Для чего нужен магнетрон

Магнетрон

Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.

Содержание

История

Термин «магнетрон» был предложен Альбертом Халлом, который в 1921 году впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн посредством магнетрона открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек.

Действующие магнетронные генераторы радиоволн были созданы независимо и почти одновременно в трех странах: в Чехословакии (Жачек, 1924 г.), в СССР (А.А. Слуцкин и Д.С. Штейнберг, 1925 г.), в Японии (Окабе и Яги, 1927 г.).

Французский ученый Морис Понт с сотрудниками из парижской фирмы «КСФ» в 1935 году создали электронную лампу с вольфрамовым катодом, окруженным резонаторными анодными сегментами. Она была предшественницей магнетронов с резонаторными камерами.

Конструкция многорезонаторного магнетрона Алексеева — Малярова, обеспечивающего 300-ваттное излучение на волне 10 сантиметров, созданного в 1936-39 гг., стала известна мировому сообществу благодаря публикации 1940 г. (Alexeev Н. F., Malyarov Д. Е. Getting powerful vibrations of magnetrons in centimeter wavelength range // Magazine of Technical Physics. 1940. Vol. 10. No. 15, P. 1297—1300.)

Своим появлением на свет многорезонаторный магнетрон Алексеева — Малярова обязан радиолокации. Работы по радиолокации были развернуты в СССР почти одновременно с началом радиолокационных работ в Англии и США. По признанию зарубежных авторов, к началу 1934 года СССР продвинулся в этих работах более, чем США и Англия. (Brown, Louis. A Radar History of World War II . Technical and Military Imperatives. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9.)

В 1940 британские физики Джон Рэндалл (англ. John Randall ) и Гарри Бут (англ. Harry Boot ) изобрели резонансный магнетрон [1] Новый магнетрон давал импульсы высокой мощности, что позволило разработать радар сантиметрового диапазона. Радар с короткой длиной волны позволял обнаруживать более мелкие объекты [2] . Кроме того, компактный размер магнетрона привел к резкому уменьшению размеров радарной аппаратуры [3] , что позволило устанавливать ее на самолетах [4] .

Явление перестройки частоты магнетрона напряжением впервые обнаружили в 1949 американские инженеры Д. Уилбур и Ф. Питерс. Магнетрон, настраиваемый напряжением, или митрон — генераторный прибор магнетронного типа, рабочая частота которого в широком диапазоне изменяется пропорционально анодному напряжению.

Начиная с 1960-х годов магнетроны получили применение в СВЧ-печах для домашнего использования.

Характеристики

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.

Конструкция

Резонансный магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона образуют кольцевую колебательную систему, около них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающиеся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Принцип работы

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

Применение

В радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты А1.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки). Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение. Искрение, продолжающееся достаточно долго, может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи, лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.

Магнетроны. Устройство и работа. Виды и применение. Как выбрать

Магнетроны называют электронные приборы, в которых образуются колебания сверхвысокой частоты при помощи модуляции потока электронов. Магнитные и электрические поля в нем действуют с большой силой. Наиболее распространенная модификация магнетрона – это многорезонаторный.

Впервые магнетрон был создан в Америке в 1921 году. С течением времени эксперименты с ним продолжались. В результате появилось множество видов магнетронов, использующихся в радиоэлектронике. В 1960 году приборы стали использоваться в печах сверхвысокой частоты для домашнего применения. Менее распространены клистроны, платинотроны, которые основаны на этом же принципе действия.

Устройство и принцип работы

1 — Анод
2 — Катод
3 — Накал
4 — Резонансная полость
5 — Антенна

Магнетроны резонансного типа состоят из:

  • Анодный блок . Представляет собой толстостенный металлический цилиндр с полостями в стенках. Эти полости являются объемными резонаторами, которые создают колебательную кольцевую систему.
  • Катод . Он имеет цилиндрическую форму. Внутри него размещен подогреватель.
  • Внешние электромагниты или постоянные магниты . Они создают магнитное поле, которое параллельно оси прибора.
  • Проволочная петля . Она применяется для вывода сверхвысоких частот, и закреплена в резонаторе.

Резонаторы создают кольцевую систему колебаний. Возле них пучки электронов воздействуют на электромагнитные волны. Так как эта система выполнена замкнутой, то она способна возбудиться только на определенных частотах колебаний. При нахождении рядом с рабочей частотой других частот, случается перескакивание частоты и нарушается стабильность работы устройства.

Чтобы исключить такие отрицательные эффекты магнетроны с одинаковыми резонаторами оснащаются разными связками, либо используются магнетроны с отличающимися размерами резонаторов.

Магнетроны разделяют по виду резонаторов:

  • Лопаточные.
  • Щель-отверстие.
  • Щелевые.

В магнетронах применяется движение электронов в перпендикулярных магнитных и электрических полях, созданных в зазоре кольца между анодом и катодом. Между ними подается напряжение (анодное), которое образует радиальное электрическое поле. Под воздействием этого поля электроны вырываются из нагретого катода и устремляются к аноду.

Анодный блок находится между полюсов магнита, образующего магнитное поле, которое направлено вдоль оси магнетрона. Магнитное поле действует на электрон и отклоняет его на спиральную траекторию. В промежутке между анодом и катодом создается вращательное облако, похожее на колесо со спицами. Электроны возбуждают в объемных резонаторах колебания высокой частоты.

Отдельно каждый резонатор является колебательной системой. Магнитное поле концентрируется внутри полости, а электрическое поле сосредоточено у щелей. Энергия выводится из магнетрона с помощью индуктивной петли. Она размещена в соседних резонаторах. Электроэнергия подключается к нагрузке коаксиальным кабелем.

Нагревание токами высокой частоты производится в волноводах различного сечения, либо в объемных резонаторах. Также нагревание может производиться электромагнитными волнами.

Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.

Устройство магнетрона довольно простое. Его стоимость невысока. Поэтому такие качества в сочетании с повышенной эффективностью нагревания и разнообразным использованием высокочастотных токов открывают большие возможности использования в разных сферах жизни.

Основные виды магнетронов
  • Многорезонаторные устройства . Они содержат анодные блоки с несколькими резонаторами. Блоки состоят из различного вида резонаторов. В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%. Выход излучения высокой частоты осуществляется сбоку в щель резонатора.
  • Обращенные устройства . Они бывают двух исполнений: коаксиальные и обычные. Такие магнетроны способны выдать импульсы высокой частоты 700 наносекунд с энергией 250 джоулей. Коаксиальный вид магнетрона содержит стабилизирующий резонатор. В нем имеются отверстия во внешней стенке, а также ферритовые стержни с подмагничивающими катушками.
Сфера использования магнетронов
  • В устройствах радаров антенна подключена к волноводу. Она, по сути, является щелевым волноводом, или рупорным коническим облучателем вместе с отражателем в виде параболы (тарелка). Управление магнетрона осуществляется с помощью коротких мощных импульсов напряжения. В итоге образуется короткий импульс энергии с малой длиной волны. Малая часть такой энергии поступает снова на антенну и волновод, и далее к чувствительному приемнику. Сигнал обрабатывается и поступает на электронно-лучевую трубку на экран радара.
  • В бытовых микроволновых печах волновод имеет отверстие, которое не создает препятствие радиочастотным волнам в рабочей камере. Важным условием работы микроволновки является условие, чтобы при работе печи в камере находились какие-либо продукты. При этом микроволны поглощаются продуктами, и не возвращаются на волновод. Стоячие волны в микроволновой печи могут искрить. При долгом искрении магнетрон может выйти из строя. Если в микроволновке мало продуктов для приготовления, то лучше дополнительно поместить в камеру стакан с водой для лучшего поглощения волн.

1 — Магнетрон
2 — Высоковольтный конденсатор
3 — Высоковольтный диод
4 — Защита
5 — Высоковольтный трансформатор

  • В радиолокационных станциях используются коаксиальные магнетроны с быстрым изменением частоты. Это позволяет расширить тактико-технические свойства локаторов.
Выбор и приобретение магнетрона

Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры.

Наиболее малую мощность имеет магнетрон 2М 213. Его мощность составляет 700 ватт при нагрузке и 600 ватт номинальная.

Приборы средней мощности в основном изготавливают на 1000 ватт. Марка такого магнетрона – 2М 214.

Наибольшая мощность магнетрона у модели 2М 246.

Показатель мощности у них равен 1150 ватт. Перед приобретением необходимо сопоставить цену магнетрона со стоимостью всей печи, и не забыть о стоимости работ по ремонту. Возможно, что не будет смысла в ремонте.

Можно ли магнетрон заменить самостоятельно

Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.

Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.

Работа микроволновки

Пища имеет в составе воду, которая состоит из заряженных частиц. Продукты в микроволновой печи разогреваются посредством воздействия на них волн высокой частоты. Молекулы воды выступают в качестве диполя, так как проводят волны электрического поля.

Магнетрон в микроволновке: зачем нужен, как проверить и починить

Быстрый нагрев, который сделал микроволновую печь такой популярной, возможен благодаря магнетрону. Когда он ломается, выходит из строя вся печь. Если вы можете найти магнетрон в микроволновке, любознательны и любите проверять сервисные центры на честность и компетентность, то эта статья для вас.

Что такое магнетрон

Это генератор сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения в печи. Электромагнитные волны, которые он излучает, нагревают продукты, приводя в движение молекулы воды в пище. Получается, что еда разогревается без теплового влияния извне. Поэтому рабочая температура в микроволновке не может превышать 100°С — точку кипения воды.

Как устроен

Тут можно вспомнить школьного физика, который справедливо говорил, что наука пригодится.

Принцип работы и схема этого электровакуумного диода напоминает обычную электрическую лампочку. Высокое напряжение подаётся к корпусу, который является катодом. Подключается питание, элементарные частицы — электроны — устремляются к аноду.

Из чего состоит анод? Медная гильза (цилиндр, трубка, лампа) с вакуумными секциями внутри и вольфрамовой нитью накала. По бокам расположены магниты, создающие магнитное поле и задающие спиралевидную траекторию движения частицам. Электроны, перемещаясь по резонатору с бешеной скоростью, возбуждают высокочастотные токи. Возникает мощный СВЧ-поток, который выходит в духовой шкаф через волновод (антенну). Защита устройства от перегревания обеспечивается алюминиевыми пластинами радиатора.

Если пища не греется, необходимо проверить магнетрон.

Основные неисправности

Во многих случаях магнетрон не поддаётся ремонту. Но прежде чем покупать новый, необходимо разобраться в причинах поломки. Возможно, удастся сэкономить, заменив всего одну деталь.

  1. Разгерметизация. Требуется замена прибора. Без вакуума работать не будет.
  2. Обрыв нити накала. Это как в лампочке — если перегорела, то навсегда.
  3. Прогорел колпачок на антенне. Можно отремонтировать.
  4. Вышла из строя магнитная система. Случается редко, но если лопнул верхний магнит, его можно заменить.
  5. Закончился срок службы. Если прибор износился, его лучше поменять.
  6. Нарушена ёмкость переходного конденсатора. Сервисные службы при такой поломке советуют замену всего магнетрона. Но, имея нужные инструменты, вы найдёте, чем заменить эту деталь.

Как видите, поправимых случаев мало, но они есть. Прежде чем начать ремонт, проверьте систему на работоспособность.

Диагностика

Внимание! Ни в коем случае не включайте в сеть прибор, который вы вытащили из корпуса печки! Это может нанести непоправимый вред вашему здоровью и окружающим. Перед тем как разобрать микроволновку, проверьте, как работает источник питания. Возможно, виновато слабое напряжение в электрической сети. Если питание соответствует норме, проведите тщательный осмотр с тестером.

Первая проверка на исправность — визуальная. Посмотрите, не сгорел ли колпачок антенны, нет ли деформации, пробоин, следов гари на корпусе, фильтре. Обратите внимание на целостность магнитов. Это поможет определить, где находится причина поломки. Если внешних признаков повреждения нет, можно прозвонить магнетрон мультиметром.

  • Включите тестер, установите режим 200 Ом. Прикоснитесь щупами к выводам. Целостная обмотка оказывает низкое сопротивление (приблизительно 0,5 Ом), вы услышите писк или звон.
  • Ничего не происходит — значит, оборвалась нить накала.

  • Чтобы прозвонить проходной конденсатор тестером, настройте самый большой режим измерения. Одним щупом прикоснитесь к любому из контактов, а вторым — к корпусу. Если всё в порядке — ничего не произойдёт, прибор покажет «∞» — бесконечность.

Заряд пробивает на корпус? Скорее всего, повреждена ёмкость конденсатора.

Важно! Применение специальных аппаратов для диагностики не всегда гарантирует точность данных.

Как починить в домашних условиях

Самостоятельно вы можете поменять такие детали:

  • колпачок антенны;
  • проходной конденсатор.

Замена колпачка

Эту деталь можно купить на любом радиорынке, сделать самостоятельно из подходящего по диаметру электролитического конденсатора или напёрстка. Как это сделать:

  1. Обесточьте печь, аккуратно снимите вилку питания.
  2. Отсоедините крепления, вытащите устройство.
  3. Проверьте колпачок. Если есть нагар, очистите мелкозернистой наждачной бумагой.
  4. Колпачок пробит током, сгорел — нужно заменить.
  5. Снимите его с антенны, проверьте её целостность. Если анод в порядке, прибор можно починить.
  6. Установите новую деталь, вставьте магнетрон на место.

Меняем конденсатор

  1. Снимите крышку фильтра.
  2. Откусите кусачками контакты дросселей.
  3. Сверлом (3 мм в диаметре) рассверлите отверстия вокруг конденсатора.
  4. Достаньте из корпуса фильтра.
  5. Отмотайте по одному витку у каждого дросселя. Это увеличит длину контакта.
  6. Зачистите контакты с помощью наждачной бумаги, ножа.
  7. Вставьте новый конденсатор в корпус фильтра на место старого, прикрутите болтами.
  8. Соедините контакты так, чтобы не прикасались к стенкам коробки.
  9. Закройте крышку.

Готово! Мы рассмотрели поломки, которые вы в состоянии исправить без вмешательства профессионалов. Но если магнетрон не подлежит ремонту, его нужно менять.

Как подобрать новый магнетрон

Прежде чем купить новый magnetron, изучите технические характеристики старого. На внешней стенке устройства есть этикетка с необходимой информацией: названием модели, мощностью, частотой, расположением клемм питания. Полную совместимость можно получить, выбирая модель, которая соответствует модели вашей СВЧ-печи. Потому что, если у вас «Самсунг » — то генератор марки LG не подойдёт по многим параметрам.

Daewoo Electronics

Теперь у вас есть все данные, чтобы найти в поисковике браузера нужную модель, узнать, сколько стоит и где купить.

Подключение

  1. Вставьте новое устройство на место старого.
  2. Надёжно вкрутите крепёжные болты (саморезы).
  3. Соедините провода.
  4. Прикрутите заднюю стенку печи.

Обладая необходимыми знаниями и умениями, можно починить даже сложную, на первый взгляд, электромагнитную систему. Но если вы чувствуете, что вам не хватает компетентности, — не рискуйте, доверьтесь профессионалам.

Как устроен и работает магнетрон

Магнетрон – специальный электронный прибор, в котором генерирование сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ-колебаний) осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты.

Менее распространены основанные на том же принципе амплитроны (платинотроны), клистроны, лампы бегущей волны.

Магнетрон является наиболее совершенным генератором сверхвысоких частот большой мощности. Это хорошо эвакуированная лампа с электронным потоком, управляемым электрическим и магнитным полями. Они позволяют получать весьма короткие волны (до долей сантиметра) при значительных мощностях.

В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле, под действием которого вырываемые из подогретого катода электроны устремляются к аноду.

Анодный блок помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона. Под действием магнитного поля электрон отклоняется от радиального направления и движется по сложной спиральной траектории. В пространстве между катодом и анодом образуется вращающееся электронное облако с языками, напоминающее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания.

Рис. 1. Анодный блок магнетрона

Каждый из объемных резонаторов представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами. Электрическое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредоточено внутри полости.

Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке.

Рис. 2. Устройство магнетрона

Нагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых возбуждаются электромагнитные волны простейших форм ТЕ10(Н10) (в волноводах) или ТЕ101 (в объемных резонаторах). Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной волны на объект нагрева.

Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощности могут питаться переменным током.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Рис. 2. Магнетрон в СВЧ-печи

Простота устройства и относительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения в различных областях промышленности, сельского хозяйства (например, в установках диэлектрического нагрева) и в быту (СВЧ-печи).

Работа магнетрона

Итак, магнетрон это электронная лампа специальной конструкции, служащая для генерации колебаний ультравысоких частот (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн). Ее особенностью является применение постоянного магнитного поля (для создания нужных путей движения электронов внутри лампы), откуда магнетрон и получил свое название.

Многокамерный магнетрон, идея которого была впервые предложена М. А. Бонч-Бруевичем и осуществлена советскими инженерами Д. Е. Маляровым и Н. Ф. Алексеевым, представляет собой сочетание электронной лампы с объемными резонаторами. Этих объемных резонаторов в магнетроне делается несколько, почему этот тип и получил название многокамерного или многорезонаторного.

Принцип устройства и работы многокамерного магнетрона заключается в следующем. Анод прибора представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней поверхности которого сделан ряд полостей с отверстиями (эти полости и являются объемными резонаторами), катод расположен по оси цилиндра.

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра. На вылетающие из катода электроны со стороны этого магнитного поля действует сила Лоренца, которая искривляет пути электронов.

Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по искривленным путям, не касающимся анода. Если в камерах прибора (объемных резонаторах) происходят электрические колебания (небольшие колебания в объемах всегда возникают по разным причинам, например, в результате включения анодного напряжения), то переменное электрическое поле существует не только внутри камер, но и снаружи, около отверстий (щелей).

Электроны, пролетая вблизи анода, попадают в эти поля и в зависимости от направления поля либо ускоряются, либо тормозятся в них. Когда электроны ускоряются полем, то они отбирают энергию от резонаторов, наоборот, когда они тормозятся, то отдают часть своей энергии резонаторам.

Если бы число электронов, которые ускоряются и тормозятся, было бы одинаково, то в среднем они не отдавали бы резонаторам энергии. Но электроны, которые тормозятся, после этого имеют меньшую скорость, чем та, которую они получили при движении к аноду. Поэтому они уже не обладают достаточной энергией, чтобы вернуться к катоду.

Наоборот, те электроны, которые ускорялись полем резонаторов, обладают после этого энергией, большей, чем нужно для того, чтобы вернуться к катоду. Следовательно, электроны, которые, попав в поле первого резонатора, ускоряются в нем, вернутся на катод, а те, которые затормозятся в нем, не вернутся па катод, а будут двигаться по криволинейным путям около анода и попадать в поле следующих резонаторов.

При соответствующей скорости движения (которая определенным образом связана с частотой колебаний в резонаторах) эти электроны будут попадать в поле второго резонатора при такой фазе колебаний в нем, что и в поле первого резонатора, поэтому в поле второго резонатора они также будут тормозиться.

Таким образом, при соответствующем подборе скорости электронов, т. е. анодного напряжения (а также и магнитного поля, которое не изменяет величины скорости электронов, по изменяет ее направление), можно добиться такого положения, что отдельный электрон будет либо ускоряться полем только одного резонатора, либо тормозиться полем нескольких резонаторов.

Поэтому в среднем электроны будут больше энергии отдавать резонаторам, чем забирать от них, т. е. колебания, происходящие в резонаторах, будут нарастать и в конце концов в них установятся колебания с постоянной амплитудой.

Рассмотренный нами упрощенно процесс поддержания колебаний в резонаторах сопровождается еще одним важным явлением, т. к. электроны, для того чтобы они тормозились полем резонатора, должны влетать в это поле при определенной фазе колебаний резонатора, то очевидно, что они должны двигаться не равномерным потоком (т. к. тогда они влетали бы в поле резонаторов в любые, а не в определенные моменты времени, а в виде отдельных сгустков.

Весь поток электронов для этого должен представлять собой как бы звезду, в которой электроны движутся внутри отдельных лучей, а вся звезда в целом вращается вокруг оси магнетрона с такой скоростью, что ее лучи в нужные моменты подходят к каждой камере. Процесс образования отдельных сгустков в электронном потоке называется фазовой фокусировкой и осуществляется автоматически под действием переменного поля резонаторов.

Современные магнетроны способны создавать колебания вплоть до самых высоких частот сантиметрового диапазона (волны до 1 см и даже короче) и отдавать мощность до нескольких сот ватт при непрерывном излучении и нескольких сот киловатт при импульсном излучении.

Магнетрон: устройство и принцип действия

Миллионы людей во всем мире ежедневно разогревают пищу в микроволновых печах, но при этом не задумываясь о том, как работает СВЧ-печь, а ведь это на самом деле интересно.
Кстати, первые микроволновые печи, вопреки расхожему мнению появились не в Германии, а в Америке. В Советском союзе они также выпускались с середины 80-х годов.

Как видно на рисунке, микроволновка устроено достаточно просто — в каждой модели есть дверца с защелками, лампа освещения камеры, поддон и тренога на которой вращается тарелка, панель управления и вентиляционные отверстия. А внутри агрегата скрывается конденсатор, трансформатор, волновод и самый главный элемент микроволновой печи — магнетрон. Вот об этом загадочном устройстве в этой статье мы поговорим подробнее.

Магнетрон — «сердце» микроволновой печи

Магнетрон переводится с греческого «магнит» и «электрон». Говоря простым языком, магнетрон — это мощная лампа, которая генерирует микроволны. Со школьного курса физики мы помним, что волна — это сочетание переменных магнитного и электрических полей. Любая пища содержит молекулы воды, а отрицательно и положительно заряженные частицы воды отлично проводят электричество, которое магнетрон преобразует в сверхчастотное электрическое поле, и греет пищу с помощью невидимых человеческому глазу волн.
Кстати, микроволны существуют и в природе — их испускает солнце.
Впервые термин появился почти 100 лет назад благодаря американскому ученому Асафу Холлу, но патент на изобретение магнетрона получил другой ученый только в 1924 году, и в дальнейшем ученые всего мира ломали головы как увеличить частоту колебания для генерации волн. Тут отлично сработали советские ученые, которые предложили использовать в его устройстве медь, что увеличило частоту колебаний вдвое.
С тех пор магнетрон успешно используется в радарах и радиолокационных приборах, и даже был очень полезен во времена Второй мировой войны. Но только через год после Победы магнетрон расплавил шоколад в кармане американского инженера, и именно таким случайным образом этот прибор начали использовать в быту, создав на его основе всем известную микроволновую печь. Правда первая в мире микроволновая печь весила более 300 кг и стоила 3 тысячи долларов.

Устройство магнетрона

Визуально магнетрон кажется не хитро устроенной деталью. Снаружи магнетрона возвышается колпачок антенны излучателя (№1 на рисунке). Внутри магнетрон состоит из двух кольцеобразных магнитов (№2), которые создают магнитное поле. Под №3 изображен радиатор, который избавляет устройство от излишков тепла. Под №4 — контакты, которые обеспечивают работу устройства. Изолятор (№5) защищает корпус от излучения, коробка фильтра (№6) защищает фильтр от внешнего воздействия. Корпус, изображенный под №7, делает устройство жестким, а значит, более защищенным. Сетка фильтра (№8) выполнена из медной проволоки, она не дает микроволнам покидать магнетрон, и обеспечивает контакт между магнетроном и печью. Изолятор (№9), соответственно изолирует устройство, а фланец, изображенный под №10 фиксирует магнетрон к корпусу печи.

Применение магнетрона в быту

Конечно магнетрон используемый для СВЧ-печей, работает несколько иначе, чем магнетрон в радиолокационных системах военных. И самое главное правило продления службы микроволновой печи — категорически нельзя включать пустую микроволновую печь. В противном случае может возникнуть искрение — микроволнам в таком случае некуда деться, и магнетрон может повредиться.
Скорость, при которой пища разогревается зависит исключительно от мощности магнетрона. Обычно она колеблется от 650 до 850 Вт. Чтобы проверить мощность, нужно закипятить в микроволновке стандартный стакан с водой, на это должно уйти от 2 до 3 минут.

Магнетрон распространяет радиацию?

Это один из самых распространенных мифов. В микроволновой печи попросту нет элементов, которые могут выделять радиацию, а микроволны заставляют молекулы усиленно «тереться», и за счет этого пища нагревается.
Микроволновых волн также не стоит бояться, хотя бы потому что любая микроволновая печь сконструирована так, чтобы защитить окружающих от них. Например, ни одна микроволновая печь не будет работать с открытой дверцей. В каком то количестве волны могут выходить наружу, но не дальше чем на расстояние 5 метров, а поэтому просто не стойте рядом с печью во время подогрева пищи. Питательные вещества из-за работы магнетрона также теряются не более, чем при любой другой термообработке.

Неисправности магнетронов

Магнетрон — это едва ли не главная деталь микроволновой печи, поэтому неудивительно, что когда он выходит из строя, хочется понять, подлежит запчасть ремонту или замене.
Сразу плохие новости — случаи поломки магнетрона, которые не подлежат ремонту. К ним относится обрыв нити накаливания, короткое замыкание, отсутствие генерации волн и нарушение вакуума.
Но бывают и такие неисправности магнетрона, которые можно устранить, например пробой конденсаторов, который определяется при выключенной внешней сети между магнетроном и корпусом с помощью тестера. Причиной такой поломки могут быть перепады напряжения в сети.
Также из-за того, что микроволновка долго работала «впустую» может заметно снизится мощность печи. В этом случае может помочь способ добавления напряжения на накал, если это позволяет конструкция вашей микроволновой печи.
Бывает, что в печи возникает СВЧ-разряд между антенной магнетрона и корпусом устройства. В такой ситуации нужно срочно заменить колпачок. Но учтите, что деталь должна быть идентичной сгоревшей.

Покупка магнетрона к СВЧ

Если магнетрон не подлежит ремонту, и вы решили его заменить, учтите, что он должен полностью соответствовать вышедшей из строя детали. Если вы собираетесь купить магнетрон самостоятельно, уточните его маркировку.
Кстати, при выборе магнетрона руководствуйтесь не столько маркой микроволновой печи, сколько мощностью детали.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий