Magnetron

En magnetron  er en elektronisk elektrovakuumanordning, hvor mængden af ​​strøm, der flyder, styres af et elektrisk og magnetisk felt. Et særligt tilfælde af implementeringen af ​​enheden (som er blevet praktisk talt den eneste) er muligheden med implementeringen af ​​anodeblokken i form af resonatorstrukturer. Dette design giver magnetronen evnen til at generere mikrobølgestråling, når elektronstrømmen interagerer med den elektriske komponent af mikrobølgefeltet i et rum, hvor et konstant magnetfelt er vinkelret på et konstant elektrisk felt [1] .

Historie

I 1912 studerede den schweiziske fysiker Heinrich Greinacher måder at måle en elektrons masse på . I hans opsætning blev en elektrovakuumdiode med en cylindrisk anode omkring en cylindrisk katode placeret i solenoiden , der producerede det magnetiske felt . Det lykkedes ham ikke at måle en elektrons masse på grund af problemer med at opnå et tilstrækkeligt højt vakuum i lampen, men i løbet af sit arbejde udviklede han matematiske modeller for elektronernes bevægelse i krydsede elektriske og magnetiske felter [2] [3] .

Albert Hull (USA) brugte sine data i forsøg på at omgå Western Electrics patenter for elektrovakuumtrioden . Hull planlagde at bruge et skiftende magnetfelt i stedet for et konstant elektrisk felt til at styre strømmen af ​​elektroner mellem katoden og anoden. Hos General Electric Research Laboratories ( Schenectady, New York ), skabte Hull lamper, der styrede strøm ved at ændre forholdet mellem magnetiske og elektriske felter. I 1921 foreslog han udtrykket "magnetron", udgav flere artikler om deres enhed og modtog patenter [4] . Hull-magnetronen er ikke designet til at producere højfrekvente elektromagnetiske bølger.

I 1924 opdagede den tjekkoslovakiske fysiker A. Zachek [5] og den tyske fysiker Erich Haban ( tysk :  Erich Habann , University of Jena ) uafhængigt af hinanden muligheden for at generere decimeterbølger af en magnetron (ved frekvenser på 100 MHz - 1 GHz).

I 1920'erne beskæftigede A. A. Slutskin og D. S. Shteinberg (1926-1929, USSR), K. Okabe og H. Yagi (1928-1929, Japan) sig også i forskning inden for generering af mikrobølgeoscillationer ved hjælp af magnetiske felter ), I. Ranzi (1929, Italien).

Driftsmagnetrongeneratorer blev skabt uafhængigt og næsten samtidigt i tre lande: i Tjekkoslovakiet (Zhachek, 1924), i USSR (A. A. Slutskin og D. S. Steinberg, 1925), i Japan (Okabe og Yagi, 1927).

I 1936-1937 blev effekten af ​​magnetrongeneratorer øget adskillige gange (op til hundredvis af watt ved en bølgelængde på 9 cm) ved at bruge en multikavitetsmagnetron, bestående af en massiv kobberanode med adskillige resonatorhulrum og tvungen køling ( M. A. Bonch- Bruevich , N. F. Alekseev , D. E. Malyarov) [6] [7] .

Den franske videnskabsmand Maurice Pont med ansatte fra det parisiske firma "CSF" skabte i 1935 en elektronisk lampe med en wolframkatode omgivet af resonatoranodesegmenter . Det var forløberen for resonatorkammermagnetroner.

Designet af Alekseev-Malyarov multikavitetsmagnetronen, som giver 300 watt udgangseffekt ved en bølgelængde på 10 centimeter, skabt i 1936-1939, blev kendt af verdenssamfundet takket være udgivelsen af ​​1940 [8] .

Opfindelsen af ​​Alekseev-Malyarov multikavitetsmagnetronen var forårsaget af radarens behov. Radararbejde blev lanceret i USSR næsten samtidig med begyndelsen af ​​radararbejdet i England og USA. Ifølge udenlandske forfattere havde USSR i begyndelsen af ​​1934 gjort fremskridt i disse værker mere end USA og England [9] .

I 1940 opfandt de britiske fysikere John Randall og Harry Boot resonansmagnetronen [10] .  Den nye magnetron genererede højeffektimpulser, som gjorde det muligt at udvikle radar med centimeterafstand . En radar med kortere bølgelængde gjorde det muligt at detektere mindre objekter [11] . Derudover førte magnetronens kompakte størrelse til en reduktion i størrelsen af ​​radarudstyr [12] , hvilket gjorde det muligt at installere det på fly [13] .

I 1949 udviklede ingeniørerne D. Wilbur og F. Peters i USA metoder til at ændre frekvensen af ​​en magnetron ved hjælp af spændingsstyring (enheden blev kaldt "mitron" - mitron ) [14] [15] .

Siden 1960'erne er magnetroner blevet brugt i mikrobølgeovne til hjemmebrug [16] .

Karakteristika

Magnetroner kan fungere ved forskellige frekvenser fra 0,5 til 100 GHz, med ydelser fra flere W til titusinder af kW i kontinuerlig tilstand, og fra 10 W til 5 MW i pulseret tilstand med pulsvarigheder fra fraktioner til titusinder af mikrosekunder.

Magnetroner har høj effektivitet og når 80%.

Der er magnetroner, der både ikke kan indstilles i frekvens og kan indstilles i et smalt frekvensområde (normalt er relativ tuning mindre end 10%). Til langsom frekvenstuning bruges mekanismer med manuel kontrol til hurtige (op til flere tusinde tuninger pr. sekund) - roterende og vibrerende enheder.

Magnetroner som mikrobølgegeneratorer er meget udbredt i moderne radarteknologi, selvom de begynder at blive erstattet af aktive faseantennearrays og i mikrobølgeovne.

Fra 2017 er magnetronen den sidste type masseproduceret elektronisk elektrovakuumenhed efter indskrænkningen af ​​masseproduktion af kineskoper i begyndelsen af ​​2010.

Konstruktion

Resonansmagnetronen består af en anodeblok , som som regel er en tykvægget metalcylinder med hulrum skåret ind i væggene, som fungerer som hulrumsresonatorer . Resonatorerne danner et ringoscillerende system . En cylindrisk katode er placeret i midten af ​​anodeblokken . Der er en varmelegeme inde i den indirekte opvarmede katode. Magnetisk felt , parallelt med enhedens akse, skabes af eksterne permanente magneter eller en elektromagnet.

For at udsende mikrobølgeenergi bruges som regel en ledningsløkke - en kommunikationsløkke placeret i en af ​​resonatorerne eller et hul mellem en af ​​resonatorerne og den ydre overflade af anodeblokken.

Magnetronresonatorerne danner et ringformet oscillerende system, nær resonatorernes spalteåbninger finder vekselvirkningen mellem elektronstrømmen og det elektromagnetiske felt sted. Da dette system er lukket for sig selv som følge af ringstrukturen, kan det kun exciteres på visse oscillationstilstande, hvoraf -tilstanden er af primær betydning . Blandt flere resonansfrekvenser i systemet (med N resonatorer i systemet er eksistensen af ​​ethvert heltal af stående bølger i området fra 1 til N / 2) oftest brugt - tilstand, hvor faserne i naboresonatorer adskiller sig med . Hvis der er andre resonansfrekvenser i nærheden af ​​resonansdriftsfrekvensen (tættere end 10%), er frekvensspring og ustabil drift af enheden mulig. For at forhindre sådanne effekter i magnetroner med identiske resonatorer kan forskellige koblinger indføres i dem, eller magnetroner med forskellige størrelser af resonatorer kan bruges (selv resonatorer - med en størrelse, ulige - med en anden).

Individuelle modeller af magnetroner kan have et andet design. Så resonatorsystemet er lavet i form af resonatorer af flere typer: spaltehul, blade, slidsede osv.

Sådan virker det

Elektroner udsendes fra en cylindrisk katode ind i interaktionsrummet, hvor de påvirkes af et konstant anode-katode elektrostatisk felt, et konstant magnetfelt, hvis styrkevektor er vinkelret på den elektrostatiske feltstyrkevektor, og feltet af en elektromagnetisk felt. bølge.

Hvis der ikke var noget elektromagnetisk bølgefelt, ville elektroner bevæge sig i krydsede elektriske og magnetiske felter langs epicykloider (en kurve, der beskriver et punkt på en cirkel, der ruller langs den ydre overflade af en cirkel med større diameter, i et specifikt tilfælde langs den ydre overflade af katoden). Med et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt (parallelt med magnetronens akse), kan en elektron, der bevæger sig langs denne kurve, ikke nå anoden (på grund af Lorentz-kraften, der virker på den fra siden af ​​dette magnetfelt ) og vender tilbage til katoden, mens de siger, at der var en "magnetisk låsning af dioden". I den magnetiske låsetilstand bevæger nogle af elektronerne sig langs epicykloiderne i anode-katoderummet. Under påvirkning af elektronernes selvfelt såvel som statistiske effekter ( skudstøj ) opstår der ustabiliteter i denne elektronsky, hvilket fører til generering af elektromagnetiske svingninger i anodens resonatorhulrum, disse svingninger forstærkes i resonatorer. Det elektriske felt af den fremkommende elektromagnetiske bølge kan bremse eller fremskynde elektronerne. Hvis en elektron accelereres af bølgefeltet, så øges radius af dens cyklotronbevægelse, og den afbøjes mod katoden. I dette tilfælde overføres energi fra bølgen til elektronen. Hvis elektronen decelereres af bølgefeltet, så overføres dens energi til bølgen, mens elektronens cyklotronradius falder, rotationscirklens centrum forskydes tættere på anoden, og den kan nå anoden.

Fordi det elektriske felt af anode-katode kun udfører positivt arbejde, hvis en elektron når anoden, overføres energien altid primært fra elektronerne til den elektromagnetiske bølge. Men hvis rotationshastigheden af ​​elektroner omkring katoden ikke falder sammen med fasehastigheden af ​​den elektromagnetiske bølge langs resonatorerne, vil den samme elektron skiftevis blive accelereret og decelereret af bølgen, som et resultat, effektiviteten af ​​elektronenergioverførsel til bølgen vil være lille. Hvis den gennemsnitlige rotationshastighed for en elektron omkring katoden falder sammen med bølgens fasehastighed, kommer elektronen ind i det retarderende felt nær alle spalterne i resonatorerne, og overførslen af ​​energi fra elektronen til bølgen er mest effektiv. Sådanne elektroner er grupperet i bundter (de såkaldte "eger"), der roterer sammen med feltet omkring katoden, autofasningen af ​​elektronbundter sker. Flere, over en række perioder, giver elektronernes interaktion med mikrobølgefeltet og autofasning i magnetronen en høj effektivitet og høj udgangseffekt.

Ansøgning

I radarapparater er bølgelederen forbundet med en antenne, som enten kan være en slidsformet bølgeleder eller en konisk hornføder parret med en parabolisk reflektor (den såkaldte "skål"). Magnetronen drives af korte, højintensive impulser af påført spænding, hvilket resulterer i, at en kort impuls af mikrobølgeenergi udstråles ud i rummet . En lille del af denne energi reflekteres fra radarobjektet tilbage til antennen, kommer ind i bølgelederen, hvorved den ledes til en følsom modtager. Efter yderligere signalbehandling vises det til sidst på katodestrålerøret (CRT) som et A1-radarkort.

I mikrobølgeovne ender bølgelederen med et hul dækket af en plade, der er gennemsigtig for mikrobølgestråling; den går direkte ind i kogekammeret.

Det er vigtigt, at maden, der skal tilberedes, er i ovnen, mens den er i drift. Så absorberes mikrobølgerne i dem og reflekteres ikke fra kammervæggene tilbage i bølgelederen. Den resulterende stående bølge kan forårsage en elektrisk nedbrydning af luften og gnister. Langvarig gnistdannelse kan beskadige magnetronen. Hvis en lille mængde mad tilberedes i mikrobølgeovnen, anbefales det, at du også placerer et glas vand i ovnen for at absorbere mikrobølgerne og reducere dem til et gnistfrit niveau for at forhindre gnister.

Sundhedsfarer

Mindst én sundhedsfare er velkendt og dokumenteret. Hvis linsen ikke har en kølende blodgennemstrømning, er den særligt modtagelig for overophedning på grund af mikrobølgestråling. En sådan opvarmning kan igen føre til en højere forekomst af grå stær senere i livet [17] .

Der er også en betydelig risiko for elektrisk stød, da magnetroner kræver en højspændingsstrømkilde for at fungere. Nogle magnetroner har berylliumoxid keramiske isolatorer , som er farlige, hvis de går i stykker, indåndes eller sluges. Enkelt eller kronisk eksponering kan føre til en uhelbredelig lungesygdom kaldet berylliose . Derudover er beryllium opført som et bekræftet humant kræftfremkaldende stof af IARC ; derfor kan ødelagte keramiske isolatorer eller magnetroner ikke kontaktes direkte.

Alle magnetroner indeholder en lille mængde thorium blandet med wolfram i filamentet. Selvom det er et radioaktivt metal, er risikoen for kræft lav, fordi det aldrig frigives til luften ved normal brug. Kun hvis tråden fjernes fra magnetronen, knuses og inhaleres, kan den være farlig for mennesker [18] [19] [20] .

Noter

  1. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 353.
  2. ↑ H. Greinacher (1912) "Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m" Arkiveret 8. marts 2021 på Wayback Machine  (tysk) (Om apparatet til at bestemme e/m), Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft , 14  : 856 -864.
  3. ↑ "Invention of Magnetron" Arkiveret 23. december 2017 på Wayback Machine  .
  4. ↑ Albert W. Hull (1921) "Effekten af ​​et ensartet magnetfelt på elektronernes bevægelse mellem koaksiale cylindre" Arkiveret 5. april 2016 på Wayback Machine , Physical Review , 18 (1): 31-57 . Se også: Albert W. Hull, "The magnetron", Journal of the American Institute of Electrical Engineers , vol. 40, nr. 9, s. 715-723 (september 1921).
  5. ↑ Biografiske oplysninger om August Žáček:
    • RH Furth, Nekrolog: "Prof. August Začek, Nature , vol. 193, nr. 4816, s. 625 (1962).
    • "Den 70-års fødselsdag for prof. Dr. August Žáček", Czechoslovak Journal of Physics , vol. 6, nr. 2, s. 204-205 (1956). Tilgængelig online på: Metapress.com Arkiveret 12. marts 2012 på Wayback Machine .
  6. ↑ Mouromtseeff J. E. Proc. Natl.-Elektr. Konf., 1945, nr. 33, s. 229-233.
  7. ↑ M. M. Lobanov. Udvidelse af forskning i radiodetektion . Udviklingen af ​​sovjetisk radarteknologi . Hentet 27. januar 2016. Arkiveret fra originalen 4. marts 2016.
  8. ↑ Alexeev N. F., Malyarov D. E. At få kraftige vibrationer af magnetroner i centimeters bølgelængdeområde // Magazine of Technical Physics. 1940 bind. 10. Nej. 15, s. 1297-1300.
  9. ↑ Brown, Louis. En radarhistorie fra Anden Verdenskrig. Tekniske og militære imperativer. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9 .
  10. ↑ Magnetronen . Bournemouth University (1995-2009). Hentet 23. august 2009. Arkiveret fra originalen 23. august 2011.
  11. ↑ Perpya Ya. Z. Hvordan radaren fungerer. Oborongiz, 1955.
  12. ↑ Schroter, B. Hvor vigtig var Tizard's Box of Tricks?  (neopr.)  // Kejserlig Ingeniør. - 2008. - Forår ( bind 8 ). - S. 10 .
  13. ↑ Hvem var Alan Dower Blumlein? (utilgængeligt link) . Dora Media Productions (1999-2007) Hentet 23. august 2009. Arkiveret fra originalen 23. august 2011. 
  14. ↑ The Mitron-An Interdigital Voltage-Tunable Magnetron Arkiveret 5. februar 2016 på Wayback Machine / Proceedings of the IRE (bind: 43, udgave: 3, 1955) s. 332-338, doi:10.1109/JRPROC.1955.278140 .
  15. ↑ 62. Mitrons Arkiveret 3. februar 2016 på Wayback Machine  (engelsk) / 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. Tæmmede usynlige. Alt om mikrobølgeovne _ _
  17. ↑ Lipman, R.M.; BJ Tripathi; R. C. Tripathi (1988). "Grå stær induceret af mikrobølger og ioniserende stråling". Kortlægning af oftalmologi . 33 (3): 200-210. DOI : 10.1016/0039-6257(88)90088-4 . OSTI  6071133 . PMID  3068822 .
  18. ↑ I hjemmet - ANSTO . www.ansto.gov.au . Australian Nuclear Science and Technology Organisation. Hentet 5. maj 2018. Arkiveret fra originalen 5. september 2017.
  19. ↑ EngineerGuy Video: mikrobølgeovn . www.engineerguy.com . Hentet 5. maj 2018. Arkiveret fra originalen 5. september 2017.
  20. ↑ EPA, OAR, ORIA, RPD, US Radiation Protection - US EPA . US EPA (16. juli 2014). Hentet 5. maj 2018. Arkiveret fra originalen 1. oktober 2006.

Links

Litteratur

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 Vakuum elektroniske enheder (undtagen katodestråle )
Generator og
forstærker lamper
Andet
Typer af ydeevne
Strukturelle elementer