Резонаторный магнетрон
Магнетрон с резонатором представляет собой мощную вакуумную трубку, которая использовалась в первых радиолокационных системах, а затем в микроволновых печах и в линейных ускорителях частиц . Магнетрон с полостью генерирует микроволны, используя взаимодействие потока электронов с магнитным полем , проходя мимо ряда резонаторов с полостью , которые представляют собой небольшие открытые полости в металлическом блоке. Электроны проходят мимо полостей и заставляют микроволны колебаться внутри, подобно тому, как свисток издает звук, когда его возбуждает поток воздуха, проходящий через его отверстие. Резонансная частота устройства определяется физическими размерами полостей. В отличие от других электронных ламп, таких как клистрон или лампа бегущей волны (ЛБВ), магнетрон не может функционировать как усилитель для увеличения интенсивности приложенного микроволнового сигнала; магнетрон служит исключительно электронным генератором, генерирующим микроволновый сигнал из электричества постоянного тока, подаваемого в вакуумную лампу.
Использование магнитных полей в качестве средства управления потоком электрического тока было стимулировано изобретением аудиона Ли де Форестом в 1906 году. Альберт Халл из General Electric Research Laboratory , США, начал разработку магнетронов, чтобы избежать патентов де Фореста. , [1] но они никогда не были полностью успешными. Другие экспериментаторы подхватили работу Халла, и ключевое достижение - использование двух катодов - было представлено Хабанном в Германии в 1924 году. Дальнейшие исследования были ограничены до японской статьи Окабе 1929 года, в которой отмечалось получение сигналов сантиметровой длины волны, что вызвало интерес во всем мире. . Разработка магнетронов с несколькими катодами была предложена А.Л. Сэмюэлем из Bell Telephone Laboratories в 1934 году, что привело к разработкам Постумуса в 1934 году и Ханса Холлмана в 1935 году. Производством занялись Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken и другие. ограничена выходной мощностью, возможно, 10 Вт. К этому времени клистрон производил большую мощность, а магнетрон не получил широкого распространения, хотя Алексеревым и Малеаровым в СССР в 1936 году было построено устройство мощностью 300 Вт (опубликовано в 1940 году). [1]
Магнетрон с резонатором был радикальным усовершенствованием, предложенным Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Университете Бирмингема , Англия, в 1940 году. [2] : 24–26 [3] Их первый рабочий образец производил сотни ватт на длине волны 10 см, что является беспрецедентным достижением. [4] [5] За несколько недель инженеры GEC улучшили его до более чем киловатта, а за несколько месяцев до 25 киловатт, более 100 кВт к 1941 году и до мегаватта к 1943 году. Импульсы высокой мощности генерировались устройством размером с небольшую книгу и передается с антенны длиной всего несколько сантиметров, что уменьшает размер практических радиолокационных систем на порядки. [6] Появились новые радары для ночных истребителей , противолодочной авиации и даже самых мелких кораблей сопровождения. [6] и с этого момента союзники во Второй мировой войне удерживали лидерство в радарах, которое их коллеги в Германии и Японии никогда не могли приблизиться. К концу войны практически все радары союзников были основаны на магнетроне.
Магнетрон продолжал использоваться в радарах в послевоенный период, но потерял популярность в 1960-х годах, когда появились мощные клистроны и лампы бегущей волны . Ключевой характеристикой магнетрона является то, что его выходной сигнал меняется от импульса к импульсу как по частоте, так и по фазе. Это делает его менее подходящим для сравнения импульсов с целью индикации движущихся целей и удаления « помех » с дисплея радара. [7] Магнетрон по-прежнему используется в некоторых радиолокационных системах, но стал гораздо более распространенным в качестве недорогого источника для микроволновых печей. В таком виде сегодня используется более одного миллиарда магнетронов. [7] [8]
Строительство и эксплуатация [ править ]
трубки Обычная конструкция
В обычной электронной лампе ( вакуумной трубке ) электроны испускаются из отрицательно заряженного нагретого компонента, называемого катодом , и притягиваются к положительно заряженному компоненту, называемому анодом . Компоненты обычно расположены концентрически, помещены в контейнер трубчатой формы, из которого удален весь воздух, так что электроны могут свободно перемещаться (отсюда и название «вакуумные» трубки, называемые «клапанами» на британском английском языке).
Если между катодом и анодом вставить третий электрод (называемый управляющей сеткой ), поток электронов между катодом и анодом можно регулировать, изменяя напряжение на этом третьем электроде. Это позволяет полученной электронной лампе (называемой « триодом », поскольку теперь она имеет три электрода) функционировать как усилитель, поскольку небольшие изменения электрического заряда, приложенного к управляющей сетке, приведут к идентичным изменениям гораздо большего тока электронов, протекающих между ними. катод и анод. [9]
одноанодный или магнетрон Корпусный
Идея использования сетки для управления была изобретена Филиппом Ленардом , получившим Нобелевскую премию по физике в 1905 году. В США она была позже запатентована Ли де Форестом , что привело к значительным исследованиям альтернативных конструкций трубок, которые позволили бы избежать его патентов. Одна из концепций использовала магнитное поле вместо электрического заряда для управления потоком тока, что привело к разработке магнетронной трубки. В этой конструкции трубка изготавливалась с двумя электродами, обычно с катодом в виде металлического стержня в центре и анодом в виде цилиндра вокруг него. Трубку поместили между полюсами подковообразного магнита. [10] [ нужен лучший источник ] устроено так, чтобы магнитное поле было ориентировано параллельно оси электродов.
В отсутствие магнитного поля трубка работает как диод, при этом электроны текут непосредственно от катода к аноду. В присутствии магнитного поля на электроны будет действовать сила, перпендикулярная направлению их движения ( сила Лоренца ). В этом случае электроны следуют по изогнутой траектории между катодом и анодом. Кривизной пути можно управлять, изменяя либо магнитное поле с помощью электромагнита , либо изменяя электрический потенциал между электродами.
При очень высоких настройках магнитного поля электроны возвращаются на катод, предотвращая протекание тока. В противоположном полюсе, при отсутствии поля, электроны могут свободно течь прямо от катода к аноду. Существует точка между двумя крайностями, критическим значением или магнитным полем отсечки Халла (и напряжением отсечки), где электроны только достигают анода. В полях вокруг этой точки устройство работает аналогично триоду. Однако магнитное управление из-за гистерезиса и других эффектов приводит к более медленному и менее точному отклику на управляющий ток, чем электростатическое управление с использованием управляющей сетки в обычном триоде (не говоря уже о большем весе и сложности), поэтому магнетроны нашли ограниченное применение в обычные электронные конструкции.
Было замечено, что при работе магнетрона на критическом значении он излучает энергию в радиочастотном спектре. Это происходит потому, что некоторые электроны вместо того, чтобы достичь анода, продолжают кружиться в пространстве между катодом и анодом. Благодаря эффекту, ныне известному как циклотронное излучение , эти электроны излучают радиочастотную энергию. Эффект не очень эффективный. В конце концов электроны попадают на один из электродов, поэтому количество электронов, находящихся в циркулирующем состоянии в любой момент времени, составляет небольшой процент от общего тока. Было также замечено, что частота излучения зависит от размера трубки, и были построены даже ранние образцы, вырабатывающие сигналы в микроволновом режиме.
Ранние традиционные ламповые системы были ограничены диапазонами высоких частот , и хотя системы очень высоких частот стали широко доступны в конце 1930-х годов, сверхвысокочастотные и микроволновые диапазоны были далеко за пределами возможностей обычных схем. Магнетрон был одним из немногих устройств, способных генерировать сигналы в микроволновом диапазоне, и единственным, способным производить высокую мощность на сантиметровых длинах волн.
Магнетрон разделенным анодом с
Первоначальному магнетрону было очень трудно поддерживать работу при критическом значении, и даже тогда количество электронов в циркулирующем состоянии в любой момент времени было довольно низким. Это означало, что он производил сигналы очень малой мощности. Тем не менее, поскольку это одно из немногих устройств, создающих микроволны, интерес к этому устройству и его потенциальным улучшениям был широко распространен.
Первым крупным усовершенствованием стал магнетрон с разделенным анодом , также известный как магнетрон с отрицательным сопротивлением . Как следует из названия, в этой конструкции использовался анод, разделенный на две части — по одному на каждом конце трубки, образуя два полуцилиндра. Когда оба были заряжены до одинакового напряжения, система работала как оригинальная модель. Но, немного изменив напряжение двух пластин , траекторию электронов можно изменить так, чтобы они естественным образом двигались в сторону более низкого напряжения. Пластины были подключены к генератору, который менял относительное напряжение двух пластин на заданной частоте. [10]
В любой момент времени электрон естественным образом будет выталкиваться к стороне трубки с более низким напряжением. Электрон будет тогда колебаться взад и вперед при изменении напряжения. При этом прикладывается сильное магнитное поле, превышающее критическое значение в оригинальной конструкции. Обычно это заставляет электрон возвращаться к катоду, но из-за колеблющегося электрического поля электрон вместо этого следует по петлеобразному пути, который продолжается к анодам. [10]
Поскольку все электроны в потоке испытывали это петлевое движение, количество излучаемой радиочастотной энергии значительно улучшилось. А поскольку движение происходило при любом уровне поля, превышающем критическое значение, больше не было необходимости тщательно настраивать поля и напряжения, и общая стабильность устройства значительно улучшалась. К сожалению, более сильное поле также означало, что электроны часто возвращались к катоду, отдавая ему свою энергию и заставляя его нагреваться. Поскольку обычно это приводит к высвобождению большего количества электронов, иногда это может привести к эффекту неконтролируемого движения, приводящему к повреждению устройства. [10]
Резонаторный магнетрон [ править ]
Большим достижением в конструкции магнетрона стал с резонансной полостью магнетрон или электронно-резонансный магнетрон , который работает на совершенно других принципах. В этой конструкции колебания создаются физической формой анода, а не внешними цепями или полями.
Механически резонаторный магнетрон состоит из большого цельного металлического цилиндра с отверстием, просверленным в центре круглой поверхности. По центру этого отверстия проходит проволока, действующая как катод, а сам металлический блок образует анод. Вокруг этого отверстия, известного как «пространство взаимодействия», находится ряд подобных отверстий («резонаторов»), просверленных параллельно пространству взаимодействия, соединенных с пространством взаимодействия коротким каналом. Получившийся блок выглядит примерно как цилиндр револьвера , с несколько большим центральным отверстием. Ранние модели вырезались с использованием приспособлений для пистолета Кольт . [11] Помня, что в цепи переменного тока электроны движутся по поверхности , а не по сердечнику проводника, параллельные стороны щели действуют как конденсатор, а круглые отверстия образуют индуктор : LC-цепь изготовлена из твердой меди с резонансным частота полностью определяется его размерами.
Магнитное поле установлено на значение значительно ниже критического, поэтому электроны следуют по дуговым траекториям к аноду. Когда они ударяются об анод, они заставляют его заряжаться отрицательно в этой области. Поскольку этот процесс носит случайный характер, некоторые области станут более или менее заряженными, чем области вокруг них. Анод изготовлен из материала с высокой проводимостью, почти всегда из меди, поэтому эти различия в напряжениях вызывают появление токов, которые их выравнивают. Поскольку ток должен обтекать полость снаружи, этот процесс требует времени. За это время дополнительные электроны будут избегать горячих точек и осаждаются дальше вдоль анода, так как туда же поступает дополнительный ток, протекающий вокруг него. Это приводит к формированию осциллирующего тока, поскольку ток пытается уравнять одно место, затем другое. [12]
Колебательные токи, текущие вокруг полостей, и их влияние на поток электронов внутри трубки приводят к генерации большого количества микроволновой радиочастотной энергии в полостях. Полости открыты с одного конца, поэтому весь механизм образует один более крупный микроволновый генератор. «Отвод», обычно провод, сформированный в виде петли, извлекает микроволновую энергию из одной из полостей. В некоторых системах отводной провод заменяется открытым отверстием, которое позволяет микроволнам течь в волновод .
Поскольку для установления колебаний требуется некоторое время, и они изначально случайны, последующие запуски будут иметь другие выходные параметры. Фаза почти никогда не сохраняется, что затрудняет использование магнетрона в системах с фазированной решеткой . Частота также дрейфует от импульса к импульсу, что является более сложной проблемой для более широкого спектра радиолокационных систем. Ни один из них не представляет проблемы ни для радаров непрерывного действия , ни для микроволновых печей.
Общие особенности [ править ]
Все магнетроны с резонатором состоят из нагретого цилиндрического катода с высоким (постоянным или импульсным) отрицательным потенциалом, создаваемым высоковольтным источником питания постоянного тока. Катод расположен в центре вакуумированной лопастной круглой металлической камеры. Стенки камеры являются анодом трубки. Магнитное поле, параллельное оси полости, создается постоянным магнитом . Электроны первоначально движутся радиально наружу от катода, притягиваемые электрическим полем стенок анода. Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спирали наружу по круговой траектории, что является следствием силы Лоренца . По краю камеры расположены цилиндрические полости. По длине полостей вырезаются прорези, открывающиеся в центральное, общее полостное пространство. Когда электроны проходят мимо этих щелей, они индуцируют высокочастотное радиополе в каждой резонансной полости, что, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть радиочастотной энергии извлекается с помощью короткого контура связи, подключенного к волновод (металлическая трубка, обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на нагрузку, которой может быть камера приготовления пищи в микроволновой печи или антенна с высоким коэффициентом усиления в случае радара.
Размеры полостей определяют резонансную частоту и, следовательно, частоту излучаемых микроволн. Однако частота точно не контролируется. Рабочая частота меняется в зависимости от изменения импеданса нагрузки , изменения тока питания и температуры лампы. [13] Это не проблема для таких применений, как отопление или некоторые виды радаров , где приемник можно синхронизировать с неточной частотой магнетрона. другие устройства, например клистрон Там, где необходимы точные частоты, используются .
Магнетрон представляет собой автоколебательное устройство, не требующее никаких внешних элементов, кроме источника питания. Прежде чем возникнут колебания, необходимо подать четко определенное пороговое анодное напряжение; это напряжение является функцией размеров резонансной полости и приложенного магнитного поля. В импульсных приложениях существует задержка в несколько циклов, прежде чем генератор достигнет полной пиковой мощности, и нарастание анодного напряжения должно быть скоординировано с нарастанием выходной мощности генератора. [13]
При четном количестве полостей два концентрических кольца могут соединять чередующиеся стенки полости, чтобы предотвратить неэффективные виды колебаний. Это называется пи-обвязкой, поскольку две перемычки фиксируют разность фаз между соседними полостями на уровне π радиан (180°).
Современный магнетрон — достаточно эффективное устройство. Например, в микроволновой печи входная мощность 1,1 кВт обычно создает около 700 Вт микроволновой мощности, что составляет около 65%. (Высокое напряжение и свойства катода определяют мощность магнетрона.) Большие магнетроны S-диапазона могут производить пиковую мощность до 2,5 мегаватт при средней мощности 3,75 кВт. [13] Некоторые большие магнетроны имеют водяное охлаждение. Магнетрон по-прежнему широко используется там, где требуется высокая мощность, но где точный контроль частоты и фазы неважен.
Приложения [ править ]
 | В этом разделе отсутствует информация о магнетронном распылении . ( март 2023 г. ) |
Радар [ править ]
В радаре волновод магнетрона соединен с антенной . Магнетрон работает с очень короткими импульсами приложенного напряжения, в результате чего излучается короткий импульс мощной микроволновой энергии. Как и во всех первичных радиолокационных системах, излучение, отраженное от цели, анализируется для создания радиолокационной карты на экране.
Некоторые характеристики выходной мощности магнетрона делают использование устройства в радарах несколько проблематичным. Первым из этих факторов является присущая магнетрону нестабильность частоты передатчика. Эта нестабильность приводит не только к сдвигу частоты от одного импульса к другому, но также к сдвигу частоты внутри отдельного передаваемого импульса. Второй фактор заключается в том, что энергия передаваемого импульса распределяется по относительно широкому частотному спектру, что требует от приемника соответствующей широкой полосы пропускания. Эта широкая полоса пропускания позволяет принимать окружающий электрический шум в приемнике, тем самым несколько скрывая слабые радиолокационные эхосигналы, тем самым снижая общее соотношение сигнал/шум приемника и, следовательно, производительность. Третий фактор, в зависимости от применения, — радиационная опасность, вызванная использованием электромагнитного излучения большой мощности. В некоторых приложениях, например, морской радар, установленный на прогулочном судне, радар с выходной магнетронной мощностью от 2 до 4 киловатт часто устанавливается очень близко к зоне, занятой экипажем или пассажирами. На практике эти факторы были преодолены или просто приняты, и сегодня на вооружении находятся тысячи магнетронных авиационных и морских радиолокационных станций. Последние достижения в области авиационных метеорадиолокаторов и морских радаров успешно заменили магнетрон на полупроводниковые СВЧ-генераторы , которые имеют более узкий диапазон выходных частот. Это позволяет использовать более узкую полосу пропускания приемника, а более высокое соотношение сигнал/шум, в свою очередь, позволяет снизить мощность передатчика, уменьшая воздействие ЭМИ.
Отопление [ править ]
В микроволновых печах волновод ведет к радиочастотно-прозрачному порту в варочную камеру. Поскольку фиксированные размеры камеры и ее физическая близость к магнетрону обычно создают в камере структуру стоячей волны, эта картина хаотизируется с помощью моторизованной веерной мешалки в волноводе (чаще в коммерческих печах) или с помощью поворотный стол, который вращает продукты (чаще всего встречается в бытовых духовках).Ранним примером такого применения было то, что британские ученые в 1954 году использовали микроволновую печь для воскрешения криогенно замороженных хомяков . [14]
Освещение [ править ]
В системах освещения с микроволновым возбуждением, таких как серная лампа , магнетрон создает микроволновое поле, которое проходит через волновод в осветительную полость, содержащую светоизлучающее вещество (например, серу , галогениды металлов и т. д.). Несмотря на свою эффективность, эти лампы намного сложнее, чем другие методы освещения, и поэтому не используются широко.В более современных вариантах для генерации микроволн используются HEMT GaN-on-SiC или силовые полупроводниковые устройства , которые существенно менее сложны и могут быть отрегулированы для максимизации светоотдачи с помощью ПИД-регулятора .
История [ править ]
В 1910 году Ганс Гердиен (1877–1951) из корпорации Siemens изобрел магнетрон. [15] [16] В 1912 году швейцарский физик Генрих Грейнахер искал новые способы расчета массы электрона . Он остановился на системе, состоящей из диода с цилиндрическим анодом, окружающим стержнеобразный катод, помещенный в середину магнита. Попытка измерить массу электрона не удалась, поскольку ему не удалось добиться хорошего вакуума в трубке. Однако в рамках этой работы Грейнахер разработал математические модели движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях. [17] [18]
В США Альберт Халл применил эту работу в попытке обойти патенты Western Electric на триод. Western Electric получила контроль над этой конструкцией, купив патенты Ли Де Фореста на управление потоком тока с помощью электрических полей через «сеть». Халл намеревался использовать переменное магнитное поле вместо электростатического для управления потоком электронов от катода к аноду. Работая в General Electric исследовательских лабораториях в Скенектади, штат Нью-Йорк , Халл построил лампы, которые обеспечивали переключение посредством контроля соотношения напряженностей магнитного и электрического полей. В 1921 году он опубликовал несколько статей и патентов на эту концепцию. [19]
Магнетрон Халла изначально не предназначался для генерации электромагнитных волн ОВЧ (очень высокой частоты). Однако в 1924 году чешский физик Август Жачек [20] (1886–1961) и немецкий физик Эрих Хабанн. [21] (1892–1968) независимо обнаружили, что магнетрон может генерировать волны от 100 мегагерц до 1 гигагерца. Жачек, профессор Карлова университета в Праге , опубликовал первую публикацию; однако он публиковался в журнале с небольшим тиражом и поэтому не привлекал особого внимания. [22] Хабанн, студент Йенского университета , исследовал магнетрон для своей докторской диссертации в 1924 году. [23] На протяжении 1920-х годов Халл и другие исследователи по всему миру работали над разработкой магнетрона. [24] [25] [26] Большинство этих ранних магнетронов представляли собой стеклянные вакуумные трубки с несколькими анодами. Однако двухполюсный магнетрон, также известный как магнетрон с разделенным анодом, имел относительно низкий КПД.
В то время как радар разрабатывался во время Второй мировой войны , возникла острая необходимость в мощном микроволновом генераторе, который работал бы на более коротких длинах волн , около 10 см (3 ГГц), а не от 50 до 150 см (200 МГц), которые были доступны. от ламповых генераторов того времени. Было известно, что многорезонаторный резонансный магнетрон был разработан и запатентован в 1935 году Гансом Холлманом в Берлине . [27] Однако немецкие военные посчитали дрейф частоты устройства Холлмана нежелательным и вместо этого основали свои радиолокационные системы на клистроне . Но клистроны в то время не могли достичь той высокой выходной мощности, которой в конечном итоге достигли магнетроны. Это было одной из причин того, что радары немецких ночных истребителей , которые никогда не выходили за пределы диапазона низких УВЧ для самолетов фронтовой авиации, не могли сравниться со своими британскими аналогами. [24] : 229 Аналогичным образом, в Великобритании Альберт Бомонт Вуд предложил в 1937 году систему с «шестью или восемью маленькими отверстиями», просверленными в металлическом блоке, отличающуюся от более поздних производственных конструкций только аспектами вакуумной герметизации. Однако его идея была отвергнута ВМФ, заявившим, что их отдел клапанов слишком занят, чтобы рассматривать ее. [28]
В 1940 году в Бирмингемском университете в Великобритании Джон Рэндалл и Гарри Бут создали действующий прототип магнетрона с резонатором, производивший около 400 Вт. [5] В течение недели эта мощность увеличилась до 1 кВт, а в течение следующих нескольких месяцев, с добавлением водяного охлаждения и множеством изменений в деталях, она выросла до 10, а затем и до 25 кВт. [5] Чтобы справиться с дрейфом частоты, они дискретизировали выходной сигнал и синхронизировали свой приемник с той частотой, которая фактически генерировалась. В 1941 году проблема нестабильности частоты была решена путем соединения Джеймсом Сэйерсом («связывания») чередующихся полостей внутри магнетрона, что уменьшило нестабильность в 5–6 раз. [29] (Обзор ранних конструкций магнетронов, в том числе конструкции Бута и Рэндалла, см. [30] .)
Компания GEC на Уэмбли изготовила 12 прототипов магнетронов с резонатором в августе 1940 года, а № 12 был отправлен в Америку вместе с Боуэном в рамках миссии Тизард , где он был показан 19 сентября 1940 года в квартире Альфреда Лумиса. Американский микроволновый комитет NDRC был ошеломлен уровнем производимой мощности. Однако директор Bell Labs был расстроен, когда он был просканирован рентгеновским аппаратом и обнаружил восемь отверстий вместо шести, как показано на планах GEC. После контакта (по трансатлантическому кабелю) с доктором Эриком Мего, экспертом по электронным лампам GEC, Мего вспомнил, что, когда он попросил 12 прототипов, он сказал, что сделайте 10 с 6 отверстиями, один с 7 и один с 8; времени на внесение изменений в чертежи не было. А для миссии Тизард был выбран номер 12 с 8 лунками. Поэтому Bell Labs решила скопировать образец; и в то время как ранние британские магнетроны имели шесть полостей, американские имели восемь полостей. [31]
По словам Энди Мэннинга из Музея радаров ПВО Королевских ВВС , открытие Рэндалла и Бута было «огромным, масштабным прорывом» и «многие, даже сейчас [2007 г.], считают его самым важным изобретением, появившимся во время Второй мировой войны. ", а профессор военной истории Университета Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман заявляет:
Магнетрон остается основной радиолампой для передачи коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил ход войны, позволив нам разработать бортовые радиолокационные системы, но и остается ключевой технологией, которая сегодня лежит в основе вашей микроволновой печи. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир. [5]
Поскольку Франция только что пала перед нацистами , а у Британии не было денег на разработку магнетрона в массовом масштабе, Уинстон Черчилль согласился, что сэр Генри Тизард должен предложить магнетрон американцам в обмен на их финансовую и промышленную помощь. [5] Ранняя версия мощностью 10 кВт , построенная в Англии исследовательскими лабораториями компании General Electric в Уэмбли , Лондон , была принята на миссию Тизард в сентябре 1940 года. Когда обсуждение перешло к радару, представители ВМС США начали подробно описывать проблемы с их короткими -волновые системы, жалуясь, что их клистроны могут производить только 10 Вт. С размахом «Тэффи» Боуэн вытащил магнетрон и объяснил, что он производит в 1000 раз больше. [5] [32]
Bell Telephone Laboratories последовала примеру и быстро начала делать копии, а к концу 1940 года была создана Радиационная лаборатория на территории Массачусетского технологического института для разработки различных типов радаров с использованием магнетрона. К началу 1941 года переносные бортовые радары сантиметрового диапазона испытывались на американских и британских самолетах. [5] В конце 1941 года Исследовательский институт телекоммуникаций в Соединенном Королевстве использовал магнетрон для разработки революционного бортового радара для картографии местности под кодовым названием H2S. Радар H2S был частично разработан Аланом Блюмлейном и Бернардом Ловеллом .
Магнетрон с резонатором широко использовался во время Второй мировой войны в микроволновом радиолокационном оборудовании, и ему часто приписывают то, что он дал радарам союзников значительное преимущество в производительности перед немецкими и японскими радарами, что напрямую повлияло на исход войны. описал его Позже американский историк Джеймс Финни Бакстер III как «самый ценный груз, когда-либо доставленный к нашим берегам». [33]
Сантиметровый радар, ставший возможным благодаря резонаторному магнетрону, позволил обнаруживать гораздо меньшие объекты и использовать антенны гораздо меньшего размера. Сочетание магнетронов с малым резонатором, небольших антенн и высокого разрешения позволило установить на самолеты небольшие высококачественные радары. Они могли использоваться морской патрульной авиацией для обнаружения объектов размером с перископ подводной лодки, что позволяло самолетам атаковать и уничтожать затопленные подводные лодки, которые ранее были необнаружимы с воздуха. Радары для картирования контуров сантиметрового размера, такие как H2S, улучшили точность бомбардировщиков союзников, используемых в стратегических бомбардировках , несмотря на существование немецкого устройства FuG 350 Naxos для его специального обнаружения. Сантиметровые радары наводки также были гораздо более точными, чем старые технологии. Они сделали линкоры союзников с большими пушками более смертоносными и, наряду с недавно разработанным неконтактным взрывателем , сделали зенитные орудия гораздо более опасными для атакующих самолетов. Оба они соединялись вместе и использовались зенитными батареями, расположенными вдоль траектории полета немецких самолетов. летающие бомбы Фау-1 на пути в Лондон Считается, что уничтожили многие летающие бомбы до того, как они достигли своей цели.
С тех пор было изготовлено много миллионов магнетронов с резонаторами; хотя некоторые из них предназначались для радаров, подавляющее большинство - для микроволновых печей . Использование в самих радарах в некоторой степени сократилось, поскольку, как правило, требовались более точные сигналы, и клистронов и ламп бегущей волны для этих нужд разработчики перешли на системы .
Опасность для здоровья [ править ]
По крайней мере, одна конкретная опасность хорошо известна и задокументирована. Поскольку хрусталик глаза . не имеет охлаждающего кровотока, он особенно склонен к перегреву при воздействии микроволнового излучения Это нагревание, в свою очередь, может привести к более высокой заболеваемости катарактой в более позднем возрасте. [34]
Вокруг магнетронов также существует значительная опасность поражения электрическим током, поскольку для них требуется источник питания высокого напряжения.
небольшое количество оксида бериллия и тория , смешанного с вольфрамом Большинство магнетронов содержат в нити накала . Исключением являются магнетроны более высокой мощности, которые работают при напряжении выше примерно 10 000 вольт, где бомбардировка положительными ионами разрушает металлический торий, поэтому используется чистый вольфрам (легированный калием). Хотя торий является радиоактивным металлом, риск рака невелик, поскольку при нормальном использовании он никогда не передается по воздуху. Только если нить вынуть из магнетрона, мелко раздробить и вдыхать, она может представлять опасность для здоровья. [35] [36] [37]
См. также [ править ]
- Усилитель скрещенного поля
- Ёдзи Ито , японский эксперт по военной электронике, который помог создать первые в Японии магнетроны с резонатором еще в 1939 году. [38]
- Клистрон
- Мазер
- Микроволновая ЭМИ-винтовка
- Радиационная лаборатория
- Лампа бегущей волны
- Миссия Тизарда
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Рыжий, Пол А., «Изобретение резонаторного магнетрона и его внедрение в Канаду и США», La Physique au Canada , ноябрь 2001 г.
- ^ Хорошо, Норман (2019). Слепая бомбардировка: как микроволновый радар принес союзникам день «Д» и победу во Второй мировой войне . Небраска: Потомакские книги/Издательство Университета Небраски. стр. 24–26. ISBN 978-1640-12279-6 .
- ^ «Магнетрон» . Борнмутский университет. 1995–2009. Архивировано из оригинала 26 июля 2011 года . Проверено 23 августа 2009 г.
- ^ Fine 2019 , стр. 24–26.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г Анджела Хинд (5 февраля 2007 г.). «Портфель, который изменил мир » . Новости Би-би-си . Архивировано из оригинала 15 ноября 2007 года . Проверено 16 августа 2007 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Шретер, Б. (весна 2008 г.). «Насколько важна была «Коробка трюков» Тизарда?» (PDF) . Имперский инженер . 8 : 10. Архивировано (PDF) из оригинала 17 июня 2011 г. Проверено 23 августа 2009 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Брукнер, Эли (19–20 апреля 2010 г.). «От 10 000 долларов США до 7 долларов США и 10 долларов США за передатчик и приемник (T/R) на одном чипе». 2010 Международная конференция по происхождению и эволюции резонаторного магнетрона . стр. 1–2. дои : 10.1109/CAVMAG.2010.5565574 . ISBN 978-1-4244-5609-3 .
- ^ Ма, Л. « 3D-компьютерное моделирование магнетронов. Архивировано 10 октября 2008 г. в Wayback Machine ». Лондонский университет, доктор философии. Диссертация. Декабрь 2004 г. По состоянию на 23 августа 2009 г.
- ^ Уайт, Стив. «Электрические клапаны: диоды, триоды и транзисторы» . zipcon.net . Архивировано из оригинала 25 августа 2017 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д «Магнетрон» . electriciantraining.tpub.com . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ Дж. Бриттен (1985). «Магнетрон и начало микроволновой эры». Физика сегодня . 38 (7): 60–67. Бибкод : 1985ФТ....38г..60Б . дои : 10.1063/1.880982 .
- ^ «Операция Магнетрона» . гиперфизика.phy-astr.gsu.edu . Архивировано из оригинала 11 сентября 2017 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Л. В. Тернер (редактор), Справочник инженера-электронщика, 4-е изд. Ньюнс-Баттерворт, Лондон, 1976 г. ISBN 9780408001687 , стр. 7–71–7–77.
- ^ Смит, Австралия; Лавлок, Дж. Э.; Паркс, А.С. (июнь 1954 г.). «Реанимация хомяков после переохлаждения или частичной кристаллизации при температуре тела ниже 0°С» . Природа . 173 (4415): 1136–37. Бибкод : 1954Natur.173.1136S . дои : 10.1038/1731136a0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 13165726 . S2CID 4242031 .
- ^ См.:
- Гердиен Х., Императорский патент Германии № 276 528 (12 января 1910 г.).
- Баннейц, Ф., изд. телеграфии и телефонии ( Карманный справочник по беспроводной на немецком языке). Берлин, Германия: Springer Verlag. п. 514 сноска. ISBN 9783642507892 .
- ^ Герт, Иоахим (2010). «Раннее развитие магнетрона, особенно в Германии». Международная конференция по происхождению и эволюции резонаторного магнетрона (CAVMAG 2010), Борнмут, Англия, Великобритания, 19–20 апреля 2010 г. Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE. стр. 17–22.
- ^ Грейначер, Х. (1912). « Об аппарате для определения э/м». Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 14 :856–64.
- ^ Вольф, дипломированный инженер. (ФХ) Кристиан. «Основы радиолокации» . www.radartutorial.eu . Архивировано из оригинала 23 декабря 2017 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ См.:
- Халл, Альберт В. (1921). «Влияние однородного магнитного поля на движение электронов между коаксиальными цилиндрами» . Физический обзор . 18 (1): 31–57. Бибкод : 1921PhRv...18...31H . дои : 10.1103/PhysRev.18.31 .
- Халл, Альберт В. (сентябрь 1921 г.). «Магнетрон» . Журнал Американского института инженеров-электриков . 40 (9): 715–23. дои : 10.1109/JoAIEE.1921.6594005 . S2CID 51641488 .
- ^ Биографические сведения об Августе Жачеке:
- Ферт, Р.Х. (1962). «Профессор Август Жачек» . Природа . 193 (4816): 625. Бибкод : 1962Natur.193..625F . дои : 10.1038/193625b0 .
- (Анон.) (1956). «70-летие со дня рождения профессора доктора Августа Жачека». Чехословацкий физический журнал . 6 (2): 204–05. Бибкод : 1956CzJPh...6..204. . дои : 10.1007/BF01699894 . S2CID 189766320 . Доступно в Интернете по адресу: Metapress.com. Архивировано 12 марта 2012 г. на Wayback Machine .
- ^ Биографические сведения об Эрихе Хабанне:
- Гюнтер Нагель, «Пионер в области радиотехники. Дело жизни ученого Эриха Хабанна, жившего в Гессенвинкеле, сегодня почти забыто», Bradenburger Blatter (приложение к «Märkische Oderzeitung » , ежедневной газете города Франкфурта в земле Бранденбург, Германия), 15 декабря 2006 г., стр. 9.
- Карлш, Райнер; Петерманн, Хейко, ред. (2007). За и против «гитлеровской бомбы»: исследования атомных исследований в Германии [ За и против «гитлеровской бомбы»: исследования атомных исследований в Германии ] (на немецком языке). Нью-Йорк: Waxmann Publishing Co., стр. 251 сноска.
- ^ См.:
- Жачек, А. (май 1924 г.). «Новый метод генерации незатухающих колебаний» . Журнал по развитию математики и физики (на чешском языке). 53 : 378–80. дои : 10.21136/CPMF.1924.121857 . Доступно (на чешском языке) в: Чешской цифровой математической библиотеке . Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine .
- Жачек, А. (1928). «О методе генерации очень коротких электромагнитных волн». Журнал высокочастотной техники (на немецком языке). 32 : 172–80.
- Жачек А. «Схема производства электрических волн», патент Чехословакии №. 20 293 (подано: 31 мая 1924 г.; выдано: 15 февраля 1926 г.). Доступно (на чешском языке) по адресу: Чешское ведомство промышленной собственности . Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine .
- ^ Хабанн, Эрих (1924). «Новая генераторная трубка». Журнал по высокочастотной технике (на немецком языке). 24 : 115–20, 135–41.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Кайзер, В. (1994). «Развитие электронных ламп и радиолокационных технологий: взаимосвязь науки и технологий». В Блюмтритте, О.; Петцольд, Х.; Эспрей, В. (ред.). Отслеживание истории радара . Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE. стр. 217–36.
- ^ Бриттен, Джеймс Э. (1985). «Магнетрон и начало микроволновой эры». Физика сегодня . 38 (7): 60–67. Бибкод : 1985ФТ....38г..60Б . дои : 10.1063/1.880982 .
- ^ См., например:
- Советские физики:
- Слуцкин, Абрам А.; Штейнберг, Дмитрий Сергеевич (1926). «[Получение колебаний в катодных трубках с помощью магнитного поля]». Журнал Русского физико-химического общества . 58 (2): 395–407.
- Slutskin, Abram A.; Штейнберг, Дмитрий С. (1927). "[Electronic oscillations in two-electrode tubes]". Украинский физический журнал . 1 (2): 22–27.
- Слуцкин А.А.; Штейнберг, Д.С. (май 1929 г.). «Генерация незатухающих коротковолновых колебаний применением магнитного поля». Анналы физики (на немецком языке). 393 (5): 658–70. Бибкод : 1929АнП...393..658С . дои : 10.1002/andp.19293930504 .
- Японские инженеры:
- Яги, Хидэцугу (1928). «Лучная передача ультракоротких волн». Труды Института радиоинженеров . 16 (6): 715–41. Магнетроны обсуждаются во второй части этой статьи.
- Окабе, Киндзиро (март 1928 г.). «[Производство интенсивных сверхкоротких радиоволн магнетроном с разделенным анодом (Часть 3)]». Журнал Института электротехники Японии (на японском языке): 284ff.
- Окабе, Киндзиро (1929). «О коротковолновом пределе магнетронных колебаний». Труды Института радиоинженеров . 17 (4): 652–59.
- Окабе, Киндзиро (1930). «О магнетронных колебаниях нового типа». Труды Института радиоинженеров . 18 (10): 1748–49.
- ^ Холлманн, Ганс Эрих, «Магнетрон», Архивировано 14 января 2018 г. в Wayback Machine, патент США №. 2 123 728 (подано: 27 ноября 1936 г.; выдано: 12 июля 1938 г.).
- ^ Литалл, BW (1995). «Фундаментальная наука и исследования в области военно-морской радиолокации, 1935–1945». В Кингсли, Ф.А. (ред.). Разработка радиолокационного оборудования для Королевского флота, 1935–45 . Лондон, Англия: Macmillan Press Ltd., стр. 68–69.
- ^ Барретт, Дик. «MJBScanlan; Ранние сантиметровые наземные радары - личное воспоминание» . www.radarpages.co.uk . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ Уиллшоу, МЫ; Л. Рашфорт; А.Г. Стейнсби; Р. Лэтэм; AW мячи; А. Х. Кинг (1946). «Мощный импульсный магнетрон: разработка и проектирование для радиолокации» . Журнал Института инженеров-электриков - Часть IIIA: Радиолокация . 93 (5): 985–1005. дои : 10.1049/ji-3a-1.1946.0188 . Проверено 22 июня 2012 г.
- ^ Fine 2019 , стр. 56–64.
- ^ Харфорд, Тим (9 октября 2017 г.). «Как поиски «луча смерти» привели к созданию радара» . Всемирная служба Би-би-си . Архивировано из оригинала 9 октября 2017 года . Проверено 9 октября 2017 г.
Магнетрон ошеломил американцев. Их исследования отставали на годы.
- ^ Бакстер, Джеймс Финни (III) (1946). Ученые против времени . Бостон, Массачусетс: Литтл, Браун и Ко. 142. (Бакстер был официальным историком Управления научных исследований и разработок.)
- ^ Липман, Р.М.; Би Джей Трипати; Р. К. Трипати (1988). «Катаракта, вызванная микроволновым и ионизирующим излучением». Обзор офтальмологии . 33 (3): 200–10. дои : 10.1016/0039-6257(88)90088-4 . ОСТИ 6071133 . ПМИД 3068822 .
- ^ Австралийская организация ядерной науки и технологий. «В доме – АНСТО» . www.ansto.gov.au . Архивировано из оригинала 5 сентября 2017 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ «Видео EngineerGuy: микроволновая печь» . www.engineerguy.com . Архивировано из оригинала 5 сентября 2017 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ EPA, OAR, ORIA, RPD, США (16 июля 2014 г.). «Радиационная защита» . Агентство по охране окружающей среды США . Архивировано из оригинала 1 октября 2006 года . Проверено 5 мая 2018 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Младший Рэймонд К. Уотсон (25 ноября 2009 г.). Происхождение радаров во всем мире: история их развития в 13 странах во время Второй мировой войны . Траффорд Паблишинг. стр. 315–. ISBN 978-1-4269-2110-0 . Проверено 24 июня 2011 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Информация
- Микроволновые печи
- Коллекция магнетронов в Виртуальном музее клапанов. Архивировано 16 июля 2011 г. в Wayback Machine.
- MicrowaveCam.com Видео плазмоидов, созданных в микроволновой печи
- Магнетроны TMD. Архивировано 19 июня 2023 г. в информации о машине Wayback и таблицах данных в формате PDF.
- (Название несколько загадочное) Краткая, превосходная статья о магнетронах; На рис. 13 представлен современный радиолокационный магнетрон.
- Патенты
- US 2123728 Hans Erich Hollmann/Telefunken GmbH: «Магнетрон», подана 27 ноября 1935 г.
- US 2315313 Бухгольц, Х. (1943). Резонатор полости
- США 2357313 Картер, PS (1944). Высокочастотный резонатор и схема для него
- США 2357314 Картер, PS (1944). Схема резонатора
- США 2408236 Спенсер, Польша (1946). Корпус магнетрона
- США 2444152 Картер, PS (1948). Схема резонатора
- США 2611094 Рекс, HB (1952). Резонансная схема индуктивности-емкости
- GB 879677 Декстер, SA (1959). Схемы лампового генератора; радиочастотные выходные связи
