Mikrowellentechnik - Magnetrons

Im Gegensatz zu den bisher diskutierten Röhren sind Magnetrons die Querfeldröhren, in denen sich das elektrische und das magnetische Feld kreuzen, dh senkrecht zueinander verlaufen. Bei TWT wurde beobachtet, dass Elektronen, wenn sie länger als in Klystron mit RF wechselwirken, zu einer höheren Effizienz führen. Die gleiche Technik wird bei Magnetrons angewendet.

Arten von Magnetrons

Es gibt drei Haupttypen von Magnetrons.

Negativer Widerstandstyp

• Der negative Widerstand zwischen zwei Anodensegmenten wird verwendet.
• Sie haben einen geringen Wirkungsgrad.
• Sie werden bei niedrigen Frequenzen (<500 MHz) eingesetzt.

Zyklotronfrequenz-Magnetrons

• Die Synchronität zwischen der elektrischen Komponente und den oszillierenden Elektronen wird berücksichtigt.

• Nützlich für Frequenzen über 100 MHz.

Wanderwelle oder Hohlraumtyp

• Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und rotierendem EM-Feld wird berücksichtigt.

• Es werden Schwingungen mit hoher Spitzenleistung bereitgestellt.

• Nützlich in Radaranwendungen.

Hohlraum Magnetron

Das Magnetron wird als Hohlraum-Magnetron bezeichnet, da die Anode in Resonanzhohlräume umgewandelt wird und ein Permanentmagnet verwendet wird, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, bei dem die Wirkung dieser beiden das Gerät zum Arbeiten bringt.

Konstruktion von Cavity Magnetron

In der Mitte befindet sich eine dicke zylindrische Kathode, und ein zylindrischer Kupferblock ist axial befestigt, der als Anode wirkt. Dieser Anodenblock besteht aus einer Anzahl von Schlitzen, die als Resonanzanodenhohlräume wirken.

Der zwischen Anode und Kathode vorhandene Raum wird als bezeichnet Interaction space. Das elektrische Feld ist radial vorhanden, während das Magnetfeld axial im Hohlraummagnetron vorhanden ist. Dieses Magnetfeld wird von einem Permanentmagneten erzeugt, der so angeordnet ist, dass die Magnetlinien parallel zur Kathode und senkrecht zu dem zwischen der Anode und der Kathode vorhandenen elektrischen Feld verlaufen.

Die folgenden Figuren zeigen die Konstruktionsdetails eines Hohlraummagnetrons und die axial vorhandenen magnetischen Flusslinien.

Dieses Hohlraum-Magnetron hat 8 Hohlräume, die eng miteinander verbunden sind. Ein Magnetron mit N-Hohlraum hat $ N $ Betriebsarten. Diese Operationen hängen von der Frequenz und der Phase der Schwingungen ab. Die gesamte Phasenverschiebung um den Ring dieser Hohlraumresonatoren sollte $ 2n \ pi $ betragen, wobei $ n $ eine ganze Zahl ist.

Wenn $ \ phi_v $ die relative Phasenänderung des elektrischen Wechselstromfeldes über benachbarte Hohlräume darstellt, dann

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

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

Dies bedeutet, dass der Resonanzmodus $ \ frac {N} {2} $ existieren kann, wenn $ N $ eine gerade Zahl ist.

Wenn,

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

Dieser Resonanzmodus wird als $ \ pi-Modus $ bezeichnet.

$$ n = 0 \ quad dann \ quad \ phi_v = 0 $$

Dies wird als das bezeichnet Zero mode, weil zwischen der Anode und der Kathode kein elektrisches HF-Feld vorhanden ist. Dies wird auch als bezeichnetFringing Field und dieser Modus wird in Magnetrons nicht verwendet.

Betrieb von Cavity Magnetron

Wenn der Cavity Klystron in Betrieb ist, müssen wir verschiedene Fälle berücksichtigen. Lassen Sie uns sie im Detail durchgehen.

Case 1

Wenn das Magnetfeld fehlt, dh B = 0, kann das Verhalten der Elektronen in der folgenden Abbildung beobachtet werden. Betrachtet man ein Beispiel, wo Elektrona geht unter radialer elektrischer Kraft direkt zur Anode.

Case 2

Bei einer Zunahme des Magnetfeldes wirkt eine Seitenkraft auf die Elektronen. Dies kann in der folgenden Abbildung unter Berücksichtigung des Elektrons beobachtet werdenb das nimmt einen gekrümmten Weg, während beide Kräfte auf ihn wirken.

Der Radius dieses Pfades wird berechnet als

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

Sie ändert sich proportional zur Geschwindigkeit des Elektrons und ist umgekehrt proportional zur Magnetfeldstärke.

Case 3

Ist das Magnetfeld B weiter erhöht wird, folgt das Elektron einem Weg wie dem Elektron c, nur die Anodenoberfläche streifen und den Anodenstrom auf Null setzen. Dies wird als "Critical magnetic field"$ (B_c) $, das ist das abgeschnittene Magnetfeld. Weitere Informationen finden Sie in der folgenden Abbildung.

Case 4

Wenn das Magnetfeld größer als das kritische Feld ist,

$$ B> B_c $$

Dann folgen die Elektronen einem Weg als Elektron d, wo das Elektron zur Kathode zurückspringt, ohne zur Anode zu gehen. Dies bewirkt "back heating"der Kathode. Siehe folgende Abbildung.

Dies wird erreicht, indem die Stromversorgung unterbrochen wird, sobald die Schwingung beginnt. Wenn dies fortgesetzt wird, wird die Emissionseffizienz der Kathode beeinträchtigt.

Betrieb des Hohlraummagnetrons mit aktivem HF-Feld

Wir haben bisher den Betrieb des Hohlraummagnetrons diskutiert, bei dem das HF-Feld in den Hohlräumen des Magnetrons fehlt (statischer Fall). Lassen Sie uns nun seine Funktionsweise diskutieren, wenn wir ein aktives HF-Feld haben.

Nehmen wir wie bei TWT an, dass aufgrund eines gewissen Rauschübergangs anfängliche HF-Schwingungen vorhanden sind. Die Schwingungen werden durch den Betrieb des Geräts aufrechterhalten. Bei diesem Prozess werden drei Arten von Elektronen emittiert, deren Aktionen als Elektronen verstanden werdena, b und cin drei verschiedenen Fällen.

Case 1

Wenn Schwingungen vorhanden sind, ein Elektron averlangsamt die Energieübertragung zum Schwingen. Solche Elektronen, die ihre Energie auf die Schwingungen übertragen, werden als bezeichnetfavored electrons. Diese Elektronen sind verantwortlich fürbunching effect.

Case 2

In diesem Fall beispielsweise ein anderes Elektron b, nimmt Energie aus den Schwingungen und erhöht ihre Geschwindigkeit. Wenn dies erledigt ist,

• Es biegt sich schärfer.
• Es verbringt wenig Zeit im Interaktionsraum.
• Es kehrt zur Kathode zurück.

Diese Elektronen heißen als unfavored electrons. Sie nehmen nicht am Bündeleffekt teil. Diese Elektronen sind auch schädlich, da sie eine "Rückerwärmung" verursachen.

Case 3

In diesem Fall Elektron c, die etwas später ausgestrahlt wird, bewegt sich schneller. Es versucht, das Elektron einzuholena. Das nächste emittierte Elektrondversucht mit zu treten a. Infolgedessen die bevorzugten Elektronena, c und dbilden Elektronenbündel oder Elektronenwolken. Es wird als "Phasenfokussierungseffekt" bezeichnet.

Dieser ganze Prozess wird besser verstanden, wenn man sich die folgende Abbildung ansieht.

Abbildung A zeigt die Elektronenbewegungen in verschiedenen Fällen, während Abbildung B die gebildeten Elektronenwolken zeigt. Diese Elektronenwolken treten auf, während das Gerät in Betrieb ist. Die auf der inneren Oberfläche dieser Anodensegmente vorhandenen Ladungen folgen den Schwingungen in den Hohlräumen. Dadurch entsteht ein im Uhrzeigersinn rotierendes elektrisches Feld, das bei der Durchführung eines praktischen Experiments tatsächlich sichtbar ist.

Während sich das elektrische Feld dreht, werden die magnetischen Flusslinien parallel zur Kathode gebildet, unter deren kombinierter Wirkung die Elektronenbündel mit vier Speichen gebildet werden, die in regelmäßigen Abständen in spiralförmigen Bahnen zum nächsten positiven Anodensegment gerichtet sind.