Cómo funciona y funciona el magnetrón.
Magnetrón: un dispositivo electrónico especial en el que la generación de oscilaciones de ultra alta frecuencia (oscilaciones de microondas) se lleva a cabo mediante la modulación del flujo de electrones en términos de velocidad. Los magnetrones han ampliado enormemente el campo de aplicación del calentamiento con corrientes de alta y ultra alta frecuencia.
Los amlitrones (platinotrones), los klystrons y las lámparas de ondas viajeras basadas en el mismo principio son menos comunes.
El magnetrón es el generador más avanzado de frecuencias de microondas de alta potencia. Es una lámpara bien evacuada con un haz de electrones controlado por un campo eléctrico y magnético. Permiten obtener ondas muy cortas (hasta fracciones de centímetro) a potencias importantes.
Los magnetrones utilizan el movimiento de electrones en campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares creados en el espacio anular entre el cátodo y el ánodo. Se aplica un voltaje anódico entre los electrodos, creando un campo eléctrico radial bajo cuya influencia los electrones extraídos del cátodo calentado corren hacia el ánodo.
El bloque de ánodos se coloca entre los polos de un electroimán, que crea un campo magnético en el espacio anular dirigido a lo largo del eje del magnetrón. Bajo la influencia de un campo magnético, el electrón se desvía de la dirección radial y se mueve a lo largo de una trayectoria espiral compleja. En el espacio entre el cátodo y el ánodo, se forma una nube de electrones giratoria con lenguas, que recuerda al cubo de una rueda con radios. Volando más allá de las ranuras de los resonadores de la cavidad del ánodo, los electrones excitan oscilaciones de alta frecuencia en ellos.
Arroz. 1. Bloque de ánodo de magnetrón
Cada uno de los resonadores de cavidad es un sistema oscilatorio con parámetros distribuidos. El campo eléctrico se concentra en las ranuras y el campo magnético se concentra dentro de la cavidad.
La energía de salida del magnetrón se realiza por medio de un bucle inductivo colocado en uno o más a menudo dos resonadores adyacentes. El cable coaxial suministra energía a la carga.
Arroz. 2. Dispositivo de magnetrón
El calentamiento con corrientes de microondas se realiza en guías de ondas de sección circular o rectangular o en resonadores volumétricos en los que ondas electromagnéticas las formas más simples TE10 (H10) (en guías de ondas) o TE101 (en resonadores de cavidad). El calentamiento también se puede realizar emitiendo una onda electromagnética al objeto de calentamiento.
Los magnetrones funcionan con corriente rectificada con un circuito rectificador simplificado. Las unidades de muy baja potencia pueden ser alimentadas con corriente alterna.
Los magnetrones pueden operar a diferentes frecuencias de 0,5 a 100 GHz, con potencias desde unos pocos W a decenas de kW en modo continuo y de 10 W a 5 MW en modo pulsado con duraciones de pulso principalmente de fracciones a decenas de microsegundos.
Arroz. 2. Magnetrón en un horno de microondas
La simplicidad del dispositivo y el costo relativamente bajo de los magnetrones, combinados con la alta intensidad de calentamiento y las diversas aplicaciones de las corrientes de microondas, abren grandes perspectivas para su uso en varios campos de la industria, la agricultura (por ejemplo, en instalaciones de calefacción dieléctrica) y en casa (horno microondas).
Operación de magnetrón
entonces es el magnetron lámpara eléctrica un diseño especial utilizado para generar oscilaciones de ultra alta frecuencia (en el rango de ondas decimétricas y centimétricas), su característica es el uso de un campo magnético permanente (para crear los caminos necesarios para el movimiento de electrones dentro de la lámpara), desde que el magnetrón obtuvo su nombre.
El magnetrón multicámara, cuya idea fue propuesta por primera vez por M. A. Bonch-Bruevich y realizada por los ingenieros soviéticos D. E. Malyarov y N. F. Alekseev, es una combinación de un tubo de electrones con resonadores de volumen. Hay varios de estos resonadores de cavidad en un magnetrón, por lo que este tipo se denomina multicámara o multicavidad.
El principio de diseño y funcionamiento de un magnetrón multicámara es el siguiente. El ánodo del dispositivo es un cilindro hueco macizo, en cuya superficie interior se hacen varias cavidades con orificios (estas cavidades son resonadores de volumen), el cátodo se encuentra a lo largo del eje del cilindro.
El magnetrón se coloca en un campo magnético permanente dirigido a lo largo del eje del cilindro. Los electrones que escapan del cátodo en el lado de este campo magnético se ven afectados por Fuerza de Lorentz, que dobla el camino de los electrones.
El campo magnético se elige de modo que la mayoría de los electrones se muevan a lo largo de trayectorias curvas que no toquen el ánodo. Si aparecen las cámaras del dispositivo (resonadores de cavidad) vibraciones electricas (siempre ocurren pequeñas fluctuaciones en los volúmenes por varias razones, por ejemplo, como resultado de encender el voltaje del ánodo), entonces existe un campo eléctrico alterno no solo dentro de las cámaras, sino también afuera, cerca de los orificios (ranuras).
Los electrones que vuelan cerca del ánodo caen en estos campos y, dependiendo de la dirección del campo, se aceleran o desaceleran en ellos. Cuando los electrones son acelerados por un campo, toman energía de los resonadores, por el contrario, cuando son desacelerados, ceden parte de su energía a los resonadores.
Si el número de electrones acelerados y desacelerados fuera el mismo, en promedio no darían energía a los resonadores. Pero los electrones, que se ralentizan, tienen una velocidad menor que la que obtienen cuando se mueven hacia el ánodo. Por lo tanto, ya no tienen suficiente energía para volver al cátodo.
Por el contrario, aquellos electrones que fueron acelerados por el campo del resonador poseen entonces una energía superior a la necesaria para volver al cátodo. Por lo tanto, los electrones que, al entrar en el campo del primer resonador, se aceleran en él, volverán al cátodo, y los que se frenan en él no volverán al cátodo, sino que se moverán a lo largo de trayectorias curvas cerca del ánodo y caerán. en el campo de los siguientes resonadores.
A una velocidad de movimiento adecuada (que de alguna manera está relacionada con la frecuencia de las oscilaciones en los resonadores), estos electrones caerán en el campo del segundo resonador con la misma fase de oscilaciones que en el campo del primer resonador, por lo tanto , en el campo del segundo resonador, también se ralentizarán.
Por lo tanto, con una elección adecuada de la velocidad de los electrones, es decir,voltaje del ánodo (así como el campo magnético, que no cambia la velocidad del electrón, pero cambia su dirección), es posible lograr una situación tal que un electrón individual sea acelerado por el campo de un solo resonador, o desacelerado por el campo de varios resonadores.
Por tanto, los electrones, en promedio, darán más energía a los resonadores de la que les quitarán, es decir, las oscilaciones que se producen en los resonadores aumentarán y, eventualmente, se establecerán en ellos oscilaciones de amplitud constante.
El proceso de mantener las oscilaciones en los resonadores, considerado por nosotros de manera simplificada, va acompañado de otro fenómeno importante, ya que los electrones, para ser frenados por el campo del resonador, deben volar hacia este campo en una determinada fase de oscilación. del resonador, obviamente es que deben moverse en un flujo no uniforme (t. entonces entrarían en el campo del resonador en cualquier momento, no en determinados momentos, sino en forma de haces individuales.
Para ello, toda la corriente de electrones debe ser como una estrella, en la que los electrones se mueven en el interior en haces separados, y toda la estrella en su conjunto gira alrededor del eje del magnetrón a tal velocidad que sus haces entran en cada cámara a la misma velocidad. los momentos correctos. El proceso de formación de haces separados en el haz de electrones se denomina enfoque de fase y se lleva a cabo automáticamente bajo la acción del campo variable de los resonadores.
Los magnetrones modernos son capaces de crear vibraciones hasta las frecuencias más altas en el rango de centímetros (ondas de hasta 1 cm e incluso más cortas) y entregar energía de varios cientos de vatios con radiación continua y varios cientos de kilovatios con radiación pulsada.
Ver también:Ejemplos del uso de imanes permanentes en ingeniería eléctrica y energía