Магнетроны. Устройство и работа. Виды и применение. Как выбрать

Магнетроны называются электронные приборы, в которых образуются колебания сверхвысокой частоты при помощи модуляции потока электронов. Магнитные и электрические поля в нем действуют с большой силой. Наиболее распространенная модификация магнетрона – это многорезонаторный.

Впервые магнетрон был создан в Америке в 1921 году. С течением времени эксперименты с ним продолжались. В результате появилось множество видов магнетронов, использующихся в радиоэлектронике. В 1960 году приборы стали использоваться в печах сверхвысокой частоты для домашнего применения. Менее распространены клистроны, платинотроны, которые основаны на этом же принципе действия.

Устройство и принцип работы

 

1 — Анод
2 — Катод
3 — Накал
4 — Резонансная полость
5 — Антенна

Магнетроны резонансного типа состоят из:

• Анодный блок. Представляет собой толстостенный металлический цилиндр с полостями в стенках. Эти полости являются объемными резонаторами, которые создают колебательную кольцевую систему.
• Катод. Он имеет цилиндрическую форму. Внутри него размещен подогреватель.
• Внешние электромагниты или постоянные магниты. Они создают магнитное поле, которое параллельно оси прибора.
• Проволочная петля. Она применяется для вывода сверхвысоких частот, и закреплена в резонаторе.

Резонаторы создают кольцевую систему колебаний. Возле них пучки электронов воздействуют на электромагнитные волны. Так как эта система выполнена замкнутой, то она способна возбудиться только на определенных частотах колебаний. При нахождении рядом с рабочей частотой других частот, случается перескакивание частоты и нарушается стабильность работы устройства.

Чтобы исключить такие отрицательные эффекты магнетроны с одинаковыми резонаторами оснащаются разными связками, либо используются магнетроны с отличающимися размерами резонаторов.

Магнетроны разделяют по виду резонаторов:

• Лопаточные.
• Щель-отверстие.
• Щелевые.

В магнетронах применяется движение электронов в перпендикулярных магнитных и электрических полях, созданных в зазоре кольца между анодом и катодом. Между ними подается напряжение (анодное), которое образует радиальное электрическое поле. Под воздействием этого поля электроны вырываются из нагретого катода и устремляются к аноду.

Анодный блок находится между полюсов магнита, образующего магнитное поле, которое направлено вдоль оси магнетрона. Магнитное поле действует на электрон и отклоняет его на спиральную траекторию. В промежутке между анодом и катодом создается вращательное облако, похожее на колесо со спицами. Электроны возбуждают в объемных резонаторах колебания высокой частоты.

Отдельно каждый резонатор является колебательной системой. Магнитное поле концентрируется внутри полости, а электрическое поле сосредоточено у щелей. Энергия выводится из магнетрона с помощью индуктивной петли. Она размещена в соседних резонаторах. Электроэнергия подключается к нагрузке коаксиальным кабелем.

Нагревание токами высокой частоты производится в волноводах различного сечения, либо в объемных резонаторах. Также нагревание может производиться электромагнитными волнами.

Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.

Устройство магнетрона довольно простое. Его стоимость невысока. Поэтому такие качества в сочетании с повышенной эффективностью нагревания и разнообразным использованием высокочастотных токов открывают большие возможности использования в разных сферах жизни.

Основные виды магнетронов

• Многорезонаторные устройства. Они содержат анодные блоки с несколькими резонаторами. Блоки состоят из различного вида резонаторов. В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%. Выход излучения высокой частоты осуществляется сбоку в щель резонатора.
• Обращенные устройства. Они бывают двух исполнений: коаксиальные и обычные. Такие магнетроны способны выдать импульсы высокой частоты 700 наносекунд с энергией 250 джоулей. Коаксиальный вид магнетрона содержит стабилизирующий резонатор. В нем имеются отверстия во внешней стенке, а также ферритовые стержни с подмагничивающими катушками.

Сфера использования магнетронов

• В устройствах радаров антенна подключена к волноводу. Она, по сути, является щелевым волноводом, или рупорным коническим облучателем вместе с отражателем в виде параболы (тарелка). Управление магнетрона осуществляется с помощью коротких мощных импульсов напряжения. В итоге образуется короткий импульс энергии с малой длиной волны. Малая часть такой энергии поступает снова на антенну и волновод, и далее к чувствительному приемнику. Сигнал обрабатывается и поступает на электронно-лучевую трубку на экран радара.
• В бытовых микроволновых печах волновод имеет отверстие, которое не создает препятствие радиочастотным волнам в рабочей камере. Важным условием работы микроволновки является условие, чтобы при работе печи в камере находились какие-либо продукты. При этом микроволны поглощаются продуктами, и не возвращаются на волновод. Стоячие волны в микроволновой печи могут искрить. При долгом искрении магнетрон может выйти из строя. Если в микроволновке мало продуктов для приготовления, то лучше дополнительно поместить в камеру стакан с водой для лучшего поглощения волн.

1 — Магнетрон
2 — Высоковольтный конденсатор
3 — Высоковольтный диод
4 — Защита
5 — Высоковольтный трансформатор

• В радиолокационных станциях используются коаксиальные магнетроны с быстрым изменением частоты. Это позволяет расширить тактико-технические свойства локаторов.

Выбор и приобретение магнетрона

Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры.

Наиболее малую мощность имеет магнетрон 2М 213. Его мощность составляет 700 ватт при нагрузке и 600 ватт номинальная.

Приборы средней мощности в основном изготавливают на 1000 ватт. Марка такого магнетрона – 2М 214.

Наибольшая мощность магнетрона у модели 2М 246.

Показатель мощности у них равен 1150 ватт. Перед приобретением необходимо сопоставить цену магнетрона со стоимостью всей печи, и не забыть о стоимости работ по ремонту. Возможно, что не будет смысла в ремонте.

Можно ли магнетрон заменить самостоятельно

Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.

Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.

Работа микроволновки

Пища имеет в составе воду, которая состоит из заряженных частиц. Продукты в микроволновой печи разогреваются посредством воздействия на них волн высокой частоты. Молекулы воды выступают в качестве диполя, так как проводят волны электрического поля.

Похожие темы:

Конструкция многорезонаторного магнетрона

     Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

     Его основой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.

     В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

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.

Принцип работы и устройство магнетрона

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

Конструкция многорезонаторного магнетрона

Его о

сновой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.

В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

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.

Магнетрон — это… Что такое Магнетрон?

Магнетрон

Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.

История

Термин «магнетрон» был предложен Альбертом Халлом, который в 1921 году впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн посредством магнетрона открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек.

Действующие магнетронные генераторы радиоволн были созданы независимо и почти одновременно в трех странах: в Чехословакии (Жачек, 1924 г.), в СССР (А.А. Слуцкин и Д.С. Штейнберг, 1925 г.), в Японии (Окабе и Яги, 1927 г.).

Французский ученый Морис Понт с сотрудниками из парижской фирмы «КСФ» в 1935 году создали электронную лампу с вольфрамовым катодом, окруженным резонаторными анодными сегментами. Она была предшественницей магнетронов с резонаторными камерами.

Конструкция многорезонаторного магнетрона Алексеева — Малярова, обеспечивающего 300-ваттное излучение на волне 10 сантиметров, созданного в 1936-39 гг., стала известна мировому сообществу благодаря публикации 1940 г. (Alexeev Н. F., Malyarov Д. Е. Getting powerful vibrations of magnetrons in centimeter wavelength range // Magazine of Technical Physics. 1940. Vol. 10. No. 15, P. 1297—1300.)

Своим появлением на свет многорезонаторный магнетрон Алексеева — Малярова обязан радиолокации. Работы по радиолокации были развернуты в СССР почти одновременно с началом радиолокационных работ в Англии и США. По признанию зарубежных авторов, к началу 1934 года СССР продвинулся в этих работах более, чем США и Англия. (Brown, Louis. A Radar History of World War II . Technical and Military Imperatives. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9.)

В 1940 британские физики Джон Рэндалл (англ. John Randall) и Гарри Бут (англ. Harry Boot) изобрели резонансный магнетрон^[1] Новый магнетрон давал импульсы высокой мощности, что позволило разработать радар сантиметрового диапазона. Радар с короткой длиной волны позволял обнаруживать более мелкие объекты^[2]. Кроме того, компактный размер магнетрона привел к резкому уменьшению размеров радарной аппаратуры

[3], что позволило устанавливать ее на самолетах^[4].

Явление перестройки частоты магнетрона напряжением впервые обнаружили в 1949 американские инженеры Д. Уилбур и Ф. Питерс. Магнетрон, настраиваемый напряжением, или митрон — генераторный прибор магнетронного типа, рабочая частота которого в широком диапазоне изменяется пропорционально анодному напряжению.

Начиная с 1960-х годов магнетроны получили применение в СВЧ-печах для домашнего использования.

Характеристики

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.

Конструкция

Магнетрон в продольном сечении Схема конструкции магнетрона

Резонансный 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 образуют кольцевую колебательную систему, около 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. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). 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.

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 уменьшается 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 увеличивается 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.

Применение

Предупреждающий знак «Опасно. Радиоизлучение»

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.

Источники

1. ↑ The Magnetron. Bournemouth University (1995-2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 23 августа 2009.
2. ↑ Я. З. Перпя. Как работает радиолокатор. Оборонгиз, 1955
3. ↑ Schroter, B. (Spring 2008). «How important was Tizard’s Box of Tricks?». Imperial Engineer 8: 10. Проверено 2009-08-23.
4. ↑ Who Was Alan Dower Blumlein?. Dora Media Productions (1999-2007). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 23 августа 2009.

Как работает магнетрон | yourmicrowell.ru

Принцип действия магнетрона основан на влиянии электрического и магнитного полей на траекторию движения электронов. По своей сути, магнетрон является электровакуумным диодом. Другими словами «электронной лампой» с двумя электродами. В основе работы электровакуумных приборов лежит явление термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия возникает при разогреве поверхности эмиттера (катода), в следствии чего увеличивается количество электронов, способных совершить работу выхода. Для того, что бы выяснить, как электроны ведут себя в электрическом поле, рассмотрим принцип действия обычного электровакуумного диода.

На рисунке выше изображена схема работы электровакуумного диода. На части «А» рисунка, составлена электрическая цепь  состоящая из диода, батареи питания «В», и ключа «К». Ключ «К» разомкнут – следовательно, напряжение на аноде отсутствует «Ua = 0». Если нет напряжения, то ток анода тоже будет равен нулю «Ia = 0». На нить накала подано напряжение «Un» следовательно, катод диода разогрет, и самые активные электроны уже готовы покинуть его. Но своей энергии им для этого не хватает, поэтому они все еще находятся возле катода.

Перейдем ко второй части рисунка. На части «Б» данного рисунка все та же схема, но ключ «К» на ней замкнут. Следовательно — на аноде появилось напряжение «Ua = x», поданное с положительного полюса батареи питания «В» через ключ «К». В результате чего, между электродами диода возникло электрическое поле. Под действием силы этого поля электроны начали покидать катод и устремились к аноду. Таким образом, цепь замкнулась и по цепи начал протекать ток анода определенной величины «Ia = y». Из выше изложенного можно сделать вывод, что электрическое поле заставляет электроны двигаться по прямой вдоль, своих силовых линий.

Магнитное поле ни как не действует на не подвижный электрон. Но если электрон, движущийся по прямой траектории под действием электрического поля, попадает в магнитное поле, то последнее влияет на траекторию движения электрона, отклоняя ее вдоль своих силовых линий. Таким образом, электрон двигавшийся по прямой, под действием магнитного поля начинает двигаться по дуге.

Теперь рассмотрим внутренности магнетрона. Отличительной особенностью конструкции магнетрона – является конструкция анода. Анод магнетрона представляет собой толстостенный медный цилиндр с системой резонаторов внутри. В поперечном сечении, вид конструкции анода напоминает колесо телеги со спицами. Каждая «спица» — является резонатором. В центре анода расположен катод с подогревателем. По краям анодного блока находятся два кольцевых магнита, которые образуют магнитную систему, между полюсами которой и располагается анод. Если бы данная магнитная система отсутствовала, то не было бы и магнитного поля и в этом случае, при подаче напряжения накала и анодного напряжения, электроны двигались бы по прямой, от катода — к аноду т. е. вдоль силовых линий электрического поля.

На рисунке сверху изображена очень упрощенная схема работы магнетрона. На ней голубым цветом выделена приблизительная форма траектории движения одного электрона покинувшего катод и стремящегося к аноду. На рисунке видно, что благодаря наличию магнитного поля, траектория движения электрона изменяется таким образом, что покинувший катод электрон достигает анода, далеко не сразу. Из-за такого влияния магнитного поля на движение электрона, в рабочей области образуется своеобразное «электронное облако», которое вращается вокруг катода – внутри анода. Пролетая мимо резонаторов, электроны отдают им часть своей энергии и наводят в них токи высокой частоты которые в свою очередь, создают  сильное СВЧ поле в полостях резонаторов. В одну из таких полостей помещена петля связи (на схеме не показана), посредством которой энергия СВЧ поля выводится наружу.

Это очень краткое описание работы магнетрона. Для тех, кто хотел бы познакомиться с принципом его действия поближе, даю ссылки на более подробные описания.

 

В.И. Коробейников.  «Вечный двигатель в вопросах и ответах. Магнетрон»

Г.С. Сапунов «Магнетроны»

Магнетронное распыление — Википедия

Магнетронная распылительная система (магнетрон)

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещённых полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещённых полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} }; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия[править | править код]

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещённых полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий^[1].

Физические основы[править | править код]

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени[править | править код]

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу^[2][3]. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, и который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Физические процессы, происходящие в материале при его бомбардировке

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов[править | править код]

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирования мишеней сложного состава (сплавов).

Реактивное напыление[править | править код]

Для напыления сложных соединений, например оксидов и нитридов, применяется так называемое реактивное магнетронное напыление. К плазмообразующему газу (аргону) добавляют реактивный газ (например, кислород или азот). В плазме магнетронного разряда реактивный газ диссоциирует, высвобождая активные свободные радикалы, которые взаимодействуют с осаждёнными на подложку распылёнными атомами, формируя химическое соединение.

В советской литературе некоторое время встречался также термин «Магратрон». Слог «Маг» сокращённо означало магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство. В связи с его непереводимостью на иностранные языки, термин не прижился, вместо него стали использовать слово «магнетрон».

• Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
• Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. — Киев: «Аверс», 2008.
• Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1987. — Vol. 27. — P. 1—20. — DOI:10.1016/0168-583X(87)90004-8.
• Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / под ред. Eckstein W.. — Берлин: Springer, 2007.
• Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986.
• Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

Магнетрон — Вікіпедія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Магнетрон у розрізі.

Магнетро́н — потужний генератор електромагнітних хвиль мікрохвильового діапазону. Магнетрони використовуються як в радіолокації, так і в побутових приладах на зразок мікрохвильової печі.

Будова та принцип дії[ред. | ред. код]

Будова резонансного магнетрона.

Магнетрон є електровакуумною лампою спеціальної конструкції, в якій електрони рухаються у додатковому магнітному полі.

Катод магнетрона виготовлений у вигляді центральної нитки в порожнистій камері, зовнішня стінка якої виконує роль анода. Випромінені гарячим катодом електрони летять до анода через проміжок потужного магнітного поля, створеного постійним магнітом. Магнітне поле змушує електрони рухатися по спіралі, проходячи повз стінки камери. На ободі камери магнетрона періодично розташовані циліндричні порожнини-резонатори електромагнітного поля. Високочастотне поле в резонаторах збуджується електронним струмом. Воно ж впливає на потік електронів, змушуючи його збиватися в пучності, що додатково підсилює створене в порожнинах-резонаторах поле. За допомогою металевого хвилеводу частина цього поля передається до антени, звідки випромінюється в простір. Для виведення НВЧ енергії використовується, як правило, дротова петля, закріплена в одному з резонаторів, або отвір з резонатора назовні циліндра.

Частота електромагнітної хвилі визначається розміром та формою резонаторів.

Магнетрони можуть працювати на різних частотах від 0,5 до 100 ГГц, з потужностями від декількох Вт до десятків кВт у безперервному режимі, і від 10 Вт до 5 МВт в імпульсному режимі при тривалості імпульсів від нуля і до десятків мікросекунд.

Недолік магнетронів — плавання частоти, перевага — значна потужність. В радарах нестабільність частоти компенсують, підлаштовуючи приймач на частоту випромінювання, що є технічно простішою задачею, ніж утримання сталої частоти передавача.

Магнетрони володіють високим ККД (до 80%), широко використовуються в сучасній радіолокаційній техніці як генератори надвисоких частот.

Радари

В радарних пристроях хвилевід приєднаний до антени, яка може являти собою як хвилевід, так і конічний рупорний опромінювач в парі з параболічним відбивачем. Магнетрон керується дуже короткими високоінтенсивними імпульсами прикладеної напруги, в результаті чого в простір випромінюється короткий імпульс мікрохвильової енергії. Невелика порція цієї енергії відбивається від об’єкта радіолокації назад до антени, потрапляє у хвилевід, який направляє її до чутливого приймача. Після подальшої обробки сигналу він з’являється на екрані у вигляді радарної карти А1.

Нагрівання

Магнетрон, який містить кожна мікрохвильова піч, перетворює електричну енергію у над-високочастотне електричне поле частотою 2450 мегагерц (МГц) або 2,45 гігагерц (ГГц), яке і взаємодіє з молекулами води в їжі. Мікрохвилі «бомблять» молекули води в їжі, змушуючи їх обертатися з частотою мільйони разів в секунду, створюючи молекулярне тертя, яке і нагріває їжу.

Освітлення

В сірчаних лампах мікрохвилі нагрівають сірку. Плазма сірки випромінює потужне світло у спектрі, близькому до сонячного світла, майже без інфрачервоної і ультрафіолетової складових. Такі лампи в даний час використовуються дуже рідко у зв’язку з високою складностю конструкції в порівнянні з традиційними методами освітлення.