Magnetron

Un magnetron  este un dispozitiv electronic de electrovacuum, cantitatea de curent care curge în care este controlată de un câmp electric și magnetic. Un caz special de implementare a dispozitivului (care a devenit practic singurul) este opțiunea cu implementarea blocului anodic sub formă de structuri rezonatoare. Acest design îi conferă magnetronului capacitatea de a genera radiații cu microunde atunci când fluxul de electroni interacționează cu componenta electrică a câmpului cu microunde într-un spațiu în care un câmp magnetic constant este perpendicular pe un câmp electric constant [1] .

Istorie

În 1912, fizicianul elvețian Heinrich Greinacher studia modalități de măsurare a masei unui electron . În configurația sa , o diodă electrovacuum cu un anod cilindric în jurul unui catod cilindric a fost plasată în solenoid care produce câmpul magnetic . El nu a reușit să măsoare masa unui electron din cauza problemelor cu obținerea unui vid suficient de mare în lampă, dar în cursul muncii sale a dezvoltat modele matematice ale mișcării electronilor în câmpuri electrice și magnetice încrucișate [2] [3] .

Albert Hull (SUA) și-a folosit datele în încercările de a ocoli brevetele Western Electric pentru trioda electrovacuum . Hull a planificat să folosească un câmp magnetic în schimbare în loc de un câmp electric constant pentru a controla fluxul de electroni între catod și anod. La General Electric Research Laboratories ( Schenectady, New York ), Hull a creat lămpi care controlau curentul prin schimbarea raportului dintre câmpurile magnetice și electrice. În 1921, a propus termenul de „magnetron”, a publicat mai multe articole despre dispozitivul lor și a primit brevete [4] . Magnetronul Hull nu a fost proiectat pentru a produce unde electromagnetice de înaltă frecvență.

În 1924, fizicianul cehoslovac A. Zachek [5] și fizicianul german Erich Haban ( germană:  Erich Habann , Universitatea din Jena ) au descoperit în mod independent posibilitatea de a genera unde decimetrice de către un magnetron (la frecvențe de 100 MHz - 1 GHz).

În anii 1920, A. A. Slutskin și D. S. Shteinberg (1926–1929, URSS), K. Okabe și H. Yagi (1928–1929, Japonia) s-au angajat și ei în cercetări în domeniul generării de oscilații cu microunde folosind câmpuri magnetice), I. Ranzi (1929, Italia).

Generatoarele de magnetron care funcționează au fost create independent și aproape simultan în trei țări: în Cehoslovacia (Zhachek, 1924), în URSS (A. A. Slutskin și D. S. Steinberg, 1925), în Japonia (Okabe și Yagi, 1927).

Până în 1936-1937, puterea generatoarelor de magnetron a fost mărită de mai multe ori (până la sute de wați la o lungime de undă de 9 cm) prin utilizarea unui magnetron cu mai multe cavități, constând dintr-un anod masiv de cupru cu mai multe cavități rezonatoare și răcire forțată ( M. A. Bonch- Bruevici , N. F. Alekseev , D. E. Malyarov) [6] [7] .

Omul de știință francez Maurice Pont împreună cu angajații companiei pariziene „CSF” au creat în 1935 o lampă electronică cu un catod de wolfram înconjurat de segmente de anod rezonator. A fost precursorul magnetronilor camerei rezonatoare.

Designul magnetronului multicavitate Alekseev-Malyarov, care oferă o putere de ieșire de 300 de wați la o lungime de undă de 10 centimetri, creat în 1936-1939, a devenit cunoscut comunității mondiale datorită publicării din 1940 [8] .

Invenția magnetronului multicavitate Alekseev-Malyarov a fost cauzată de nevoile radarului. Lucrările radar au fost lansate în URSS aproape simultan cu începutul lucrărilor radar în Anglia și SUA. Potrivit autorilor străini, până la începutul anului 1934 URSS avansa în aceste lucrări mai mult decât SUA și Anglia [9] .

În 1940, fizicienii britanici John Randall și Harry Boot au inventat magnetronul rezonant [10] .  Noul magnetron a generat impulsuri de mare putere, ceea ce a făcut posibilă dezvoltarea radarului cu rază de centimetri . Un radar cu o lungime de undă mai scurtă a făcut posibilă detectarea obiectelor mai mici [11] . În plus, dimensiunea compactă a magnetronului a dus la reducerea dimensiunii echipamentelor radar [12] , ceea ce a făcut posibilă instalarea acestuia pe aeronave [13] .

În 1949, în SUA, inginerii D. Wilbur și F. Peters au dezvoltat metode de modificare a frecvenței unui magnetron folosind controlul tensiunii (dispozitivul se numea „mitron” - mitron ) [14] [15] .

Începând cu anii 1960, magnetronii au fost folosiți în cuptoarele cu microunde pentru uz casnic [16] .

Caracteristici

Magnetronii pot funcționa la diferite frecvențe de la 0,5 la 100 GHz, cu puteri de la câțiva W la zeci de kW în modul continuu și de la 10 W la 5 MW în modul pulsat cu durate de impuls de la fracțiuni la zeci de microsecunde.

Magnetronii au o eficiență ridicată , ajungând la 80%.

Există magnetroni atât neacordabili în frecvență, cât și reglabili într-un interval de frecvență îngust (de obicei, acordarea relativă este mai mică de 10%). Pentru reglarea lentă a frecvenței se folosesc mecanisme cu control manual, pentru dispozitive rapide (până la câteva mii de acordări pe secundă) - rotative și vibratoare.

Magnetronii ca generatoare de microunde sunt utilizate pe scară largă în tehnologia radar modernă, deși încep să fie înlocuite cu rețele active de antene în faze și în cuptoarele cu microunde.

Începând cu 2017, magnetronul este ultimul tip de dispozitiv electronic de electrovacuum produs în masă, după reducerea producției de masă a kinescoapelor la începutul anului 2010.

Constructii

Magnetronul rezonant este alcătuit dintr- un bloc anod , care este, de regulă, un cilindru metalic cu pereți groși, cu cavități tăiate în pereți, care acționează ca rezonatoare cavitate . Rezonatoarele formează un sistem oscilator inel . Un catod cilindric este situat în centrul blocului anodic . Există un încălzitor în interiorul catodului încălzit indirect. Câmpul magnetic , paralel cu axa dispozitivului, este creat de magneți permanenți externi sau de un electromagnet.

Pentru a scoate energie cu microunde, de regulă, se utilizează o buclă de sârmă - o buclă de comunicație situată într-unul dintre rezonatoare sau o gaură între unul dintre rezonatoare și suprafața exterioară a blocului anodic.

Rezonatoarele cu magnetron formează un sistem oscilator inelar, în apropierea fantelor fante ale rezonatoarelor, are loc interacțiunea fluxului de electroni și a câmpului electromagnetic. Deoarece acest sistem este închis pe el însuși ca urmare a structurii inelare, el poate fi excitat numai pe anumite moduri de oscilație, dintre care modul - este de importanță primordială . Printre mai multe frecvențe de rezonanță ale sistemului (cu N rezonatoare în sistem, existența oricărui număr întreg de unde staționare în intervalul de la 1 la N / 2) este cel mai des utilizat - modul, în care fazele din rezonatoarele vecine diferă prin . Dacă există alte frecvențe de rezonanță în apropierea frecvenței de rezonanță (mai aproape de 10%), sunt posibile salturi de frecvență și funcționarea instabilă a dispozitivului. Pentru a preveni astfel de efecte în magnetronii cu rezonatoare identice, în ele pot fi introduse diverse cuplaje sau pot fi folosite magnetroni cu rezonatoare de dimensiuni diferite (chiar rezonatoare - cu o dimensiune, impare - cu alta).

Modelele individuale de magnetroni pot avea un design diferit. Deci, sistemul de rezonanță este realizat sub formă de rezonatoare de mai multe tipuri: slot-hole, bladed, slotted etc.

Cum funcționează

Electronii sunt emiși de la un catod cilindric în spațiul de interacțiune, unde sunt afectați de un câmp electrostatic anod-catod constant, un câmp magnetic constant, al cărui vector de putere este perpendicular pe vectorul de putere a câmpului electrostatic și câmpul unui câmp electromagnetic. val.

Dacă nu ar exista un câmp de unde electromagnetice, electronii s-ar mișca în câmpuri electrice și magnetice încrucișate de-a lungul epicicloidelor (o curbă care descrie un punct pe un cerc care se rostogolește de-a lungul suprafeței exterioare a unui cerc cu diametru mai mare, într-un caz specific, de-a lungul suprafeței exterioare a catodul). Cu un câmp magnetic suficient de puternic (paralel cu axa magnetronului), un electron care se deplasează de-a lungul acestei curbe nu poate ajunge la anod (din cauza forței Lorentz care acționează asupra acestuia din partea acestui câmp magnetic ) și revine la catod, în timp ce ei spun că a existat o „blocare magnetică a diodei”. În modul de blocare magnetică, unii dintre electroni se mișcă de-a lungul epicicloizilor din spațiul anod-catod. Sub acțiunea câmpului propriu al electronilor, precum și a efectelor statistice ( zgomot de împușcare ), în acest nor de electroni apar instabilități, care duc la generarea de oscilații electromagnetice în cavitățile rezonatoare ale anodului, aceste oscilații sunt amplificate în rezonatoare. Câmpul electric al undei electromagnetice emergente poate încetini sau accelera electronii. Dacă un electron este accelerat de câmpul de undă, atunci raza mișcării sale ciclotronului crește și este deviat spre catod. În acest caz, energia este transferată de la undă la electron. Dacă electronul este decelerat de câmpul de undă, atunci energia sa este transferată către undă, în timp ce raza ciclotronului electronului scade, centrul cercului de rotație se deplasează mai aproape de anod și poate ajunge la anod.

Deoarece câmpul electric anod-catod lucrează pozitiv numai dacă un electron ajunge la anod, energia este întotdeauna transferată în primul rând de la electroni către unda electromagnetică. Cu toate acestea, dacă viteza de rotație a electronilor în jurul catodului nu coincide cu viteza de fază a undei electromagnetice de-a lungul rezonatoarelor, același electron va fi accelerat și decelerat alternativ de undă, ca urmare, eficiența transferului de energie electronică. la val va fi mic. Dacă viteza medie de rotație a unui electron în jurul catodului coincide cu viteza de fază a undei, electronul intră în câmpul de întârziere lângă toate fantele rezonatoarelor, iar transferul de energie de la electron la undă este cel mai eficient. Astfel de electroni sunt grupați în mănunchiuri (așa-numitele „spițe”), rotindu-se împreună cu câmpul din jurul catodului, are loc autofazarea ciorchinelor de electroni. Multiple, pe o serie de perioade, interacțiunea electronilor cu câmpul de microunde și autofazarea în magnetron asigură o eficiență ridicată și o putere de ieșire ridicată.

Aplicație

În dispozitivele radar , ghidul de undă este conectat la o antenă, care poate fi fie un ghid de undă cu fante, fie o alimentare cu corn conic asociat cu un reflector parabolic (așa-numitul „antenă”). Magnetronul este condus de impulsuri scurte, de mare intensitate, de tensiune aplicată, rezultând un impuls scurt de energie cu microunde radiat în spațiu . O mică parte din această energie este reflectată de la obiectul radar înapoi la antenă, intră în ghidul de undă, prin care este direcționată către un receptor sensibil. După procesarea ulterioară a semnalului, acesta apare în cele din urmă pe tubul cu raze catodice (CRT) ca o hartă radar A1.

În cuptoarele cu microunde , ghidul de undă se termină cu o gaură acoperită cu o placă care este transparentă la radiația cu microunde; intră direct în camera de gătit.

Este important ca alimentele care urmează să fie gătite să fie în cuptor în timpul funcționării. Apoi microundele sunt absorbite în ele și nu sunt reflectate de pereții camerei înapoi în ghidul de undă. Unda staționară rezultată poate provoca o defecțiune electrică a aerului și scântei. Scânteile prelungite pot deteriora magnetronul. Dacă o cantitate mică de mâncare este gătită în cuptorul cu microunde, este recomandat să puneți și un pahar cu apă în cuptor pentru a absorbi cuptorul cu microunde și să le reduceți la un nivel fără scântei pentru a preveni scânteile.

Pericole pentru sănătate

Cel puțin un pericol pentru sănătate este bine cunoscut și documentat. Dacă lentila nu are un flux sanguin de răcire, este deosebit de susceptibilă la supraîncălzire din cauza radiației cu microunde. O astfel de încălzire, la rândul său, poate duce la o incidență mai mare a cataractei mai târziu în viață [17] .

Există, de asemenea, un risc semnificativ de șoc electric, deoarece magnetronii necesită o sursă de energie de înaltă tensiune pentru a funcționa. Unii magnetroni au izolatori ceramici de oxid de beriliu , care sunt periculoși dacă sunt sparți, inhalați sau înghițiți. Expunerea unică sau cronică poate duce la o boală pulmonară incurabilă numită berilioză . În plus, beriliul este listat ca cancerigen uman confirmat de către IARC ; prin urmare, izolatorii ceramici rupti sau magnetronii nu pot fi contactați direct.

Toți magnetronii conțin o cantitate mică de toriu amestecat cu wolfram în filament. Deși este un metal radioactiv, riscul de cancer este scăzut deoarece nu este niciodată eliberat în aer în timpul utilizării normale. Numai dacă firul este scos din magnetron, zdrobit și inhalat, poate fi periculos pentru oameni [18] [19] [20] .

Note

  1. ↑ Kuleshov, 2008 , p. 353.
  2. ↑ H. Greinacher (1912) „Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m” Arhivat 8 martie 2021 la Wayback Machine  (germană) (Despre aparatul pentru determinarea e/m), Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft , 14  : 856 —864.
  3. ↑ „Invenția Magnetronului” Arhivat 23 decembrie 2017 la Wayback Machine  .
  4. ^ Albert W. Hull (1921) „The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders” Arhivat 5 aprilie 2016 la Wayback Machine , Physical Review , 18 (1): 31-57 . Vezi și: Albert W. Hull, „The magnetron”, Journal of the American Institute of Electrical Engineers , vol. 40, nr. 9, p. 715-723 (septembrie 1921).
  5. ↑ Informații biografice despre August Žáček:
    • RH Furth, Necrolog: „Prof. August Začek, Natura , voi. 193, nr. 4816, p. 625 (1962).
    • „A 70 de ani de la nașterea prof. Dr. August Žáček", Revista Cehoslovacă de Fizică , voi. 6, nr. 2, p. 204-205 (1956). Disponibil on-line la: Metapress.com Arhivat 12 martie 2012 la Wayback Machine .
  6. ↑ Mouromtseeff J. E. Proc. Natl.-Electr. Conf., 1945, nr. 33, p. 229-233.
  7. ↑ M. M. Lobanov. Extinderea cercetărilor privind detectarea radio . Dezvoltarea tehnologiei radar sovietice . Preluat la 27 ianuarie 2016. Arhivat din original la 4 martie 2016.
  8. ↑ Alexeev N. F., Malyarov D. E. Obținerea vibrațiilor puternice ale magnetronilor în intervalul de lungimi de undă centimetrică // Magazine of Technical Physics. 1940 Vol. 10. Nu. 15, p. 1297-1300.
  9. ↑ Brown, Louis. O istorie radar a celui de-al Doilea Război Mondial. Imperative tehnice și militare. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9 .
  10. ↑ Magnetronul . Universitatea din Bournemouth (1995-2009). Preluat la 23 august 2009. Arhivat din original la 23 august 2011.
  11. ↑ Perpya Ya. Z. Cum funcționează radarul. Oborongiz, 1955.
  12. ↑ Schroter, B. Cât de importantă a fost Cutia de trucuri a lui Tizard?  (neopr.)  // Inginer imperial. - 2008. - Primăvara ( vol. 8 ). - S. 10 .
  13. ↑ Cine a fost Alan Dower Blumlein? (link indisponibil) . Dora Media Productions (1999-2007) Preluat la 23 august 2009. Arhivat din original la 23 august 2011. 
  14. ↑ The Mitron-An Interdigital Voltage-Tunable Magnetron Arhivat 5 februarie 2016 la Wayback Machine / Proceedings of the IRE (Volum: 43, Issue: 3, 1955) p. 332-338, doi:10.1109/JRPROC.1955.278140 .
  15. ↑ 62. Mitrons Arhivat 3 februarie 2016 la Wayback Machine  (engleză) / V. N. Shevchik, Fundamentals of Microwave Electronics: International Series of Monographies on Electronics and Instrumentation, Elsevier, 2014 ISBN 978-1-4831-9476-9 , p. 239.
  16. ↑ V. Kolyada. Invizibili îmblânziți. Totul despre cuptoarele cu microunde _
  17. ↑ Lipman, R.M.; BJ Tripathi; R. C. Tripathi (1988). „Cataracte induse de microunde și radiații ionizante”. Sondaj de oftalmologie . 33 (3): 200-210. DOI : 10.1016/0039-6257(88)90088-4 . OSTI 6071133  . PMID 3068822 . 
  18. ↑ În casă - ANSTO . www.ansto.gov.au . Organizația Australiană pentru Știință și Tehnologie Nucleară. Consultat la 5 mai 2018. Arhivat din original la 5 septembrie 2017.
  19. ↑ Video EngineerGuy: cuptor cu microunde . www.engineerguy.com . Consultat la 5 mai 2018. Arhivat din original la 5 septembrie 2017.
  20. ↑ EPA, OAR, ORIA, RPD, US Radiation Protection - US EPA . US EPA (16 iulie 2014). Preluat la 5 mai 2018. Arhivat din original la 1 octombrie 2006.

Link -uri

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Dispozitive electronice de vid (cu excepția fasciculului catodic )
Lămpi generatoare și
amplificatoare
Alte
Tipuri de performanță
Elemente structurale