Microonde Magnetron: 5 informazioni rapide complete

Punti di discussione: Magnetron Microonde

Introduzione al microonde magnetico | Cos'è il Magnetron?

Un magnetron è una specie di tubo a microonde. Prima di discutere il magnetron e i suoi argomenti correlati, scopriamo alcune delle definizioni di base.

Tubi a microonde: I tubi a microonde sono dispositivi che generano microonde. Sono i cannoni elettronici che producono tubi a fascio lineare.

Ora, la definizione di Magnetron è data come:

Magnetrone: Il magnetron è un tipo di tubo a vuoto che genera segnali della gamma di frequenza delle microonde, con l'aiuto delle interazioni di un campo magnetico e di fasci di elettroni.

Il tubo del magnetron consuma un'elevata potenza e la sua frequenza dipende dalla dimensione fisica delle cavità dei tubi. C'è una differenza principale tra un Magnetron e altri tipi di tubi a microonde. Un magnetron funziona solo come oscillatore ma non come amplificatore, ma a klystron (un tubo a microonde) può funzionare come amplificatore e come oscillatore.

Microonde Magnetron
Un tipico forno a microonde Magnetron, Immagine di credito: HCRS Home Labor Page, Magnetrone1CC BY-SA 2.0 AT

Una breve storia del magnetron microonde

La Siemens Corporation ha sviluppato il primo magnetron nel 1910 con la guida dello scienziato Hans Gerdien. Il fisico svizzero Heinrich Greinacher scopre l'idea del moto degli elettroni nel campo elettrico e magnetico incrociato dai suoi esperimenti falliti di calcolo della massa degli elettroni. Ha sviluppato il modello matematico intorno all'anno 1912.

Negli Stati Uniti, Albert Hull iniziò a lavorare per controllare i movimenti degli elettroni utilizzando un campo magnetico anziché il campo elettrostatico convenzionale. L'esperimento è stato avviato per bypassare il brevetto del "triodo" di Western's Electric.

Hull ha sviluppato un dispositivo quasi come un Magnetron, ma non aveva intenzione di generare segnali di frequenze a microonde. Il fisico ceco August Žáček e il fisico tedesco Erich Habann hanno scoperto indipendentemente che Magnetron potrebbe generare segnali con frequenze della gamma di microonde.

L'invenzione e la crescente popolarità del RADAR hanno aumentato la domanda di dispositivi in ​​grado di produrre microonde a lunghezze d'onda più corte.

Nell'anno 1940, Sir John Randall e Harry Boot dell'Università di Birmingham svilupparono un prototipo funzionante di un magnetron a cavità. All'inizio, il dispositivo produceva circa 400 Watt di potenza. Ulteriori sviluppi come il raffreddamento ad acqua e molti altri miglioramenti hanno aumentato la potenza prodotta da 400 W a 1 kW e quindi fino a 25 kW.

Si è verificato un problema relativo all'instabilità di frequenza nel magnetron sviluppato dagli scienziati britannici. Nel 1941, James Sayers risolse il problema.

Microonde Magnetron
Il magnetron a cavità sviluppato da Sir John Randall e Harry Boot dell'Università di Birmingham, Magnetron Microwave, Image Credit: Elektrik FanneMagnetron R&BCC BY-SA 4.0

Applicazioni del Magnetron

Un magnetron è un dispositivo vantaggioso, ha diverse applicazioni in vari campi. Parliamo di alcuni di loro.

  • Magnetron nel radar: L'uso di Magnetron per un radar utilizzato per generare brevi impulsi di frequenze microonde ad alta potenza. La guida d'onda di un magnetron è collegata a una qualsiasi delle antenne all'interno di un radar.
    • Ci sono diversi fattori del Magnetron che causano complessità al Radar. Uno di questi è il problema relativo all'instabilità della frequenza. Questo fattore genera il problema degli spostamenti di frequenza.
    • La seconda caratteristica è che un magnetron produce segnali con la potenza di una larghezza di banda più ampia. Quindi, il ricevitore dovrebbe avere una larghezza di banda più ampia per accettarli. Ora, avendo una larghezza di banda più ampia, il ricevitore riceve anche una sorta di rumore che non è desiderato.
Microonde Magnetron
Uno dei primi radar commerciali per l'aeroporto, Magnetron Microwave, Immagine di: Autore sconosciuto Autore sconosciuto, Radar Magnetron del 1947, contrassegnato come dominio pubblico, maggiori dettagli su Wikimedia Commons
  • Riscaldamento magnetronico | Forni a microonde Magnetron: I magnetron vengono utilizzati per generare microonde che vengono ulteriormente utilizzate per il riscaldamento. All'interno di un forno a microonde, in un primo momento, il magnetron produce i segnali delle microonde. Poi il guida d'onda trasmette i segnali a una porta trasparente RF nella camera del cibo. La camera è di dimensione fissa, e anche vicina al magnetron. Ecco perché i modelli di onde stazionarie sono randomizzati dal motore rotante, che ruota il cibo all'interno della camera.
Microonde Magnetron
Forno a microonde, applicazioni Magnetron Microonde, Immagine di credito: l'uploader originale era ? at Wikipedia cinese., WeibolùCC BY-SA 3.0
  • Illuminazione magnetron: Sono disponibili molti dispositivi che si illuminano utilizzando l'eccitazione del Magnetron. Dispositivi come la lampada allo zolfo sono un ottimo esempio di tale luce. All'interno dei dispositivi, il magnetron genera il campo a microonde, che viene eseguito da una guida d'onda. Quindi il segnale viene fatto passare attraverso la cavità di emissione della luce. Questi tipi di dispositivi sono complessi. Al giorno d'oggi, non vengono utilizzati al posto di elementi più superficiali come il nitruro di gallio (GaN) o gli HEMT.

Costruzione del Magnetron

In questa sezione, discuteremo la costruzione fisica e i componenti di un Magnetron.

Il magnetron è raggruppato come un diodo mentre viene distribuito sulla griglia. L'anodo del magnetron è inserito in un blocco di forma cilindrica costituito da rame. Ci sono filamenti con filo di piombo e il catodo al centro del tubo: i fili di filo aiutano a mantenere il catodo e il filamento attaccati con esso al centro. Il catodo è costituito da materiale ad alta emissione e viene riscaldato per il funzionamento.

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Un Magnetron con le sue parti, Magnetron Microwave, Image Credit: HCRS Home Labor Page, Magnetrone2CC BY-SA 2.0 AT

Il tubo ha da 8 a 20 cavità risonanti che sono fori cilindrici attorno alla sua circonferenza. La struttura interna è suddivisa in più parti: il numero di cavità presenti nel tubo. La divisione del tubo è effettuata dalle strette fessure che collegano le cavità al centro.

Ogni cavità funziona come un file circuito risonante parallelo dove la parete lontana del blocco di rame anodico funge da induttore. La regione della punta della paletta è considerata il condensatore. Ora, la frequenza di risonanza del circuito dipende dalle dimensioni fisiche del circuito del risonatore.  

È evidente che se una cavità risonante inizia ad oscillare, eccita le altre cavità risonanti e anche loro iniziano ad oscillare. Ma c'è una proprietà che ogni cavità segue. Se una cavità inizia l'oscillazione, la cavità successiva inizia l'oscillazione con un ritardo di fase di 180 gradi. Questo vale per ogni cavità. Ora, la serie di oscillazioni crea una struttura a onde lente che è autosufficiente. Questo è il motivo per cui questo tipo di costruzione Magnetron è anche noto come "Multi-Cavity Travelling Wave Magnetron".

Microonde Magnetron
Catodo centrale nel mezzo del microonde magnetron, credito immagine: Pingu è sumeroSezione del magnetron trasversale all'asseCC BY-SA 3.0

Il catodo fornisce gli elettroni necessari per il meccanismo di trasferimento di energia. Come accennato in precedenza, il catodo si trova al centro del tubo, ulteriormente disposto dai conduttori del filamento. C'è un particolare spazio aperto tra il catodo e l'anodo che deve essere mantenuto; in caso contrario, causerà malfunzionamenti al dispositivo.

Sono disponibili quattro tipi di disposizione delle cavità. Sono -

  • Tipo di slot
  • Tipo a paletta
  • Tipo Rising Sun
  • Tipo di foro e asola

Funzionamento di un microonde Magnetron

Il magnetron subisce alcune fasi per generare segnali di gamme di frequenza delle microonde. Le fasi sono elencate di seguito.

Sebbene il nome delle fasi sia sufficientemente indicativo per permetterci di discutere gli incidenti, questi si verificano in ciascuna fase.

Fase 1: generazione e accelerazione del fascio di elettroni

Il catodo all'interno della cavità possiede la polarità negativa della tensione. L'anodo è mantenuto in una direzione radiale dal catodo. Ora, il riscaldamento indiretto del catodo provoca il flusso di elettroni verso l'anodo. Al momento della generazione, non è presente alcun campo magnetico nella cavità. Ma dopo la generazione dell'elettrone, un debole campo magnetico piega il percorso degli elettroni. Il percorso dell'elettrone subisce una brusca curva se la forza del campo magnetico aumenta ulteriormente. Ora, se la velocità degli elettroni aumenta, la curva diventa di nuovo più acuta.

Fase 2: controllo della velocità e variazioni del fascio di elettroni

Questa fase si verifica all'interno del campo ac della cavità. Il campo CA si trova dai segmenti dell'anodo adiacenti alla regione del catodo. Questo campo accelera il flusso del fascio di elettroni, che scorre verso i segmenti anodici. Gli elettroni che fluiscono verso i segmenti vengono rallentati.

Fase 3: generazione di "Space Charge Wheel"

I flussi di elettroni in due direzioni diverse con velocità separate provocano un movimento noto come "ruota di carica spaziale". Questo aiuta ad aumentare la concentrazione degli elettroni, che fornisce ulteriore potenza sufficiente per le oscillazioni di radiofrequenza.

Fase 4: trasformazione dell'energia

Ora, dopo la generazione del fascio di elettroni e la sua accelerazione, il campo acquisisce energia. Gli elettroni erogano anche energia al campo. Mentre viaggia da elettroni catodici eroga energia in ogni cavità che attraversa. La perdita di energia provoca una diminuzione della velocità e alla fine una decelerazione. Ora, questo accade più volte. L'energia rilasciata viene utilizzata in modo efficiente e viene raggiunta un'efficienza fino all'80%.

Preoccupazioni relative alla salute da Magnetron Microonde

Un microonde magnetron produce segnali a microonde che possono causare problemi ai corpi umani. Alcuni magnetron sono costituiti da torio nel loro filamento, che è un elemento radioattivo e non va bene per l'uomo. Anche elementi come gli ossidi di berillio e gli isolanti in ceramica sono pericolosi se vengono schiacciati e inalati. Questo può influenzare i polmoni.

Ci sono anche possibilità di danni causati dal surriscaldamento dei forni a microonde magnetron. I magnetron richiedono alto potere di tensione forniture. Quindi, c'è anche la possibilità di rischi elettrici.