobná interakce elektronů s mikrovlnným polem a autofázování v magnetronu během několika období poskytují vysokou účinnost a vysoký výstupní výkon.

Aplikace

V radarových zařízeních je vlnovod připojen k anténě, kterou může být buď štěrbinový vlnovod, nebo kónický horn přívod spárovaný s parabolickým reflektorem (tzv. „miska“). Magnetron je poháněn krátkými, vysoce intenzivními pulsy aplikovaného napětí, což má za následek krátký puls mikrovlnné energie vyzařovaný do prostoru . Malá část této energie se odráží od radarového objektu zpět k anténě, vstupuje do vlnovodu, kterým je směrována k citlivému přijímači. Po dalším zpracování signálu se nakonec objeví na katodové trubici (CRT) jako radarová mapa A1.

V mikrovlnných troubách je vlnovod zakončen otvorem pokrytým deskou, která je pro mikrovlnné záření propustná a jde přímo do varné komory.

Je důležité, aby jídlo, které se má vařit, bylo v troubě, když je v provozu. Pak jsou v nich mikrovlny absorbovány a neodrážejí se od stěn komory zpět do vlnovodu. Výsledná stojatá vlna může způsobit elektrický průraz vzduchu a jiskření. Delší jiskření může magnetron poškodit. Pokud se v mikrovlnné troubě vaří malé množství jídla, doporučuje se vložit do trouby také sklenici vody, která absorbuje mikrovlny a sníží je na úroveň bez jisker, aby se zabránilo jiskření.

Zdravotní rizika

Alespoň jedno zdravotní riziko je dobře známé a zdokumentované. Pokud čočka nemá chladicí průtok krve, je zvláště náchylná k přehřátí vlivem mikrovlnného záření. Takové zahřívání zase může vést k vyššímu výskytu katarakty později v životě [17] .

Existuje také značné riziko úrazu elektrickým proudem, protože magnetrony vyžadují k provozu vysokonapěťový zdroj energie. Některé magnetrony mají keramické izolátory z oxidu beryllitého , které jsou nebezpečné při rozbití, vdechnutí nebo spolknutí. Jednorázová nebo chronická expozice může vést k nevyléčitelné plicní chorobě zvané beryllióza . Kromě toho je berylium IARC uvedeno jako potvrzený lidský karcinogen ; proto rozbité keramické izolátory nebo magnetrony nelze přímo kontaktovat.

Všechny magnetrony obsahují ve vláknu malé množství thoria smíchaného s wolframem. Přestože se jedná o radioaktivní kov, riziko rakoviny je nízké, protože se při běžném používání nikdy nedostane do ovzduší. Pouze pokud je nit z magnetronu vyjmuta, rozdrcena a vdechnuta, může být pro člověka nebezpečná [18] [19] [20] .

Poznámky

  1. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 353.
  2. ↑ H. Greinacher (1912) "Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m" Archivováno 8. března 2021 na Wayback Machine  (německy) (Na přístroji pro stanovení e/m),  Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft , 18564 —864.
  3. ↑ "Invention of Magnetron" Archivováno 23. prosince 2017 na Wayback Machine  .
  4. ↑ Albert W. Hull (1921) „Efekt jednotného magnetického pole na pohyb elektronů mezi koaxiálními válci“ Archivováno 5. dubna 2016 na Wayback Machine , Physical Review , 18 (1): 31-57 . Viz také: Albert W. Hull, "The magnetron", Journal of the American Institute of Electrical Engineers , sv. 40, č. 9, str. 715-723 (září 1921).
  5. ↑ Životopisné informace o Augustu Žáčkovi:
    • RH Furth, nekrolog: "Prof. August Začek, Příroda , sv. 193, č.p. 4816, str. 625 (1962).
    • „Sedmdesáté narozeniny prof. Dr. August Žáček", Czechoslovak Journal of Physics , sv. 6, č. 2, str. 204-205 (1956). Dostupné on-line na: Metapress.com Archivováno 12. března 2012 na Wayback Machine .
  6. ↑ Mouromtseeff J. E. Proc. Natl.-Electr. Conf., 1945, č. 33, s. 229-233.
  7. ↑ M. M. Lobanov. Rozšiřování výzkumu v oblasti detekce rádia . Vývoj sovětské radarové technologie . Získáno 27. ledna 2016. Archivováno z originálu dne 4. března 2016.
  8. ↑ Alexeev N. F., Malyarov D. E. Získání silných vibrací magnetronů v centimetrovém rozsahu vlnových délek // Magazine of Technical Physics. 1940 sv. 10. Ne. 15, str. 1297-1300.
  9. ↑ Brown, Louis. Radarová historie druhé světové války. Technické a vojenské imperativy. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9 .
  10. ↑ Magnetron . Univerzita v Bournemouthu (1995-2009). Získáno 23. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 23. srpna 2011.
  11. ↑ Perpya Ya. Z. Jak funguje radar. Oborongiz, 1955.
  12. ↑ Schroter, B. Jak důležitá byla Tizardova krabička triků?  (neopr.)  // Imperiální inženýr. - 2008. - Jaro ( vol. 8 ). - S. 10 .
  13. ↑ Kdo byl Alan Dower Blumlein? (nedostupný odkaz) . Dora Media Productions (1999-2007) Získáno 23. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 23. srpna 2011. 
  14. ↑ The Mitron-An Interdigital Voltage-Tunable Magnetron Archived 5. února 2016 na Wayback Machine / Proceedings of the IRE (Volume: 43, Issue: 3, 1955) Str. 332-338, doi:10.1109/JRPROC.1955.278140 .
  15. ↑ 62. Mitrons Archived 3. února 2016 na Wayback Machine  (anglicky) / V. N. Shevchik, Fundamentals of Microwave Electronics: International Series of Monographs on Electronics and Instrumentation, Elsevier, 2014 ISBN 978-1-4831-9476-9 . 239.
  16. ↑ V. Kolyada. Zkrocení neviditelní. Vše o mikrovlnných troubách _
  17. ↑ Lipman, R.M.; BJ Tripathi; R. C. Tripathi (1988). „Šedý zákal způsobený mikrovlnným a ionizujícím zářením“. Průzkum oftalmologie . 33 (3): 200-210. DOI : 10.1016/0039-6257(88)90088-4 . OSTI 6071133  . PMID 3068822 . 
  18. ↑ Doma - ANSTO . www.ansto.gov.au . Australská organizace pro jadernou vědu a technologii. Staženo 5. 5. 2018. Archivováno z originálu 5. 9. 2017.
  19. ↑ Video EngineerGuy: mikrovlnná trouba . www.engineerguy.com . Staženo 5. 5. 2018. Archivováno z originálu 5. 9. 2017.
  20. ↑ EPA, OAR, ORIA, RPD, US Radiation Protection - US EPA . US EPA (16. července 2014). Staženo 5. 5. 2018. Archivováno z originálu 1. 10. 2006.

Odkazy

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Vakuová elektronická zařízení (kromě katodového paprsku )
Generátor a
zesilovací lampy
jiný
Druhy výkonů
Konstrukční prvky