Kaip veikia ir veikia magnetronas

Magnetronas – specialus elektroninis prietaisas, kuriame generuojami itin aukšto dažnio svyravimai (mikrobangų virpesiai), moduliuojant elektronų srautą greičio atžvilgiu. Magnetronai labai išplėtė šildymo aukšto ir itin aukšto dažnio srovėmis taikymo sritį.

Amplitronai (platinotronai), klistronai ir slenkančios bangos lempos, veikiančios tuo pačiu principu, yra mažiau paplitusios.

Magnetronas yra pažangiausias didelės galios mikrobangų dažnių generatorius. Tai gerai evakuota lempa su elektronų pluoštu, valdomu elektriniu ir magnetiniu lauku. Jie leidžia gauti labai trumpas bangas (iki centimetro dalių) esant didelėms galioms.

Magnetronai naudoja elektronų judėjimą abipusiai statmenuose elektriniuose ir magnetiniuose laukuose, sukurtuose žiediniame tarpe tarp katodo ir anodo. Tarp elektrodų įvedama anodinė įtampa, sukuriamas radialinis elektrinis laukas, kurio įtakoje iš įkaitusio katodo pašalinti elektronai veržiasi į anodą.

Anodo blokas dedamas tarp elektromagneto polių, kuris žiediniame tarpelyje sukuria magnetinį lauką, nukreiptą išilgai magnetrono ašies. Veikiamas magnetinio lauko, elektronas nukrypsta nuo radialinės krypties ir juda sudėtinga spiraline trajektorija. Erdvėje tarp katodo ir anodo susidaro besisukantis elektronų debesis su liežuvėliais, primenantis rato stebulę su stipinais. Praskriedami pro anodo ertmių rezonatorių plyšius, elektronai juose sužadina aukšto dažnio virpesius.

Ryžiai. 1. Magnetrono anodo blokas

Kiekvienas iš ertmių rezonatorių yra svyravimo sistema su paskirstytais parametrais. Elektrinis laukas yra sutelktas plyšiuose, o magnetinis laukas yra sutelktas ertmės viduje.

Magnetrono išėjimo energija realizuojama naudojant indukcinę kilpą, esančią viename ar dažniau dviejuose gretimuose rezonatoriuose. Koaksialinis kabelis tiekia maitinimą apkrovai.

Ryžiai. 2. Magnetrono prietaisas

Šildymas mikrobangų srovėmis atliekamas apskrito arba stačiakampio skerspjūvio bangolaidžiuose arba tūriniuose rezonatoriuose, kuriuose elektromagnetines bangas paprasčiausios formos TE10 (H10) (banglaidžiuose) arba TE101 (ertminiuose rezonatoriuose). Šildymas taip pat gali būti atliekamas skleidžiant elektromagnetinę bangą į šildomą objektą.

Magnetronai maitinami išlygintos srovės su supaprastinta lygintuvo grandine. Labai mažos galios įrenginiai gali būti maitinami kintamosios srovės maitinimu.

Magnetronai gali veikti skirtingais dažniais nuo 0,5 iki 100 GHz, galia nuo kelių W iki dešimčių kW nepertraukiamu režimu ir nuo 10 W iki 5 MW impulsiniu režimu, o impulsų trukmė daugiausia nuo frakcijų iki dešimčių mikrosekundžių.

Ryžiai. 2. Magnetronas mikrobangų krosnelėje

Prietaiso paprastumas ir santykinai maža magnetronų kaina, kartu su dideliu šildymo intensyvumu ir įvairiais mikrobangų srovių pritaikymais, atveria dideles jų panaudojimo galimybes įvairiose pramonės, žemės ūkio srityse (pvz. dielektriniai šildymo įrenginiai) ir namuose (mikrobangų krosnelė).

Magnetrono veikimas

Taigi tai magnetronas elektros lempa speciali konstrukcija, naudojama generuoti itin aukšto dažnio virpesius (decimetrinių ir centimetrinių bangų diapazone).Jo charakteristika – nuolatinio magnetinio lauko panaudojimas (sukurti būtinus elektronų judėjimo kelius lempos viduje), nuo kurio pavadinimą magnetronas gavo.

Daugiakamerinis magnetronas, kurio idėją pirmasis pasiūlė M. A. Bonchas-Bruevičius, o įgyvendino sovietų inžinieriai D. E. Maljarovas ir N. F. Aleksejevas, yra elektroninio vamzdžio ir tūrio rezonatorių derinys. Magnetrone yra keletas tokių ertmių rezonatorių, todėl šis tipas vadinamas daugiakameriniu arba daugialypiu.

Daugiakamerinio magnetrono konstrukcijos ir veikimo principas yra toks. Prietaiso anodas yra masyvus tuščiaviduris cilindras, kurio vidiniame paviršiuje padaryta nemažai ertmių su skylutėmis (šios ertmės yra tūrio rezonatoriai), katodas yra išilgai cilindro ašies.

Magnetronas dedamas į nuolatinį magnetinį lauką, nukreiptą išilgai cilindro ašies. Elektronus, išeinančius iš katodo šio magnetinio lauko pusėje, veikia Lorenco jėga, kuris išlenkia elektronų kelią.

Magnetinis laukas parenkamas taip, kad dauguma elektronų judėtų išlenktais takais, kurie neliečia anodo. Jei pasirodo įrenginio kameros (ertmės rezonatoriai). elektros vibracijos (nedideli tūrių svyravimai visada atsiranda dėl įvairių priežasčių, pavyzdžiui, dėl anodo įtampos įjungimo), tada kintamasis elektrinis laukas egzistuoja ne tik kamerų viduje, bet ir išorėje, prie skylių (plyšių).

Prie anodo skriejantys elektronai patenka į šiuos laukus ir, priklausomai nuo lauko krypties, juose arba įsibėgėja, arba lėtėja. Kai elektronai yra greitinami lauku, jie ima energiją iš rezonatorių, priešingai, sulėtindami dalį savo energijos atiduoda rezonatoriams.

Jei pagreitintų ir sulėtėjusių elektronų skaičius būtų vienodas, tai jie vidutiniškai neduotų energijos rezonatoriams. Tačiau sulėtėję elektronai turi mažesnį greitį, nei jie gauna pereidami prie anodo. Todėl jiems nebeužtenka energijos grįžti prie katodo.

Priešingai, tie elektronai, kuriuos pagreitino rezonatoriaus laukas, turi didesnę energiją, nei reikia norint grįžti į katodą. Todėl elektronai, kurie, patekę į pirmojo rezonatoriaus lauką, jame pagreitėja, grįš į katodą, o tie, kurie jame sulėtėja, negrįš į katodą, o judės lenktais takais šalia anodo ir kris. į šių rezonatorių lauką.

Esant tinkamam judėjimo greičiui (kuris kažkaip susijęs su svyravimų dažniu rezonatoriuose) šie elektronai pateks į antrojo rezonatoriaus lauką su tokia pačia svyravimų faze jame kaip ir pirmojo rezonatoriaus lauke, todėl , antrojo rezonatoriaus lauke jie taip pat sulėtės.

Taigi, tinkamai parinkus elektronų greitį, t.y.anodo įtampa (taip pat ir magnetinis laukas, kuris nekeičia elektrono greičio, o keičia jo kryptį), galima pasiekti tokią situaciją, kad atskiras elektronas arba būtų pagreitintas tik vieno rezonatoriaus lauko, arba sulėtina kelių rezonatorių laukas.

Todėl elektronai rezonatoriams vidutiniškai atiduos daugiau energijos, nei iš jų atims, tai yra, padidės rezonatoriuose vykstantys svyravimai ir galiausiai juose susiformuos pastovios amplitudės virpesiai.

Mūsų supaprastintą rezonatorių virpesių palaikymo procesą lydi dar vienas svarbus reiškinys, nes tam tikroje virpesių fazėje elektronai, kad juos sulėtintų rezonatoriaus laukas, turi įskristi į šį lauką. rezonatoriaus, aišku, kad jie turi judėti netolygiu srautu (t. tada į rezonatoriaus lauką patektų bet kada, ne tam tikru momentu, o atskirų ryšulių pavidalu.

Tam visas elektronų srautas turi būti kaip žvaigždė, kurioje elektronai juda viduje atskirais pluoštais, o visa žvaigždė kaip visuma sukasi aplink magnetrono ašį tokiu greičiu, kad jos pluoštai patektų į kiekvieną kamerą tinkamas akimirkas. Atskirų pluoštų susidarymo procesas elektronų pluošte vadinamas faziniu fokusavimu ir vyksta automatiškai, veikiant kintamam rezonatorių laukui.

Šiuolaikiniai magnetronai gali sukurti vibracijas iki aukščiausių dažnių centimetrų diapazone (bangos iki 1 cm ir net trumpesnės) ir tiekti iki kelių šimtų vatų galią nuolatine spinduliuote ir kelių šimtų kilovatų impulsine spinduliuote.

Taip pat žiūrėkite:Nuolatinių magnetų panaudojimo elektrotechnikoje ir energetikoje pavyzdžiai