Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Принцип действия магнетрона

     Весь
анодный блок устанавливается в сильное
магнитное поле, которое создаётся
постоянными магнитами. Между катодом
и анодом устанавливается высокое
электрическое напряжение, при этом
положительный полюс прикладывается к
аноду. Электроны, которые вылетают из
катода под действием электрического
поля, двигаются в радиальном направлении
к аноду, однако под влиянием магнитного
поля меняют траекторию движения.

     При
определённых величинах магнитного и
электрического полей удаётся добиться
такого состояния, когда электроны,
описывая окружность, в итоге пройдя
рядом с анодом, вновь возвращаются на
катод, а на анод попадает только
незначительная часть вылетевших
электронов. Большая часть их возвращается
обратно в область катода.

     При
некоторых условиях динамического
равновесия, возвращающиеся в область
катода электроны заменяются вылетевшими
вновь. Поскольку электроны постоянно
перемещаются от катода к аноду, возле
последнего рядом со щелями объёмных
резонаторов устанавливается постоянно
вращающийся заряд кольцеобразной формы.
По мере движения по окружности центральной
полости анодного блока электроны
возбуждают в каждом резонаторе
незатухающие высокочастотные колебания.

     Выводятся
эти колебания посредством витка проводов,
расположенного в полости одного из
резонаторов, которые затем передаются
в коаксиальную линию или волновод.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра
ЭП

Учебно-исследовательская
работа

НА
ТЕМУ

Магнетроны
и гиротроны

Выполнила:

ст.
гр. 620

Чунихина
А.Д.

Рязань
2010

План

1.
Основные виды

1.1
Магнетроны

1.2
Гиротроны

2.
Основные характеристики

2.1
Магнетроны

2.2
Гиротроны

3.
Принцип работы

3.1
Магнетроны

3.2
Гиротроны

1.
Основные виды

1.1
Магнетроны

Магнетро́н
(от греч. μαγνήτης — магнит и электрон)
— электровакуумный прибор для генерации
радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ,
микроволн), в котором взаимодействие
электронов с электрической составляющей
поля СВЧ происходит в пространстве, где
постоянное магнитное поле перпендикулярно
постоянному электрическому полю.
Наиболее известным применением
магнетронов являются радары и бытовые
микроволновые печи.

Различные
типы магнетронов: в области напряжений
0,4…1,0 МВ и токов от 2 до 30 кА при длительности
импульса от 50 до 1000 нс.

А)
Магнетроны с многорезонаторными анодными
блоками, состоящие из одинаковых
резонаторов, разных резонаторов
лопаточного типа и типа щель-отверстие.
В 10см диапазоне длин волн эти магнетроны
имеют КПД 20…30 % при гигаваттном уровне
мощности в импульсах длительностью
30…100 нс и полосе генерируемых частот
2%. Вывод СВЧ излучения производится в
бок через щель связи в одном из резонаторов.

Б)
Обращенный и коаксиальный обращенный
магнетроны – дают СВЧ импульсы
длительностью 500…700 нс с энергией до
250 Дж.

КОАКСИАЛЬНЫЙ
МАГНЕТРОН, содержащий стабилизирующий
резонатор с отверстиями в наружной
стенке и ферритовые стержни с катушками
подмагничивания, отличающийся тем, что,
с целью расширения диапазона перестройки
частоты, повышения устойчивости работы
магнетрона путем подавления паразитных
Hmnp Emnp видов колебаний, ферритовые стержни
выполнены выступающими внутрь объема
стабилизирующего резонатора и проходящими
сквозь отверстия в его наружной стенке,
при этом число К отверстий в стенке
стабилизирующего резонатора и ферритовых
стержней не кратно числу азимутальных
индексов m паразитных видов колебаний
и выбрано из ряда простых чисел: К 5,7,11.

Работа — магнетрон

Они имеют существенно различное значение в механизме работы магнетрона.
 

В следующих параграфах, изучив динамический режим работы магнетрона, мы еще более сузим область значений У0 и В0, при которых возможно самовозбуждение магнетрона.
 

Температурные условия работы катода влияют на долговечность работы магнетрона и зависят от напряжения и тока накала, электронного коэффициента полезного действия магнетрона, длительности и частоты следования импульсов. При работе магнетрона с длительностью импульсов, меньше номинальной, температура катода понижается, а с уменьшением или увеличением частоты следования импульсов соответственно уменьшается или увеличивается рабочая температура катода. Чтобы рабочая температура катода оставалась постоянной, в схему вводят устройство регулировки тока накала. При работе магнетронов с длительностью высокочастотных импульсов, превышающей максимально допустимую, происходят местные перегревы поверхности катода ( активного слоя), искрение, общее отравление катода и, в конечном счете, резкое снижение срока службы магнетрона и надежности передатчика в целом.
 

Принцип действия этого прибора практически тождествен принципу работы магнетрона.
 

При малых анодных токах полезная мощность снижается и работа магнетрона делается неустойчивой: появляется возбуждение нежелательных колебаний.
 

Рабочие характеристики необходимы как для выбора требуемых условий работы магнетрона, так и для проверки нормальной работы магнетрона, при регулировке и испытаниях магнетронного генератора.
 

Разработчик оборудования обычно располагает двумя диаграммами, характеризующими работу магнетронов непрерывного генерирования. Из этих диаграмм он может получить все необходимые величины, действующие на входе и выходе магнетрона при изменении рабочих параметров. Рабочий режим магнетрона определяют в основном четыре следующих параметра: магнитная индукция В, средняя величина анодного тока / ао и активная и реактивная составляющие комплексной проводимости нагрузки Ун на выходе магнетрона.
 

Для выяснения возможного влияния частотного дублета не л-вида на стабильность работы магнетронов необходимо было экспериментальное определение характера фазовой ориентации высокочастотного поля непосредственно в генерирующем магнетроне. Также требовалось выяснить степень устойчивости фазы возникающих колебаний относительно места вывода энергии при изменении рабочих режимов.
 

Представителями приборов М — типа, сочетающих в известной степени принципы работы магнетрона и ЛОВМ, являются амплитрон и карматрон, Б отличие от ЛОВМ они имеют такой же накаленный цилиндрический катод, как и магнетрон.
 

При этом частоты различных видов колебаний сближаются в такой мере, что работа магнетрона становится неустойчивой.
 

Система магнетронного напыления тонких проводящих плёнок МАГ-2000

Система магнетронного напыления тонких проводящих плёнок «МАГ-2000» состоит из специального низкоэнергетического магнетрона номинальной мощностью 30 Вт и из электронного блока управления магнетроном (рис.2.). Для работы магнетрон должен быть вставлен в любой вакуумный пост, например, типа ВУП-4 или ВУП-5, имеющий возможность откачки камеры до вакуума 10 мкТорр с последующим подпуском аргона до давления 1 мТорр, при котором «зажигается» магнетрон. Магнетрон не нуждается в водяном охлаждении ввиду его низкой энергетичности, что выгодно отличает его от всех других магнетронов удобством, т.к. ввод водяной прокачки внутрь вакуумной камеры обычно представляет собой дополнительные трудности. Образец, на который производится напыление, в общем случае не нуждается в подогреве, однако для получения наиболее тонких сплошных плёнок на уровне 10-20 Ангстрем образец желательно по возможности до напыления прогревать в вакууме при температурах 60 — 100 ?С несколько минут.

Рис.2. Система магнетронного напыления тонких проводящих плёнок «МАГ-2000»: магнетрон с электронным блоком управления.

Магнетрон разрабатывался совместными усилиями специалистов МИЭТ (Логинов Б.А.), ФТИАН (Кальнов В.А.) и НИИВТ (Фролов В.И.) за период с 1995 по 2000 год. ФТИАН привнёс свой имеющийся значительный опыт по технологиям магнетронного напыления для создания многослойных отражающих рентгеновских покрытий, состоящих их чередующихся слоёв разных материалов, например, вольфрама W и алюминия Al, с малой толщиной слоёв, например, 20 Ангстрем, с неравномерностью толщины слоёв не более 5 Ангстрем, и с числом бездефектных слоёв до 100. Во ФТИАН-е на магнетронных установках для создания рентгеновских зеркал проводились первые эксперименты по отработке методики магнетронного напыления для использования её в зондовых микроскопах. В НИИВТ был разработан и испытан первый опытный магнетрон, специально предназначенный для использования в зондовой микроскопии. В МИЭТ-е была сформулирована задача по созданию специального магнетрона, найдены партнёры (ФТИАН и НИИВТ), проведены эксперименты с использованием разных распыляемых материалов и с напылением на самые разнообразные образцы, разработан электронный блок управления магнетроном, на основе опытного образца разработан серийный образец магнетрона, а в дальнейшем налажен серийный выпуск магнетронов и электронных блоков управления на заводе «Протон-МИЭТ».

Схема конструкции магнетрона

Резонасный магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны

Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающиеся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Неисправности магнетронов

Неисправности магнетронов условно можно разбить на две группы:
подлежащие восстановлению и прочие.

Вначале кратко остановимся на безнадежных случаях. К ним можно
отнести: обрыв ипи перегорание накала, нарушение вакуума, полное
отсутствие генерации при наличии необходимых напряжений и исправном
накале, короткое замыкание между анодом и катодом.

Теперь более
подробно остановимся на случаях, когда положение можно спасти.
Наиболее часто встречающаяся ситуация из этого перечня — это пробой
проходных конденсаторов.

 Наличие такого пробоя легко
обнаружить тестером, проверив сопротивление между выводами
магнетрона и корпусом, при отключенной внешней цепи. Если оно
отлично от бесконечности, нужно снять крышку с коробки фильтра и
откусить провода, соединяющие конденсаторы с катушками фильтра.
После этого повторить измерения. Если после этой операции показания
прибора не изменятся, значит, конденсатор пробит. В этом случае вам
повезло и вы отделаетесь малой кровью. Если же
отключенные конденсаторы окажутся в порядке, то, прежде чем менять
магнетрон, визуально убедитесь, что замыкание происходит внутри магнетрона, а не на его
поверхности.

Излучение сквозь выводы питания для разных магнетронов, даже одного
типа, различно. Если излучение невелико, допустимо включать магнетрон напрямую, без
проходных конденсаторов. Однако с уверенностью сказать о возможности
работы без проходных конденсаторов можно только при наличии приборов, измеряющих уровень СВЧ-излучения. Поэтому
пробитые конденсаторы
желательно заменить.

Причиной пробоев конденсатора служат кратковременные броски
напряжения в моменты включения и выключения источника питания,
которые могут превышать рабочее напряжение конденсатора.

Несколько слов о происхождении таких выбросов: магнитное попе в
сердечнике трансформатора, а соответственно и ток во вторичной обмотке определяются
не величиной тока в первичной обмотке, а скоростью его изменения.
При переменном токе эти понятия связаны, поскольку чем больше ток, тем с большей скоростью он меняется в
течение периода. Однако постоянный ток, проходящий по первичной обмотке, какой бы большой он ни
был, не вызовет никакой реакции во вторичной обмотке. И, наоборот,
увеличение частоты входного напряжения, т.е. увеличение скорости изменения тока в первичной обмотке приводит к росту
магнитного потока через вторичную обмотку, со всеми вытекающими последствиями.

Этот факт используется в импульсных блоках питания, в
которых увеличение частоты позволяет при той же выходной мощности значительно
снизить размеры силового трансформатора. При включении и выключении трансформатора
происходит резкое изменение тока через первичную обмотку и, следовательно,
столь же резкое, кратковременное возрастание тока во вторичной обмотке.
В соответствии с законом Ома: U=I*R, напряжение на нагрузке
также изменится скачком, пропорционально току и сопротивлению нагрузки.
Если включение трансформатора происходит в отрицательный полупериод, когда
диод заперт, а ток анода еще не появился, сопротивление нагрузки близко
к бесконечности, поэтому скачок напряжения на выходе трансформатора может
быть очень существенным.

Иногда, вследствие долгой работы или из-за включения магнетрона на
пустую камеру, заметно снижается эмиссия катода. В результате мощность микроволновой
печи уменьшается в два и
более раз. Восстановить былую мощность можно, добавив напряжение на
накал. Для этого обычно
достаточно добавить полвитка на накальной обмотке трансформатора. К
сожалению, не каждый
трансформатор позволяет проделать такую манипуляцию.

В некоторых марках микроволновых печей возможно возникновение
СВЧ-разряда между антенной магнетрона и корпусом. Это происходит там, где практически
отсутствует волновод между
магнетроном и камерой и антенна расположена в непосредственной
близости от диэлектрического окна. Разряд происходит после пробоя этого окна, как показано на
рис. 3.

Рис. 3. Возникновение СВЧ-разряда между антенной магнетрона и
стенками камеры

Если вовремя не заменить пробитое диэлектрическое окно, колпачок
антенны может прогореть насквозь, и тогда разряд будет продолжаться
автономно и не исчезнет, даже если вы устраните первопричину. Исправить положение можно, заменив колпачок. Его
можно изготовить на
токарном станке или снять со сгоревшего магнетрона аналогичной
конструкции. Размеры нового колпачка должны строго соответствовать
старым, а его посадка на магнетрон должна быть плотной.

Принцип работы

Схема работы магнетрона

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения увеличивается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона уменьшается, центр окружности вращения смещается ближе к аноду, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

• История
• Характеристики
• Конструкция
• Принцип работы
• Применение
• Примечания
• Ссылки
• Литература

Таблица 1

Скорость приготовления пищи в микроволновой печи напрямую
зависит от мощности, которую способен генерировать магнетрон. В
настоящее время большинство печей имеют магнетроны с номинальной
мощностью 700 — 850 Вт, что позволяет, например, довести
двухсотграммовый стакан воды до кипения в течение 2 — 3 минут. Таким
образом, можно простыми средствами оценить мощность микроволновой
печи.

Для более точных измерений можно воспользоваться формулой:

,
где

С_р — удельная теплоемкость нагреваемого
продукта (для воды Ср=4180 джоуль/градус),

m — масса
продукта (кг),

ΔТ — разность температур,

t — время нагрева (с).

При стандартных измерениях объем
воды должен составлять 1000±5 мл, время нагрева 60±1 с, а начальная
температура не должна превышать 20°С. В этом случае исходная формула
принимает более простой вид:

Воду желательно налить в тонкостенный сосуд из боросиликатного
стекла. Перед измерением температуры воды после нагрева воду в
сосуде необходимо тщательно перемешать.

Рассмотрим пример:
предположим, мы поместили литровую банку воды, с начальной
температурой 10°С, в микроволновую печь и включили нагрев на одну
минуту. После отключения печи температура воды оказалась 22°С.
Отсюда мощность, поглощенная нагрузкой, составит:

Применение

В
радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая “тарелка”). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты А1.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки)

Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение

Искрение, продолжающееся достаточно долго, может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи, лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.

к оглавлению

Знаете ли Вы, почему «черные дыры» — фикция?Согласно релятивистской мифологии, «чёрная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда».На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне — пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.Отсюда родились сказки о «радиусе Шварцшильда», «черных дырах Хокинга» и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:»Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми.» Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон — это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.