Magnetron
Um magnetron é um tubo de tempo de trânsito a vácuo para gerar ondas eletromagnéticas na faixa de microondas (aproximadamente 0,3 a 95 GHz ) com uma eficiência de até 80%.
Magnetrons são geradores muito eficientes e baratos para alta frequência . A potência e a frequência são amplamente determinadas pela estrutura mecânica e geralmente não podem ser alteradas.
É feita uma distinção entre magnetrons de operação contínua ( onda contínua ) e magnetrons de pulso. Alguns kW podem ser alcançados em operação de onda contínua e mais de 10 MW em operação pulsada. Os magnetrons estão entre os tubos de elétrons .
Acima: Saída HF
Direita: Conexões para aquecimento / tensão operacional.
construção
O magnetron consiste em um cátodo cilíndrico quente (óxido ou cátodo de armazenamento) no centro do tubo de vácuo. O fio de aquecimento enrolado freqüentemente forma um cátodo diretamente aquecido. Ele é envolvido por um bloco anódico sólido e cilíndrico feito de cobre. No bloco anódico existem, por exemplo, fendas radiais que correm paralelas ao fio de aquecimento (os chamados magnetrões de fenda). A profundidade das ranhuras corresponde a cerca de um quarto do comprimento de onda; ele determina a frequência. Dependendo da interpretação, existem ressonadores de cavidade , círculos de condução ou guias de onda que estão abertos para dentro para o chamado espaço de interação e em curto-circuito no exterior.
Na foto à direita, há barras que formam um ânodo segmentado para dentro em direção ao cátodo e são conectadas a um cilindro de cobre na parte posterior (ressonador de segmento, tipo circular). A construção pode ser entendida como um círculo de círculos de panela . Os segmentos são alternadamente acoplados uns aos outros pelos dois anéis. Isso garante que eles oscilem fora de fase um com o outro - a oscilação de outros modos (e, portanto, uma frequência indesejada) é evitada.
Aletas de resfriamento na parte externa do bloco anódico permitem o resfriamento por convecção livre , um ventilador ou resfriamento a água.
Outras modalidades de ânodos de magnetron são ressonadores de orifício e ressonadores de multifrequência ( tipo de sol nascente ).
O magnetron precisa de um campo magnético axial, que geralmente é gerado com ímãs permanentes .
Um dos ressonadores de cavidade é conectado a um laço de acoplamento ou por meio de uma fenda a um guia de ondas e é usado para extrair energia.
Magnetrão de um forno de micro-ondas lateral: preto do lado das aletas de refrigeração: os ímanes.
Magnetrão de um forno de microondas em secção longitudinal (ímanes e aletas de refrigeração removidos).
Magnetron de um forno de microondas desmontado, saída lateral direita
Magnetron de pulso MI-189W (7,5 kg, aprox. 8 GHz, 60 kW / 0,5 µs, União Soviética aproximadamente. Por volta de 1970)
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Modo de ação
Órbitas de elétrons
No espaço de interação entre cátodo e ânodo, os campos elétricos e magnéticos atuam simultaneamente. As linhas do campo magnético correm paralelas ao eixo do cátodo e penetram no espaço de interação. Se houver tensão entre o ânodo e o cátodo, os elétrons liberados por um cátodo quente são acelerados em direção ao ânodo devido ao campo elétrico . No entanto, o campo elétrico forma um ângulo reto com o campo magnético , de modo que os elétrons são desviados em espiral de seu caminho radial devido à força de Lorentz . Como resultado, eles se movem ao redor do cátodo no espaço de interação. Somente quando a voltagem do ânodo é bastante alta é que a corrente flui - o campo elétrico expande a curvatura do caminho de modo que os caminhos dos elétrons toquem o ânodo (caminho verde na figura).
Forma ressonante do ânodo
As fendas ou câmaras do ânodo formam uma linha de retardo fechada em forma de anel feita de ressonadores de cavidade : As oscilações eletromagnéticas em um ressonador de cavidade se propagam através do espaço de interação e as fendas para os outros ressonadores de cavidade. Um circuito ressonante eletromagnético multipolar fechado em forma de anel é criado. Tensões alternadas ocorrem nele entre as extremidades dos segmentos do ânodo e correntes alternadas também ocorrem nas superfícies internas das paredes da fenda. O campo de alta frequência neste ressonador de anel interage com os elétrons. Os campos resultantes influenciam o caminho e a velocidade dos elétrons. O resultado é que os elétrons são desacelerados ou acelerados e, como resultado, áreas de maior e menor densidade de elétrons são formadas durante sua rotação. Essas nuvens de elétrons, por sua vez, amplificam as oscilações de alta frequência do ressonador em anel - ocorre a autoexcitação. Se a energia cinética de um elétron se tornar muito pequena, ele entra no bloco anódico. Um excesso de elétrons livres é constantemente fornecido pelo cátodo.
Conexão elétrica
Para liberar elétrons através da emissão de brilho , os magnetrons têm um cátodo de brilho eletricamente aquecido . Isso geralmente é aquecido diretamente ou uma conexão de aquecimento é conectada ao cátodo. Visto que o bloco anódico, ímã, flange de guia de ondas ou pino da antena têm potencial de terra, a alimentação de tensão de aquecimento do magnetron (vários quilovolts) deve ser isolada do solo. A tensão de operação, que é negativa em comparação com o ânodo e, portanto , com o aterramento, é aplicada ao cátodo .
A ilustração ao lado mostra o circuito típico de um magnetron em um forno de micro-ondas: O enrolamento de alta tensão de 2.000 V é aterrado em um lado e carrega o capacitor para cerca de 2.800 V por meio do diodo semicondutor quando sua extremidade do lado da terra forma o pólo negativo, enquanto no próprio magnetron apenas a tensão de fluxo do diodo se encontra. Se, por outro lado, a tensão no enrolamento de alta tensão for revertida no próximo meio-ciclo, a tensão do enrolamento de alta tensão e a do capacitor conectado em série e carregado somam-se à tensão anódica de cerca de 5600 V. A corrente flui brevemente através do magnetron. A combinação de capacitor e diodo é um duplicador de tensão . O magnetron só funciona durante uma meia onda no ritmo da frequência da rede.
Na foto do magnetron de pulso MI-189 (МИ-189А a МИ-189Д), é o corpo de plástico marrom-avermelhado que isola a tensão de aquecimento e as conexões catódicas do corpo metálico do magnetron ou do ânodo. O МИ-189 tem uma tensão anódica de cerca de 13 kV, portanto, a manga é correspondentemente longa.
Assim que o magnetron é colocado em operação, uma pequena parte dos elétrons volta para o cátodo e a energia térmica é liberada. Portanto, especialmente no caso de magnetrons de operação contínua, a tensão de aquecimento para o cátodo deve ser reduzida durante a operação para evitar o excesso de temperatura. Um valor máximo da relação da onda estacionária (VSWR) também é especificado nos dados técnicos dos magnetrons . Uma incompatibilidade também leva à sobrecarga.
Formulários
As principais áreas de aplicação para magnetrons de onda contínua são aquecimento e secagem industrial ( aquecimento HF ), geração de plasma e fornos de micro-ondas .
Em lâmpadas de enxofre e em algumas fontes de íons , um magnetron é usado para gerar plasma.
Magnetrons de impulso ainda são freqüentemente usados em dispositivos de radar de impulso para gerar os impulsos de transmissão.
Para pulverização catódica (inglês para pulverização), entre outras técnicas, também são usados magnetrons.
Magnetrons de impulso de potência muito alta são usados em armas EMP : aqui, a energia de RF direcionada é usada para tentar destruir os componentes eletrônicos do inimigo.
história
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Antes de 1912, o físico Heinrich Greinacher desenvolveu um tubo para medir a razão entre a carga do elétron e sua massa e definir as equações matemáticas básicas. No entanto, o tubo não funcionou devido ao vácuo insuficiente no interior e à emissão insuficiente de elétrons.
O físico Albert W. Hull, dos Estados Unidos, usou a publicação de Greinacher, expandiu a teoria das trajetórias dos elétrons em um campo magnético e desenvolveu um tubo amplificador magneticamente controlado, que chamou de magnetron. Hull desenvolveu o primeiro magnetron na General Electric (GEC) em 1921, que consistia em várias paredes de ânodo cilíndricas coaxiais ( magnetron de ânodo dividido ) e um cátodo. O arranjo é penetrado por um campo magnético longitudinal de uma bobina externa. A corrente da bobina controla o fluxo de elétrons através do campo magnético. O objetivo era construir relés ou amplificadores controlados magneticamente. Eles devem competir com os eletrodos de controle feitos pela Western Electric Co. Foi descoberto que esses magnetrons também geravam altas frequências.
Um desenvolvimento independente ocorreu em 1921 por Erich Habann em Jena e August Žáček em Praga . Habann desenvolveu um magnetron com um cilindro de ânodo dividido que gerava frequências de 100 MHz. A principal diferença para o magnetron Hull era que Habann (como nos magnetrons de hoje) usava um campo magnético constante . Habann foi capaz de calcular antecipadamente com precisão as condições para cancelar o amortecimento (criando uma resistência interna diferencial negativa). Žáček foi capaz de atingir frequências de 1 GHz com um grande ânodo cilíndrico. Kinjirō Okabe (1896–1984) na Universidade Tōhoku em Sendai ( Japão ) alcançou o avanço para magnetrons na faixa de onda centimétrica em 1929 com frequências de 5,35 GHz através de ranhuras no ânodo .
Em 27 de novembro de 1935, Hans Erich Hollmann registrou sua patente para o magnetron multicâmara, concedida em 12 de julho de 1938.
Na primavera de 1939, S. Nakajima et al. na JCR Japão, o primeiro magnetron de cavidade do mundo com um ressonador de cavidade. O magnetron chamado M-3 era refrigerado a água e tinha uma potência de 500 watts em um comprimento de onda de 10 cm.
Em 1940, um ano depois dos japoneses, os físicos britânicos John Turton Randall e Henry Albert Howard Boot desenvolveram uma versão aprimorada do magnetron multicâmara de Hollmann usando um sistema de refrigeração líquida e aumentando o número de câmaras de ressonância de quatro para seis. Isso permitiu que multiplicassem a potência de saída cem vezes. Dois anos depois, isso permitiu o desenvolvimento de transmissores magnetron muito poderosos para dispositivos de radar com comprimentos de onda muito curtos e, portanto, alta resolução .
literatura
- Heinrich Greinacher : Sobre um arranjo para determinar e / m. In: Negotiations of the German Physical Society. Vol. 14, 1912, ISSN 0420-0195 , páginas 856-864.
- Albert W. Hull : A medição de campos magnéticos de força média por meio de um magnetron. In: Physical Review . Vol. 22, No. 3, 1923, ISSN 0031-899X , pp. 279-292, doi : 10.1103 / PhysRev.22.279 .
- Erich Habann : Um novo tubo gerador. In: Jornal para tecnologia de alta frequência. Anuário de Telegrafia e Telefonia Sem Fio. Vol 24, 1924,. ZDB -ID 1011026-4 , pp 115-120, 135-141,. (Também: Jena, Universität, Dissertação, 1924).
- Agosto Žáček : Nová metoda k vytvoření netlumených oscilací (Předběžná zpráva). In: Časopis pro pěstování matematiky a fysiky. Vol. 53, No. 4, 1924, ZDB -ID 201513-4 , pp. 378-380.
- Hans E. Hollmann : Física e tecnologia das ondas ultracurtas. Volume 1: Geração de vibrações de ondas ultracurtas. Springer, Berlin 1936, Capítulo 4.
Links da web
- Operação de um magnetron (Inglês)
- Como funciona um magnetron (alemão, inglês, francês, turco)
Evidência individual
- ^ O manual da engenharia, segunda edição . In: Manual de Engenharia Elétrica . 29 de junho de 2004, ISSN 1097-9409 , p. 1046 , doi : 10.1201 / 9781420039870 .
- ↑ Patente US2123728 : Magnetron. Registrado em 27 de novembro de 1935 , requerente: Telefunken GmbH, inventor: Hans Erich Hollmann.
- ^ S. Nakajima: The History of Japanese Radar Development to 1945 . In: IEE - Londres, Peter Pelegrinus Ltd., Londres (ed.): Proc. do IEE 85 Seminário sobre a História do Radar IEE 85 . Peter Pelegrinus Ltd., London 1988, p. Capítulo 18, pp. 243-258 .