Magnetron

Magnetroni on tyhjiö kulkuaika putken tuottamiseksi sähkömagneettisia aaltoja mikroaaltoalueella (n. 0,3-95  GHz ), joiden hyötysuhde on jopa 80%.

Magnetronien ovat erittäin tehokkaita, edullisia generaattorit ja korkean taajuuden . Teho ja taajuus määräytyvät suurelta osin mekaanisen rakenteen perusteella, eivätkä ne yleensä ole muutettavissa.

Eristetään jatkuvasti toimivia ( jatkuvan aallon ) ja pulssimagnetoneja. Muutama kW voidaan saavuttaa jatkuvalla aaltokäytöllä ja yli 10 MW pulssikäytöllä. Magnetronit ovat elektroniputkien joukossa .

2,45 GHz: n magnetroni mikroaaltouunista : magneettikenttä on pystysuora, vaakasuora rengasresonaattori on piilotettu jäähdytyslevyjen takana.
Yllä: HF-lähtö
Oikea: Liitännät lämmitys- / käyttöjännitteelle.
Poikkileikkaus v. Magnetroni yllä: rengasresonaattori, jossa on kymmenen vuorotellen yhdistettyä anodisegmenttiä, jotka ovat myös resonaattoreita

rakentaminen

Magnetroni koostuu lieriömäisestä kuumakatodista (oksidi tai varastokatodi) tyhjiöputken keskellä. Kierretty lämmityslanka muodostaa usein suoraan lämmitetyn katodin. Tämä on suljettu kiinteällä, sylinterimäinen anodi lohko kuparia. Anodilohkossa on esimerkiksi säteittäisiä aukkoja, jotka kulkevat yhdensuuntaisesti lämmityslangan kanssa (ns. Uramagnetronit). Rakojen syvyys vastaa noin neljäsosaa aallonpituudesta; se määrittää taajuuden. Tulkinnasta riippuen ontelon resonaattoreita , johtumispiirejä tai aaltojohtimia, jotka ovat avoimia sisäänpäin ns. Vuorovaikutustilaan ja oikosuljettuja ulkopuolelta.

Oikealla olevassa kuvassa on tankoja, jotka muodostavat segmentoidun anodin kohti katodia kohti sisäpuolta ja liitetään takana olevaan kuparisylinteriin (segmenttiresonaattori, pyöreä tyyppi). Rakenne voidaan ymmärtää ympyrän potin piireissä . Segmentit on kytketty vuorotellen toisiinsa kahden renkaan välityksellä. Tämä varmistaa, että ne värähtelevät vaiheesta toiseen - muiden moodien (ja siten ei-toivotun taajuuden) värähtely vältetään.

Anodilohkon ulkopuolella olevat jäähdytysrivat mahdollistavat jäähdytyksen vapaalla konvektiolla , puhaltimella tai vesijäähdytyksellä.

Muita magnetronianodien suoritusmuotoja ovat reiän resonaattorit ja monitaajuiset resonaattorit ( nousevan auringon tyyppi).

Magnetroni tarvitsee aksiaalisen magneettikentän, joka syntyy yleensä kestomagneeteilla .

Yksi onkaloresonaattoreista on kytketty kytkentäsilmukkaan tai raon kautta aaltojohtoon ja sitä käytetään tehon ottamiseen.

  • Mikroaaltouunin magneetti sivulta: jäähdytysripojen sivulta musta: magneetit.

  • Mikroaaltouunin magneetti pitkittäisleikkauksessa (magneetit ja jäähdytysrivat poistettu).

  • Mikroaaltouunin magneetti purettu, poistumispuoli oikealla

  • Pulssimagnetroni MI-189W (7,5 kg, noin 8 GHz, 60 kW / 0,5 µs, Neuvostoliitto noin noin 1970)

Vaikutustapa

Elektroni kiertää

Magnetron-kaavio

Katodin ja anodin välisessä vuorovaikutustilassa sähkö- ja magneettikentät vaikuttavat samanaikaisesti. Magneettikentän viivat kulkevat katodiakselin suuntaisesti ja tunkeutuvat vuorovaikutustilaan. Jos anodin ja katodin välillä on jännite, kuumalla katodilla vapautuvat elektronit kiihtyvät kohti anodia sähkökentän vuoksi . Sähkökenttä muodostaa kuitenkin suorakulman magneettikentän kanssa , joten elektronit taipuvat spiraalisti radiaaliradaltaan Lorentzin voiman vuoksi . Tämän seurauksena he liikkuvat katodin ympäri vuorovaikutustilassa. Vasta kun anodijännite on melko korkea, virta kulkee - sähkökenttä laajentaa polun kaarevuutta siten, että elektronireitit koskettavat anodia (kuvassa vihreä polku).

Resonanssi anodin muoto

Anodin urat tai kammiot muodostavat rengasmaisen suljetun viivalinjan, joka on valmistettu onteloresonaattoreista : Yhden onteloresonaattorin sähkömagneettiset värähtelyt etenevät vuorovaikutustilan läpi ja aukot muihin onteloresonaattoreihin. Luo renkaan muotoinen, suljettu moninapainen sähkömagneettinen resonanssipiiri. Siinä esiintyy vaihtelevia jännitteitä anodisegmenttien päiden välillä ja vaihtovirtoja esiintyy myös rakoseinien sisäpinnoilla. Tämän rengasresonaattorin korkeataajuinen kenttä on vuorovaikutuksessa elektronien kanssa. Tuloksena olevat kentät vaikuttavat elektronien polkuun ja nopeuteen. Tuloksena on, että elektronit hidastuvat tai kiihtyvät ja sen seurauksena muodostuu niiden pyörimisen aikana suurempia ja pienempiä elektronitiheyksiä. Nämä elektronipilvet puolestaan ​​vahvistavat rengasresonaattorin korkeataajuisia värähtelyjä - tapahtuu itsesäteilyä. Jos elektronin kineettinen energia muuttuu liian pieneksi, se tulee anodilohkoon. Katodista syötetään jatkuvasti ylimäärä vapaita elektroneja.

Sähköliitäntä

Tyypillinen magnetronin sähköpiiri ( jännitteen kaksinkertaistin ) mikroaaltouunissa. Punainen kuuma katodi, sininen anodi.

Vapauttamaan elektroneja läpi hehku päästöjen magnetronit on sähköisesti lämmitetty hehku katodi . Tämä lämmitetään usein suoraan tai katodiin liitetään lämmitysliitäntä. Koska anodilohkolla, magneetilla, aaltojohtolaipalla tai antennitapilla on maapotentiaali, magnetronin (useita kilovoltteja) lämmitysjännitesyöttö on eristettävä maasta. Käyttöjännite, joka on negatiivinen anodiin verrattuna ja siten maadoitettu, kohdistetaan katodiin .

Vastakkaisessa kuvassa on tyypillinen magnetronipiiri mikroaaltouunissa: 2000 V: n suurjännitekäämitys on maadoitettu toiselta puolelta ja lataa kondensaattorin noin 2800 V: iin puolijohdiodiodin kautta, kun sen maapuolen pää muodostaa negatiivisen napan, kun taas magnetronissa itsessään on vain virtausjännite, jonka diodi on. Jos toisaalta suurjännitekäämityksen jännite käännetään seuraavalla puolisyklillä, suurjännitekäämityksen ja sarjaan kytketyn, ladatun kondensaattorin jännite summaavat noin anodijännitteen noin Virta virtaa hetkeksi magnetronin läpi. Kondensaattorin ja diodin yhdistelmä on jännitteen kaksinkertaistin . Magnetroni toimii vain puoliaallon aikana verkkotaajuuden rytmissä.

Pulssimagnetronin MI-189 (МИ-189А - МИ-189Д) kuvassa punaruskea muovikappale eristää lämmitysjännitteen ja katodiliitännät magnetronin tai anodin metallirungosta. МИ-189: n anodijännite on noin 13 kV, joten holkki on vastaavasti pitkä.

Heti kun magnetroni otetaan käyttöön, pieni osa elektronista putoaa takaisin katodille ja lämpöenergiaa vapautuu. Siksi, erityisesti jatkuvasti toimivien magnetronien tapauksessa, katodin lämmitysjännitettä on pienennettävä käytön aikana ylilämpötilan välttämiseksi. Pysyvän aallon suhteen (VSWR) maksimiarvo on määritelty myös magneettiteknisten tietojen teknisissä tiedoissa . Epäsuhta johtaa myös ylikuormitukseen.

Sovellukset

Varoitus: Vahvan sähkömagneettisen säteilyn aiheuttama terveysvaara

Jatkuvan aallon magneettien pääalueita ovat teollisuuslämmitys ja -kuivaus ( HF- lämmitys), plasman tuottaminen ja mikroaaltouunit .

In rikkiplasmalamppu ja jotkut ionilähteet , magnetroni käytetään muodostamaan plasmaa.

Impulssi magnetronit ovat yhä usein käytetään impulssi tutka laitteita tuottaa lähetyksen impulsseja .

Ja sputteroimalla (Engl. Varten ruiskuttamalla) joukossa muita tekniikoita myös magnetronien käytetään.

Erittäin suuri teho impulssi magnetroneja käytetään in EMP aseita: Täällä suunnattu RF-energiaa käytetään yrittää tuhota vihollisen elektroniikan.

historia

Moniosastoista magnetron kuusi resonanssikammioita kehittämä jonka Randall ja käynnistyksen 1940.

Ennen vuotta 1912 fyysikko Heinrich Greinacher kehitti putken, jolla mitattiin elektronin varauksen suhde sen massaan, ja perusti matemaattiset perusyhtälöt. Putki ei kuitenkaan toiminut riittämättömän tyhjiön ja riittämättömän elektronipäästöjen vuoksi.

Erich Habannin jaetun anodimagnetronin perusrakenne: ① katodi, ② anodilevyt, ③ ulkoinen magneettikenttä

Yhdysvaltalainen fyysikko Albert W.Hull käytti Greinacherin julkaisua, laajensi magneettikentän elektronireittien teoriaa ja kehitti magneettisesti ohjatun vahvistinputken, jonka hän nimitti magnetroniksi. Hull kehitti ensimmäisen tällaisen magnetronin General Electricissä (GEC) vuonna 1921, joka koostui useista koaksiaalisista , sylinterimäisistä anodiseinistä ( split-anodinen magnetroni ) ja katodista. Järjestelyyn tunkeutuu pituussuuntainen magneettikenttä ulkoisesta kelasta. Kelavirta ohjaa elektronien virtausta magneettikentän kautta. Tavoitteena oli rakentaa magneettisesti ohjattuja releitä tai vahvistimia. Niiden tulisi kilpailla Western Electric Co: n valmistamien ohjauselektrodien kanssa. Havaittiin, että nämä magnetronit tuottivat myös korkeita taajuuksia.

Itsenäinen kehitys tapahtui vuonna 1921 Erich Habann vuonna Jena ja elokuu Zacek vuonna Prahassa . Habann kehitti jaetun anodisylinterin sisältävän magnetronin, joka tuotti 100 MHz: n taajuuksia. Suurin ero Hullin magnetroniin nähden oli, että Habann (kuten nykypäivän magneettikoneissa ) käytti vakio magneettikenttää . Habann pystyi laskemaan tarkasti etukäteen olosuhteet vaimennuksen peruuttamiseksi (mikä luo negatiivisen sisäisen sisäisen vastuksen). Žáček pystyi saavuttamaan 1 GHz: n taajuudet massiivisella sylinterianodilla. Kinjirō Okabe (1896-1984) on Tōhokun University in Sendai ( Japani ) saatiin aikaan läpimurto magnetroneille senttimetrien aaltoalueella 1929 taajuuksilla 5,35 GHz: n rakojen läpi anodi .

Hans E. Hollmannin vuonna 1935 patentissa kuvatun magnetronin anodin rakenne

27. marraskuuta 1935 Hans Erich Hollmann rekisteröi patentin monikammioiselle magnetronille, joka myönnettiin 12. heinäkuuta 1938.

Keväällä 1939 S. Nakajima et ai. JCR Japanissa maailman ensimmäinen ontelomagnetroni onteloresonaattorilla. M-3-niminen magnetroni oli vesijäähdytteinen ja sen teho oli 500 wattia 10 cm: n aallonpituudella.

Vuonna 1940, vuosi japanilaisten jälkeen, brittiläiset fyysikot John Turton Randall ja Henry Albert Howard Boot kehittivät parannetun version Hollmannin monikammioisesta magnetronista käyttämällä nestejäähdytysjärjestelmää ja lisäämällä resonanssikammioiden määrää neljästä kuuteen. Tämä antoi heille mahdollisuuden kertoa lähtöteho sata kertaa. Kaksi vuotta myöhemmin tämä mahdollisti erittäin voimakkaiden magnetronilähettimien kehittämisen tutkalaitteille, joilla oli hyvin lyhyt aallonpituus ja siten korkea resoluutio .

kirjallisuus

  • Heinrich Greinacher : Tietoja järjestelystä e / m: n määrittämiseksi. Julkaisussa: Saksan fyysisen seuran neuvottelut. Nide 14, 1912, ISSN  0420-0195 , s. 856-864.
  • Albert W.Hull : Keskisuuren voimakkuuden magneettikenttien mittaus magnetronin avulla. Julkaisussa: Physical Review . Nide 22, nro 3, 1923, ISSN  0031-899X , sivut 279-292, doi : 10.1103 / PhysRev.22.279 .
  • Erich Habann : Uusi generaattoriputki. Julkaisussa: Journal for high frequency technology. Vuosikirja langattomasta sähkeestä ja puhelimesta. Nide 24, 1924, ZDB- ID 1011026-4 , s. 115-120, 135-141, (myös: Jena, Universität, Dissertation, 1924).
  • August Žáček : Nová metoda k vytvoření netlumených oscilací (Předběžná zpráva). Julkaisussa: Časopis pro pěstování matematiky a fysiky. Vuosikerta 53, nro 4, 1924, ZDB- ID 201513-4 , sivut 378-380 .
  • Hans E. Hollmann : Erittäin lyhyiden aaltojen fysiikka ja tekniikka. Osa 1: Erittäin lyhyiden aaltojen värähtelyjen syntyminen. Springer, Berliini 1936, luku 4.

nettilinkit

Wikisanakirja: Magnetron  - selitykset merkityksille, sanan alkuperälle, synonyymeille, käännöksille
Commons : Magnetron-  albumi, jossa on kuvia, videoita ja äänitiedostoja

Yksittäiset todisteet

  1. ^ Tekniikan käsikirja, toinen painos . Julkaisussa: Electrical Engineering Handbook . 29. kesäkuuta 2004, ISSN  1097-9409 , s. 1046 , doi : 10.1201 / 9781420039870 .
  2. ↑ Patentti US2123728 : Magnetron. Rekisteröity 27. marraskuuta 1935 , hakija: Telefunken GmbH, keksijä: Hans Erich Hollmann. ‌
  3. ^ S. Nakajima: Japanin tutkakehityksen historia vuoteen 1945 . Julkaisussa: IEE - London, Peter Pelegrinus Ltd., Lontoo (toim.): Proc. of IEE 85 -seminaari tutkan historiasta IEE 85 . Peter Pelegrinus Ltd., Lontoo 1988, s. Luku 18, sivut 243-258 .