Wie das Magnetron funktioniert und funktioniert

Magnetron – ein spezielles elektronisches Gerät, bei dem die Erzeugung ultrahochfrequenter Schwingungen (Mikrowellenschwingungen) durch Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenflusses erfolgt. Magnetrons haben den Anwendungsbereich der Erwärmung mit Hoch- und Ultrahochfrequenzströmen erheblich erweitert.

Weniger verbreitet sind Amplitrone (Platinotrons), Klystrone und Wanderwellenlampen, die auf dem gleichen Prinzip basieren.

Das Magnetron ist der fortschrittlichste Generator für Hochleistungs-Mikrowellenfrequenzen. Es handelt sich um eine gut evakuierte Lampe mit einem Elektronenstrahl, der durch ein elektrisches und magnetisches Feld gesteuert wird. Sie ermöglichen die Erzeugung sehr kurzer Wellen (bis zu Bruchteilen eines Zentimeters) bei erheblicher Leistung.

Magnetrone nutzen die Bewegung von Elektronen in zueinander senkrechten elektrischen und magnetischen Feldern, die im Ringspalt zwischen Kathode und Anode entstehen. Zwischen den Elektroden wird eine anodische Spannung angelegt, die ein radiales elektrisches Feld erzeugt, unter dessen Einfluss die von der beheizten Kathode entfernten Elektronen zur Anode strömen.

Der Anodenblock wird zwischen den Polen eines Elektromagneten platziert, der im Ringspalt ein entlang der Achse des Magnetrons gerichtetes Magnetfeld erzeugt. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes weicht das Elektron von der radialen Richtung ab und bewegt sich auf einer komplexen Spiralbahn. Im Raum zwischen Kathode und Anode entsteht eine rotierende Elektronenwolke mit Zungen, die an die Nabe eines Rades mit Speichen erinnert. Die Elektronen fliegen an den Schlitzen der Anodenhohlraumresonatoren vorbei und regen in ihnen hochfrequente Schwingungen an.

Reis. 1. Magnetron-Anodenblock

Jeder der Hohlraumresonatoren ist ein Schwingsystem mit verteilten Parametern. Das elektrische Feld konzentriert sich in den Schlitzen und das magnetische Feld konzentriert sich im Inneren des Hohlraums.

Die Ausgangsenergie des Magnetrons wird mittels einer Induktionsschleife realisiert, die in einem oder oft zwei benachbarten Resonatoren platziert ist. Das Koaxialkabel versorgt die Last mit Strom.

Reis. 2. Magnetrongerät

Die Erwärmung mit Mikrowellenströmen erfolgt in Hohlleitern mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt oder in Volumenresonatoren, in denen Elektromagnetische Wellen die einfachsten Formen TE10 (H10) (in Wellenleitern) oder TE101 (in Hohlraumresonatoren). Das Erhitzen kann auch durch Aussenden einer elektromagnetischen Welle an das Heizobjekt erfolgen.

Magnetrons werden mit gleichgerichtetem Strom mit einer vereinfachten Gleichrichterschaltung betrieben. Geräte mit sehr geringer Leistung können mit Wechselstrom betrieben werden.

Magnetrons können bei verschiedenen Frequenzen von 0,5 bis 100 GHz betrieben werden, mit Leistungen von einigen W bis zu mehreren zehn kW im kontinuierlichen Modus und von 10 W bis 5 MW im gepulsten Modus mit Impulsdauern, die hauptsächlich von Bruchteilen bis zu mehreren zehn Mikrosekunden reichen.

Reis. 2. Magnetron in einem Mikrowellenherd

Die Einfachheit des Geräts und die relativ geringen Kosten von Magnetrons, kombiniert mit einer hohen Heizintensität und vielfältigen Anwendungen von Mikrowellenströmen, eröffnen große Perspektiven für ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen der Industrie, der Landwirtschaft (z. B. in dielektrische Heizanlagen) und zu Hause (Mikrowelle).

Magnetronbetrieb

Es ist also das Magnetron elektrische Lampe ein spezielles Design zur Erzeugung ultrahochfrequenter Schwingungen (im Bereich von Dezimeter- und Zentimeterwellen). Sein Merkmal ist die Verwendung eines permanenten Magnetfelds (um die notwendigen Pfade für die Bewegung von Elektronen innerhalb der Lampe zu schaffen), von dem das Magnetron seinen Namen verdankt.

Das Mehrkammer-Magnetron, dessen Idee erstmals von M. A. Bonch-Bruevich vorgeschlagen und von den sowjetischen Ingenieuren D. E. Malyarov und N. F. Alekseev realisiert wurde, ist eine Kombination einer Elektronenröhre mit Volumenresonatoren. In einem Magnetron gibt es mehrere dieser Hohlraumresonatoren, weshalb dieser Typ auch als Mehrkammer- oder Multi-Cavity-Resonatoren bezeichnet wird.

Das Aufbau- und Funktionsprinzip eines Mehrkammer-Magnetrons ist wie folgt. Die Anode des Geräts ist ein massiver Hohlzylinder, in dessen Innenfläche eine Reihe von Hohlräumen mit Löchern eingebracht sind (diese Hohlräume sind Volumenresonatoren), die Kathode befindet sich entlang der Zylinderachse.

Das Magnetron befindet sich in einem permanenten Magnetfeld, das entlang der Zylinderachse ausgerichtet ist. Elektronen, die auf der Seite dieses Magnetfelds aus der Kathode austreten, werden davon beeinflusst Lorentzkraft, was den Weg der Elektronen krümmt.

Das Magnetfeld wird so gewählt, dass sich die meisten Elektronen auf gekrümmten Bahnen bewegen, die die Anode nicht berühren. Wenn die Gerätekameras (Hohlraumresonatoren) erscheinen elektrische Schwingungen (Geringe Volumenschwankungen treten aus verschiedenen Gründen immer auf, zum Beispiel durch das Einschalten der Anodenspannung), dann existiert ein elektrisches Wechselfeld nicht nur innerhalb der Kammern, sondern auch außerhalb, in der Nähe der Löcher (Schlitze).

In der Nähe der Anode fliegende Elektronen fallen in diese Felder und werden dort je nach Feldrichtung entweder beschleunigt oder abgebremst. Wenn Elektronen durch ein Feld beschleunigt werden, entziehen sie den Resonatoren Energie, werden sie hingegen abgebremst, geben sie einen Teil ihrer Energie an die Resonatoren ab.

Wenn die Anzahl der beschleunigten und abgebremsten Elektronen gleich wäre, würden sie im Durchschnitt keine Energie an die Resonatoren abgeben. Allerdings haben die abgebremsten Elektronen dann eine geringere Geschwindigkeit als auf dem Weg zur Anode. Daher verfügen sie nicht mehr über genügend Energie, um zur Kathode zurückzukehren.

Im Gegenteil: Die durch das Resonatorfeld beschleunigten Elektronen besitzen dann eine Energie, die größer ist als die, die für die Rückkehr zur Kathode erforderlich ist. Daher kehren Elektronen, die in das Feld des ersten Resonators eintreten und dort beschleunigt werden, zur Kathode zurück, und diejenigen, die darin verlangsamt werden, kehren nicht zur Kathode zurück, sondern bewegen sich auf gekrümmten Bahnen in der Nähe der Anode und fallen in den Bereich der folgenden Resonatoren.

Bei einer geeigneten Bewegungsgeschwindigkeit (die irgendwie mit der Schwingungsfrequenz in den Resonatoren zusammenhängt) fallen diese Elektronen daher in das Feld des zweiten Resonators mit der gleichen Schwingungsphase wie im Feld des ersten Resonators Im Bereich des zweiten Resonators werden sie ebenfalls langsamer.

Bei geeigneter Wahl der Elektronengeschwindigkeit, d.h.Anodenspannung (sowie das Magnetfeld, das die Geschwindigkeit des Elektrons, aber seine Richtung nicht ändert), kann erreicht werden, dass ein einzelnes Elektron entweder durch das Feld nur eines Resonators beschleunigt wird, oder durch das Feld mehrerer Resonatoren abgebremst.

Daher geben die Elektronen im Durchschnitt mehr Energie an die Resonatoren ab, als sie ihnen entziehen, das heißt, die in den Resonatoren auftretenden Schwingungen nehmen zu und schließlich stellen sich in ihnen Schwingungen mit konstanter Amplitude ein.

Der von uns vereinfacht betrachtete Prozess der Aufrechterhaltung von Schwingungen in Resonatoren geht mit einem weiteren wichtigen Phänomen einher, da Elektronen, um durch das Feld des Resonators abgebremst zu werden, in einer bestimmten Schwingungsphase in dieses Feld fliegen müssen des Resonators liegt offensichtlich darin, dass sie sich in einem ungleichförmigen Fluss bewegen müssen (d. h. dann würden sie jederzeit in das Resonatorfeld eintreten, nicht zu bestimmten Zeiten, sondern in Form einzelner Bündel.

Dazu muss der gesamte Elektronenstrom wie ein Stern sein, in dem sich die Elektronen in getrennten Strahlen im Inneren bewegen, und der gesamte Stern als Ganzes dreht sich mit einer solchen Geschwindigkeit um die Achse des Magnetrons, dass seine Strahlen in jede Kammer gelangen die richtigen Momente. Der Prozess der Bildung einzelner Strahlen im Elektronenstrahl wird als Phasenfokussierung bezeichnet und erfolgt automatisch unter der Wirkung des variablen Feldes der Resonatoren.

Moderne Magnetrone sind in der Lage, Schwingungen bis zu höchsten Frequenzen im Zentimeterbereich (Wellen bis zu 1 cm und noch kürzer) zu erzeugen und bei kontinuierlicher Strahlung eine Leistung von mehreren hundert Watt und bei gepulster Strahlung mehrere hundert Kilowatt zu liefern.

Siehe auch:Beispiele für den Einsatz von Permanentmagneten in der Elektrotechnik und Energie