Магнетрон-общие-сведения.

Содержание
Магнетрон ................................................................................................................ 2
Характеристики .................................................................................................... 2
Конструкция ......................................................................................................... 3
Принцип работы ................................................................................................... 4
Применение .......................................................................................................... 6
Основные технические характеристики ............................................................... 6
Магнетрон с воздушным охлаждением .............. Error! Bookmark not defined.
М171 Хина ............................................................................................................... 9
Основные технические характеристики .......................................................... 11
Устройство и работа магнетрона. ..................................................................... 13
1
Магнетрон
Магнетрон — это мощная электронная лампа,
генерирующая микроволны при
взаимодействии отока электронов с магнитным
полем.
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
используются в современной радиолокационной технике.
широко
2
Конструкция
Магнетрон в поперечном 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 представляют собой замедляющую систему,
в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной
волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции
3
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.
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
4
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.
5
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.
Основные технические характеристики
02.06.2011, 23:11
Излучение микроволновой энергии осуществляется от антенны 1, представляющей собой
штенгель, на который плотно посажен металлический колпачок (штенгель — заваренная
трубка, через которую в процессе производства магнетрона откачивался воздух).
Внешний вид магнетрона представлен на рис. 1.
6
Антенна изолирована от корпуса 6, по переменному току, керамическим цилиндром 2.
Внешний кожух магнетрона 3 совместно с фланцем 4 составляют магнитопровод,
формирующий необходимое распределение магнитного поля, источником которого
служат кольцевые магниты 5. Фланец используется также для крепления магнетрона к
микроволновой печи. Радиатор 7 служит
для более интенсивного охлаждения
магнетрона во время работы. Коробка
фильтра 8 содержит внутри себя
индуктивные выводы, которые совместно
с
проходными
конденсаторами
9
образуют
высокочастотный
фильтр,
снижающий
проникновение
СВЧизлучения по выводам питания 10.
Надежность
контакта
между
магнетроном и корпусом микроволновой
печи
обеспечивается
кольцом
из
металлической сетки.
На рис. 2 показан магнетрон в разрезе.
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:
7
где
Ср — 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:
Магнетрон с воздушным охлаждением
Назначение: генератор непрерывных СВЧ колебаний на частоте 2450
Применение: источники микроволновой энергии промышленного назначения
МГц
Конструкция:




магнетрон пакетирован с постоянными магнитами
металлокерамическое исполнение
прямонакальный катод с малым временем разогрева
принудительное воздушное охлаждение
8
Основные технические характеристики:
Рабочая частота (фиксированная), МГц 2450+50
Выходная мощность, кВт
> 1,9
Анодный ток, мА
800
Анодное напряжение, кВ
< 3,9
Напряжение накала, В
4,6
Ток накала, А
2,5
КСВН нагрузки
<3
Время готовности, с
10
Конструктивные характеристики:
габаритные размеры: 172х144х128 мм
М171 Хина
МАГНЕТРОН промышленного назначения М171 «Хина»
Магнетрон непрерывного действия
М171 предназначен для работы на
фиксированной частоте (915 ± 12,8)
МГц с выходной средней мощностью
600 Вт.
Магнетрон М171 имеет пакетированную
конструкцию, выполнен в
металлокерамическом корпусе. Рабочее
магнитное поле создается постоянными
магнитами. Охлаждение магнетрона
принудительное воздушное.
Рабочий режим магнетрона может
устанавливаться путем плавного
увеличения анодного напряжения, либо
«рывком» - подачей номинального
анодного напряжения.
Регулировка выходной мощности может производиться от нуля до
номинального значения путем изменения анодного напряжения. Вывод
энергии коаксиальный сечением 7/16 мм.
9
Магнетрон работает от двухполупериодного выпрямителя без фильтра.
10
Основные технические характеристики
Электрические
·
Рабочая частота
915±12
МГц
·
Выходная мощность
600
Вт
·
Коэффициент полезного действия
70
%
·
Напряжение анода (пик)
3,4
кВт
·
Ток анода средний
0,25
А
·
Напряжение накала катода
4
В
·
Ток накала катода
9,5
А
·
КСВН
3,0
·
Магнитная система
постоянный магнит
Условия эксплуатации
·
Температура окружающего
воздуха
- 60
°С
·
Максимальная рабочая
температура корпуса
+ 60
°С
·
Расход воздуха в системе
охлаждения
−
·
Относительная влажность (при
температуре 25°С
98
%
1,5
кг
·
Масса
11
12
Устройство и работа магнетрона.
Магнетрон состоит из следующих составных частей:
- анодного блока, содержащего в себе резонаторную систему;
- катода с катодными выводами;
- вывода СВЧ-энергии;
- магнитной системы.
Магнитная система состоит из постоянных магнитов и
магнитопровода.
Анодный блок имеет радиаторы, через которые продувается воздух.
Рабочая характеристика магнетрона, а также усредненная накальная
характеристика представлены на чертежах.
13
Схема питания магнетрона М171 «Хина»
14