Ingegneria a microonde - Magnetron

A differenza dei tubi discussi finora, i magnetron sono i tubi a campo incrociato in cui i campi elettrico e magnetico si incrociano, cioè corrono perpendicolari l'uno all'altro. In TWT, è stato osservato che gli elettroni, quando fatti interagire con RF, per un tempo più lungo, rispetto a Klystron, risultavano in una maggiore efficienza. La stessa tecnica è seguita in Magnetrons.

Tipi di magnetron

Esistono tre tipi principali di magnetron.

Tipo di resistenza negativa

• Viene utilizzata la resistenza negativa tra due segmenti anodici.
• Hanno una bassa efficienza.
• Sono utilizzati a basse frequenze (<500 MHz).

Magnetroni di frequenza del ciclotrone

• Viene considerato il sincronismo tra la componente elettrica e gli elettroni oscillanti.

• Utile per frequenze superiori a 100 MHz.

Tipo di onda o cavità viaggiante

• Viene presa in considerazione l'interazione tra elettroni e campo elettromagnetico rotante.

• Sono previste oscillazioni di potenza di picco elevate.

• Utile nelle applicazioni radar.

Cavity Magnetron

Il Magnetron è chiamato Cavity Magnetron perché l'anodo è trasformato in cavità risonanti e un magnete permanente viene utilizzato per produrre un forte campo magnetico, dove l'azione di entrambi fa funzionare il dispositivo.

Costruzione di Cavity Magnetron

Al centro è presente uno spesso catodo cilindrico e un blocco cilindrico di rame, fissato assialmente, che funge da anodo. Questo blocco anodico è costituito da una serie di slot che fungono da cavità anodiche risonanti.

Lo spazio presente tra l'anodo e il catodo è chiamato come Interaction space. Il campo elettrico è presente radialmente mentre il campo magnetico è presente assialmente nella cavità magnetron. Questo campo magnetico è prodotto da un magnete permanente, che è posto in modo tale che le linee magnetiche siano parallele al catodo e perpendicolari al campo elettrico presente tra l'anodo e il catodo.

Le figure seguenti mostrano i dettagli costruttivi di un magnetron a cavità e le linee magnetiche di flusso presenti, assialmente.

Questo magnetron a cavità ha 8 cavità strettamente accoppiate l'una all'altra. Un magnetron con cavità N ha modalità di funzionamento $ N $. Queste operazioni dipendono dalla frequenza e dalla fase delle oscillazioni. Lo sfasamento totale attorno all'anello di questi risonatori a cavità dovrebbe essere $ 2n \ pi $ dove $ n $ è un numero intero.

Se $ \ phi_v $ rappresenta la variazione di fase relativa del campo elettrico CA attraverso cavità adiacenti, allora

$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$

Dove $ n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $

Il che significa che $ \ frac {N} {2} $ modalità di risonanza può esistere se $ N $ è un numero pari.

Se,

$$ n = \ frac {N} {2} \ quad poi \ quad \ phi_v = \ pi $$

Questa modalità di risonanza è chiamata $ \ pi-mode $.

$$ n = 0 \ quad poi \ quad \ phi_v = 0 $$

Questo è chiamato come Zero mode, perché non ci sarà campo elettrico RF tra l'anodo e il catodo. Questo è anche chiamato comeFringing Field e questa modalità non è utilizzata nei magnetron.

Funzionamento del cavity magnetron

Quando il Cavity Klystron è in funzione, dobbiamo considerare diversi casi. Vediamoli in dettaglio.

Case 1

Se il campo magnetico è assente, cioè B = 0, il comportamento degli elettroni può essere osservato nella figura seguente. Considerando un esempio, dove electrona va direttamente all'anodo sotto la forza elettrica radiale.

Case 2

Se c'è un aumento del campo magnetico, una forza laterale agisce sugli elettroni. Questo può essere osservato nella figura seguente, considerando l'elettroneb che prende un percorso curvo, mentre entrambe le forze agiscono su di esso.

Il raggio di questo percorso viene calcolato come

$$ R = \ frac {mv} {eB} $$

Varia proporzionalmente alla velocità dell'elettrone ed è inversamente proporzionale all'intensità del campo magnetico.

Case 3

Se il campo magnetico B è ulteriormente aumentato, l'elettrone segue un percorso come l'elettrone c, sfiorando semplicemente la superficie dell'anodo e rendendo zero la corrente anodica. Questo è chiamato come "Critical magnetic field"$ (B_c) $, che è il campo magnetico di esclusione. Fare riferimento alla figura seguente per una migliore comprensione.

Case 4

Se il campo magnetico è maggiore del campo critico,

$$ B> B_c $$

Quindi gli elettroni seguono un percorso come elettroni d, dove l'elettrone salta di nuovo al catodo, senza andare all'anodo. Questo causa "back heating"del catodo. Fare riferimento alla figura seguente.

Ciò si ottiene interrompendo l'alimentazione elettrica una volta iniziata l'oscillazione. Se si continua, l'efficienza di emissione del catodo viene compromessa.

Funzionamento del magnetron a cavità con campo RF attivo

Abbiamo discusso finora del funzionamento del magnetron in cavità dove il campo RF è assente nelle cavità del magnetron (caso statico). Parliamo ora del suo funzionamento quando abbiamo un campo RF attivo.

Come in TWT, supponiamo che siano presenti oscillazioni RF iniziali, dovute a qualche transitorio di rumore. Le oscillazioni sono sostenute dal funzionamento del dispositivo. Ci sono tre tipi di elettroni emessi in questo processo, le cui azioni sono intese come elettronia, b e c, in tre diversi casi.

Case 1

Quando sono presenti oscillazioni, un elettrone a, rallenta il trasferimento di energia per oscillare. Tali elettroni che trasferiscono la loro energia alle oscillazioni sono chiamati comefavored electrons. Questi elettroni sono responsabilibunching effect.

Case 2

In questo caso, un altro elettrone, diciamo b, prende energia dalle oscillazioni e ne aumenta la velocità. Quando e quando questo è fatto,

• Si piega più bruscamente.
• Passa poco tempo nello spazio di interazione.
• Ritorna al catodo.

Questi elettroni sono chiamati come unfavored electrons. Non partecipano all'effetto di raggruppamento. Inoltre, questi elettroni sono dannosi poiché provocano il "riscaldamento della schiena".

Case 3

In questo caso, l'elettrone c, che viene emesso un po 'più tardi, si muove più velocemente. Cerca di mettersi al passo con l'elettronea. Il prossimo elettrone emessod, cerca di intervenire a. Di conseguenza, gli elettroni preferitia, c e dformare grappoli di elettroni o nuvole di elettroni. Si chiamava "effetto di messa a fuoco di fase".

L'intero processo si comprende meglio dando uno sguardo alla figura seguente.

La figura A mostra i movimenti degli elettroni in diversi casi mentre la figura B mostra le nuvole di elettroni formate. Queste nuvole di elettroni si verificano mentre il dispositivo è in funzione. Le cariche presenti sulla superficie interna di questi segmenti anodici, seguono le oscillazioni nelle cavità. Questo crea un campo elettrico che ruota in senso orario, che può essere effettivamente visto durante l'esecuzione di un esperimento pratico.

Durante la rotazione del campo elettrico, le linee di flusso magnetico si formano parallelamente al catodo, sotto il cui effetto combinato, i grappoli di elettroni si formano con quattro raggi, diretti ad intervalli regolari, verso il segmento di anodo positivo più vicino, in traiettorie a spirale.