Come funziona e funziona il magnetron

Magnetron - uno speciale dispositivo elettronico in cui la generazione di oscillazioni ad altissima frequenza (oscillazioni a microonde) viene effettuata modulando il flusso di elettroni in termini di velocità. I magnetron hanno notevolmente ampliato il campo di applicazione del riscaldamento con correnti ad alta e altissima frequenza.

Meno comuni sono gli amplitron (platinotron), i klystron e le lampade a onde mobili basate sullo stesso principio.

Il magnetron è il più avanzato generatore di frequenze a microonde ad alta potenza. È una lampada ben evacuata con un fascio di elettroni controllato da un campo elettrico e magnetico. Permettono di ottenere onde molto corte (fino a frazioni di centimetro) a potenze significative.

I magnetron utilizzano il movimento degli elettroni in campi elettrici e magnetici reciprocamente perpendicolari creati nello spazio anulare tra il catodo e l'anodo. Una tensione anodica viene applicata tra gli elettrodi, creando un campo elettrico radiale sotto l'influenza del quale gli elettroni rimossi dal catodo riscaldato si precipitano verso l'anodo.

Il blocco anodico è posto tra i poli di un elettromagnete, che crea un campo magnetico nello spazio anulare diretto lungo l'asse del magnetron. Sotto l'influenza di un campo magnetico, l'elettrone devia dalla direzione radiale e si muove lungo una complessa traiettoria a spirale. Nello spazio tra il catodo e l'anodo si forma una nuvola di elettroni rotanti con linguette, che ricordano il mozzo di una ruota a raggi. Volando oltre le fessure dei risonatori della cavità anodica, gli elettroni eccitano in essi oscillazioni ad alta frequenza.

Riso. 1. Blocco anodo magnetron

Ciascuno dei risonatori a cavità è un sistema oscillatorio con parametri distribuiti. Il campo elettrico è concentrato nelle fessure e il campo magnetico è concentrato all'interno della cavità.

L'energia in uscita dal magnetron è realizzata per mezzo di un anello induttivo posto in uno o più spesso due risonatori adiacenti. Il cavo coassiale fornisce alimentazione al carico.

Riso. 2. Dispositivo magnetron

Il riscaldamento con correnti a microonde viene effettuato in guide d'onda a sezione circolare o rettangolare o in risonatori di volume in cui onde elettromagnetiche le forme più semplici TE10 (H10) (nelle guide d'onda) o TE101 (nei risonatori a cavità). Il riscaldamento può essere effettuato anche emettendo un'onda elettromagnetica sull'oggetto riscaldato.

I magnetron sono alimentati da corrente raddrizzata con un circuito raddrizzatore semplificato. Le unità di potenza molto bassa possono essere alimentate in CA.

I magnetron possono operare a diverse frequenze da 0,5 a 100 GHz, con potenze da pochi W a decine di kW in modalità continua e da 10 W a 5 MW in modalità pulsata con durate degli impulsi principalmente da frazioni a decine di microsecondi.

Riso. 2. Magnetron in un forno a microonde

La semplicità del dispositivo e il costo relativamente basso dei magnetron, combinati con l'elevata intensità di riscaldamento e le diverse applicazioni delle correnti a microonde, aprono grandi prospettive per il loro utilizzo in vari campi dell'industria, dell'agricoltura (ad esempio, in impianti di riscaldamento dielettrico) ea casa (forno a microonde).

Funzionamento del magnetron

Quindi è il magnetron lampada elettrica un design speciale utilizzato per generare oscillazioni ad altissima frequenza (nella gamma di onde decimetriche e centimetriche).La sua caratteristica è l'uso di un campo magnetico permanente (per creare i percorsi necessari per il movimento degli elettroni all'interno della lampada), da da cui il magnetron ha preso il nome.

Il magnetron multicamera, la cui idea fu proposta per la prima volta da M. A. Bonch-Bruevich e realizzata dagli ingegneri sovietici D. E. Malyarov e N. F. Alekseev, è una combinazione di un tubo elettronico con risonatori di volume. Ci sono molti di questi risonatori a cavità in un magnetron, motivo per cui questo tipo è chiamato multi-camera o multi-cavità.

Il principio di progettazione e funzionamento di un magnetron multicamera è il seguente. L'anodo del dispositivo è un massiccio cilindro cavo, nella cui superficie interna sono realizzate numerose cavità con fori (queste cavità sono risonatori di volume), il catodo si trova lungo l'asse del cilindro.

Il magnetron è posto in un campo magnetico permanente diretto lungo l'asse del cilindro. Gli elettroni che fuoriescono dal catodo sul lato di questo campo magnetico sono influenzati da Forza di Lorentz, che piega il percorso degli elettroni.

Il campo magnetico è scelto in modo che la maggior parte degli elettroni si muova lungo percorsi curvi che non tocchino l'anodo. Se compaiono le telecamere del dispositivo (risonatori di cavità). vibrazioni elettriche (si verificano sempre piccole fluttuazioni di volume per vari motivi, ad esempio, a seguito dell'accensione della tensione anodica), quindi esiste un campo elettrico alternato non solo all'interno delle camere, ma anche all'esterno, vicino ai fori (fessure).

Gli elettroni che volano vicino all'anodo cadono in questi campi e, a seconda della direzione del campo, accelerano o decelerano in essi. Quando gli elettroni sono accelerati da un campo, prendono energia dai risonatori, al contrario, quando sono decelerati, cedono parte della loro energia ai risonatori.

Se il numero di elettroni accelerati e decelerati fosse lo stesso, in media non darebbero energia ai risonatori. Ma gli elettroni, che vengono rallentati, hanno quindi una velocità inferiore a quella che ottengono quando si spostano verso l'anodo. Pertanto, non hanno più energia sufficiente per tornare al catodo.

Al contrario, quegli elettroni che sono stati accelerati dal campo del risonatore possiedono quindi un'energia maggiore di quella necessaria per tornare al catodo. Pertanto, gli elettroni che, entrando nel campo del primo risonatore, vengono accelerati in esso, torneranno al catodo, e quelli che vengono rallentati in esso non torneranno al catodo, ma si muoveranno lungo percorsi curvi vicino all'anodo e cadranno nel campo dei seguenti risonatori.

Ad una velocità di movimento adeguata (che è in qualche modo correlata alla frequenza delle oscillazioni nei risonatori), questi elettroni cadranno nel campo del secondo risonatore con la stessa fase di oscillazione in esso come nel campo del primo risonatore, quindi , nel campo del secondo risonatore , anch'essi rallenteranno.

Pertanto, con un'opportuna scelta della velocità dell'elettrone, i.e.tensione anodica (così come il campo magnetico, che non cambia la velocità dell'elettrone, ma ne cambia la direzione), è possibile ottenere una situazione tale che un singolo elettrone venga accelerato dal campo di un solo risonatore, o decelerato dal campo di diversi risonatori.

Pertanto, gli elettroni, in media, daranno più energia ai risonatori di quanta ne toglieranno loro, cioè le oscillazioni che si verificano nei risonatori aumenteranno e, alla fine, si stabiliranno in essi oscillazioni di ampiezza costante.

Il processo di mantenimento delle oscillazioni nei risonatori, da noi considerato in modo semplificato, è accompagnato da un altro fenomeno importante, poiché gli elettroni, per essere rallentati dal campo del risonatore, devono volare in questo campo in una certa fase di oscillazione del risonatore, ovviamente è che devono muoversi in un flusso non uniforme (t. allora entrerebbero nel campo del risonatore in qualsiasi momento, non in determinati momenti, ma sotto forma di fasci individuali.

Per questo, l'intero flusso di elettroni deve essere come una stella, in cui gli elettroni si muovono all'interno in fasci separati, e l'intera stella nel suo insieme ruota attorno all'asse del magnetron a una velocità tale che i suoi raggi entrino in ogni camera a i momenti giusti. Il processo di formazione di fasci separati nel fascio di elettroni è chiamato focalizzazione di fase e viene eseguito automaticamente sotto l'azione del campo variabile dei risonatori.

I moderni magnetron sono in grado di creare vibrazioni fino alle frequenze più alte nell'ordine del centimetro (onde fino a 1 cm e anche più corte) e di erogare potenza fino a diverse centinaia di watt con radiazione continua e diverse centinaia di kilowatt con radiazione pulsata.

Guarda anche:Esempi di utilizzo dei magneti permanenti nell'ingegneria elettrica e nell'energia