Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Магнетрон — электронный электровакуумный прибор, величина протекающего тока в котором управляется электрическим и магнитным полем. Частным случаем реализации прибора (ставшим практически единственным) является вариант с выполнением анодного блока в виде резонаторных структур. Такая конструкция наделяет магнетрон способностью к генерации СВЧ-излучения при взаимодействии потока электронов с электрической составляющей сверхвысокочастотного поля в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю[1].
Содержание
История
В 1912 году швейцарский физик Генрих Грайнахер изучал способы измерения массы электрона. В его установке в соленоид, создающий магнитное поле, был помещен электровакуумный диод с цилиндрическим анодом вокруг цилиндрического катода. Ему не удалось измерить массу электрона из-за проблем с получением достаточного высокого вакуума в лампе, однако в ходе работы им были разработаны математические модели движения электронов в скрещённых электрических и магнитных полях[2][3].
Альберт Халл (США) использовал его данные при попытках обойти патенты Western Electric на электровакуумный триод. Халл планировал использовать для управления потоком электронов между катодом и анодом изменяющееся магнитное поле вместо постоянного электрического. В исследовательских лабораториях General Electric (Schenectady, New York) Халл создал лампы, управляющие током посредством изменения соотношения магнитных и электрических полей. В 1921 году он предложил термин «магнетрон», опубликовал несколько статей об их устройстве и получил патенты[4]. Магнетрон Халла не был предназначен для получения высокочастотных электромагнитных волн.
В 1924 году чехословацкий физик А. Жачек[5] и немецкий физик Эрих Хабан (нем. Erich Habann, Йенский университет) независимо друг от друга обнаружили возможность генерации магнетроном дециметровых волн (на частотах 100 МГц — 1 ГГц).
В 1920-е годы исследованиями в области генерирования СВЧ-колебаний с применением магнитных полей занимались также А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926—1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928—1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). Действующие магнетронные генераторы были созданы независимо и почти одновременно в трёх странах: в Чехословакии (Жачек, 1924 году), в СССР (А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг, 1925 году), в Японии (Окабе и Яги, 1927 году).
Французский учёный Морис Понт с сотрудниками из парижской фирмы «КСФ» в 1935 году создали электронную лампу с вольфрамовым катодом, окружённым резонаторными анодными сегментами. Она была предшественницей магнетронов с резонаторными камерами.
К 1936-1937 годам в СССР мощность магнетронных генераторов была повышена в несколько раз — весной 1937 года было получено до 300 ватт на длине волны 9 см благодаря разработке четырёхрезонаторного магнетрона, состоящего из массивного медного анода с несколькими резонаторными полостями и принудительным водяным охлаждением (М. А. Бонч-Бруевич, Н. Ф. Алексеев, Д. Е. Маляров)[6][7].
В Великобритании первый прототип многорезонаторного магнетрона создали в 1940 году, он имел мощность до 400 Вт (Джон Рэндалл и Гарри Бут из Бирмингемского университета)[8] :24-26[9]. Новый магнетрон генерировал импульсы высокой мощности, что позволило разработать РЛС сантиметрового диапазона. Использование более короткой длины волны позволяло обнаруживать более мелкие объекты[10]. Кроме того, компактный размер магнетрона привёл к уменьшению размеров радиолокационной аппаратуры[11], что упростило её установку на
ночных истребителях, противолодочных самолетах и небольших эскортных кораблях[12]. Во время Второй мировой войны Великобритания и США были лидерами в радиолокации из-за массового применения многорезонаторных магнетронов, отставание от которых в Германии и Японии сократить не смогли.
В 1949 году в США инженерами Д. Уилбуром и Ф. Питерсом были разработаны методы изменения частоты магнетрона с помощью управления напряжением (прибор получил название «митрон» — mitron)[13][14].
В 1945 году появилась первая опытная микроволновая печь в которой использовался магнетрон для приготовления пищи, выпускать печи начали в 1947 году сначала они использовались для ресторанов и были размером с холодильник, а в 1960-х СВЧ-печи стали выпускать меньших размеров для домашнего использования.[15]
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 от долей до десятков микросекунд.
Магнетроны обладают высоким КПД, достигающим 80 %.
Существуют магнетроны как неперестраиваемые по частоте, так и перестраиваемые в узком диапазоне частот (обычно относительная перестройка менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы с ручным управлением, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — вращающиеся и вибрационные устройства.
Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике, хотя их начинают вытеснять активные фазированные антенные решётки, и в микроволновых печах.
По состоянию на 2017 год магнетрон — последний тип массово производимого электронного электровакуумного прибора после свёртывания массового производства кинескопов в начале 2010 годов.
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. В центре анодного блока расположен цилиндрический катод. Внутри катода косвенного накала находится подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними постоянными магнитами или электромагнитом.
Для вывода СВЧ-энергии используется, как правило, проволочная петля, — петля связи, размещённая в одном из резонаторов, или отверстие между одним из резонаторов и наружной поверхностью анодного блока.
Резонаторы магнетрона образуют кольцевую колебательную систему, около щелевых прорезей резонаторов происходит взаимодействие потока электронов и электромагнитного поля. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых модах колебаний, из которых основное значение имеет -мода. Среди нескольких резонансных частот системы (при N резонаторах в системе возможно существование любого целого количества стоячих волн в диапазоне от 1 до N/2) чаще всего используется -мода, у которой фазы в соседних резонаторах различаются на . При существовании рядом с резонансной рабочей частотой (ближе 10 %) других резонансных частот возможны скачкообразные перепады частоты и нестабильная работа прибора. Для предотвращения подобных эффектов в магнетронах с одинаковыми резонаторами в них могут вводиться различные связи либо применяться магнетроны с разными размерами резонаторов (чётные резонаторы - с одним размером, нечётные — с другим).
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
|
|