Obrázek 1: Symbol magnetronu v elektrických obvodech
Obrázek 1: Symbol magnetronu v elektrických obvodech
Co je to magnetron?
Magnetron
Obrázek 2: Magnetron МИ 29Г ruské radarové soupravy P-37.
Magnetron je vakuová elektronka pro generování vysokofrekvenčních oscilací a často se používá k výrobě vysokého pulzního výkonu potřebného v radarech. Funkce je založena na modulaci rychlosti elektronů v běžícím prostoru. Magnetron je proto klasifikován jako trubice s dobou letu. Magnetron je samovzbuzující oscilátor, který pracuje jinak než lineární elektronky, jako je elektronka s postupnou vlnou nebo klystron. Relativně jednoduchá konstrukce má tu nevýhodu, že magnetron může obvykle pracovat pouze na pevně stanovené frekvenci. Ta se může pohybovat od 600 MHz do přibližně 95 GHz[1] Elektrické pole a silné magnetické pole jsou v magnetronu uspořádány kolmo na sebe (ve tvaru kříže). Proto se magnetron ve starších publikacích nazývá také „elektronka se zkříženým polem“.
Struktura magnetronu
oddělení
Obrázek 3: Model magnetronu v řezu
Obrázek 3: Model magnetronu v řezu
Magnetron je vlastně dioda, protože k řízení nepoužívá žádnou mřížku. Anodu tvoří pevný měděný blok. Ve středovém otvoru anodového bloku je válcová katoda, přímo vyhřívaná oxidová katoda s vysokou emisivitou, která je uprostřed držena vodiči pro ohřev. Vzhledem k tomu, že anoda je kvůli velkým chladicím plochám obvykle na zemním potenciálu, musí katoda přenášet velmi vysoké záporné napětí. To znamená, že ohřívač musí být také na tomto záporném potenciálu. Jedná se tedy o přímý ohřívač, což znamená, že katoda je přímo připojena k topnému vodiči. Přívodní vodiče musí být dostatečně velké a pevné, aby udržely katodu a topné těleso na místě. Paralelně s katodou je umístěno silné magnetické pole permanentního magnetu.
Obrázek 3: Model magnetronu v řezu
Obrázek 4: Rezonátor v anodovém bloku má funkci paralelního rezonančního obvodu: Stěny anody naproti u štěrbiny jsou kondenzátorem, oklika kolem otvoru je indukčností (pouze s jedním závitem).
Obrázek 4: Rezonátor v anodovém bloku má funkci paralelního rezonančního obvodu: Stěny anody naproti u štěrbiny jsou kondenzátorem, oklika kolem otvoru je indukčností (pouze s jedním závitem).
Obrázek 4: Rezonátor v anodovém bloku má funkci paralelního rezonančního obvodu: Stěny anody naproti u štěrbiny jsou kondenzátorem, oklika kolem otvoru je indukčností (pouze s jedním závitem).
V anodovém bloku je 8 až 20 dutin, které jsou rezonátory dutin určující frekvenci. Když jeden rezonátor kmitá, vybuzuje to i sousední rezonátor, který kmitá, ale s fázovým zpožděním 180°. Díky tomuto zpoždění od rezonátoru k rezonátoru funguje anodový blok jako samostatná zpožďovací linka. Kvůli tomuto zpoždění se tato konstrukce v některých publikacích nazývá také “Multicavity Traveling Wave Magnetron” (Magnetron s více dutinami s putujícími vlnami).
Tyto rezonátory mají spojení s prostorem mezi anodou a katodou prostřednictvím úzké štěrbiny. Účinná plocha anody je tak rozdělena na různé úseky, jejichž počet odpovídá počtu rezonátorů. Prostor mezi anodou a katodou se nazývá interakční prostor. V interakčním prostoru působí na dráhu elektronu elektrostatické pole a magnetické pole.
Obrázek 5: Tvar anody magnetronu
Obrázek 5: Tvar anody magnetronu
Možné tvary rezonátorů jsou znázorněny na obrázku 4, který ukazuje čtyři různé tvary anod vždy v jednom kvadrantu.
- Typ slotu
- Typ kruhového sektoru
- Typ Rising Sun
- Typ otvoru
Klasická konstrukce je děrová, která je vyvrtána a vyfrézována z masivního měděného bloku. První sériově vyráběný magnetron byl právě tohoto typu. Oba typy drážek jsou rovněž frézované. Frézování z relativně měkké mědi je velmi pracný výrobní proces, protože fréza může najednou odebrat jen velmi malé množství materiálu, aniž by ohnula zbytek materiálu. Za účelem minimalizace těchto frézovacích prací byl vyvinut typ kruhového sektoru. Vyrábí se lisováním měděných tyčí (tedy i tyčového typu) do připravených krátkých drážek. Rezonanční frekvenci těchto dutin lze kontrolovat během výroby a korigovat vyfrézováním zářezů do okrajů pásů. Dnešní magnetrony jsou většinou tyčové, protože jejich výroba je nejlevnější.
Jak funguje magnetron?
Princip fungování magnetronu
Stejně jako u všech elektronek s dobou průchodu elektronů lze elektronické procesy spojené s generováním ultravysokofrekvenčních oscilací v magnetronu rozdělit do čtyř fází:
1. proces: Generování a urychlování elektronového proudu.
Obrázek 6: Trajektorie elektronu pod vlivem elektrostatického pole a magnetického pole pro různé hustoty magnetického toku.
Obrázek 6: Trajektorie elektronu pod vlivem elektrostatického pole a magnetického pole pro různé hustoty magnetického toku.
Obrázek 6: Trajektorie elektronu pod vlivem elektrostatického pole a magnetického pole pro různé hustoty magnetického toku.
Pokud se při zahřívání katody přivede na magnetron anodové napětí, elektrony se pohybují po radiálních drahách k anodě. Elektrony jsou urychlovány silným statickým elektrickým polem, a tím absorbují energii. Na obrázku 5 je tmavě modře znázorněna dráha jednoho elektronu bez vlivu magnetického pole; letí po přímé dráze od katody k anodě.
Prochází-li nyní magnetické pole osově prostorem mezi anodou a katodou (tj. pole E a H jsou na sebe kolmá), jsou elektrony vychýleny po epicykloidních drahách. Čím silnější je hustota magnetického toku, tím silnější je výchylka. Hustota toku, při které je dráha elektronů právě tečnou k anodě (znázorněno červeně), se nazývá kritická hustota toku. V praktickém provozním případě je zvolena mnohem vyšší hustota toku, než je kritická (znázorněna oranžově). Elektrony se nemohou dostat k anodě. Ani anodový proud by neprotékal.
Pokud však nemůže protékat žádný anodový proud, pak elektrony nemají dostatek energie k udržení oscilací v rezonátorech navzdory odběru energie. Podstatným zvýšením anodového napětí získají elektrony větší počáteční urychlení směrem k anodě. Čím silnější je anodové napětí, tím rychlejší (tj. energetičtější) jsou elektrony. Magnetické pole pak nemůže na elektrony působit tak dlouho, aby je vychýlilo mimo kritickou dráhu. Tím se anodový proud stává měřitelným. Teoreticky by pak dráha elektronů probíhala přibližně tak, jak je znázorněno v příkladu s fialovou barvou. Tento anodový proud se pohybuje pouze v řádu několika desítek miliampérů, přestože výkony impulzů dosahují megawattů. Je to proto, že anodový proud se kvůli setrvačnosti měřicích přístrojů měří pouze jako průměrná hodnota. Špičkový proud je mnohem vyšší. Prakticky by však taková trajektorie mohla nastat pouze v případě, že anoda nemá žádné rezonátory (nebo jsou tyto rezonátory zkratovány, jak je nakresleno na obrázku 6).
2. proces: Řízení rychlosti elektronů
Obrázek 7: Průběh elektrického pole cirkulační vlny
Obrázek 7: Průběh elektrického pole cirkulační vlny
Elektrony prolétávající kolem štěrbin dutinových rezonátorů je vybuzují k oscilacím. Již první kmitající rezonátor budí i sousední rezonátor, který však kmitá se zpožděním 180°. Ten na druhou stranu vybuzuje další rezonátor atd. Celá řada rezonátorů tvoří zpožďovací linku. Na tomto zpožďovacím vedení vzniká cirkulující elektromagnetická vlna. Protože magnetické pole této vlny působí pouze uvnitř rezonátorů, v běžícím prostoru se projevuje pouze elektrické pole soustředěné ve štěrbinách rezonátorů a ovlivňuje pohyb elektronů.
Na obr. 6 je uvažováno pouze vysokofrekvenční elektrické pole cirkulující vlny a odpovídající rozložení náboje na anodových segmentech v daném čase. Zelené šipky symbolizují pohyby elektronů v anodovém bloku způsobené RF oscilací. VF pole vznikající v rezonátorových štěrbinách a náboje na anodových segmentech působí jako doplněk k trvale přítomnému statickému elektrostatickému poli.
V důsledku toho mění cirkulační vlna potenciály anodových segmentů na hodnoty, které jsou o něco větší (kladnější) nebo o něco menší (zápornější) než anodový stejnosměrný potenciál. Tyto rozdíly nábojů jsou pro daný okamžik označeny značkami „+“ a „-“.
Elektrony vylétající z katody směrem k momentálně kladněji nabitým anodovým segmentům jsou tak dodatečně urychlovány. Tím se magnetická výchylka doprava zesílí a elektrony získají vyšší tangenciální rychlost.
Na druhé straně se zpomalují elektrony letící k aktuálně záporněji nabitým segmentům. Nejsou tak silně vychýleny doprava, a proto dosahují menší tangenciální rychlosti.
3. proces: Hustotní modulace toku elektronů
Obrázek 8: Hustotou modulovaný tok elektronů vyjádřený jako rotující „paprskové kolo”.
Obrázek 8: Hustotou modulovaný tok elektronů vyjádřený jako rotující „paprskové kolo”.
Obrázek 8: Hustotou modulovaný tok elektronů vyjádřený jako rotující „paprskové kolo”.
Po dráze popsané na obr. 5 se však nepohybuje pouze jeden elektron. Katoda jich vyzařuje velmi mnoho do všech směrů. Rozložení je na začátku také velmi rovnoměrné. Pouze vliv elektrických polí rezonátorů způsobuje modulaci rychlosti elektronů.
Vzhledem k rozdílným rychlostem různých skupin elektronů dochází během oběhu elektronů k časovým efektům. Rychlejší elektrony dohánějí pomalejší elektrony. Čím více se přibližují k anodě, tím více se shlukují a výsledkem je hromadění elektronů v podobě otáčejícího se „paprskového kola”.
Protože tato podmínka není statická, protože jak vlna (a tedy i rozložení pole na rezonátorech), tak kolo se špicemi se neustále otáčí, je třeba uvést do souladu tečnou rychlost elektronových špic a rychlost otáčení vlny. Tuto regulaci rychlosti elektronů provádí radarový mechanik nastavením anodového proudu předepsaného v návodu k obsluze.
4. proces: uvolnění energie elektronů do vf pole
Pokud se jeden z paprsků nachází na anodovém segmentu, který je střídavým VF polem superponovaným na stejnosměrné anodové napětí nabit záporněji, pak se elektrony zpomalují a uvolňují svou energii do střídavého VF pole. Na své cestě mezi katodou a anodou se elektrony v paprsku několikrát zpomalí, než dosáhnou příslušného (tehdy zápornějšího) anodového segmentu. Při každém zpomalení a také při konečném nárazu na anodu odevzdávají energii vysokofrekvenčnímu kmitání. Díky několikanásobnému zpomalení elektronu je jeho energie optimálně využita a je dosaženo účinnosti až 80 %.
Obrázek 9: Přechodný proces: Generování tlumeného kmitání jedním elektronem
Přechodný proces
Po zapnutí anodového napětí ještě neexistuje žádné vysokofrekvenční pole. Jednotlivý elektron se pohybuje pod vlivem statického elektrického pole anodového napětí a vlivem magnetického pole, jak je znázorněno na obrázku 5 (červená dráha elektronu). Elektrony jsou nosiči náboje: když prolétají mezerou v dutinových rezonátorech, odevzdávají určitou energii.
Podrobněji vypadá přechodný proces takto: Přestože anoda má ve srovnání s katodou vysoký kladný potenciál (což znamená nedostatek volných elektronů), v kovu je stále dostatek volných elektronů. V klidovém stavu jsou od sebe poměrně konstantně vzdáleny, protože se navzájem odpuzují díky svému zápornému náboji. Nyní proletí mezerou další elektron a navíc odpuzuje okolní klidové elektrony. To ovlivňuje všechny elektrony v okolí díry v anodě. I když elektron už dávno proletěl kolem, chvíli trvá, než se vrátí do klidového stavu. Kolem anodového otvoru vzniká tlumené kmitání rezonanční frekvence.
Procházející elektron se také zpomalil: odevzdal energii dutinovému rezonátoru.
Dutinový rezonátor začne prozatím velmi slabě kmitat s vlastní rezonancí. Okamžitě začne také interakce mezi tímto vf polem (s původně malým výkonem) a elektronovou ocelí. Elektrony jsou navíc ovlivňovány střídavým polem a začíná sled interakcí mezi VF polem a elektrony s modulovanou rychlostí popsaný v procesech 1 až 4. Velmi rychle je dosaženo maximální amplitudy kmitání.
Oscilace bohužel nemá předvídatelnou fázi. Každé kmitání má náhodnou fázi. Vysílací impulsy generované magnetronem proto nejsou vzájemně kkoherentní.
Pomocí koherentního oscilátoru však lze magnetron přimět ke kmitání s jeho fází.[2]
Pracovní režimy magnetronu
Obrázek 10: Oscilační režimy magnetronu (anodové segmenty jsou zobrazeny „odvinuté“).
Obrázek 10: Oscilační režimy magnetronu (anodové segmenty jsou zobrazeny „odvinuté“).
Obrázek 11: Magnetron rozříznutý, zkratové kroužky jsou jasně viditelné
Pracovní frekvence závisí především na rozměrech rezonátorů a na prostoru mezi anodou a katodou. Protože jsou však jednotlivé rezonátory spojeny přes běžící prostor, existuje pro celý systém (zpožďovací vedení) několik rezonančních frekvencí.
Obrázek 10 ukazuje tři ze čtyř možných režimů magnetronu s 12 rezonátory. Pokud magnetron pracuje v některém z dalších režimů (3/4π, 1/2π, 1/4π), snižuje se výkon nebo účinnost a oscilační frekvence.
Pro dosažení stabilního provozu v optimálním režimu π, jsou možná dvě konstrukční opatření:
- Zkratovací kroužky na anodových segmentech
Sudé i liché segmenty jsou propojeny zkratovacími kroužky. V režimu π mají tedy anodové segmenty stejný potenciál. Ostatní režimy jsou potlačeny vyrovnávacími proudy přes tyto zkratovací kroužky.
- Použití rezonátorů s různými vlastními frekvencemi
Jednou z takových variant je anoda typu Rising Sun.
Typ Rising Sun má různě dlouhé otvory. V daném příkladu je rezonanční frekvence každého druhého rezonátoru na třetí harmonické požadované pracovní frekvence v režimu π, tj. trojnásobku základní frekvence. Obvykle tato rezonanční frekvence (protože je lichým násobkem pracovní frekvence) podporuje okraje kmitání v režimu π. Například pokud magnetron pracuje v režimu 1/2π, pak se na proudovém toku oscilací podílejí dva rezonátory, které jsou spolu těsně spřaženy. Jeden rezonátor by nyní pracoval na 2. harmonické, druhý na 6. harmonické. Protože tento menší rezonátor nyní pracuje na sudém násobku a stále musí mít fázový posun 180° kvůli pevné vazbě, je nyní ve fázovém protikladu ke svým sousedním rezonátorům. Tím se již tak nepříznivá účinnost pro špatný režim stává ještě nepříznivější, a pracovní podmínky se tak ještě zhoršují, dokud se tato oscilace nezmění na režim π.
Aby vůbec mohly vzniknout oscilace v jiném než π-režimů, musí počet rezonátorů odpovídat tomuto režim. Například pro režim 3/4π musí být počet rezonátorů dělitelný 6, aby v tomto režimu vznikla cirkulační vlna. Počet možných módů tedy závisí na počtu rezonátorů.
Odpojení energie na magnetronu
VF energii lze z magnetronu odebírat pomocí vazební smyčky. Při frekvencích pod 10 GHz je tato smyčka vytvořena ze středního vodiče koaxiálního kabelu a nachází se uvnitř rezonátoru (obr. 11). Při vyšších frekvencích je efektivnější umístit tuto vazebnou smyčku mimo rezonátor (obr. 12).
Napájení oddělovače VF napětím segmentu je znázorněno na obr. 13. Linka také detekuje magnetické pole vyskytující se mezi rezonátory. Možné je také spojení se zkratovacím kroužkem (obr. 14). Způsob vyvedení energie koaxiálním kabelem je výhodný, protože průchod anodovým blokem musí být vzduchotěsný (vakuová trubice!). Tento koaxiální kabel však může přímo napájet vlnovod. Přímé oddělování přes štěrbinu je běžné i při vysokých frekvencích (a tedy malých rozměrech vlnovodu) (obr. 15). Spojení vlnovodu musí být vzduchotěsně uzavřeno křemenným okénkem s otvorem.
Různé způsoby vyvedení energie z magnetronu
Změna frekvence na magnetronu
Laditelné magnetrony umožňují přesnější vysílací frekvenci v rámci frekvenčního pásma určeného konstrukcí. Změna rezonanční frekvence je způsobena kapacitními nebo induktivními mechanickými změnami rezonátorů.
ladění
indukčnost působení
na ladicí prvky
Obrázek 17: Indukční ladění („Ladění s trnovou korunou“)
ladění
indukčnost působení
na ladicí prvky
Obrázek 17: Indukční ladění („Ladění s trnovou korunou“)
Kapacitní ladění je možné změnou vzdálenosti mezi zkratovacími tyčemi, například vložením kroužku mezi zkratovací tyče. Tento typ ladění se nazývá cookie-cutter tuning, ale používá se jen zřídka. Obvykle se do všech dutinových rezonátorů současně vkládají indukční ladicí písty, které jsou připevněny k rámu a lze je nastavovat zvenčí. Tento typ se nazývá „ladění s trnovou korunou“ (“Crown-of-thorns tuning”). Při tomto ladění lze dosáhnout rozsahu ladění až 1,5 : 1. Hlavním problémem všech ladicích variant je přenos mechanického pohybu do vakuového prostoru trubice.
Obrázek 18: Rezonátory magnetronu s indukčními ladicími prvky
smyčka
Obrázek 18: Rezonátory magnetronu s indukčními ladicími prvky
Příkladem laditelného magnetronu je M5114B vysílače ASR-910. Protože vysílač ASR-910 může pracovat na různých přiřazených frekvencích, aby se snížilo vzájemné rušení, musí být pracovní frekvence vysílače laditelná. Tento magnetron je vybaven ladicím mechanismem pro přesné nastavení vysílací frekvence ASR-910.
Obrázek 18 ukazuje indukční ladicí prvky magnetronu typu TH3123. Rezonátor za přívody pro topné napětí a rezonátor s oddělovací smyčkou nejsou laditelné! To ukazuje nevýhodu ladění: tyto dva rezonátory musí být širokopásmovější než ostatní rezonátory. Tím se snižuje účinnost magnetronu a změna frekvence je možná jen ve velmi úzkém rozmezí.
Jen na okraj: magnetron na obrázku 17 byl otevřen frézou. Ohnutá část jinak kruhového vnějšího okraje anody těsně nad oddělovací smyčkou ukazuje, jak obtížné je nastavit frézku pro práci s velmi měkkou mědí, aniž by se materiál ohnul.
Obrázek 19: Magnetron M5114B zařízení ASR-910
Obrázek 20: Magnetron VMX 1090, použitý v PAR-80. Tento magnetron obsahuje i permanentní magnety potřebné k práci.
Horní mezní frekvence
Renomované zdroje uvádějí jako horní mezní kmitočet pro použití magnetronů k výrobě energie přibližně 95 GHz[1]. Jiné sekundární zdroje uvádějí mnohem vyšší četnost, bohužel však bez uvedení, odkud tato čísla mají.
Uvažujme prakticky: dutinový rezonátor v magnetronu by měl mít rozměry přibližně poloviny vlnové délky generovaného kmitání. Při frekvenci 96 GHz je vlnová délka v rozmezí 3,125 mm. Průměr otvoru by proto měl být přibližně 1,5 mm. Přesnost by měla být hluboko pod 5%, protože všechny dutinové rezonátory by měly mít stejnou rezonanční frekvenci, takže oscilace se zesilují. Máme tedy již požadovanou mechanickou přesnost několika setin milimetru. Možná je to možné až do této chvíle.
Pokud se však požaduje rezonanční frekvence 300 nebo dokonce 400 GHz, pak se rozměry dutinových rezonátorů potřebné pro rezonanci pohybují v řádu desetin milimetru. Požadovaná přesnost by se pak musela pohybovat v řádu několika tisícin milimetru. I kdybychom si však tyto mechanické problémy dokázali představit pro laboratorní zařízení, selže, protože tyto malé vzdálenosti v řádu desetin milimetrů již neumožňují vysoké anodové napětí. Místo vysokofrekvenčního kmitání by pak vzniklo jiskřiště jako u zapalovací svíčky. Z těchto důvodů jsou tyto údaje pro tak vysoké frekvence spíše nepravděpodobné.
Poznámky pod čarou:
- Richard C. Dorf: ”The Electrical Engineering Handbook“, 2. Edition, Seite 1046 (Google Vorschau)
- David J. Greenslade: ”The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection“, University of Essex, (online)
- Další obrázky magnetronů a různé výřezové modely magnetronů naleznete na adrese www.ostron.de.