Magnetron
A magnetron egy vákuum tranzit időcső elektromágneses hullámok létrehozására a mikrohullámú tartományban (kb. 0,3–95 GHz ), 80% -os hatékonysággal .
A magnetronok nagyon hatékony, olcsó generátorok a magas frekvenciához . A teljesítményt és a frekvenciát nagyrészt a mechanikai szerkezet határozza meg, és általában nem változtathatók meg.
Megkülönböztetünk folyamatosan működő ( folyamatos hullámú ) és impulzusos magnetronokat. Néhány kW folyamatos hullámú üzemmódban érhető el, impulzusos üzemben pedig több mint 10 MW. A magnetronok az elektroncsövek között vannak .
Fent: HF kimenet
Jobb: Csatlakozások a fűtési / üzemi feszültséghez.
Építkezés
A magnetron egy hengeres forró katódból (oxid vagy tároló katód ) áll a vákuumcső közepén. A tekercselt fűtővezeték gyakran közvetlenül fűtött katódot képez. Ezt egy rézből készült szilárd, hengeres anódtömb zárja el . Az anódblokkban vannak például olyan sugárirányú rések, amelyek párhuzamosan futnak a fűtővezetékkel (úgynevezett résmágneses magnetronok). A rések mélysége a hullámhossz körülbelül negyedének felel meg; meghatározza a frekvenciát. Az értelmezéstől függően vannak üreges rezonátorok , vezetési körök vagy hullámvezetők , amelyek befelé nyitottak az úgynevezett interakciós tér felé és kívülről rövidzárlatosak.
A jobb oldali képen olyan rudak vannak, amelyek tagolt anódot képeznek a belseje felé a katód felé, és hátul rézhengerrel vannak összekötve (szegmensrezonátor, kör alakú). A szerkezet lehet értelmezni, mint egy kör a pot körök . A szegmenseket felváltva kapcsolják egymáshoz a két gyűrű. Ez biztosítja, hogy egymáson kívül ingadozzanak a fázisból - elkerülhető a többi üzemmód (és így egy nem kívánt frekvencia) rezgése.
Az anódblokk külső oldalán található hűtőbordák lehetővé teszik a hűtést szabad konvekcióval , ventilátorral vagy vízhűtéssel.
A magnetronanódok további megvalósítási módjai a lyukrezonátorok és a többfrekvenciás rezonátorok ( felkelő nap típusú).
A magnetronnak axiális mágneses mezőre van szüksége, amely általában állandó mágnesekkel jön létre.
Az egyik üreges rezonátor egy kapcsolóhurokhoz vagy egy résen keresztül egy hullámvezetőhöz van csatlakoztatva, és energiát vesz fel.
Mikrohullámú sütő magnetronja oldalról: fekete a hűtőbordák oldalán: a mágnesek.
Mikrohullámú sütő magnetronja hosszmetszetben (mágnesek és hűtőbordák eltávolítva).
Szétszerelt mikrohullámú sütő magnetronja, a kijárat jobb oldalán
Pulzus-magnetron MI-189W (7,5 kg, kb. 8 GHz, 60 kW / 0,5 µs, a Szovjetunió kb. 1970 körül)
.jpg)
Hatásmód
Elektron kering
A katód és az anód közötti interakciós térben elektromos és mágneses mezők egyszerre hatnak. A mágneses mező vonalai párhuzamosan futnak a katód tengelyével és behatolnak az interakciós térbe. Ha feszültség van az anód és a katód között, a forró katód által felszabadított elektronokat az elektromos mező miatt az anód felé gyorsítják. Az elektromos mező azonban derékszöget képez a mágneses mezővel , így az elektronok spirálszerűen kitérnek radiális útjukról a Lorentz-erő hatására . Ennek eredményeként a katód körül mozognak az interakciós térben. Csak akkor áramlik az áram, ha az anódfeszültség meglehetősen magas - az elektromos mező kitágítja az út görbületét úgy, hogy az elektronutak megérintsék az anódot (az ábrán zöld út).
Rezonáns anód alakja
A rések vagy kamrák az anód képez egy gyűrű alakú zárt késleltető vonal készült üregrezonátorok : elektromágneses rezgés egy üregrezonátor propagálódik az interakció tér és a rések a másik üregrezonátorok. Gyűrű alakú, zárt, többpólusú elektromágneses rezonáns áramkör jön létre. Váltakozó feszültségek lépnek fel benne az anódszegmensek végei között, és váltakozó áramok lépnek fel a hasított falak belső felületein is. Ebben a gyűrűrezonátorban a nagyfrekvenciás mező kölcsönhatásba lép az elektronokkal. A keletkező mezők befolyásolják az elektronok útját és sebességét. Az eredmény az, hogy az elektronok lelassulnak vagy felgyorsulnak, és ennek eredményeként a forgásuk során nagyobb és alacsonyabb elektronsűrűségű területek alakulnak ki. Ezek az elektronfelhők viszont felerősítik a gyűrűrezonátor magas frekvenciájú rezgéseit - öngerjesztés lép fel. Ha egy elektron mozgási energiája túl kicsi lesz, akkor belép az anódblokkba. A katódból folyamatosan szabad elektronfelesleg érkezik.
Elektromos kapcsolat
Ahhoz, hogy az elektronok felszabaduljanak az izzókibocsátás révén , a magnetronok elektromosan fűtött izzókatóddal rendelkeznek . Ezt gyakran közvetlenül fűtik, vagy fűtési csatlakozás van csatlakoztatva a katódhoz. Mivel az anódblokknak, a mágnesnek, a hullámvezető peremének vagy az antennacsapnak földpotenciálja van, a magnetron fűtési feszültségellátását (több kilovolt) el kell választani a földtől. Az anódhoz képest negatív , ezért földelt üzemi feszültséget alkalmazzák a katódra .
A szemközti ábra a magnetron tipikus áramkörét mutatja a mikrohullámú sütőben: A 2000 V-os nagyfeszültségű tekercs az egyik oldalon van földelve, és a félvezető diódán keresztül 2800 V körüli feszültségre tölti a kondenzátort, amikor annak földoldali vége képezi a negatív pólust, míg magán a magnetronon csak az áramlási feszültség fekszik a dióda. Ha viszont a nagyfeszültségű tekercsben lévő feszültség megfordul a következő fél ciklusban, akkor a nagyfeszültségű tekercs és a sorosan csatlakoztatott, feltöltött kondenzátor feszültsége összeadódik kb. 5600 V. Az áram rövid ideig áramlik át a magnetronon. A kondenzátor és a dióda kombinációja feszültség duplázó . A magnetron csak félhullám alatt működik a hálózati frekvencia ritmusában.
Az MI-189 impulzus-magnetron képén (МИ-189А-tól МИ-189Д) a vörösbarna műanyag test választja el a fűtési feszültséget és a katódcsatlakozásokat a magnetron vagy az anód fémtestétől. A МИ-189 anódfeszültsége körülbelül 13 kV, ezért a hüvely ennek megfelelően hosszú.
Amint a magnetron működésbe lép, az elektronok egy kis része visszaesik a katódra, és hőenergia felszabadul. Ezért, különösen a folyamatosan működő magnetronok esetében, a katód fűtési feszültségét működés közben csökkenteni kell a túlzott hőmérséklet elkerülése érdekében. Az állóhullám- arány (VSWR) maximális értékét a magnetronok műszaki adatai is meghatározzák. Az eltérés túlterheléshez is vezet.
Alkalmazások
A folyamatos hullámú magnetronok fő alkalmazási területei az ipari fűtés és szárítás ( HF fűtés), a plazma-előállítás és a mikrohullámú sütők .
A kén-lámpák és néhány ionforrások , magnetron előállításánál használt plazma.
Az impulzusmágneses magnetronokat továbbra is gyakran használják impulzusradar készülékekben az átviteli impulzusok előállítására .
A porlasztáshoz (angolul: permetezéshez) egyéb technikák mellett a magnetronokat is használják.
Nagyon nagy teljesítményű impulzus magnetron használják a EMP fegyverek: Itt irányított rádiófrekvenciás energiát használnak, hogy megpróbálja elpusztítani az ellenséges elektronika.
történelem
.jpg)
1912 előtt Heinrich Greinacher fizikus kifejlesztett egy csövet az elektron töltésének és tömegének arányának mérésére, és felállította az alapvető matematikai egyenleteket. A cső azonban nem működött a belső vákuum elégtelensége és az elégtelen elektronkibocsátás miatt.
Az amerikai Albert W. Hull fizikus Greinacher publikációját felhasználta, kibővítette az elektron pályáinak elméletét egy mágneses mezőben, és kifejlesztett egy mágnesesen vezérelt erősítőcsövet, amelyet magnetronnak nevezett el. Hull 1921-ben fejlesztette ki az első ilyen magnetront a General Electricnél (GEC), amely több koaxiális , hengeres anódfalból ( split-anódos magnetron ) és egy katódból állt. Az elrendezést egy hosszanti mágneses mező hatolja át egy külső tekercsből. A tekercsáram szabályozza az elektronok áramlását a mágneses mezőn keresztül. A cél mágnesesen vezérelt relék vagy erősítők építése volt. Versenyezniük kell a Western Electric Co. által gyártott vezérlőelektródákkal. Felfedezték, hogy ezek a magnetronok magas frekvenciákat is létrehoznak.
Egy független fejlődés ment végbe 1921-ben Erich Habann a Jena és augusztus Žáček a Prága . Habann kifejlesztett egy magnetronot osztott anódhengerrel, amely 100 MHz frekvenciákat generált. A Hull magnetron fő különbsége az volt, hogy Habann (mint a mai magnetronokban) állandó mágneses teret használt . Habann előre tudta pontosan kiszámítani a csillapítás megszüntetésének feltételeit (negatív differenciál belső ellenállást keltve). Žáček 1 GHz-es frekvenciákat tudott elérni egy hatalmas hengeranóddal. Kinjirō Okabe (1896-1984) a Tohoku Egyetem a Sendai ( Japán ) elért áttörést magnetronok az centiméteres hullám tartományban 1929-ben frekvenciájú 5,35 GHz nyílásaiba az anód .
1935. november 27-én Hans Erich Hollmann bejegyezte a többkamrás magnetron szabadalmát, amelyet 1938. július 12-én adtak ki.
1939 tavaszán S. Nakajima et al. a JCR Japannál a világ első üreges magnetronja üreges rezonátorral. Az M-3 nevű magnetron vízhűtéses volt, és 10 wattos hullámhosszon 500 watt volt.
1940-ben, egy évvel a japánok után, John Turton Randall és Henry Albert Howard Boot brit fizikusok egy folyékony hűtőrendszer alkalmazásával és a rezonancia kamrák számának négyről hatra növelésével fejlesztették ki a Hollmann többkamrás magnetronjának továbbfejlesztett változatát. Ez lehetővé tette számukra, hogy a kimenő teljesítményt százszorosan megsokszorozzák. Két évvel később ez lehetővé tette nagyon erős magnetron adó kifejlesztését nagyon rövid hullámhosszú és így nagy felbontású radarkészülékek számára .
irodalom
- Heinrich Greinacher : Az e / m meghatározásának elrendezéséről. In: A Német Fizikai Társaság tárgyalásai. 1912. évfolyam 14. szám, ISSN 0420-0195 , 856-864.
- Albert W. Hull : A közepes erősségű mágneses mezők mérése egy magnetron segítségével. In: Fizikai Szemle . 22. kötet, 3. szám, 1923, ISSN 0031-899X , 279-292. Oldal, doi : 10.1103 / PhysRev.22.279 .
- Erich Habann : Új generátorcső. In: Journal for high frequency technology. A vezeték nélküli távirat és telefonálás évkönyve. Vol. 24, 1924, ZDB -ID 1011026-4 , p. 115-120, 135-141, (még: Jena, Universität, Dissertation, 1924).
- August Žáček : Nová metoda k vytvoření netlumených oscilací (Předběžná zpráva). In: Časopis pro pěstování matematiky a fysiky. 53. évfolyam, 1924. évi 4. szám, ZDB -ID 201513-4 , 378-380.
- Hans E. Hollmann : Az ultrarövid hullámok fizikája és technológiája. 1. kötet: Rendkívül rövid hullámú rezgések generálása. Springer, Berlin, 1936, 4. fejezet.
web Linkek
- A magnetron működése (angol)
- Hogyan működik a magnetron (német, angol, francia, török)
Egyéni bizonyíték
- ^ A mérnöki kézikönyv, második kiadás . In: Elektrotechnikai kézikönyv . 2004. június 29, ISSN 1097-9409 , p. 1046 , doi : 10.1201 / 9781420039870 .
- ↑ szabadalmi US2123728 : Magnetron. Bejegyezve 1935. november 27-én , pályázó: Telefunken GmbH, feltaláló: Hans Erich Hollmann.
- ^ S. Nakajima: A japán radarfejlődés története 1945-ig . In: IEE - London, Peter Pelegrinus Ltd., London (szerk.): Proc. szeminárium a radar történetéről . Peter Pelegrinus Ltd., London, 1988, p. 18. fejezet, 243-258 .