Как работи и работи магнетрона

Магнетрон -специално електронно устройство, в което генерирането на ултрависокочестотни трептения (микровълнови трептения) се извършва чрез модулиране на електронния поток по отношение на скоростта. Магнетроните значително разшириха областта на приложение на отоплението с токове с висока и свръхвисока честота.

По-рядко срещани са амплитрони (платинотрони), клистрони и лампи с пътуващи вълни, базирани на същия принцип.

Магнетронът е най -модерният генератор на микровълнови честоти с висока мощност. Това е добре евакуирана лампа с електронен лъч, контролиран от електрическо и магнитно поле. Те дават възможност да се получат много къси вълни (до части от сантиметър) при значителни мощности.

Магнетроните използват движението на електрони във взаимно перпендикулярни електрически и магнитни полета, създадени в пръстеновидната междина между катода и анода. Между електродите се подава анодно напрежение, създавайки радиално електрическо поле, под действието на което електроните, извадени от нагрятия катод, се втурват към анода.

Анодният блок е поставен между полюсите на електромагнит, който създава магнитно поле в пръстеновидната междина, насочена по оста на магнетрона. Под влияние на магнитно поле електронът се отклонява от радиалната посока и се движи по сложна спирална траектория. В пространството между катода и анода се образува въртящ се електронен облак с езици, напомнящ главината на колело със спици. Прелитайки покрай прорезите на резонаторите на кухината на анода, електроните възбуждат високочестотни трептения в тях.

Ориз. 1. Аноден блок от магнетрон

Всеки от резонаторите на кухината е колебателна система с разпределени параметри. Електрическото поле е концентрирано в прорезите, а магнитното поле е концентрирано вътре в кухината.

Изходната енергия от магнетрона се осъществява с помощта на индуктивен контур, поставен в един или повече често два съседни резонатора. Коаксиалният кабел доставя енергия към товара.

Ориз. 2. Магнетронно устройство

Отоплението с микровълнови токове се извършва във вълноводи с кръгло или правоъгълно сечение или в обемни резонатори, в които електромагнитни вълни най -простите форми TE10 (H10) (във вълноводи) или TE101 (в резонатори на кухини). Отоплението може да се извърши и чрез излъчване на електромагнитна вълна към нагревателния обект.

Магнетроните се захранват от коригиран ток с опростена токоизправителна схема. Блокове с много ниска мощност могат да се захранват с променлив ток.

Магнетроните могат да работят при различни честоти от 0,5 до 100 GHz, с мощности от няколко W до десетки kW в непрекъснат режим и от 10 W до 5 MW в импулсен режим с продължителност на импулса главно от фракции до десетки микросекунди.

Ориз. 2. Магнетрон в микровълнова фурна

Простотата на устройството и относително ниската цена на магнетроните, комбинирани с висок интензитет на нагряване и разнообразни приложения на микровълнови токове, отварят големи перспективи за тяхното използване в различни области на промишлеността, селското стопанство (например в диелектрични отоплителни инсталации) и у дома (микровълнова фурна).

Работа с магнетрон

Значи магнетрона е електрическа лампа специален дизайн, използван за генериране на ултрависокочестотни трептения (в обхвата на дециметрови и сантиметрови вълни).Характеристиката му е използването на постоянно магнитно поле (за създаване на необходимите пътища за движение на електрони вътре в лампата), от което магнетрона е получил името си.

Многокамерният магнетрон, чиято идея е предложена за първи път от М. А. Бонч-Бруевич и реализирана от съветските инженери Д. Е. Маляров и Н. Ф. Алексеев, е комбинация от електронна тръба с обемни резонатори. В магнетрона има няколко от тези резонатори за кухини, поради което този тип се нарича многокамерен или многокухин.

Принципът на проектиране и работа на многокамерен магнетрон е следният. Анодът на устройството е масивен кух цилиндър, във вътрешната повърхност на който са направени редица кухини с отвори (тези кухини са обемни резонатори), катодът е разположен по оста на цилиндъра.

Магнетронът е поставен в постоянно магнитно поле, насочено по оста на цилиндъра. Електроните, избягали от катода от страната на това магнитно поле, се влияят от Сила на Лоренц, който огъва пътя на електроните.

Магнитното поле е избрано така, че повечето електрони да се движат по извити пътища, които не докосват анода. Ако се появят камерите на устройството (резонатори на кухината) електрически вибрации (малки колебания в обемите винаги възникват по различни причини, например в резултат на включване на анодното напрежение), тогава променливо електрическо поле съществува не само вътре в камерите, но и навън, в близост до отворите (прорезите).

Електроните, летящи близо до анода, попадат в тези полета и в зависимост от посоката на полето или ускоряват, или забавят в тях. Когато електроните се ускоряват от поле, те вземат енергия от резонаторите, напротив, когато се забавят, те отстъпват част от енергията си на резонаторите.

Ако броят на ускорените и забавените електрони е един и същ, тогава те средно не биха дали енергия на резонаторите. Но електроните, които се забавят, след това имат по -ниска скорост от тази, която получават при преместване към анода. Следователно те вече нямат достатъчно енергия, за да се върнат към катода.

Напротив, тези електрони, които бяха ускорени от полето на резонаторите, след това притежават енергия, по -голяма от тази, необходима за връщане към катода. Следователно, електроните, които, влизайки в полето на първия резонатор, се ускоряват в него, ще се върнат към катода, а тези, които се забавят в него, няма да се върнат към катода, а ще се движат по извити пътища близо до анода и попадат в полето на следващите резонатори.

При подходяща скорост на движение (което по определен начин е свързано с честотата на трептенията в резонаторите), тези електрони ще попаднат в полето на втория резонатор със същата фаза на трептения в него като в полето на първия резонатор, следователно, в полето на втория резонатор, те също ще се забавят.

По този начин, с подходящ избор на скоростта на електрона, т.е. анодното напрежение (както и магнитното поле, което не променя скоростта на електрона, но променя посоката му), е възможно да се постигне такава ситуация, че отделен електрон или ще се ускори от полето само на един резонатор, или ще се забави от полето на няколко резонатора.

Следователно, електроните ще дават средно повече енергия на резонаторите, отколкото ще им отнемат, тоест възникналите в резонаторите трептения ще се увеличат и в крайна сметка в тях ще се установят трептения с постоянна амплитуда.

Процесът на поддържане на трептенията в резонаторите, разглеждан от нас по опростен начин, е придружен от друго важно явление, тъй като електроните, за да бъдат забавени от полето на резонатора, трябва да летят в това поле при определена фаза на трептене на резонатора, очевидно е, че те трябва да се движат в неравномерен поток (t.тогава те биха влезли в резонаторното поле по всяко време, не в определени моменти, а под формата на отделни снопчета.

За това целият поток от електрони трябва да бъде като звезда, в която електроните се движат вътре в отделни лъчи, а цялата звезда като цяло се върти около оста на магнетрона с такава скорост, че лъчите му идват във всяка камера вдясно моменти. Процесът на образуване на отделни снопчета в електронния лъч се нарича фазово фокусиране и се осъществява автоматично под действието на променливото поле на резонаторите.

Съвременните магнетрони са способни да създават вибрации до най -високите честоти в сантиметровия диапазон (вълни до 1 см и дори по -къси) и да доставят мощност до няколкостотин вата с непрекъснато излъчване и няколкостотин киловата с импулсно излъчване.

Вижте също:Примери за използване на постоянни магнити в електротехниката и енергетиката