Πώς λειτουργεί και λειτουργεί το magnetron

Magnetron - μια ειδική ηλεκτρονική συσκευή στην οποία η δημιουργία ταλαντώσεων εξαιρετικά υψηλής συχνότητας (ταλαντώσεις μικροκυμάτων) πραγματοποιείται διαμορφώνοντας τη ροή ηλεκτρονίων ως προς την ταχύτητα. Τα μαγνητόνια έχουν επεκτείνει πολύ το πεδίο εφαρμογής της θέρμανσης με ρεύματα υψηλής και υπερυψηλής συχνότητας.

Τα αμπλίτρονια (πλατινοτρόνια), τα κλυστρόνια και οι λαμπτήρες κινουμένων κυμάτων που βασίζονται στην ίδια αρχή είναι λιγότερο συνηθισμένα.

Το magnetron είναι η πιο προηγμένη γεννήτρια συχνοτήτων μικροκυμάτων υψηλής ισχύος. Είναι ένας καλά εκκενωμένος λαμπτήρας με δέσμη ηλεκτρονίων που ελέγχεται από ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Καθιστούν δυνατή τη λήψη πολύ μικρών κυμάτων (μέχρι κλάσματα του εκατοστού) σε σημαντικές δυνάμεις.

Τα μαγνητόνια χρησιμοποιούν την κίνηση των ηλεκτρονίων σε αμοιβαία κάθετα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται στο δακτυλιοειδές κενό μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Μια ανοδική τάση εφαρμόζεται μεταξύ των ηλεκτροδίων, δημιουργώντας ένα ακτινωτό ηλεκτρικό πεδίο υπό την επίδραση του οποίου τα ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από τη θερμαινόμενη κάθοδο ορμούν προς την άνοδο.

Το μπλοκ ανόδου τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ηλεκτρομαγνήτη, ο οποίος δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο δακτυλιοειδές διάκενο που κατευθύνεται κατά μήκος του άξονα του μαγνητρόν. Υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, το ηλεκτρόνιο αποκλίνει από την ακτινική κατεύθυνση και κινείται κατά μήκος μιας σύνθετης σπειροειδούς τροχιάς. Στο διάστημα μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, σχηματίζεται ένα περιστρεφόμενο σύννεφο ηλεκτρονίων με γλωττίδες, που θυμίζει την πλήμνη ενός τροχού με ακτίνες. Πετώντας πέρα ​​από τις σχισμές των συντονιστών κοιλότητας ανόδου, τα ηλεκτρόνια διεγείρουν ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας σε αυτά.

Ρύζι. 1. Μπλοκ ανόδου Magnetron

Κάθε ένας από τους συντονιστές κοιλότητας είναι ένα ταλαντευόμενο σύστημα με κατανεμημένες παραμέτρους. Το ηλεκτρικό πεδίο συγκεντρώνεται στις σχισμές και το μαγνητικό πεδίο συγκεντρώνεται μέσα στην κοιλότητα.

Η ενέργεια εξόδου από το μαγνήτρον πραγματοποιείται μέσω ενός επαγωγικού βρόχου που τοποθετείται σε έναν ή πιο συχνά δύο παρακείμενους συντονιστές. Το ομοαξονικό καλώδιο παρέχει ισχύ στο φορτίο.

Ρύζι. 2. Συσκευή Magnetron

Η θέρμανση με ρεύματα μικροκυμάτων πραγματοποιείται σε κυματοδηγούς με κυκλική ή ορθογώνια διατομή ή σε αντηχεία όγκου στους οποίους Ηλεκτρομαγνητικά κύματα η απλούστερη μορφή TE10 (H10) (σε κυματοδηγούς) ή TE101 (σε συντονιστές κοιλότητας). Η θέρμανση μπορεί επίσης να γίνει με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικού κύματος στο θερμαντικό αντικείμενο.

Τα μαγνητόνια τροφοδοτούνται από ανορθωμένο ρεύμα με ένα απλοποιημένο κύκλωμα ανορθωτή. Οι μονάδες πολύ χαμηλής ισχύος μπορούν να τροφοδοτηθούν με AC.

Τα μαγνητόνια μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικές συχνότητες από 0,5 έως 100 GHz, με ισχύ από λίγα W έως δεκάδες kW σε συνεχή λειτουργία και από 10 W έως 5 MW σε παλμική λειτουργία με διάρκεια παλμού κυρίως από κλάσματα έως δεκάδες μικροδευτερόλεπτα.

Ρύζι. 2. Magnetron σε φούρνο μικροκυμάτων

Η απλότητα της συσκευής και το σχετικά χαμηλό κόστος των μαγνητρονίων, σε συνδυασμό με την υψηλή ένταση θέρμανσης και τις ποικίλες εφαρμογές ρευμάτων μικροκυμάτων, ανοίγουν μεγάλες προοπτικές για τη χρήση τους σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, της γεωργίας (π.χ. εγκαταστάσεις διηλεκτρικής θέρμανσης) και στο σπίτι (φούρνος μικροκυμάτων).

Λειτουργία Magnetron

Άρα είναι το μαγνήτρον ηλεκτρική λάμπα ειδικό σχέδιο που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ταλαντώσεων υπερυψηλών συχνοτήτων (στην περιοχή των δεκατιανών και εκατοστών κυμάτων) Χαρακτηριστικό του είναι η χρήση μόνιμου μαγνητικού πεδίου (για τη δημιουργία των απαραίτητων μονοπατιών για την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στον λαμπτήρα), από που πήρε το όνομά του το μαγνήτρον.

Το μαγνητρόν πολλαπλών θαλάμων, η ιδέα του οποίου προτάθηκε για πρώτη φορά από τον M. A. Bonch-Bruevich και πραγματοποιήθηκε από τους Σοβιετικούς μηχανικούς D. E. Malyarov και N. F. Alekseev, είναι ένας συνδυασμός ενός σωλήνα ηλεκτρονίων με συντονιστές όγκου. Υπάρχουν αρκετοί από αυτούς τους συντονιστές κοιλότητας σε ένα μαγνήτρον, γι' αυτό και αυτός ο τύπος ονομάζεται πολυθάλαμος ή πολλαπλή κοιλότητα.

Η αρχή του σχεδιασμού και της λειτουργίας ενός μαγνητρονίου πολλαπλών θαλάμων έχει ως εξής. Η άνοδος της συσκευής είναι ένας τεράστιος κοίλος κύλινδρος, στην εσωτερική επιφάνεια του οποίου δημιουργείται ένας αριθμός κοιλοτήτων με οπές (αυτές οι κοιλότητες είναι συντονιστές όγκου), η κάθοδος βρίσκεται κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου.

Το μαγνήτρον τοποθετείται σε ένα μόνιμο μαγνητικό πεδίο που κατευθύνεται κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου. Τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από την κάθοδο στην πλευρά αυτού του μαγνητικού πεδίου επηρεάζονται από Δύναμη Lorentz, που κάμπτει τη διαδρομή των ηλεκτρονίων.

Το μαγνητικό πεδίο επιλέγεται έτσι ώστε τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια να κινούνται κατά μήκος καμπύλων μονοπατιών που δεν αγγίζουν την άνοδο. Εάν εμφανιστούν οι κάμερες της συσκευής (συντονιστές κοιλότητας). ηλεκτρικές δονήσεις (μικρές διακυμάνσεις στους όγκους συμβαίνουν πάντα για διάφορους λόγους, για παράδειγμα, ως αποτέλεσμα της ενεργοποίησης της τάσης ανόδου), τότε υπάρχει ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο όχι μόνο μέσα στους θαλάμους, αλλά και έξω, κοντά στις οπές (σχισμές).

Τα ηλεκτρόνια που πετούν κοντά στην άνοδο πέφτουν σε αυτά τα πεδία και, ανάλογα με την κατεύθυνση του πεδίου, είτε επιταχύνονται είτε επιβραδύνονται σε αυτά. Όταν τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται από ένα πεδίο, παίρνουν ενέργεια από τους συντονιστές, αντίθετα, όταν επιβραδύνονται, δίνουν μέρος της ενέργειάς τους στους συντονιστές.

Εάν ο αριθμός των επιταχυνόμενων και των επιβραδυνόμενων ηλεκτρονίων ήταν ο ίδιος, τότε κατά μέσο όρο δεν θα έδιναν ενέργεια στους συντονιστές. Αλλά τα ηλεκτρόνια, τα οποία επιβραδύνονται, έχουν τότε μικρότερη ταχύτητα από αυτή που παίρνουν όταν κινούνται προς την άνοδο. Επομένως, δεν έχουν πλέον αρκετή ενέργεια για να επιστρέψουν στην κάθοδο.

Αντίθετα, εκείνα τα ηλεκτρόνια που επιταχύνθηκαν από το πεδίο του συντονιστή έχουν τότε ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για να επιστρέψουν στην κάθοδο. Επομένως, τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται στο πεδίο του πρώτου συντονιστή, επιταχύνονται σε αυτό, θα επιστρέψουν στην κάθοδο και αυτά που επιβραδύνονται σε αυτήν δεν θα επιστρέψουν στην κάθοδο, αλλά θα κινηθούν κατά μήκος καμπύλων μονοπατιών κοντά στην άνοδο και θα πέσουν στο πεδίο των παρακάτω αντηχείων.

Με μια κατάλληλη ταχύτητα κίνησης (η οποία σχετίζεται κατά κάποιο τρόπο με τη συχνότητα των ταλαντώσεων στους συντονιστές), αυτά τα ηλεκτρόνια θα πέσουν στο πεδίο του δεύτερου συντονιστή με την ίδια φάση ταλαντώσεων σε αυτό όπως και στο πεδίο του πρώτου συντονιστή. , στο πεδίο του δεύτερου αντηχείου , θα επιβραδύνουν επίσης.

Έτσι, με κατάλληλη επιλογή ταχύτητας ηλεκτρονίων, δηλ.τάση ανόδου (καθώς και το μαγνητικό πεδίο, το οποίο δεν αλλάζει την ταχύτητα του ηλεκτρονίου, αλλά αλλάζει την κατεύθυνσή του), είναι δυνατόν να επιτευχθεί μια τέτοια κατάσταση ώστε ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο είτε να επιταχυνθεί από το πεδίο ενός μόνο συντονιστή, ή επιβραδύνεται από το πεδίο πολλών αντηχείων.

Επομένως, τα ηλεκτρόνια θα δίνουν, κατά μέσο όρο, περισσότερη ενέργεια στους συντονιστές από όση θα τους αφαιρέσουν, δηλαδή οι ταλαντώσεις που συμβαίνουν στους συντονιστές θα αυξηθούν και, τελικά, θα δημιουργηθούν ταλαντώσεις σταθερού πλάτους σε αυτούς.

Η διαδικασία διατήρησης των ταλαντώσεων στους συντονιστές, θεωρούμενη από εμάς με απλοποιημένο τρόπο, συνοδεύεται από ένα άλλο σημαντικό φαινόμενο, καθώς τα ηλεκτρόνια, για να επιβραδυνθούν από το πεδίο του συντονιστή, πρέπει να πετάξουν σε αυτό το πεδίο σε μια ορισμένη φάση ταλάντωσης. του αντηχείου, προφανώς είναι ότι πρέπει να κινούνται σε μια ανομοιόμορφη ροή (t. τότε θα εισέρχονταν στο πεδίο του συντονιστή οποιαδήποτε στιγμή, όχι σε συγκεκριμένες στιγμές, αλλά με τη μορφή μεμονωμένων δεσμίδων.

Για αυτό, ολόκληρο το ρεύμα των ηλεκτρονίων πρέπει να είναι σαν ένα αστέρι, στο οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε ξεχωριστές δέσμες και ολόκληρο το αστέρι ως σύνολο περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του μαγνήτρον με τέτοια ταχύτητα ώστε οι δέσμες του να έρχονται σε κάθε θάλαμο σε τις σωστές στιγμές. Η διαδικασία σχηματισμού ξεχωριστών δεσμών στη δέσμη ηλεκτρονίων ονομάζεται εστίαση φάσης και πραγματοποιείται αυτόματα υπό τη δράση του μεταβλητού πεδίου των συντονιστών.

Τα σύγχρονα μαγνητρόνια είναι ικανά να δημιουργούν δονήσεις μέχρι τις υψηλότερες συχνότητες στην περιοχή των εκατοστών (κύματα έως 1 cm και ακόμη μικρότερα) και να παρέχουν ισχύ έως και αρκετές εκατοντάδες watt με συνεχή ακτινοβολία και αρκετές εκατοντάδες κιλοβάτ με παλμική ακτινοβολία.

Δείτε επίσης:Παραδείγματα χρήσης μόνιμων μαγνητών στην ηλεκτρική μηχανική και την ενέργεια