Что такое магнетрон?
Магнетрон представляет собой особый тип электровакуумного прибора, предназначенного для генерации сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. По своей конструкции это цилиндрический диод, ось которого совпадает с направлением внешнего магнитного поля. Ключевой принцип работы прибора основан на взаимодействии электронов с электрической составляющей СВЧ-поля. Это взаимодействие происходит в пространстве, где электрическое и магнитное поля расположены перпендикулярно друг другу. Само название устройства образовано от греческих слов «magnetis» (магнит) и «электрон», что отражает его основную физическую сущность.
История создания и развития
История магнетрона началась в 1921 году, когда американский физик А. Халл провёл серию экспериментов с прибором, работающим в статическом режиме, и создал его первые модели. Всего три года спустя, в 1924 году, чехословацкий учёный А. Жачек сумел использовать магнетрон для генерации электромагнитных колебаний уже в дециметровом диапазоне волн. В 1920-х годах исследования влияния магнитного поля на генерацию СВЧ-колебаний активно вели учёные по всему миру, включая советских физиков Д. С. Штейнберга и А. А. Слуцкина, немецкого исследователя Е. Хабана, итальянца И. Ранци и японских учёных X. Яги и К. Окабе.
В 1930-х годах главной задачей стало радикальное увеличение выходной мощности магнетрона. Этого прорыва добились советские инженеры Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров. Они предложили заменить обычный анод массивным медным блоком, в который были встроены несколько объёмных резонаторов. Так появился многорезонаторный магнетрон, мощность которого возросла на два порядка, что открыло новые горизонты для практического применения. Параллельно шло совершенствование катода: ещё в 1918 году академик А. А. Чернышев предложил использовать в радиолампах цилиндрический катод с внутренним подогревателем, который позднее стал стандартом для магнетронов. В 1930-х годах инженеры В. П. Илясов, К. Хенсел, Л. Молтер, Р. Гудрич и Дж. Райхман разрабатывали конструкции полых катодов.
Более трёх десятилетий непрерывного развития привели к созданию разнообразных видов магнетронов. К 1970-м годам промышленность выпускала приборы мощностью от нескольких ватт до десятков киловатт. Они делились на два основных типа: неперестраиваемые (с фиксированной частотой) и перестраиваемые (работающие в небольшом диапазоне частот).
Устройство многорезонаторного магнетрона
Современный многорезонаторный магнетрон — это сложное устройство, в состав которого входят:
- Анодный блок (обычно массивный медный цилиндр).
- Резонаторы (полости в анодном блоке).
- Ламели анодного блока.
- Катод, расположенный в центре.
- Кольцевые металлические связки для стабилизации частоты.
- Выводы подогревателя катода.
- Радиатор для отвода тепла.
- Петля связи и стержень для вывода СВЧ-энергии.
Анодный блок такого магнетрона представляет собой медный цилиндр с центральным отверстием, вокруг которого симметрично расположены полости-резонаторы. В зазоре между этими резонаторами и центральным отверстием находится катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему, которая имеет несколько собственных резонансных частот. Наиболее эффективный режим работы достигается, когда количество полуволн укладывается на длину этой кольцевой системы целое число раз, обычно равное количеству резонаторов.
В рабочем режиме на электроны, движущиеся от катода к аноду, одновременно воздействуют три поля: постоянное электрическое поле между электродами, постоянное магнитное поле (обычно создаваемое внешними магнитами) и переменное электрическое поле СВЧ-колебаний в резонаторах. Сложное взаимодействие электронов с этими полями и приводит к генерации мощных СВЧ-колебаний.
Условия стабильной работы
Для устойчивой работы магнетрона без нежелательных перескоков режимов необходимо обеспечить достаточный частотный интервал между рабочей частотой и ближайшей резонансной частотой колебательной системы. Если все резонаторы в блоке одинаковы, этот интервал может быть недостаточным. Для его увеличения применяют два основных метода: использование металлических кольцевых связок, соединяющих определённые точки резонаторов, или создание разнорезонаторной системы, где резонаторы имеют слегка различающиеся характеристики.
Применение в быту: микроволновые печи
Наиболее известное бытовое применение магнетрона — микроволновые печи. В таких печах магнетрон генерирует СВЧ-излучение, которое по волноводу поступает в камеру для приготовления пищи. Микроволны легко проникают внутрь продуктов и поглощаются содержащейся в них водой, что и вызывает нагрев.
Важный нюанс: если камера печи пуста или содержит слишком мало продуктов, микроволны, не поглощаясь, могут многократно отражаться и создавать в волноводе интенсивные стоячие волны. Это может привести к перегреву и выходу магнетрона из строя. Поэтому для защиты прибора при разогреве малых порций еды специалисты рекомендуют ставить в камеру стакан воды, который будет поглощать излишнюю СВЧ-энергию.