Comment le magnétron fonctionne et fonctionne

Magnétron - un dispositif électronique spécial dans lequel la génération d'oscillations ultra-haute fréquence (oscillations micro-ondes) est réalisée en modulant le flux d'électrons en termes de vitesse. Les magnétrons ont largement élargi le champ d'application du chauffage par courants haute et ultra haute fréquence.

Les amplitrons (platinotrons), les klystrons et les lampes à onde progressive basés sur le même principe sont moins courants.

Le magnétron est le générateur le plus avancé de fréquences micro-ondes à haute puissance. C'est une lampe bien évacuée avec un faisceau d'électrons contrôlé par un champ électrique et magnétique. Ils permettent d'obtenir des ondes très courtes (jusqu'à des fractions de centimètre) à des puissances importantes.

Les magnétrons utilisent le mouvement des électrons dans des champs électriques et magnétiques mutuellement perpendiculaires créés dans l'espace annulaire entre la cathode et l'anode. Une tension anodique est appliquée entre les électrodes, créant un champ électrique radial sous l'influence duquel les électrons évacués de la cathode chauffée se précipitent vers l'anode.

Le bloc anodique est placé entre les pôles d'un électroaimant, ce qui crée un champ magnétique dans l'entrefer annulaire dirigé selon l'axe du magnétron. Sous l'influence d'un champ magnétique, l'électron s'écarte de la direction radiale et se déplace le long d'une trajectoire en spirale complexe. Dans l'espace entre la cathode et l'anode, un nuage d'électrons en rotation avec des languettes se forme, rappelant le moyeu d'une roue à rayons. En passant devant les fentes des résonateurs de la cavité anodique, les électrons y excitent des oscillations à haute fréquence.

Riz. 1. Bloc anodique magnétron

Chacun des résonateurs de la cavité est un système oscillatoire à paramètres distribués. Le champ électrique est concentré dans les fentes et le champ magnétique est concentré à l'intérieur de la cavité.

L'énergie de sortie du magnétron est réalisée au moyen d'une boucle inductive placée dans un ou plusieurs résonateurs souvent adjacents. Le câble coaxial alimente la charge.

Riz. 2. Dispositif magnétron

Le chauffage par courants micro-ondes s'effectue dans des guides d'ondes à section circulaire ou rectangulaire ou dans des résonateurs volumiques dans lesquels ondes électromagnétiques les formes les plus simples TE10 (H10) (dans les guides d'onde) ou TE101 (dans les résonateurs à cavité). Le chauffage peut également se faire en émettant une onde électromagnétique vers l'objet chauffant.

Les magnétrons sont alimentés en courant redressé avec un circuit redresseur simplifié. Les unités de très faible puissance peuvent être alimentées en courant alternatif.

Les magnétrons peuvent fonctionner à différentes fréquences de 0,5 à 100 GHz, avec des puissances de quelques W à des dizaines de kW en mode continu et de 10 W à 5 MW en mode pulsé avec des durées d'impulsions principalement de fractions à des dizaines de microsecondes.

Riz. 2. Magnétron dans un four à micro-ondes

La simplicité de l'appareil et le coût relativement faible des magnétrons, combinés à une forte intensité de chauffage et à diverses applications des courants micro-ondes, ouvrent de grandes perspectives pour leur utilisation dans divers domaines de l'industrie, de l'agriculture (par exemple, dans installations de chauffage diélectrique) et à la maison (four à micro-ondes).

Fonctionnement magnétron

C'est donc le magnétron lampe électrique une conception spéciale utilisée pour générer des oscillations ultra-haute fréquence (dans la gamme des ondes décimétriques et centimétriques).Sa caractéristique est l'utilisation d'un champ magnétique permanent (pour créer les chemins nécessaires au mouvement des électrons à l'intérieur de la lampe), à ​​partir de d'où le magnétron tire son nom.

Le magnétron à plusieurs chambres, dont l'idée a été proposée pour la première fois par M. A. Bonch-Bruevich et réalisée par les ingénieurs soviétiques D. E. Malyarov et N. F. Alekseev, est une combinaison d'un tube électronique avec des résonateurs de volume. Il existe plusieurs de ces résonateurs à cavité dans un magnétron, c'est pourquoi ce type est appelé multi-chambre ou multi-cavité.

Le principe de conception et de fonctionnement d'un magnétron multichambre est le suivant. L'anode de l'appareil est un cylindre creux massif, dans la surface intérieure duquel sont ménagées un certain nombre de cavités trouées (ces cavités sont des résonateurs de volume), la cathode est située le long de l'axe du cylindre.

Le magnétron est placé dans un champ magnétique permanent dirigé selon l'axe du cylindre. Les électrons s'échappant de la cathode du côté de ce champ magnétique sont affectés par Force de Lorentz, qui courbe le chemin des électrons.

Le champ magnétique est choisi de manière à ce que la plupart des électrons se déplacent le long de trajectoires courbes qui ne touchent pas l'anode. Si les caméras de l'appareil (résonateurs de cavité) apparaissent vibrations électriques (de petites fluctuations de volume se produisent toujours pour diverses raisons, par exemple à la suite de l'activation de la tension d'anode), un champ électrique alternatif existe non seulement à l'intérieur des chambres, mais également à l'extérieur, près des trous (fentes).

Les électrons volant à proximité de l'anode tombent dans ces champs et, selon la direction du champ, y accélèrent ou y décélèrent. Lorsque les électrons sont accélérés par un champ, ils prennent de l'énergie aux résonateurs, au contraire, lorsqu'ils sont décélérés, ils cèdent une partie de leur énergie aux résonateurs.

Si le nombre d'électrons accélérés et décélérés était le même, alors en moyenne ils ne donneraient pas d'énergie aux résonateurs. Mais les électrons, qui sont ralentis, ont alors une vitesse inférieure à celle qu'ils obtiennent en se déplaçant vers l'anode. Par conséquent, ils n'ont plus assez d'énergie pour retourner à la cathode.

Au contraire, les électrons qui ont été accélérés par le champ du résonateur possèdent alors une énergie supérieure à celle nécessaire pour revenir à la cathode. Par conséquent, les électrons qui, entrant dans le champ du premier résonateur, y sont accélérés, reviendront à la cathode, et ceux qui y sont ralentis ne reviendront pas à la cathode, mais se déplaceront le long de trajectoires courbes près de l'anode et tomberont dans le champ des résonateurs suivants.

À une vitesse de mouvement appropriée (qui est en quelque sorte liée à la fréquence des oscillations dans les résonateurs), ces électrons tomberont dans le champ du deuxième résonateur avec la même phase d'oscillations que dans le champ du premier résonateur, donc , dans le champ du deuxième résonateur , ils ralentiront également.

Ainsi, avec un choix approprié de la vitesse des électrons, c'est-à-diretension d'anode (ainsi que le champ magnétique, qui ne modifie pas la vitesse de l'électron, mais modifie sa direction), il est possible de parvenir à une situation telle qu'un électron individuel sera soit accéléré par le champ d'un seul résonateur, ou ralenti par le champ de plusieurs résonateurs.

Par conséquent, les électrons donneront en moyenne plus d'énergie aux résonateurs qu'ils ne leur en retireront, c'est-à-dire que les oscillations qui se produisent dans les résonateurs augmenteront et, éventuellement, des oscillations d'amplitude constante s'y établiront.

Le processus de maintien des oscillations dans les résonateurs, considéré par nous de manière simplifiée, s'accompagne d'un autre phénomène important, car les électrons, pour être ralentis par le champ du résonateur, doivent voler dans ce champ à une certaine phase d'oscillation du résonateur, est évidemment qu'ils doivent se déplacer dans un flux non uniforme (t. alors ils entreraient dans le champ du résonateur à tout moment, pas à certains moments, mais sous la forme de faisceaux individuels.

Pour cela, tout le flux d'électrons doit être comme une étoile, dans laquelle les électrons se déplacent à l'intérieur dans des faisceaux séparés, et l'ensemble de l'étoile tourne autour de l'axe du magnétron à une vitesse telle que ses faisceaux entrent dans chaque chambre à les bons moments. Le processus de formation de faisceaux séparés dans le faisceau d'électrons est appelé focalisation de phase et s'effectue automatiquement sous l'action du champ variable des résonateurs.

Les magnétrons modernes sont capables de créer des vibrations jusqu'aux fréquences les plus élevées de l'ordre du centimètre (ondes jusqu'à 1 cm et même plus courtes) et de délivrer une puissance jusqu'à plusieurs centaines de watts en rayonnement continu et plusieurs centaines de kilowatts en rayonnement pulsé.

Voir également:Exemples d'utilisation d'aimants permanents dans l'électrotechnique et l'énergie