Кто создал магнетрон для микроволновки

Основы радиолокации

Открытие магнетрона

Рисунок 1. Модель анода магнетрона Халла

Рисунок 1. Модель анода магнетрона Халла

Рисунок 2. Модель щелевого магнетрона Хабана

Рисунок 2. Модель щелевого магнетрона Хабана

Рисунок 3. Модель многорезонаторного магнетрона Холлманна

Рисунок 3. Модель многорезонаторного магнетрона Холлманна

Рисунок 4. Модель многорезонаторного магнетрона, построенного Рэндаллом и Бутом

Рисунок 4. Модель многорезонаторного магнетрона, построенного Рэндаллом и Бутом

Открытие магнетрона

1921 Шведский физик Генрих Грейнахер (Heinrich Greinacher) попытался использовать диодную лампу с цилиндрическим анодом в магнитном поле, силовые линии которого параллельны оси анода, для измерения массы электрона. Попытка была неудачной из-за недостаточного уровня вакуума в лампе. Однако в ходе этого исследования Г. Грейнахером были разработаны математические модели, описывающие движение электронов в магнитных полях.

1921 Альберт В. Халл (Albert W. Hull) , основываясь на результатах Г. Грейнахера, исследовал движение электронов под воздействием магнитного поля. Халлом была выявлена возможность управления потоком электронов при помощи изменяющегося магнитного поля. Работы Халла в этот период были направлены на поиск альтернативы триоду с сеточным управлением, разработанному компанией Western Electric . В результате Халлом были созданы образцы ламп с магнитным управлением и возможностью высокочастотным генерированием. Халл назвал этот новый электровакуумный прибор магнетроном (Рисунок 1).

1924 Использование магнетрона для генерирования высокочастотных колебаний независимо друг от друга исследовали Эрих Хабан (Erich Habann) в Йене (Германия) и Напсал Август Зазек (Napsal August Zázek) в Праге (Чехия).
Хабан корректно сформулировал условия возникновения отрицательного сопротивления, обеспечивающего компенсацию затухания, вызванного потерями в резонансной цепи. В отличие от Халла, Хабан использовал постоянное магнитное поле. Такой метод управления потоком электронов используется и в современных магнетронах. Ему удалось добиться генерирования колебаний на частотах около 100 МГц (Рисунок 2).
Зазек разработал магнетрон с цилиндрическим анодом, способный генерировать колебания с частотой до 1 ГГц.

1929 Происходит прорыв в генерировании волн сантиметрового диапазона. В этот период Киндзиро Окабе (Kinjiro Okabe) из университета Тхоку в Сендае (Япония) использовал магнетрон со щелевым анодом для работы на частоте 5,35 ГГц.

1935 Ханс Эрих Холлманн (Hans Erich Hollmann) подал заявку на патент на многорезонаторный магнетрон (Рисунок 3) в Германии 27 ноября 1935 года. Соответствующий патент США 2123728 был выдан 12 июля 1938 года, намного раньше результатов работ Джона Рэндалла (John Randall) и Генри Бута (Henry Boot) в феврале 1940 года.

1940 Двумя инженерами из университета в Бирмингеме, Джоном Рэндаллом (John Randall) и Генри Бутом (Henry Boot) создан многорезонаторный магнетрон. Они просто построили магнетрон с более чем четырьмя резонаторами (как в патенте Холлманна) для повышения эффективности генерирования высокочастотных колебаний (Рисунок 4). Затем опытный образец был улучшен, он получил восемь концентрических резонаторных полостей и водяное охлаждение. На его основе был построен относительно небольшой и легкий передатчик, обеспечивающий генерирование высокочастотных импульсов мощностью 15 кВт на частоте 3 ГГц. Радиолокаторы с такими передатчиками устанавливались на самолеты В-17.

Этот небольшой, но мощный радиолокатор обеспечивал существенное преимущество в борьбе с подводными лодками противника. Высокая (для того времени) частота радиолокатора определяла сравнительно невысокие размеры антенной системы и, в то же время, довольно высокую ее эффективность. Поскольку значение коэффициента усиления антенны обратно пропорционально квадрату длины волны, антенна тех же размеров, что и ранее, имела более выраженные направленные свойства. Ширина основного луча антенны обратно пропорциональна длине волны и поэтому такой радиолокатор (с меньшей длиной волны) обеспечивает более высокую точность измерения и разрешающую способность по угловым координатам.

Незадолго до оккупации Франции результаты исследований Генри Гаттона (Henry Gutton) об использовании в многорезонаторных магнетронах катодов из оксида бария были вывезены в Англию Морисом Понте (Maurice Ponte) из Общества беспроводной телеграфии. Эти результаты были использованы Рэндаллам и Бутом. Катоды из этого материала обладают более длительным сроком службы по сравнению с вольфрамовыми катодами, поскольку обеспечивают такую же эмиссию электронов при меньшей температуре накала.

Генри Тизард (Henry Tizard) был во главе британской делегации, которая доставила в Соединенные Штаты Америки полученные в Англии результаты. Это дало возможность развернуть массовое производство магнетронных ламп для военных нужд.

1942 В немецких радиолокационных устройствах в то время использовались клистроны, поскольку они имели лучшую стабильность частоты, чем магнетроны. Преимущества высокочастотного диапазона, в котором работали магнетроны, было обнаружено только под конец Второй мировой войны благодаря изучению захваченных образцов техники. Однако времени для реализации полученных данных уже не оставалось.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Как работает магнетрон, как он выглядит, его предназначение

Микроволновую печь в наше время можно встретить практически на каждой кухне. Однако не многие знают, как она работает, и что такое магнетрон. Чтобы понять, что представляют собой микроволны и как они образуются, необходимо разобраться с устройством этого прибора.


Как выглядит магнетрон

Назначение и принцип работы магнетрона

Магнетроном называют электронное устройство большой мощности, которое с помощью изменения потока электронов генерирует высокочастотные микроволны. Молекулы воды, которые обязательно присутствуют в продуктах, имеют хорошую электропроводность. Под действием сверхвысокочастотных магнитных колебаний, создаваемых магнетроном, они начинают двигаться с высокой скоростью, нагревая при этом пищу.

В бытовых приборах используется многорезонаторная разновидность магнетрона, в которой на электроны одновременно воздействуют три поля:

  1. сверхвысокочастотное;
  2. электрическое;
  3. магнитное.

Видео: что такое магнетрон

Магнетрон генерирует СВЧ колебания, обеспечивая высокую мощность на выходе, не смотря на небольшой вес и компактные габариты. В непрерывном режиме мощность устройства может достигать десятков киловатт. Максимальная мощность при импульсном режиме работы составляет – 5МВт. Мощность магнетронов, установленных в большинстве микроволновых печей, составляет 650-850 Вт.

Питание маломощных магнетронов осуществляется переменным током. Для более мощных устройств необходим выпрямленный оперативный ток. Магнетроны работают на различных частотах в диапазоне 0,5 – 100 ГГц.


Упрощенная схема работы магнетрона

Из чего состоит магнетрон

Все приборы, генерирующие СВЧ волны, независимо от их выходных характеристик, имеют идентичную конструкцию. Схема магнетрона состоит из следующих частей:

  • анодного блока, представляющего собой толстостенный цилиндр из металла, в стенках которого имеются отверстия (резонаторы), необходимые для образования кольцевой колебательной системы;
  • цилиндрического катода, во внутренней полости которого встроен подогреватель;
  • электромагнита или внешнего магнита, создающего магнитное поле;
  • проволочной петли, которая крепится к резонатору и служит для вывода энергии.

Резонаторы устройства выполняют замедляющую функцию. В них происходит столкновение электромагнитных волн с пучком электронов. В результате этого взаимодействия высокочастотное поле получает от электронов часть их энергии, вывод которой осуществляется посредством петли связи, закрепленной на анодном блоке.

Устройство будет работать бесперебойно только при условии, что разница между рабочей и резонансной частотами составит как минимум 10%. При небольшой разнице частот применяется разнорезонаторная колебательная система, в которой четные и нечетные резонаторы различаются по размеру.

Сферы применения магнетронов

Помимо обычных микроволновых печей магнетроны применяются в различных областях промышленности, а также при производстве радиолокационных систем. В зависимости от сферы применения магнетроны имеют определенные особенности:

  • Для работы в радарных установках устройство прикрепляется к антенне конической формы с параболическим отражателем. Управление осуществляется с помощью коротких импульсов высокой интенсивности. Излучаемая микроволновая энергия улавливается чувствительным приемником. Отображение обработанного сигнала происходит на электронно-лучевой трубке.
  • Для функционирования радиолокационных станций применяются коаксиальные магнетроны, характеризующиеся быстрым изменением частот. Их целесообразно использовать для расширения тактико-технических качеств локаторов.
  • В магнетронах, установленных в бытовых микроволновых печах, имеется прозрачное отверстие, которое выходит в рабочую камеру прибора. Использование пустой печи может способствовать поломке прибора, так как микроволны будут не отражаться, а поглощаться волноводом.

В промышленности магнетроны применяются для обеззараживания, сушки зерновых культур. СВЧ-технологии используются при пастеризации и стерилизации молока и других жидких продуктов. Они эффективны для поддержания технологического режима при сушке лекарственных трав или древесины. В химической промышленности магнетроны применяются при получении различных кислот и разложении нитратов.

Видео: как работает магнетрон

Основные преимущества магнетронов

Поскольку рабочие частоты микроволновых излучателей на несколько порядков ниже инфракрасных или световых источников, глубина проникновения излучаемых ими волн существенно выше. При высоких значениях частот объект, подвергающийся обработке, нагревается только снаружи, а остальной объем прогревается за счет процесса теплопроводности, что ведет к ухудшению качественных характеристик.

Использование микроволн предпочтительнее теплового излучения, когда требуется быстрый разогрев, варка или сушка продуктов. Использование магнетрона не влияет на их вкусовые характеристики и внешний вид, а содержание витаминов и других полезных веществ практически не изменяется.

Применение микроволновых печей помогает снизить затраты на электроэнергию. Это объясняется следующими преимуществами СВЧ-технологий:

  • точная регулировка температуры;
  • высокая плотность энергии и мощности;
  • хорошая фокусировка;
  • мгновенное отключение и включение.


Магнетрон

Возможные неисправности магнетрона и его замена

Поскольку магнетрон является основной деталью СВЧ-печи, необходимо знать основные причины его выхода из строя. Существует несколько видов поломок излучателя, после которых он не подлежит восстановлению:

  • короткое замыкание;
  • повреждение нити накаливания;
  • нарушение герметичности;
  • отсутствие генерации колебаний.

В некоторых случаях магнетрон можно вернуть в рабочее состояние. Например, можно устранить пробой конденсаторов на участке между корпусом и магнитным излучателем. Такое может произойти во время перепадов напряжения в сети. Для диагностики прибора необходимо отключить прибор от сети и провести проверку с помощью специального тестера.

Если СВЧ-печь долгое время работала без продуктов, ее мощность может значительно снизиться. Для ее восстановления можно добавить напряжение на накал. Однако конструкция некоторых микроволновых печей не позволяет этого сделать.

При возникновении СВЧ-разряда между корпусом микроволновой печи и излучателем, необходима срочная замена колпачка. Новая деталь должна быть абсолютно идентична сгоревшей.

Если восстановить вышедший из строя магнетрон не удалось, то его можно заменить. Перед покупкой нового излучателя необходимо внимательно изучить маркировку и технические характеристики устройства.

Видео: устройство и принцип работы микроволновой печи

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.

Изобретение магнетрона

К концу Первой мировой войны количество радиостанций длинных и средних волн достигло такого числа, при котором произошло плотное заполнение этого участка электромагнитного спектра, и связь осуществлялась в условиях сильных взаимных помех от близких по частоте радиостанций. Для размещения новых радиопередатчиков необходимо было осваивать другие, более коротковолновые диапазоны радиоспектра

Важным фактором, способствующим развитию радиолокации, явилось изобретение в 1910 г. К. Годингом (Германия) управляемого магнитным полем вакуумного диода, на основе которого впоследствии были созданы генераторы коротких и ультракоротких волн. Этот диод имеет всего два электрода: анод в виде пустотелого цилиндра и катод, совпадающий с осью анода.

Баллон диода находится между полюсами сильного магнита и расположен так, что силовые линии магнитного поля пронизывают пространство внутри баллона вдоль оси диода. На поток электронов в этом диоде одновременно действуют во взаимно перпендикулярных направлениях статические электрическое и магнитное поля. Диод Годинга представлял собой альтернативу управляемой напряжением трехэлектродной вакуумной лампе американца Ли де Фореста, которую тот изобрел в 1906 г. Годинг назвал свой диод «магнетроном» (от магнит и электрон), однако это наименование в его авторстве не получило известности.

По общепринятой версии, автором термина «магнетрон» является Альберт Уоллес Халл), сотрудник исследовательской лаборатории фирмы General Electric в Скенектади (штат НьюЙорк), опубликовавший в 1921 г. результаты своего исследования работы магнетрона, опробовав его в качестве усилителя в радиоприемниках и в качестве генератора низкой частоты. В первом случае усиливаемый ток подается в управляющую катушку магнетрона.

Когда электроны покидают катод, они попадают в сферу действия электрического поля анода и поля магнита. Сила электрического поля влечет электроны к аноду, и они устремляются туда по самым коротким путям — по радиусам. Сильное магнитное поле заставляет электроны лететь по кривым линиям. При определенных условиях электроны попадать на анод не будут; не долетая до него, они станут поворачивать обратно к катоду, и анодный ток прекратится. Анодное напряжение и напряженность магнитного поля подбирают таким образом, чтобы электроны немного не долетали до анода.

Электроны летят к аноду непрерывным потоком. На место тех, которые поворачивают обратно к катоду, тут же приходят новые. В результате рядом с анодом возникает электронное облачко, все электроны которого, подчиняясь действию магнитного поля, движутся в одну и ту же сторону и образуют непрерывный кольцевой поток. Это своеобразный катод, из которого можно черпать электроны. Его нетрудно «подтянуть» вплотную к аноду, регулируя анодное напряжение.

Халл подключил к магнетрону колебательный контур LC, в результате чего получилась схема генератора, создающего незатухающие колебания. При этом для управления магнитным полем магнетрона в целях генерации провод, образующий индуктивность L, этого колебательного контура LC, намотан в несколько витков вокруг корпуса магнетрона.

Благодаря тому, что круговой поток электронов почти касается поверхности анода, малейший электрический «толчок» в схеме нарушает равновесие и вызывает пульсации электронного потока. Электроны начинают попадать на анод. В анодной цепи создаются импульсы тока, которые возбуждают колебания в контуре. Созданный Халлом магнетронный генератор колебаний работал на частоте 20 КГц. Следует сказать, что в 1921 г. магнетрон не рассматривался как генератор СВЧ-колебаний.

В 1924 г. Август Жашек, профессор Карловского университета в Праге (Чехословакия), обнаружил возможность генерирования колебаний высокой частоты (в дециметровом диапазоне волн) при включении колебательного контура между катодом и анодом магнетрона и при магнитном поле вблизи его критического значения. В качестве колебательного контура использовался отрезок двухпроводной линии. Схема этого генератора показана на рис. 4, где 1 — магнетрон со сплошным анодом, 2 — двухпроводная линия (магнит магнетрона на рисунке не показан).

В магнетроне при Н, примерно равной Нкр, электроны совершают колебания в радиальных направлениях между катодом и анодом, и точка поворота электронов лежит возле анода. Данным колебательным движением электронов и возбуждаются колебания в контуре. При этом в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю, происходит также взаимодействие электронов с радиальным электрическим полем высокой частоты, развиваемым в колебательном контуре. Неправильнофазные электроны, выходящие из катода во время существования на аноде положительной полуволны напряжения, получают дополнительное ускорение и сразу попадают на анод. Правильнофазные электроны, оставляющие катод во время отрицательной полуволны, тормозятся высокочастотным полем. Они не достигают анода и могут совершить несколько оборотов, оставаясь все время в правильной фазе. Опыт показал, что в магнетроне со сплошным анодом наиболее благоприятным для возбуждения колебаний в контуре является равенство между периодом собственных колебаний в этом контуре и временем пролета электрона от катода к аноду и обратно.

На такой генератор Жашеку был выдан патент Чехословакии № 20293 «Схема для генерирования электрических волн».

Следующим шагом в развитии магнетрона явилось использование в нем анода, разделенного щелями, направленными вдоль оси магнетрона, на два симметрично расположенных сегмента (или большее их число). На рис. 5 показана схема двухщелевого магнетрона, где К — катод, А1 , А2 — сегменты анода, замкнутые накоротко проводником с небольшой распределенной самоиндукцией L и емкостью C (колебательный контур).

Самовозбуждение в этом магнетроне происходит при напряженности магнитного поля, близкой к Hкр, и резко уменьшенном через него токе. Вследствие случайного начального толчка, приводящего магнетрон к самовозбуждению, напряжение на сегментах анода становится неодинаковым. Допустим, что потенциал сегмента А1 несколько выше, чем сегмента А2. Симметрия радиального электрического поля будет этим несколько нарушена. Деформация электрического поля у щелей такова, что электроны, двигающиеся параллельно поверхности анода, будут испытывать у правой щели торможение и, утратив часть своей кинетической энергии, окажутся отброшенными на сегмент А2, что увеличит его электроотрицательность по отношению к сегменту А1 .

Увеличение разности потенциалов между сегментами А1, А2 будет продолжаться недолго и прекратится, как только большая часть электронного тока окажется замкнутой на сегмент А1 (вследствие более интенсивного поля этого сегмента). Тогда потенциал этого сегмента упадет, и он окажется электроотрицательным по отношению к А2. Теперь возникнет торможение электронов у противоположной щели, и электроны будут отбрасываться на сегмент А1, что усилит электроотрицательность сегмента А1 по отношению к А2 . Торможение электронов у щели опять будет сопровождаться преобразованием кинетической энергии электронов в энергию излучаемого электромагнитного поля. Частота самовозбуждающихся колебаний в этом магнетроне определяется электрическими параметрами (L и C, а стало быть, размерами и формой) полуанодов и замыкающей их цепи.

Иена (Германия) впервые исследовал двухщелевой магнетрон для своей докторской диссертации. Однако его магнетрон не смог генерировать колебания с длиной волны короче 7 м. Первые же работы в СССР, начатые в 1924 г., были направлены на получение колебаний деци- и сантиметрового диапазона волн. В результате этих работ советские радиофизики Абрам Александрович Слуцкин, сотрудник Харьковского университета и его профессор с 1928 г., и профессор этого же университета Дмитрий Самойлович Штейнберг создали магнетрон, генерировавший волны деци- и сантиметрового диапазона, а именно волны: длиной 60 см — в 1925 г., 30 см — в 1926 г., 7,6 см — в 1927 г. В Японии молодой электрофизик Кинийро Окабе из Императорского университета Тохоку (г. Сендай) в 1927 г. получил генерацию колебаний с длиной волны около 60 см, используя «разрезной» магнетрон с двухсегментным анодом. В 1929 г. Окабе добился в магнетроне с четырехсегментным анодом генерирования колебаний в диапазоне от 3 до 5 см.

Использование в магнетроне разрезного анода позволило повысить устойчивость высокочастотных колебаний в нем и их мощность, тем не менее на начало 30-х гг. прошлого столетия магнетрон оставался лабораторным прибором. Основная задача в его усовершенствовании заключалась в дальнейшем увеличении мощности генерируемых колебаний, необходимой для практического применения, и в продвижении в диапазон все более коротких волн.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий