Génie des micro-ondes - Magnétrons

Contrairement aux tubes discutés jusqu'à présent, les magnétrons sont les tubes à champ croisé dans lesquels les champs électrique et magnétique se croisent, c'est-à-dire perpendiculaires l'un à l'autre. Dans TWT, il a été observé que les électrons, lorsqu'ils sont amenés à interagir avec RF, pendant une durée plus longue, que dans Klystron, entraînaient une efficacité plus élevée. La même technique est suivie dans les magnétrons.

Types de magnétrons

Il existe trois principaux types de magnétrons.

Type de résistance négative

• La résistance négative entre deux segments d'anode est utilisée.
• Ils ont une faible efficacité.
• Ils sont utilisés aux basses fréquences (<500 MHz).

Magnétrons de fréquence cyclotron

• Le synchronisme entre le composant électrique et les électrons oscillants est considéré.

• Utile pour les fréquences supérieures à 100 MHz.

Type d'onde ou de cavité de déplacement

• L'interaction entre les électrons et le champ EM tournant est prise en compte.

• Des oscillations de puissance de crête élevées sont fournies.

• Utile dans les applications radar.

Magnétron à cavité

Le magnétron est appelé magnétron à cavité car l'anode est transformée en cavités résonnantes et un aimant permanent est utilisé pour produire un champ magnétique puissant, où l'action de ces deux éléments fait fonctionner le dispositif.

Construction du magnétron à cavité

Une cathode cylindrique épaisse est présente au centre et un bloc cylindrique de cuivre, est fixé axialement, qui agit comme une anode. Ce bloc anodique est constitué d'un certain nombre de fentes qui agissent comme des cavités anodiques résonnantes.

L'espace présent entre l'anode et la cathode est appelé comme Interaction space. Le champ électrique est présent radialement tandis que le champ magnétique est présent axialement dans le magnétron de la cavité. Ce champ magnétique est produit par un aimant permanent, qui est placé de telle sorte que les lignes magnétiques soient parallèles à la cathode et perpendiculaires au champ électrique présent entre l'anode et la cathode.

Les figures suivantes montrent les détails de construction d'un magnétron à cavité et les lignes magnétiques de flux présentes, axialement.

Ce magnétron à cavité comporte 8 cavités étroitement couplées les unes aux autres. Un magnétron à N cavités a des modes de fonctionnement $ N $. Ces opérations dépendent de la fréquence et de la phase des oscillations. Le déphasage total autour de l'anneau de ces résonateurs à cavité devrait être $ 2n \ pi $ où $ n $ est un entier.

Si $ \ phi_v $ représente le changement de phase relatif du champ électrique alternatif à travers les cavités adjacentes, alors

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

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

Ce qui signifie que $ \ frac {N} {2} $ mode de résonance peut exister si $ N $ est un nombre pair.

Si,

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

Ce mode de résonance est appelé $ \ pi-mode $.

$$ n = 0 \ quad puis \ quad \ phi_v = 0 $$

C'est ce qu'on appelle le Zero mode, car il n'y aura pas de champ électrique RF entre l'anode et la cathode. Ceci est également appelé commeFringing Field et ce mode n'est pas utilisé dans les magnétrons.

Fonctionnement du magnétron à cavité

Lorsque le Cavity Klystron est en fonctionnement, nous avons différents cas à considérer. Examinons-les en détail.

Case 1

Si le champ magnétique est absent, c'est-à-dire B = 0, alors le comportement des électrons peut être observé sur la figure suivante. Considérant un exemple, où l'électrona va directement à l'anode sous la force électrique radiale.

Case 2

En cas d'augmentation du champ magnétique, une force latérale agit sur les électrons. Ceci peut être observé dans la figure suivante, en considérant l'électronb qui prend un chemin courbe, alors que les deux forces agissent sur lui.

Le rayon de ce chemin est calculé comme

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

Elle varie proportionnellement à la vitesse de l'électron et elle est inversement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique.

Case 3

Si le champ magnétique B est encore augmenté, l'électron suit un chemin tel que l'électron c, effleurant simplement la surface de l'anode et rendant le courant d'anode nul. C'est ce qu'on appelle "Critical magnetic field"$ (B_c) $, qui est le champ magnétique de coupure. Reportez-vous à la figure suivante pour une meilleure compréhension.

Case 4

Si le champ magnétique est rendu supérieur au champ critique,

$$ B> B_c $$

Ensuite, les électrons suivent un chemin comme électron d, où l'électron retourne à la cathode, sans aller à l'anode. Ce qui provoque "back heating"de la cathode. Reportez-vous à la figure suivante.

Ceci est réalisé en coupant l'alimentation électrique une fois que l'oscillation commence. Si cela se poursuit, l'efficacité d'émission de la cathode est affectée.

Fonctionnement du magnétron à cavité avec champ RF actif

Nous avons discuté jusqu'à présent du fonctionnement du magnétron à cavité où le champ RF est absent dans les cavités du magnétron (cas statique). Parlons maintenant de son fonctionnement lorsque nous avons un champ RF actif.

Comme dans TWT, supposons que des oscillations RF initiales soient présentes, dues à un bruit transitoire. Les oscillations sont entretenues par le fonctionnement de l'appareil. Il existe trois types d'électrons émis dans ce processus, dont les actions sont comprises comme des électronsa, b et c, dans trois cas différents.

Case 1

Quand des oscillations sont présentes, un électron a, ralentit le transfert d'énergie pour osciller. De tels électrons qui transfèrent leur énergie aux oscillations sont appelés commefavored electrons. Ces électrons sont responsables debunching effect.

Case 2

Dans ce cas, un autre électron, disons b, prend l'énergie des oscillations et augmente sa vitesse. Au fur et à mesure que cela est fait,

• Il se plie plus brusquement.
• Il passe peu de temps dans l'espace d'interaction.
• Il retourne à la cathode.

Ces électrons sont appelés comme unfavored electrons. Ils ne participent pas à l'effet de regroupement. En outre, ces électrons sont nocifs car ils provoquent un «contre-échauffement».

Case 3

Dans ce cas, électron c, qui est émis un peu plus tard, se déplace plus vite. Il essaie de rattraper l'électrona. Le prochain électron émisd, essaie de marcher avec a. En conséquence, les électrons favorisa, c et dforment des paquets d'électrons ou des nuages ​​d'électrons. Il a appelé comme "effet de focalisation de phase".

L'ensemble de ce processus est mieux compris en regardant la figure suivante.

La figure A montre les mouvements d'électrons dans différents cas tandis que la figure B montre les nuages ​​d'électrons formés. Ces nuages ​​d'électrons se produisent pendant le fonctionnement de l'appareil. Les charges présentes sur la surface interne de ces segments d'anode, suivent les oscillations dans les cavités. Cela crée un champ électrique tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, qui peut être réellement vu lors d'une expérience pratique.

Pendant la rotation du champ électrique, les lignes de flux magnétique se forment parallèlement à la cathode, sous l'effet combiné de laquelle, les paquets d'électrons sont formés à quatre rayons, dirigés à intervalles réguliers, vers le segment d'anode positif le plus proche, selon des trajectoires en spirale.