Схема магнетрона: Как подключить магнетрон в микроволновке — Moy-Instrument.Ru

Магнетрон: принцип действия и устройство



Магнетрон: принцип действия и устройство li { font-size:1.06rem; } }.sidebar .widget { padding-left: 20px; padding-right: 20px; padding-top: 20px; }::selection { background-color: #4f4f4f; } ::-moz-selection { background-color: #4f4f4f; }a,.themeform label .required,#flexslider-featured .flex-direction-nav .flex-next:hover,#flexslider-featured .flex-direction-nav .flex-prev:hover,.post-hover:hover .post-title a,.post-title a:hover,.sidebar.s1 .post-nav li a:hover i,.content .post-nav li a:hover i,.post-related a:hover,.sidebar.s1 .widget_rss ul li a,#footer .widget_rss ul li a,.sidebar.s1 .widget_calendar a,#footer .widget_calendar a,.sidebar.s1 .alx-tab .tab-item-category a,.sidebar.s1 .alx-posts .post-item-category a,.sidebar.s1 .alx-tab li:hover .tab-item-title a,.sidebar.s1 .alx-tab li:hover .tab-item-comment a,.sidebar.s1 .alx-posts li:hover .post-item-title a,#footer .alx-tab .tab-item-category a,#footer . alx-posts .post-item-category a,#footer .alx-tab li:hover .tab-item-title a,#footer .alx-tab li:hover .tab-item-comment a,#footer .alx-posts li:hover .post-item-title a,.comment-tabs li.active a,.comment-awaiting-moderation,.child-menu a:hover,.child-menu .current_page_item > a,.wp-pagenavi a,.entry.woocommerce div.product .woocommerce-tabs ul.tabs li.active a{ color: #4f4f4f; }.themeform input[type=»submit»],.themeform button[type=»submit»],.sidebar.s1 .sidebar-top,.sidebar.s1 .sidebar-toggle,#flexslider-featured .flex-control-nav li a.flex-active,.post-tags a:hover,.sidebar.s1 .widget_calendar caption,#footer .widget_calendar caption,.author-bio .bio-avatar:after,.commentlist li.bypostauthor > .comment-body:after,.commentlist li.comment-author-admin > .comment-body:after,.themeform .woocommerce #respond input#submit.alt,.themeform .woocommerce a.button.alt,.themeform .woocommerce button.button.alt,.themeform .woocommerce input.button.alt{ background-color: #4f4f4f; }.post-format .format-container { border-color: #4f4f4f; }. sidebar.s1 .alx-tabs-nav li.active a,#footer .alx-tabs-nav li.active a,.comment-tabs li.active a,.wp-pagenavi a:hover,.wp-pagenavi a:active,.wp-pagenavi span.current,.entry.woocommerce div.product .woocommerce-tabs ul.tabs li.active a{ border-bottom-color: #4f4f4f!important; } .search-expand, #nav-topbar.nav-container { background-color: #282828}@media only screen and (min-width: 720px) { #nav-topbar .nav ul { background-color: #282828; } } #header { background-color: #dddddd; } @media only screen and (min-width: 720px) { #nav-header .nav ul { background-color: #dddddd; } ]]>

В микроволновой печи скрывается мощное и опасное СВЧ оружие / Хабр

Добрый день, уважаемые хабровчане.

Этот пост будет про недокументированные функции микроволновой печи. Я покажу, сколько полезных вещей можно сделать, если использовать слегка доработанную микроволновку нестандартным образом.

В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности

Мощность волн, которые используются в микроволновке, уже давно будоражит моё сознание. Её магнетрон (генератор СВЧ) выдаёт электромагнитные волны мощностью около 800 Вт и частотой 2450 МГц. Только представьте, одна микроволновка вырабатывает столько излучения, как 10 000 wi-fi роутеров, 5 000 мобильных телефонов или 30 базовых вышек мобильной связи! Для того, что бы эта мощь не вырвалась наружу в микроволновке используется двойной защитный экран из стали.

Вскрываю корпус

Сразу хочу предупредить, электромагнитное излучение СВЧ диапазона может нанести вред вашему здоровью, а высокое напряжение вызвать летальный исход. Но меня это не остановит.
Сняв крышку с микроволновки, можно увидеть большой трансформатор: МОТ. Он повышает напряжение сети с 220 вольт до 2000 вольт, что бы питать магнетрон.

В этом видеоролике я хочу показать, на что способно такое напряжение:

Антенна для магнетрона

Сняв магнетрон с микроволновки я понял, что включать просто так его нельзя. Излучение распространится от него во все стороны, поражая всё вокруг. Не долго думая я решил смастерить направленную антенну из кофейной банки. Вот схема:

Теперь всё излучение направленно в нужную сторону. На всякий случай я решил проверить эффективность этой антенны. Взял много маленьких неоновых лампочек и выложил их на плоскости. Когда я поднёс антенну с включенным магнетроном, то увидел, что лампочки загораются как раз там где нужно:

Необычные опыты

Сразу хочу отметить, СВЧ значительно сильнее влияет на технику, чем на людей и животных. Даже в 10 метрах от магнетрона, техника давала сильные сбои: телевизор и муз-центр издавали страшный рычащий звук, мобильный телефон вначале терял сеть, а потом и вовсе завис. Особо сильное влияние магнетрон оказывал на wi-fi. Когда я поднёс магнетрон близко к музыкальному центру, с него посыпались искры и к моему удивлению он взорвался! При детальном осмотре обнаружил, что в нём взорвался сетевой конденсатор. В этом видео я показываю процесс сборки антенны и влияние магнетрона на технику:

Используя не ионизирующее излучение магнетрона можно получить плазму. В лампе накаливания, поднесённой к магнетрону, зажигается ярко светящийся желтый шар, иногда с фиолетовым оттенком, как шаровая молния. Если вовремя не выключить магнетрон, то лампочка взорвётся. Даже обычная скрепка, под воздействием СВЧ превращается в антенну. На ней наводится ЭДС достаточной силы, что бы зажечь дугу и расплавить эту скрепку. Лампы дневного света и «экономки» зажигаются на достаточно большом расстоянии и светятся прямо в руках без проводов! А в неоновой лампе электромагнитные волны становятся видимыми:

Хочу вас успокоить, мои читатели, ни кто из моих соседей не пострадал от моих опытов. Все ближайшие соседи сбежали из города, как только в Луганске начались боевые действия.

Техника безопасности

Я настоятельно не рекомендую повторять описанные мною опыты потому, что при работе с СВЧ требуется соблюдать особые меры предосторожности. Все опыты выполнены исключительно с научной и ознакомительной целью. Вред СВЧ излучения для человека ещё не до конца изучен. Когда я близко подходил к рабочему магнетрону я чувствовал тепло, как от духовки. Только изнутри и как бы точечно, волнами. Больше ни какого вреда я не ощутил. Но всё же настоятельно не рекомендую направлять рабочий магнетрон на людей. Из-за термического воздействия может свернуться белок в глазах и образоваться тромб в крови. Так же ведутся споры о том, что такое излучение может вызвать онкологические и хронические заболевания.

Необычные применения магнетрона

1 — Выжигатель вредителей. СВЧ волны эффективно убивают вредителей, и в деревянных постройках, и на лужайке для загара. У жучков под твёрдым панцирем есть влагосодержащее нутро (какая мерзость!). Волны его в миг превращают в пар, при этом не причиняя вреда дереву. Я пробовал убивать вредителей на живом дереве (тлю, плодожорок), тоже эффективно, но важно не передержать потому, что дерево тоже нагревается, но не так сильно.
2 — Плавка металла. Мощности магнетрона вполне хватает для плавки цветных металлов. Только нужно использовать хорошую термоизоляцию.
3 — Сушка. Можно сушить крупы, зерно и т. п. Преимущество этого метода в стерилизации, убиваются вредители и бактерии.
4 — Зачистка от прослушки. Если обработать магнетроном комнату, то можно убить в ней всю нежелательную электронику: скрытые видеокамеры, электронные жучки, радиомикрофоны, GPS слежение, скрытые чипы и тому подобное.
5 — Глушилка. С помощью магнетрона легко можно успокоить даже самого шумного соседа! СВЧ пробивает до двух стен и «успокаивает» любую звуковую технику.

Это далеко не все возможные применения испытанные мной. Эксперименты продолжаются и вскоре я напишу ещё более необычный пост. Всё же хочу отметить, что использовать так микроволновку опасно! Поэтому лучше так делать в случаях крайней необходимости и при соблюдении правил безопасности при работе с СВЧ.

На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением и микроволнами.

Полостной магнетрон — Cavity magnetron

Устройство для генерации микроволн

Магнетрон с удаленной секцией для выявления полостей. Катода в центре не видно. Слева расположена антенна, излучающая микроволны. Магниты, создающие поле, параллельное длинной оси устройства, не показаны. Аналогичный магнетрон с другой удаленной секцией. Виден центральный катод; антенна, проводящая микроволны вверху; магниты не показаны. Устаревшие магнетронная трубка 9 ГГц и магниты от советского авиационного радара. Трубка зажата между полюсами двух подковообразных магнитов алнико (верхний, нижний) , которые создают магнитное поле вдоль оси трубки. Микроволны излучаются из апертуры волновода (вверху), которая при использовании присоединена к волноводу, проводящему микроволны к антенне радара. В современных лампах используются магниты из редкоземельных элементов , электромагниты или ферритовые магниты, которые намного менее громоздки.

Магнетрон полости , или не совсем точно сводится просто к магнетрону , является мощной вакуумной трубкой , который генерирует микроволны , используя взаимодействие потока электронов с магнитным полем при перемещении мимо ряда открытых металлических полостей ( полость резонаторы ). Электроны проходят через отверстия в эти полости и заставляют микроволны колебаться внутри, подобно тому, как свисток издает звук при возбуждении воздушным потоком, проходящим мимо его отверстия. Частота микроволн производства, то резонансная частота , определяется физическими размерами полостей. В отличие от других электронных ламп, таких как клистрон или лампа бегущей волны (ЛБВ), магнетрон не может работать как усилитель для увеличения интенсивности приложенного микроволнового сигнала; магнетрон служит исключительно в качестве генератора , генерируя микроволновый сигнал из электричества постоянного тока, подаваемого на вакуумную трубку.

Применение магнитных полей в качестве средства для управления потоком электрического тока было ускорено введением Audion по Ли де Форест в 1906 году Альберт Халл из Генеральной лаборатории исследования электрической начал разработку магнетронов как способ избежать де патентов леса , но они никогда не были полностью успешными. Другие экспериментаторы подхватили работу Халла, и ключевое достижение, использование двух катодов, было введено Хабаном в Германии в 1924 году. Дальнейшие исследования были ограничены до японской статьи Окабе 1929 года, в которой отмечалось получение сигналов сантиметровой длины волны, что вызвало интерес во всем мире. . Разработка магнетронов с несколькими катодами была предложена А.Л. Сэмюэлем из Bell Telephone Laboratories в 1934 году, что привело к хорошо известным разработкам Постумуса в 1934 году и Ганса Холлманна в 1935 году. Производство было взято на себя Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken.

и другие, с ограничением, возможно, мощностью 10 Вт. К этому времени клистрон вырабатывал большую мощность, а магнетрон не получил широкого распространения, хотя устройство мощностью 300 Вт было построено Алексереевым и Малеаровым в СССР в 1936 году (опубликовано в 1940 году).

Полости магнетрона было радикальное улучшение введено Джон Рэндалл и Гарри Ботинок в Университете Бирмингема , Англия в 1940 году их первый рабочий пример произвел сотни ватт на 10 см длины волны, что является беспрецедентным достижением. В течение нескольких недель инженеры GEC улучшили это значение до более чем киловатт, а в течение нескольких месяцев — 25 киловатт, более 100 к 1941 году и приближающиеся к мегаватту к 1943 году. Импульсы высокой мощности генерировались устройством размером с небольшую книгу и вещание с антенны длиной всего сантиметр, что на порядки уменьшает размер практических радиолокационных систем. ref name = tricks>

Schroter, B. (Spring 2008). «Насколько важна была Коробка уловок Тизарда?» (PDF) . Имперский инженер . 8 : 10. Архивировано (PDF) из оригинала 17.06.2011 . Проверено 23 августа 2009 . </ref> Появились новые радары для ночных истребителей , противолодочных самолетов и даже для самых маленьких кораблей сопровождения, и с этого момента союзники во Второй мировой войне стали лидерами в области радаров, которые их коллеги в Германии и Японии никогда не могли. Закрыть. К концу войны практически все радары союзников были основаны на магнетроне.

Магнетрон продолжал использоваться в радарах в послевоенный период, но потерял популярность в 1960-х годах, когда появились мощные клистроны и ЛБВ. Ключевой характеристикой магнетрона является то, что его выходной сигнал изменяется от импульса к импульсу как по частоте, так и по фазе. Это делает его менее подходящим для сравнения импульсов для выполнения индикации движущейся цели и устранения » помех » с дисплея радара. Магнетрон по-прежнему используется в некоторых радиолокационных системах, но стал гораздо более распространенным в качестве недорогого источника для микроволновых печей . В этой форме сегодня используется более одного миллиарда магнетронов.

Строительство и эксплуатация

Обычная конструкция трубки

В обычной электронной лампе ( вакуумной лампе ) электроны испускаются из отрицательно заряженного нагретого компонента, называемого катодом, и притягиваются к положительно заряженному компоненту, называемому анодом . Компоненты обычно расположены концентрически, помещены в контейнер трубчатой ​​формы, из которого был откачан весь воздух, так что электроны могут свободно перемещаться (отсюда и название «вакуумные» трубки, которые англичане называют «клапанами»).

Если третий электрод (называемый управляющей сеткой ) вставлен между катодом и анодом, поток электронов между катодом и анодом можно регулировать, изменяя напряжение на этом третьем электроде. Это позволяет полученной электронной лампе (называемой « триодом », потому что теперь она имеет три электрода) функционировать как усилитель, потому что небольшие изменения электрического заряда, прикладываемого к управляющей сетке, приведут к идентичным изменениям гораздо большего тока электронов, протекающих между катод и анод.

Корпусный или одноанодный магнетрон

Идея использования сетки для управления была запатентована Ли де Форестом , что привело к значительным исследованиям альтернативных конструкций трубок, которые позволили бы избежать его патентов. Одна концепция использовала магнитное поле вместо электрического заряда для управления током, что привело к развитию магнетронной трубки. В этой конструкции трубка была сделана с двумя электродами, обычно с катодом в виде металлического стержня в центре и анодом в виде цилиндра вокруг него. Трубку помещали между полюсами подковообразного магнита, расположенного так, чтобы магнитное поле было направлено параллельно оси электродов.

В отсутствие магнитного поля трубка работает как диод, а электроны текут прямо от катода к аноду. В присутствии магнитного поля электроны будут испытывать силу, перпендикулярную их направлению движения, согласно правилу левой руки . В этом случае электроны движутся по кривой траектории между катодом и анодом. Кривизной пути можно управлять, изменяя магнитное поле с помощью электромагнита или изменяя электрический потенциал между электродами.

При очень высоких настройках магнитного поля электроны возвращаются на катод, предотвращая протекание тока. На противоположном конце, без поля, электроны могут свободно течь прямо от катода к аноду. Существует точка между двумя крайностями, то критическое значение или корпуса магнитного поля отсечки (и отключения напряжения), где электроны только достигают анода. В полях около этой точки устройство работает как триод. Однако магнитное управление из-за гистерезиса и других эффектов приводит к более медленной и менее точной реакции на управляющий ток, чем электростатическое управление с использованием управляющей сетки в обычном триоде (не говоря уже о большем весе и сложности), поэтому магнетроны видели ограниченное использование в обычные электронные конструкции.

Было замечено, что когда магнетрон работал при критическом значении, он излучал энергию в радиочастотном спектре. Это происходит потому, что несколько электронов, вместо того, чтобы достичь анода, продолжают кружить в пространстве между катодом и анодом. Из-за эффекта, теперь известного как циклотронное излучение , эти электроны излучают радиочастотную энергию. Эффект не очень эффективный. В конце концов электроны попадают на один из электродов, поэтому количество в состоянии циркуляции в любой момент времени составляет небольшой процент от общего тока. Было также замечено, что частота излучения зависит от размера трубки, и даже были построены первые образцы, которые генерировали сигналы в микроволновом диапазоне.

Ранние традиционные ламповые системы были ограничены высокочастотными диапазонами, и хотя очень высокочастотные системы стали широко доступны в конце 1930-х годов, сверхвысокочастотные и микроволновые области были далеко за пределами возможностей обычных схем. Магнетрон был одним из немногих устройств, способных генерировать сигналы в микроволновом диапазоне, и он был единственным, кто мог производить высокую мощность на сантиметровых длинах волн.

Магнетрон с расщепленным анодом

Магнетрон с разъемным анодом (ок. 1935 г.). (слева) Голая трубка высотой около 11 см. (справа) Устанавливается для использования между полюсами сильного постоянного магнита

Первоначальный магнетрон было очень трудно поддерживать при критическом значении, и даже тогда количество электронов в состоянии вращения в любой момент времени было довольно низким. Это означало, что он давал очень маломощные сигналы. Тем не менее, как одно из немногих устройств, которые, как известно, создают микроволны, интерес к нему и потенциальным улучшениям был широко распространен.

Первым серьезным усовершенствованием стал магнетрон с разъемным анодом , также известный как магнетрон с отрицательным сопротивлением . Как следует из названия, в этой конструкции использовался анод, который был разделен на две части — по одному на каждом конце трубки, — создавая два полуцилиндра. Когда оба были заряжены одинаковым напряжением, система работала как оригинальная модель. Но, немного изменив напряжение двух пластин, траектория электрона может быть изменена так, чтобы они естественным образом двигались в сторону более низкого напряжения. Пластины были подключены к генератору, который менял относительное напряжение двух пластин на заданную частоту.

В любой момент электрон, естественно, будет подталкиваться к стороне трубки с более низким напряжением. Затем электрон будет колебаться взад и вперед при изменении напряжения. В то же время прилагается сильное магнитное поле, более сильное, чем критическое значение в исходной конструкции. Обычно это заставляет электрон возвращаться к катоду, но из-за колеблющегося электрического поля электрон вместо этого следует по круговой траектории, которая продолжается к анодам.

Поскольку все электроны в потоке испытывали это циклическое движение, количество излучаемой высокочастотной энергии было значительно улучшено. А поскольку движение происходило при любом уровне поля, превышающем критическое значение, больше не было необходимости тщательно настраивать поля и напряжения, и общая стабильность устройства была значительно улучшена. К сожалению, более высокое поле также означало, что электроны часто возвращались обратно к катоду, передавая на него свою энергию и вызывая его нагрев. Поскольку это обычно приводит к высвобождению большего количества электронов, иногда это может привести к эффекту убегания и повреждению устройства.

Полостной магнетрон

Большим достижением в конструкции магнетрона стал магнетрон с резонансным резонатором или магнетрон с электронным резонансом , который работает на совершенно иных принципах. В этой конструкции колебания создаются физической формой анода, а не внешними цепями или полями.

Схема в разрезе магнетрона с резонансным резонатором . Магнитные силовые линии параллельны геометрической оси этой конструкции.

Механически магнетрон с резонатором состоит из большого сплошного металлического цилиндра с отверстием, просверленным в центре круглой поверхности. Проволока, действующая как катод, проходит по центру этого отверстия, а металлический блок сам образует анод. Вокруг этого отверстия, известного как «пространство взаимодействия», имеется ряд аналогичных отверстий («резонаторов»), просверленных параллельно пространству взаимодействия, соединенных с пространством взаимодействия коротким каналом. Получившийся блок выглядит примерно как цилиндр револьвера с несколько большим центральным отверстием. (Ранние модели на самом деле были вырезаны с помощью приспособлений для пистолетов Кольта ). Помня, что в цепи переменного тока электроны движутся по поверхности, а не по сердечнику проводника, параллельные стороны прорези действуют как конденсатор, а круглые отверстия образуют индуктор : контур LC изготовлен из твердой меди, с резонансной частотой полностью определяется его размерами.

Магнитное поле установлено на значение значительно ниже критического, поэтому электроны следуют по дуговым путям к аноду. Когда они ударяются об анод, они вызывают отрицательный заряд в этой области. Поскольку этот процесс носит случайный характер, некоторые области станут более или менее заряженными, чем области вокруг них. Анод изготовлен из материала с высокой проводимостью, почти всегда из меди, поэтому эти различия в напряжении вызывают появление токов, которые выравнивают их. Поскольку ток должен течь по внешней стороне полости, этот процесс требует времени. В течение этого времени дополнительные электроны будут избегать горячих точек и оседать дальше вдоль анода, так как дополнительный ток, протекающий вокруг него, также поступает. Это вызывает образование осциллирующего тока, когда ток пытается выровнять одно пятно, затем другое.

Осциллирующие токи, протекающие вокруг полостей, и их влияние на поток электронов внутри трубки, вызывают генерацию в полостях большого количества микроволновой радиочастотной энергии. Полости открыты с одной стороны, поэтому весь механизм образует один более крупный микроволновый генератор. «Отвод», обычно проволока, сформированная в виде петли, отбирает микроволновую энергию из одной из полостей. В некоторых системах отводной провод заменяется открытым отверстием, которое позволяет микроволнам проходить в волновод .

Поскольку для настройки колебания требуется некоторое время, и оно изначально является случайным, последующие запуски будут иметь другие выходные параметры. Фаза почти никогда не сохраняется, что затрудняет использование магнетрона в системах с фазированными решетками . Частота также дрейфует от импульса к импульсу, что является более сложной проблемой для более широкого набора радарных систем. Ни то, ни другое не представляет проблемы ни для радаров непрерывного действия , ни для микроволновых печей.

Общие черты

Изображение магнетрона с резонатором 1984 года в разрезе. Часть правого магнита и медного анодного блока вырезана, чтобы показать катод и полости. В этом более старом магнетроне используются два подковообразных алнико- магнита, в современных лампах используются редкоземельные магниты .

Все магнетроны с резонатором состоят из нагреваемого цилиндрического катода с высоким (непрерывным или импульсным) отрицательным потенциалом, создаваемым высоковольтным источником постоянного тока. Катод расположен в центре в эвакуированной , лопастной, круглой металлической камере. Стенки камеры являются анодом трубки. Поле магнитного параллельно оси полости налагаются постоянным магнитом . Электроны первоначально движутся радиально наружу от катода, притягиваясь электрическим полем стенок анода. Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спирали наружу по круговой траектории, что является следствием силы Лоренца . По краю камеры расположены цилиндрические полости. Прорези прорезаются по длине полостей, которые открываются в центральную общую полость. Когда электроны проходят мимо этих щелей, они создают высокочастотное радиополе в каждой резонансной полости, что, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть радиочастотной энергии извлекается с помощью короткого контура связи, который соединен с волноводом (металлической трубкой, обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на нагрузку, которой может быть камера для приготовления пищи в микроволновой печи или антенна с большим усилением в случае радара.

Размеры полостей определяют резонансную частоту и, следовательно, частоту излучаемых микроволн. Однако частоту нельзя точно контролировать. Рабочая частота меняется в зависимости от изменения импеданса нагрузки , изменения тока питания и температуры трубки. Это не проблема для таких применений, как нагрев, или в некоторых формах радаров, где приемник может быть синхронизирован с неточной частотой магнетрона. Там, где требуются точные частоты, используются другие устройства, например клистрон .

Магнетрон — это автоколебательное устройство, не требующее никаких внешних элементов, кроме источника питания. Перед возникновением колебаний необходимо приложить четко определенное пороговое анодное напряжение; это напряжение является функцией размеров резонансной полости и приложенного магнитного поля. В импульсных приложениях существует задержка в несколько циклов, прежде чем генератор достигнет полной пиковой мощности, и нарастание анодного напряжения должно координироваться с ростом выходного сигнала генератора.

В случае четного числа полостей два концентрических кольца могут соединять чередующиеся стенки полости, чтобы предотвратить неэффективные режимы колебаний. Это называется пи-перевязкой, потому что две перемычки фиксируют разность фаз между соседними полостями в пи-радианах (180 °).

Современный магнетрон — довольно эффективное устройство. В микроволновой печи, например, входная мощность 1,1 киловатт обычно создает около 700 ватт микроволновой мощности, эффективность около 65%. (Высокое напряжение и свойства катода определяют мощность магнетрона.) Большие магнетроны S-диапазона могут производить пиковую мощность до 2,5 мегаватт при средней мощности 3,75 кВт. Некоторые большие магнетроны охлаждаются водой. Магнетрон по-прежнему широко используется в ролях, требующих высокой мощности, но где точный контроль частоты и фазы не важен.

Приложения

Радар

В радаре волновод магнетрона соединен с антенной . Магнетрон работает с очень короткими импульсами приложенного напряжения, в результате чего излучается короткий импульс мощной микроволновой энергии. Как и во всех первичных радиолокационных системах, отраженное от цели излучение анализируется для создания радиолокационной карты на экране.

Некоторые характеристики мощности магнетрона делают использование устройства в радаре несколько проблематичным. Первым из этих факторов является собственная нестабильность частоты передатчика магнетрона. Эта нестабильность приводит не только к сдвигу частоты от одного импульса к другому, но также к сдвигу частоты в отдельном переданном импульсе. Второй фактор заключается в том, что энергия передаваемого импульса распространяется по относительно широкому частотному спектру, что требует, чтобы приемник имел соответственно широкую полосу пропускания. Эта широкая полоса пропускания позволяет принимать окружающий электрический шум в приемник, тем самым несколько заглушая слабые эхо-сигналы радара, тем самым снижая общее отношение сигнал / шум приемника и, следовательно, производительность. Третий фактор, в зависимости от области применения, — это радиационная опасность, вызванная использованием мощного электромагнитного излучения. В некоторых приложениях, например, в морском радаре, установленном на прогулочном судне, радар с мощностью магнетрона от 2 до 4 киловатт часто устанавливается очень близко к зоне, занятой экипажем или пассажирами. На практике эти факторы преодолены или просто приняты, и сегодня в эксплуатации находятся тысячи магнетронных авиационных и морских радаров. Недавние достижения в области авиационных радаров предотвращения погодных явлений и морских радаров позволили успешно заменить магнетрон на полупроводниковые генераторы СВЧ диапазона , которые имеют более узкий диапазон выходных частот. Это позволяет использовать более узкую полосу пропускания приемника, а более высокое отношение сигнал / шум, в свою очередь, позволяет снизить мощность передатчика, уменьшая воздействие ЭМИ.

Обогрев

Магнетрон из микроволновой печи с магнитом в монтажной коробке. Горизонтальные пластины образуют радиатор , охлаждаемый потоком воздуха от вентилятора. Магнитное поле создается двумя мощными кольцевыми магнитами, нижний из которых хорошо виден. Практически все современные печные магнетроны имеют аналогичную конструкцию и внешний вид.

В микроволновых печах волновод ведет к радиочастотному прозрачному отверстию в варочной камере. Поскольку фиксированные размеры камеры и ее физическая близость к магнетрону обычно создают структуру стоячих волн в камере, картина случайным образом изменяется с помощью моторизованной веерной мешалки в волноводе (чаще в промышленных печах) или поворотный стол, который вращает пищу (чаще всего используется в бытовых духовках).

Освещение

В осветительных системах с микроволновым возбуждением, таких как серная лампа , магнетрон создает микроволновое поле, которое проходит через волновод в осветительный резонатор, содержащий светоизлучающее вещество (например, серу, галогениды металлов и т. Д.). Несмотря на свою эффективность, эти лампы намного сложнее других методов освещения и поэтому обычно не используются. В более современных вариантах используются силовые полупроводники HEMT или GaN-на-SiC для генерации микроволн, которые существенно менее сложны и могут быть отрегулированы для максимального увеличения светоотдачи с помощью системы ФИД.

История

В 1910 году Ханс Гердиен (1877–1951) из корпорации Siemens изобрел магнетрон. В 1912 году швейцарский физик Генрих Грайнахер искал новые способы вычисления массы электрона . Он остановился на системе, состоящей из диода с цилиндрическим анодом, окружающего стержневой катод, помещенный в середину магнита. Попытка измерить массу электрона не удалась, потому что ему не удалось добиться хорошего вакуума в трубке. Однако в рамках этой работы Грайнахер разработал математические модели движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях.

В США Альберт Халл применил эту работу в попытке обойти патенты Western Electric на триод. Western Electric получила контроль над этой конструкцией, купив патенты Ли Де Фореста на управление током с помощью электрических полей через «сеть». Халл намеревался использовать переменное магнитное поле вместо электростатического для управления потоком электронов от катода к аноду. Работая в исследовательских лабораториях General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк , Халл построил трубки, которые обеспечивали переключение посредством управления соотношением напряженности магнитного и электрического полей. Он выпустил несколько статей и патентов на эту концепцию в 1921 году.

Магнетрон Халла изначально не предназначался для генерации электромагнитных волн УКВ (очень высокой частоты). Однако в 1924 году чешский физик Август Жачек (1886–1961) и немецкий физик Эрих Хабанн (1892–1968) независимо друг от друга обнаружили, что магнетрон может генерировать волны от 100 мегагерц до 1 гигагерца. Жачек, профессор Карлова университета в Праге , опубликовал первое издание; однако он публиковался в журнале с небольшим тиражом и поэтому не привлек к себе особого внимания. Хабанн, студент Йенского университета , исследовал магнетрон для своей докторской диссертации 1924 года. На протяжении 1920-х годов Халл и другие исследователи по всему миру работали над созданием магнетрона. Большинство этих ранних магнетронов представляли собой стеклянные вакуумные трубки с несколькими анодами. Однако двухполюсный магнетрон, также известный как магнетрон с разъемным анодом, имел относительно низкий КПД.

В то время как радар разрабатывался во время Второй мировой войны , возникла острая необходимость в мощном микроволновом генераторе, который работал бы на более коротких длинах волн , около 10 см (3 ГГц), а не на 50-150 см (200 МГц), которые были доступны. от ламповых генераторов того времени. Было известно, что многорезонансный резонансный магнетрон был разработан и запатентован в 1935 году Гансом Холлманном в Берлине . Однако немецкие военные сочли дрейф частоты устройства Холлмана нежелательным и вместо этого основали свои радарные системы на клистроне . Но клистроны в то время не могли достичь той высокой выходной мощности, которой в конечном итоге достигли магнетроны. Это была одна из причин того, что немецкие радары ночных истребителей , которые никогда не выходили за пределы диапазона низких УВЧ, с которого начиналась авиация фронтовой авиации, не соответствовали их британским аналогам. Точно так же в Великобритании Альберт Бомонт Вуд подробно описал систему с «шестью или восемью маленькими отверстиями», просверленными в металлическом блоке, идентичную более поздним производственным проектам. Однако его идея была отвергнута военно-морскими силами, которые заявили, что их клапанный отдел слишком занят, чтобы рассматривать ее.

Электромагнит, используемый в сочетании с оригинальным магнетроном Рэндалла и Бута. Анодный блок, который является частью магнетрона резонатора, разработанный Randall и Boot

В 1940 году в Бирмингемском университете в Великобритании Джон Рэндалл и Гарри Бут создали рабочий прототип резонаторного магнетрона мощностью около 400 Вт. За неделю мощность увеличилась до 1 кВт, а в течение следующих нескольких месяцев — Благодаря водяному охлаждению и множеству изменений в деталях мощность увеличилась до 10, а затем до 25 кВт. Чтобы справиться с его дрейфом частоты, они дискретизировали выходной сигнал и синхронизировали свой приемник с той частотой, которая фактически генерировалась. В 1941 году проблема нестабильности частоты была решена с помощью соединения Джеймса Сайерса («обвязки») альтернативных резонаторов внутри магнетрона, что уменьшило нестабильность в 5–6 раз. (Обзор ранних конструкций магнетронов, в том числе конструкции Бута и Рэндалла, см. В разделе) По словам Энди Мэннинга из Музея радаров ПВО ВВС Великобритании , открытие Рэндалла и Бута было «огромным, массовым прорывом» и «многие даже сейчас считают , как наиболее важное изобретение, появившееся в результате Второй мировой войны », в то время как профессор военной истории Университета Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман заявляет:

Магнетрон остается основной радиолампой для коротковолновых радиосигналов всех типов. Она не только изменила ход войны, позволив нам разрабатывать бортовые радиолокационные системы, но и остается ключевой технологией, лежащей в основе вашей микроволновой печи сегодня. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир.

Поскольку Франция только что пала перед нацистами, а у Великобритании не было денег на разработку магнетрона в больших масштабах, Уинстон Черчилль согласился с тем, что сэр Генри Тизард должен предложить магнетрон американцам в обмен на их финансовую и промышленную помощь. Ранняя версия мощностью 10 кВт , построенная в Англии исследовательскими лабораториями компании General Electric в Уэмбли , Лондон (не путать с американской компанией General Electric с аналогичным названием), была использована на миссии Тизард в сентябре 1940 года. Представители ВМС США начали подробно рассказывать о проблемах своих коротковолновых систем, жалуясь на то, что их клистроны могут производить только 10 Вт. С размахом «Тэффи» Боуэн вытащил магнетрон и объяснил, что он производит в 1000 раз больше.

Bell Telephone Laboratories взяла пример и быстро начала делать копии, а до конца 1940 года в кампусе Массачусетского технологического института была создана радиационная лаборатория для разработки различных типов радаров с использованием магнетрона. К началу 1941 года переносные сантиметровые бортовые радары проходили испытания на американских и британских самолетах. В конце 1941 г. Исследовательский центр электросвязи в Великобритании использовал магнетрон для разработки революционного бортового радара для картографирования земли под кодовым названием h3S. РЛС H 2 S был частично разработанной Блюмлейн и Бернарда Ловелла .

Магнетрон с резонатором широко использовался во время Второй мировой войны в микроволновом радиолокационном оборудовании и часто приписывается тому, что радар союзников получил значительное преимущество в характеристиках по сравнению с немецкими и японскими радарами, что напрямую повлияло на исход войны. Позже американский историк Джеймс Финни Бакстер III описал его как «самый ценный груз, когда-либо доставленный к нашим берегам».

Сантиметровый радар, ставший возможным благодаря магнетрону с резонатором, позволял обнаруживать гораздо меньшие объекты и использовать гораздо меньшие антенны. Комбинация магнетронов с малым резонатором, небольших антенн и высокого разрешения позволила установить в самолетах небольшие высококачественные радары. Они могли использоваться морскими патрульными самолетами для обнаружения объектов размером с перископ подводной лодки, что позволяло самолетам атаковать и уничтожать подводные лодки, которые ранее нельзя было обнаружить с воздуха. Радиолокаторы с сантиметровым контуром, такие как h3S, повысили точность бомбардировщиков союзников, используемых в кампании стратегических бомбардировок , несмотря на наличие немецкого устройства FuG 350 Naxos для его обнаружения. Сантиметровые радары наводки тоже были намного точнее, чем старые технологии. Они сделали крупнокалиберные линкоры союзников более смертоносными и, наряду с недавно разработанным неконтактным взрывателем , сделали зенитные орудия гораздо более опасными для атакующих самолетов. Эти два соединены вместе и используются зенитными батареями, размещенными вдоль траектории полета немецких летающих бомб Фау-1 по пути в Лондон , и считается, что они уничтожили многие летающие бомбы, прежде чем они достигли своей цели.

С тех пор были изготовлены миллионы резонаторных магнетронов; в то время как некоторые из них предназначались для радаров, подавляющее большинство — для микроволновых печей . Использование в самих радарах до некоторой степени сократилось, поскольку в целом требовались более точные сигналы, и для этих нужд разработчики перешли на системы клистронов и ламп бегущей волны .

Опасности для здоровья

Осторожно: опасность радиоволн Осторожно: ядовитые частицы для легких.

В частности, как минимум одна опасность хорошо известна и задокументирована. По мере того как линза из глаза имеет никакого охлаждающего потока крови, это не особенно склонны к перегреву при воздействии микроволнового излучения. Это нагревание, в свою очередь, может привести к более высокой заболеваемости катарактой в более позднем возрасте.

Вокруг магнетронов также существует значительная опасность поражения электрическим током, поскольку для них требуется источник питания высокого напряжения.

Некоторые магнетроны имеют керамические изоляторы из оксида бериллия (бериллия), которые опасны при раздавливании, вдыхании или ином проглатывании. Единичное или хроническое воздействие может привести к бериллиозу , неизлечимому заболеванию легких. Кроме того, бериллия внесена в список подтвержденных канцерогенов для человека IARC ; поэтому с сломанными керамическими изоляторами или магнетронами нельзя обращаться напрямую.

Все магнетроны содержат небольшое количество тория, смешанного с вольфрамом в нити накала . Хотя это радиоактивный металл, риск рака невелик, поскольку он никогда не попадает в воздух при нормальном использовании. Только если нить вынуть из магнетрона, измельчить и вдохнуть, она может представлять опасность для здоровья.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Информация

Патенты

• US 2123728   Hans Erich Hollmann / Telefunken GmbH: «Магнетрон» подана 27 ноября 1935 г.
• US 2315313   Buchholz, H. (1943). Полостной резонатор
• US 2357313   Carter, PS (1944). Высокочастотный резонатор и контур для него
• US 2357314   Carter, PS (1944). Контур резонатора полости
• US 2408236   Spencer, PL (1946). Корпус магнетрона
• US 2444152   Carter, PS (1948). Схема резонатора полости
• US 2611094   Rex, HB (1952). Контур индуктивно-емкостного резонанса
• GB 879677   Dexter, SA (1959). Схемы вентильного генератора; муфты радиочастотного выхода

СВЧ-излучатель на магнетроне | Клуб защитников тишины

Purpose: This project is a continuation of the HERF003 project. It will be just like the HERF001 but many times more compact and efficient due to optimization and better calculated design. The actual device (excluding the horn antenna) will be about 50 times smaller in volume than HERF001 while having the same output power yet even better antenna efficiency and low VSWR. I hope to get much more detailed tests done on the effects and range of this device. Results and test images/videos will be posted allong with data sheets, radiation patterns and videos of test shots on dummy PC’s. Materials: — 800W 2.458GHz Magnetron — MOT — 2kV @ 1.2uF capacitor — 12kV piv microwave oven diode — Sheet metal — Sheet copper — Other small parts Details:

This is the basic magnetron coupling design. It is designed after the WR340 waveguide and can allow 1.70GHz to 2.60GHz to pass through with low attenuation. Of course my RF output will be within this range being 2.458GHz. The full dimentions of the waveguide are 4.318cm x 9.147cm x 8.636cm. The horn antenna is not as small as pictured. The magnetron feed will be inserted 1/4 the wavelength from the back of the waveguide.

a = 86.36mm b = 43.18mm c = 91.47mm For a 15dB horn antenna: p = 152.5mm a1 = 320.6mm b1 = 237.5mm For a 18dB horn antenna: p = 365.9mm a1 = 452.9mm b1 = 335.5mm

These are the dimentions of the plates that must be cut out in order to form a 15dB horn antenna.

These are the dimentions of the plates that must be cut out in order to form a 18dB horn antenna. Of course two of each plate must be made in order to make a complete horn antenna. The back end is then welded to the waveguide.

This is the circular waveguide and conical horn and its dimentions. The distance between the magnetron feed and the back waveguide wall should be fine tuned and adjusted as needed. The waveguide diameter is 3/4 the 2.458GHz wavelength and the distance from the magnetron feed and the base of the horn is 1/2 the wavelength.

This is the schematic of the HERF004 if powered from a 120VAC (or 240VAC) source. The circuit consists of a transformer and a voltage doubler cap/diode setup. A filiment heater is also needed.

This is the schematic of the HERF004 if powered from a 12VDC battery source. This design will provide less average RMS output power but will provide the same if not higher pulse peak power. Most magnetrons have the markings F, FA, C, or K next to the leads of which F, C and K are the magnetron cathode. Most microwave oven magnetrons will be marked with FA and F while radar magnetrons will only have one lead marked with either a K or a C. Since the magnetron I am planning to use is not a pulsed magnetron I will not construct a pulse forming network although it would help. Videos:

herf004-test001.mpg (8.03MB) This clip shows a series of herf004 shots at different distances. The video clip contains both video and audio. In the audio you can hear the 60Hz hum as it was induced into the camera via 2.458GHz carier wave.

herflight01.mpeg (0.98MB) This clip shows HERF004 exciting the gas within a flourecent light tube causing it to glow.

herfmotion01.mpeg (0.97MB) This clip shows HERF004 triggering the driveway motion detector of my home and the house next door. Images:

This is the horn right after its construction. I cut it out of sheet copper and then welded each sheet together. My welding skills weren’t that great so the plates may be misaligned by upto 4mm. The horn was designed to be 17dB since my sheet copper wasn’t large enough to make an 18dB horn. I will probably make a conical horn after this one though and use it instead since this one turned out to be quite large.

First HERF004 victim, me. As I was drilling a hole for the magnetron feed the drill bit caught the sheet of copper and swung it around slicing my hand in various places. I also got some burns from my blow torch.

Side of the 13dB conical horn with circular waveguide.

Front of the 13dB conical horn with circular waveguide.

Top of the 13dB conical horn with circular waveguide.

Side view of the mains powered HERF004.

Front view of the mains powered HERF004.

Back view of the mains powered HERF004.

Radartutorial

Когда впервые был использован магнетрон?

Изобретение магнетрона

1921 Швейцарский физик Генрих Грейнахер попытался использовать диодную лампу с цилиндрически симметричным расположением. анода в параллельном оси магнитном поле для измерения отношения заряда электрона к его массе. Практическая попытка не удалась из-за плохого вакуума в трубке и, как следствие, недостаточной эмиссии электронов с катода.Грайнахер дал базовое математическое описание изменений в движении электронов под действием магнитного поля.

1921 Альберт В. Халл в General Electric Company использовал эту экспериментальную установку и исследовал движение электронов под действием однородного аксиального магнитного поля. Он заметил возможность управлять током электронов на анод путем изменения магнитного поля.

Халл хотел разработать для своей компании реле с магнитным управлением или усилитель, конкурирующий с триодами с сетевым управлением Western Electric Co., но также отметил возможность генерации RF. Он назвал свое новое устройство «Магнетрон».

1924 Магнетрон для высокочастотных колебаний независимо исследовал Erich Habann в Йене (Германия) и Napsal August Zázek в Праге (Чехия). Хабанн правильно предсказал условия, необходимые для появления отрицательного сопротивления, которое преодолело бы обычное затухание, вызванное потерями в резонансной цепи. В отличие от устройства Халла, Хабан использовал постоянное во времени магнитное поле, как в современных магнетронах.Используя свой магнетрон с расщепленным анодом, Хабан мог генерировать колебания в диапазоне 100 МГц. Зазек разработал магнетрон со сплошным цилиндрическим анодом и генерировал частоты до 1 ГГц.

1929 Прорыв в генерации сантиметровых волн магнетронами произошел в 1929 году, когда Киндзиро Окабе работал на своем магнетроне со щелевым анодом (5,35 ГГц) в Университете Тохоку в Сендае, Япония.

1935 Ганс Эрих Холлманн подал патент на многорезонаторный магнетрон в Германии 27 ноября 1935 года.Соответствующий патент США 2123728 был пожалован 12 июля 1938 г. значительно опередив работы Джона Рэндалла и Генри Бута в феврале 1940 года.

1940 Тем не менее, многорезонаторный магнетрон, построенный двумя инженерами из университета в Бирмингеме, John Randall и Henry Boot стал вехой в подводной войне против Германии к середине 1940 года. Они просто построили магнетрон, используя более четырех резонаторов, как показано на рисунках патента Холлмана, чтобы повысить эффективность ВЧ-генерации.Британии удалось усовершенствовать прототип многорезонаторного магнетрона с водяным охлаждением (один с 8 концентрическими резонансными полостями). производство относительно небольшого и легкого передатчика, способного генерировать РЧ-импульсы на частоте 3 ГГц с выходной мощностью 15 кВт. Этой радиолокационной станцией оснащались самолеты В – 17.

Этот небольшой, но мощный радар, использующий полость-магнетрон, позволил улучшить боевые действия против немецких подводных лодок. При использовании частоты 3 ГГц антенна может быть относительно небольшой, но эффективной.поскольку усиление антенны обратно пропорциональна квадрату длины волны, антенна того же размера могла бы стать более мощной. Поскольку ширина луча антенны обратно пропорциональна длине волны, этот радар обеспечивает хорошую точность в каждом измерении (азимут и высота) и разрешение пеленга.

Результаты исследования Генри Гаттона по использованию катодов из оксида бария в многорезонаторном магнетроне были доставлены в Англию Морисом Понте из Генерального общества беспроводного телеграфирования, незадолго до оккупации Франции.Эти результаты были интегрированы в текущую разработку магнетронов Randall and Boot. Катоды из оксида бария имеют более низкую температуру по сравнению с вольфрамовыми катодами с сопоставимой электронной эмиссией. и, таким образом, увеличили срок службы магнетронов.

Генри Тизард возглавил британскую делегацию, которая привезла все ранее доступные результаты исследований в Соединенные Штаты Америки. Там было начато массовое производство магнетронных трубок для войны.

1941 Североирландский физик Джеймс Сэйерс изобрел магнетрон. обвязочные кольца.

1942 г. В настоящее время в составе немецких радаров клистроны используются, потому что они имели значительно лучшую стабильность частоты, чем магнетроны. Только в конце Второй мировой войны были обнаружены (анализом захваченных устройств) преимущества микроволнового диапазона, используемого магнетронами. Прежде всего, в то время не было возможности вмешиваться в работу этих микроволновых устройств.Однако для промышленного внедрения этих результатов было уже слишком поздно.

Основы магнетрона

| M-Press Systems

В большинстве промышленного микроволнового оборудования используются магнетроны для генерации необходимой микроволновой энергии. Это связано с тем, что магнетроны относительно дешевы, компактны, просты в эксплуатации и имеют хороший КПД. Только приложения с высокими требованиями к стабильности частоты и фазы используют другие типы электронных ламп, например.г. Гиротроны или клистроны.

Принцип работы магнетронов

Магнетрон состоит из нити накала в центре трубки, действующей как катод, с телом анода, окружающим нить. Нить накала и тело анода упакованы в одно устройство вместе с постоянными магнитами и, в некоторых случаях, дополнительными электромагнитными катушками, которые позволяют контролировать и изменять выходную мощность магнетрона. Затем внутренняя часть тела анода, содержащая нить накала, откачивается до высокого вакуума и герметизируется.

Нить изготовлена ​​из специального материала, например Торированный вольфрам, который при нагревании примерно до 2400 ° C начинает испускать свободные электроны. Поскольку нить накала подключена к отрицательному полюсу источника постоянного тока высокого напряжения, а тело анода — к положительному полюсу, электроны ускоряются электрическим полем по направлению к аноду. Однако из-за того, что магнитное поле ориентировано перпендикулярно пути ускоренных электронов, они вынуждены следовать по спиральной траектории, ведущей от нити к телу анода.Анодное тело содержит ряд выточенных в нем полостей, и когда поток электронов проходит через эти полости, они «сгруппированы» вместе из-за резонансных эффектов. Один из резонаторов соединен с антенной, расположенной вне магнетрона, и преобразует часть кинетической энергии электронных сгустков в радиочастотную (микроволновую) энергию, которая передается от антенны в волновод через устройство, называемое пусковой установкой. Обратите внимание, что выходная частота магнетрона напрямую зависит от механических размеров полостей в корпусе анода, поэтому магнетроны становятся меньше с увеличением выходной частоты.

Работа магнетронов

Для работы магнетрону требуется 2 источника питания:

• Источник питания с нитью

  Блок питания с нитью служит для нагрева нити до температуры, достаточной для испускания достаточного количества свободных электронов . Этот источник питания может обеспечивать переменное или постоянное напряжение с типичным диапазоном напряжений от 2,5 В до 15 В и токами от нескольких А до 100 А и выше. Напряжение на нити накала необходимо приложить за некоторое время до напряжения на катоде, чтобы нить накала имела достаточно времени для предварительного нагрева.Кроме того, из-за эффекта, называемого «обратная бомбардировка», напряжение на нити, возможно, придется уменьшить, когда магнетрон вырабатывает микроволновую энергию, поэтому в магнетронах с переменной выходной мощностью напряжение нити часто контролируется электронной схемой, удерживая нить при оптимальной температуре.

• Источник питания высокого напряжения

  Источник питания высокого напряжения является фактическим источником питания магнетрона, поскольку он обеспечивает энергию для ускорения электронов.Источник высокого напряжения всегда является источником постоянного тока, в зависимости от выходной мощности и области применения доступны различные типы источников питания. Типичные напряжения находятся в диапазоне от 2 кВ (2000 В) до 15 кВ и выше, при токах питания от нескольких 100 мА до нескольких А.

Срок службы магнетронов

Хотя на срок службы магнетрона могут влиять некоторые другие факторы, например недостаточное время предварительного нагрева для нити накала или скачки напряжения на источнике высокого напряжения, при нормальной работе оно ограничивается в основном сроком службы нити накала.Из-за испарения тория и «пескоструйного эффекта», вызванного обратной бомбардировкой электронов, нить накала изнашивается, что дает Магнетрону ограниченный срок службы, который обычно составляет от 2000 до 10.000 часов. Чтобы продлить срок службы, необходимо учитывать следующие моменты:

• Обращение и хранение

  Нити магнетронов, особенно сделанные из торированного вольфрама, довольно хрупкие и могут легко разрушаться от ударов или сильных вибраций.Кроме того, загрязнение корпуса фильтра или антенны грязью или пылью может привести к преждевременному выходу из строя магнетронов, поэтому с ними следует обращаться осторожно и безопасно хранить в их оригинальной упаковке до установки внутри микроволнового генератора.

• Подача нити

  Максимальный срок службы магнетрона может быть достигнут только в том случае, если температура нити остается постоянной во всех режимах работы. Поэтому следует часто проверять подачу нити, по крайней мере, перед установкой нового магнетрона.Это особенно важно в случае электронных (переменных) филаментов.

• Пусковая секция

  Пусковая секция отвечает за передачу микроволновой энергии от магнетрона в волноводную систему, неправильно спроектированные или плохо обслуживаемые пусковые установки приводят к недостаточной связи и перегреву магнетрона.

• Согласование нагрузки

  Плохо согласованные нагрузки вызывают перегрев магнетрона из-за отраженной микроволновой энергии. Нагрузки всегда должны согласовываться с использованием подходящих элементов настройки, если импеданс нагрузки изменяется во время работы, необходимо установить автонастройки или циркуляторы для защиты магнетрона.

• Циркуляторы

  Циркуляторы — самый безопасный вариант для защиты магнетронов в приложениях с большой мощностью. Однако циркуляционные насосы требуют регулярного технического обслуживания, чтобы гарантировать, что они работают в соответствии со спецификациями и эффективно защищают магнетрон.

• Система охлаждения

  Магнетроны требуют охлаждения корпуса анода, корпуса фильтра и антенны. В частности, охлаждающий воздух для корпуса фильтра и антенны должен быть чистым, сухим и без пыли. Если корпус анода имеет водяное охлаждение, убедитесь, что вода хорошего качества и не приводит к образованию накипи в охлаждающих каналах.

• Система управления

  Магнетроны высокой мощности и магнетроны с регулируемой выходной мощностью используют электронные системы управления для контроля и регулирования подачи высокого напряжения, анодного тока, выходной мощности и нагрева нити. Эти системы управления следует проверять на регулярной основе, самое позднее перед установкой нового магнетрона.

В случае, если ваша микроволновая система не работает или ваши магнетроны достигают только короткого срока службы, пожалуйста, свяжитесь с нами, у нас есть необходимый опыт и оборудование, чтобы тщательно проверить вашу систему и вернуть ее в состояние «как новое».

Как работают магнетроны? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 ноября 2020 г.

Хотите приготовить ужин за пять минут или сделать самолет безопаснее, чтобы летать в непогоду? Тогда тебе понадобятся микроволновки. Это невидимые, сверхэнергетические коротковолновые радиоволны, которые распространяются на скорости света, делая важные вещи в микроволновых печах и радарно-навигационное оборудование. Сделать микроволновую печь легко, если у вас есть оборудование — удобный прибор, называемый магнетроном.Что это и как это работает? Возьмем пристальный взгляд!

Фото: Магнетрон с резонатором CV64, разработанный в Бирмингеме в 1942 году, был достаточно мал, чтобы поместиться внутри самолета. Подобные устройства позволили самолетам впервые использовать радиолокационную защиту. Выставка в Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия). Приносим извинения за немного плохое качество изображения: экспонат находится в стеклянной витрине и его трудно сфотографировать.

Как работает магнетрон?

Изображение: Справа: один из чертежей высокоэнергетического магнетрона, разработанного в 1940-х годах Перси Спенсером, который усовершенствовал микроволновую печь, работая в Raytheon.(Я раскрасил его так, чтобы он соответствовал моему рисунку ниже.) Вы можете увидеть увеличенную версию этого рисунка и прочитать полную техническую информацию через Google Patents. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Магнетроны ужасно сложны. Нет, правда — они ужасно сложный! Чтобы понять, как они работают, я считаю полезным сравнить их к двум другим вещам, которые работают аналогичным образом: телевизор старого образца набор и флейта.

Магнетрон имеет много общего с электронно-лучевым. (электронная) трубка, запаянная стеклянная колба, которая превращает изображение в телевизор старого образца.Трубка — это сердце телевизора: она делает картинку вы можете увидеть, стреляя пучками электронов в экран, покрытый в химических веществах, называемых люминофорами, поэтому они светятся и выделяют точки света. Вы можете прочитать все об этом в нашей основной статье на телевидение, но вот (вкратце) то, что происходит. Внутри телевизора, есть отрицательно заряженный электрический терминал, называемый катодом который нагревается до высокой температуры, поэтому электроны «выкипают» из него. Они ускоряются вниз по стеклянной трубке, привлеченные положительно заряженный терминал или анод и достигают таких высоких скоростей, что они промчаться мимо и врезаться в люминофорный экран на конце трубки.Но Магнетрон не имеет той же цели в жизни, что и телевизор. Вместо того, чтобы делать изображение, он предназначен для генерации микроволн — и он делает это немного как флейта. Флейта — это открытая труба, наполненная воздухом. Дуть поперек верхнюю часть правильным образом, и вы заставляете ее вибрировать в определенном музыкальный тон (называемый его резонансной частотой), генерирующий звук, который вы слышите, который прямо соответствует длине труба.

Задача магнетрона — генерировать довольно короткие радиоволны.Если бы вы могли их видеть, вы могли бы легко измерить их школьной линейкой. Обычно они не короче 1 мм (0,04 дюйма; самое короткое деление на метрической линейке) и не более 30 см (12 дюймов; длина типичной школьной линейки). Магнетрон делает свое дело резонирует как флейта, когда вы накачиваете в нее электрическую энергию. Но, в отличие от флейта, она производит электромагнитные волны вместо звуковых, поэтому вы не можете услышать резонансную энергию, которую он производит. (Вы также не можете увидеть эту энергию, потому что ваши глаза не чувствительны к коротковолновым, микроволновым радиация).

Краткая история магнетронов

• 1920-е годы: американский инженер Альберт В. Халл изобретает первый магнетрон, работая в General Electric. [1]
• 1934: Артур Л. Сэмюэл из Bell Telephone Laboratories изобретает резонаторный магнетрон. [2]
• 1936–7: Советские ученые Николай Алексеев и Дмитрий Маляров создают магнетрон с четырехсегментным резонатором. Хотя подробности их работы просачиваются в Германию, в Великобритании это остается неизвестным. и США.[3]
• 1939: два физика, Джон Рэндалл и Гарри Бут, работают в Университет Бирмингема, Англия, самостоятельно разработал гораздо более мощный магнетрон, который достаточно компактен, чтобы поместиться на кораблях, самолетах и подводные лодки. [4]
• 1940-е: американский инженер Перси Спенсер случайно обнаруживает что микроволны, производимые магнетроном, обладают достаточной мощностью, чтобы нагреть и готовить еду. Он патентует микроволновую печь в 1950-х годах.
• 1943: Впервые установлен британский резонаторный магнетрон.[3]
• 1976: Исследователи Массачусетского технологического института Джордж Бекефи и Таддеус Оржеховски разрабатывают релятивистский магнетрон, который примерно в 10–100 раз мощнее магнетрона с резонатором. Они достигают мощности 900 МВт по сравнению с 10 МВт или около того, которые тогда могли производить магнетроны с резонатором. [5]
• 2009: исследователи из Мичиганского университета при финансовой поддержке ВВС США. объявляют о разработке более компактного магнетрона большей мощности, который может улучшить разрешающую способность радиолокационной навигации.

Фото: Внутри вашей микроволновой печи находится магнетрон, обычно сразу за панелью управления и приборной панелью справа. Если открыть дверцу, то иногда можно увидеть магнетрон и его охлаждающие ребра через перфорированную металлическую решетку, отделяющую его от основной рабочей камеры.

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Статьи

Легко читаемый

История и развитие магнетронов

• Андрей Хаф и удивительный СВЧ-усилитель Джека Коупленда и Андре А.Хаэф. IEEE Spectrum, 25 августа 2015 г. Изучение работы забытого персонажа из истории микроволнового излучения.
• [PDF] Изобретение резонаторного магнетрона и его внедрение в Канаде и США Полом А. Рэдхедом. Физика в Канаде, ноябрь / декабрь 2001 г. Это превосходный и краткий отчет о том, как развивались магнетроны во время Второй мировой войны в США, Великобритании и Канаде. [Архивировано через The Wayback Machine.]
• Полость магнетрона во Второй мировой войне: была ли секретность оправдана? Бернарда Ловелла, Notes and Records Лондонского королевского общества, Vol.58, No. 3 (сентябрь 2004 г.), стр. 283–294.
• Личности в науке: Альберт В. Халл, Scientific American, Vol. 168, № 5, май 1943 г., стр. 195. Краткая биография первопроходца магнетрона — и почему его работа так важна в военное время.
• Резонаторный магнетрон: не только британское изобретение Ива Бланшара и др., Журнал IEEE Antennas and Propagation Magazine, октябрь 2013 г.

Дополнительные технические

• Обзор релятивистского магнетрона Дмитрия Андреева, Артема Кускова и Эдла Шамилоглу.Материя и радиация в крайностях 4, 067201 (2019). Включает большой обзор общей истории магнетронов и множество полезных ссылок.
• Исторические заметки о резонаторном магнетроне Х.А.Х. Бут и Дж. Рэндалл. Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, номер 7, июль 1976 г., стр.724. Как два британских пионера разработали первые военные магнетроны.

Патенты

Работа: Иллюстрации оригинального резонаторного магнетрона Артура Самуэля из его Патент США №2063342: Устройство электронного разряда, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.Как и на рисунках выше, анод окрашен в красный цвет, катод — в желтый, а катушка, окружающая стеклянную разрядную трубку, темно-серого цвета.

Если вы хотите прочитать подробные технические описания того, как устроены магнетроны и как они работают, патенты — отличное место для начала. Их не всегда так легко понять, но описания чрезвычайно подробны и, как правило, имеют очень четкие обозначенные диаграммы. Вот несколько, с которых можно начать: вы найдете намного больше, если выполните поиск в USPTO (или в Google Patents), используя ключевое слово «магнетрон»:

• Патент США № 2099533: Магнетрон Дитриха Принца, Telefunken Gesellschaft, 30 июля 1935 г.Ранний немецкий дизайн магнетрона.
• Патент США № 2063342: Устройство электронного разряда, автор Артур Л. Самуэль, Bell Telephone Laboratories, 8 декабря 1936 г. Первый магнетрон с резонатором.
• Патент США №2,408,235: Высокоэффективный магнетрон, автор Перси Л. Спенсер, Raytheon Manufacturing Company, 24 сентября 1946 г. Полный текст патента Перси Спенсера на магнетрон резонатора, проиллюстрированный выше.
• Патент США № 7906912: Магнетрон, автор: Такеши Исии и др. Panasonic Corporation, 15 марта 2011 г.Очень подробное описание типа магнетрона, который вы найдете в современной микроволновой печи.

Список литературы

1. ↑ Личности в науке: Альберт В. Халл.
2. ↑ Патент США №2063342: Устройство электронного разряда, автор Артур Л. Самуэль.
3. ↑ Полостной магнетрон во Второй мировой войне: была ли секретность оправданной? Бернарда Ловелла. Николай Алексеев и Дмитрий Маляров — Пути жизни изобретателей мультирезонаторного магнетрона Н. А. Борисовой, 2011 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2011, с.97–99.
4. ↑ Исторические заметки о резонаторном магнетроне Х.А.Х. Бут и Дж. Рэндалл.
5. ↑ Обзор релятивистского магнетрона Дмитрия Андреева, Артема Кускова и Эдла Шамилоглу.

Магнетрон

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную микроволновым усилителям

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу о микроволновых трубках

Промышленный магнетрон от СВЧ

Новинка февраля 2010 года! Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу новую страницу истории микроволновых печей!

Магнетрон — это трубка, благодаря которой во время Второй мировой войны работал радар на сверхвысоких частотах.Изобретенный Залом Славы СВЧ Альбертом Уоллесом Халлом, член Зала Славы Перси Спенсер позже понял, как произвести дорогостоящий и трудоемкий процесс механической обработки, который британцы использовали для производства маггий С-диапазона в конце 1930-х годов. Марвин Бок отвечал за коммерциализацию Radarrange в конце 1940-х годов.

Прелесть магнетрона во время Второй мировой войны заключалась в том, что он обеспечивал высокую мощность (сотни ватт) на чрезвычайно высокой частоте (диапазон C!), Что позволяло радиолокационным системам использовать параболический отражатель в качестве антенны; этот отражатель был достаточно мал, чтобы его можно было разместить внутри носовой части самолета, за аэродинамическим обтекателем, а не за дипольным массивом, создающим сопротивление, установленным снаружи самолета.Кроме того, высокая частота магнетрона давала оператору радара гораздо более четкое изображение цели, чем то, которое дает дипольная решетка. К концу войны немцам пришлось использовать дипольные решетки на своих самолетах, потому что их радары имели верхний частотный диапазон около 200 МГц.

Магнетрон может быть источником микроволн (осциллятором) или усилителем.

Слово «магнетрон» — это портманто, объединяющее «магнит» и «электрон».

Ты такой же умный, как пятиклассник?

Приведенная ниже информация изначально была написана для пятого класса в Юджине, штат Орегон, который задавал вопрос: «Для чего этот большой магнит внутри микроволновой печи?» Неизвестный редактор был вынужден «придумать» ответ, но, возможно, дал больше, чем они хотели!

Хороший вопрос! Должен признаться, у меня никогда не было причин разбираться в деталях магнетрона, но я попытаюсь дать вам объяснение, которое могло бы помочь.

Вопрос: что общего у магнетрона с покемоном ? Оба они являются примерами словосочетания «портманто», когда два слова объединяются в одно новое слово. Магнетрон = магнит / электрон Покемон = карман / монстр Инженеры все время используют портмоне, хотя большинство из них даже не знают, что означает это слово!

Видл, # 13 Покемон

Во-первых, трудно поверить, что люди давно разобрались во всем этом.В конце 1930-х годов математики, затем ученые, а затем инженеры придумали очень хитроумную мысль при разработке магнетронов. Компания Raytheon участвовала в производстве устройства, его изобрели британцы, но способ его изготовления был трудоемким. Перси Спенсер придумал способ заменить дорогую механическую обработку стопкой штамповок, которая была намного, намного дешевле. Сегодня секретное изобретение, которое помогло выиграть Вторую мировую войну (создание бортовых радаров), производится в Китае для подогрева вашего обеда! Но я отвлекся…

Итак, вакуумная электроника была королем всех электрических устройств, таких как радио и телевизоры, до «эпохи транзисторов», которая началась в 1950-х годах. Лампы, как и транзисторы, могут выполнять множество функций, таких как усилители, переключатели, экраны телевизоров и даже компьютеры (например, ENIAC, который потреблял достаточно электроэнергии, чтобы зажечь Юджин Орегон). В свое время электроника была намного грубее!

Электронная лампа работает при достаточной температуре и очень высоком напряжении (электрическом поле), электроны могут выкипать из одного металла и переходить к другому через вакуум, а не через провод.Причина, по которой телевизоры и радиоприемники должны были нагреваться, заключалась в том, что нагреватели в трубках должны были достаточно нагреться, чтобы вскипятить электроны. Эта потребность в тепле противоположна транзисторам, где тепло считается самым большим врагом надежности.

Электричество и магнетизм очень взаимосвязаны. Легче всего думать о двигателях и генераторах. Хотя не все они используют постоянные магниты, все они используют взаимодействие электронов с магнитным полем.

Забавная вещь в этом взаимодействии … когда электрон движется в одном направлении (скажем, на восток), если он встречает магнитное поле, пересекающее его путь (север-юг), он отклоняется вверх, а не в сторону! Это похоже (но не связано) с гироскопом, когда вы пытаетесь повернуть его в одном направлении, он отбивается под углом 90 градусов к прилагаемой вами силе.

Итак, переходим к магнетрону …

В «Мэгги» проводник в центре нагревается.Затем между центральным проводником и внешним проводником подается огромное постоянное напряжение (эквивалентное нескольким тысячам последовательно соединенных батареек АА!). Напряжения достаточно, чтобы действительно поранить или убить, так что не возитесь с частично разобранной духовкой! Напряжение повышается со 120 вольт, которое электроэнергетическая компания подает в ваши розетки, а затем преобразуется из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Попросите своего учителя объяснить переменный и постоянный ток … в результате много-много электронов текут через вакуум от центра к внешнему проводнику концентрически.На данный момент у нас нет никакого преобразования «домашнего тока» в микроволновый ток, микроволны представляют собой форму переменного тока, но с частотой в 40 000 000 раз превышающей частоту, которую энергетическая компания отправила в ваш дом!

Эта маленькая Мэгги учится в четвертом классе и так и не научилась точить свой гигантский карандаш. Хотя она довольно хорошо плавает!

Гигантский магнит в микроволновой печи, о которой вы упомянули, расположен так, чтобы направлять экстремальное магнитное поле вверх и вниз через магнетрон (север-юг на магнитном жаргоне), в то время как электроны движутся из центра наружу (концентрически) .Эффект заключается в том, что магнит отклоняет электроны в сторону. При тщательном проектировании магнит может вращать электроны вокруг зазора в магнетроне, когда сила магнита равна центробежной силе вращающихся электронов. Итак, у вас есть «газ» электронов, вращающийся, как торнадо, внутри магнетрона! Прекрасная штука, но еще не источник СВЧ энергии.

Схема заимствована из Википедии, путь электрона красным

А теперь представьте, когда вы едете в машине по шоссе, и кто-то открывает одно из задних окон… и все, что вы можете услышать, это тот шум, который сводит вас с ума! Это потому, что автомобиль имеет резонанс , на очень низкой частоте. Флейта также преобразует ветер в звук, но с гораздо более высоким тоном, потому что резонансная полость флейты намного меньше, чем внутренняя часть автомобиля. Оба примера преобразуют одну форму энергии (ветер) в другую (звук). Именно это и происходит в магнетроне! Эти маленькие камеры в структуре резонируют с определенной частотой, когда электронное облако проходит мимо них.Таким образом, одна форма энергии (электричество из розетки, которое в микроволновой печи повышается до очень высокого напряжения) преобразуется в другой (микроволны). Энергия просто снимается, вставляя провод или антенну (показана коричневым) в одну из полостей магнетрона, и энергия проходит по проводу и через волновод ко второй антенне, которая посылает энергию к вашей пище. Волновод — это просто полая металлическая труба, по которой энергия волны может проходить с небольшими потерями, например, когда вы говорите через трубу, а ваш друг слушает на другом конце.Действительно, есть много аналогий между микроволнами и звуковыми волнами, они на самом деле имеют очень похожий размер (длину волны), реальная разница в том, что микроволны распространяются со скоростью 1 000 000 000 футов в секунду, в то время как звук распространяется «всего» на 1000 футов в секунду!

Может быть, я дал вам слишком много, чтобы думать обо всем сразу, давайте просто упростим. Магнит используется для вращения электронов по кругу, а полости предназначены для того, чтобы красть энергию из вращающегося облака и генерировать 2400000000 циклов радиоволн в секунду на уровне мощности, достаточном для приготовления вашего обеда.Обратите внимание, что магнит не подает энергии в систему (энергетическая компания и чековая книжка мамы заслуживают этого), магнит просто направляет электроны и обманом заставляет их преобразовывать их энергию во что-то, что мы можем использовать ( теплая и вкусная закуска, только в обед обязательно «прогони»!)

Магнетроны — AEP

Technology

Принципы магнетронов

Магнетрон — это генератор, который преобразует импульсную мощность постоянного тока в микроволновую энергию с помощью структуры стоячей волны.Импульсный режим позволяет генерировать очень высокую пиковую мощность, требуемую направляющей ускорителя, при ограничении средней требуемой мощности.

Электроны от нагретого цилиндрического катода ускоряются в радиальном направлении за счет импульса высокого напряжения, приложенного между катодом и анодом. Магнитное поле, параллельное оси катода, заставляет электроны двигаться по кривой траектории. При правильном магнитном поле большая часть электронов возвращается на катод, где они высвобождают вторичные электроны, которые повторяют процесс.

Структура анода

Резонаторы анода оканчиваются сегментами с прорезями или вершинами лопастей, которые образуют внутренний диаметр анода. Когда электроны движутся близко к аноду, они индуцируют электрические заряды на концах лопастей. Когда эти переходные заряды резонируют на собственной частоте анода, происходит накопление энергии, запасенной в аноде. Магнетрон предназначен для работы в «π-режиме», в котором разные наконечники несут переходные заряды одинаковой полярности.

Изменения температуры вызывают изменение размеров анодного резонатора, что изменяет частоту колебаний. Изменения частоты из-за колебаний выходной мощности сводятся к минимуму за счет контроля температуры охлаждающей воды. Тюнер частоты магнетрона позволяет корректировать тепловой дрейф с помощью схемы автоматической регулировки частоты (AFC).

Катод и нагреватель

Электроны, циркулирующие между катодом и анодом, в конце концов падают обратно на катод с энергией, пропорциональной выходной мощности магнетрона.

Чтобы избежать перегрева катода, мощность нагревателя нити накала следует уменьшать на более высоких уровнях мощности. Колеблющийся ток нагревателя может вызвать нежелательную вибрацию катода или колебания частоты магнетрона. Поэтому рекомендуется использовать нагреватель постоянного тока, чтобы избежать этой проблемы.

.