Mikrodalga Mühendisliği - Magnetronlar
Şimdiye kadar tartışılan tüplerin aksine, Magnetronlar, elektrik ve manyetik alanların kesiştiği, yani birbirine dik uzandığı çapraz alan tüpleridir. TWT'de, elektronların RF ile Klystron'dan daha uzun süre etkileşime girmesi durumunda daha yüksek verimlilikle sonuçlandığı gözlemlendi. Magnetrons'da da aynı teknik izlenir.
Magnetron Türleri
Üç ana tip Magnetron vardır.
Negatif Direnç Tipi
- İki anot segmenti arasındaki negatif direnç kullanılır.
- Verimleri düşüktür.
- Düşük frekanslarda (<500 MHz) kullanılırlar.
Siklotron Frekans Magnetronları
Elektrik bileşeni ile salınan elektronlar arasındaki senkronizasyon dikkate alınır.
100 MHz'den yüksek frekanslar için kullanışlıdır.
Gezici Dalga veya Boşluk Tipi
Elektronlar ve dönen EM alanı arasındaki etkileşim dikkate alınır.
Yüksek tepe güç salınımları sağlanır.
Radar uygulamalarında kullanışlıdır.
Boşluk Magnetron
Magnetron, Cavity Magnetron olarak adlandırılır çünkü anot, rezonans boşluklarına dönüştürülür ve her ikisinin de hareketinin cihazı çalıştırdığı güçlü bir manyetik alan oluşturmak için kalıcı bir mıknatıs kullanılır.
Cavity Magnetron İnşaatı
Merkezde kalın bir silindirik katot bulunur ve bir anot görevi gören silindirik bir bakır blok eksenel olarak sabitlenmiştir. Bu anot bloğu, rezonant anot boşlukları olarak işlev gören bir dizi yuvadan oluşur.
Anot ve katot arasında bulunan boşluğa Interaction space. Elektrik alanı radyal olarak bulunurken, manyetik alan boşluk magnetronunda eksenel olarak mevcuttur. Bu manyetik alan, manyetik çizgiler katoda paralel ve anot ile katot arasında bulunan elektrik alanına dik olacak şekilde yerleştirilen kalıcı bir mıknatıs tarafından üretilir.
Aşağıdaki şekiller, eksenel olarak bir boşluk magnetronunun yapısal ayrıntılarını ve mevcut manyetik akı çizgilerini göstermektedir.
Bu Cavity Magnetron, birbirine sıkıca bağlanmış 8 boşluğa sahiptir. Bir N-boşluklu magnetron, $ N $ işlem moduna sahiptir. Bu işlemler, salınımların frekansına ve fazına bağlıdır. Bu boşluk rezonatörlerinin halkası etrafındaki toplam faz kayması $ 2n \ pi $ olmalıdır, burada $ n $ bir tamsayıdır.
$ \ Phi_v $, AC elektrik alanının bitişik boşluklar boyunca göreceli faz değişimini temsil ediyorsa, o zaman
$$ \ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N} $$
$ N = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2} $
Bu, $ N $ bir çift sayı ise, $ \ frac {N} {2} $ rezonans modunun var olabileceği anlamına gelir.
Eğer,
$$ n = \ frac {N} {2} \ quad ve sonra \ quad \ phi_v = \ pi $$
Bu rezonans moduna $ \ pi-mode $ denir.
$$ n = 0 \ quad sonra \ quad \ phi_v = 0 $$
Bu denir Zero modeçünkü anot ile katot arasında RF elektrik alanı olmayacaktır. Bu aynı zamandaFringing Field ve bu mod magnetronlarda kullanılmaz.
Cavity Magnetron'un Çalışması
Cavity Klystron operasyondayken, dikkate almamız gereken farklı durumlar var. Onları detaylı olarak inceleyelim.
Case 1
Manyetik alan yoksa, yani B = 0 ise, elektronların davranışı aşağıdaki şekilde gözlemlenebilir. Bir örnek göz önüne alındığında, elektrona radyal elektrik kuvveti altında doğrudan anoda gider.
Case 2
Manyetik alanda bir artış varsa, elektronlara yanal bir kuvvet etki eder. Bu, elektron göz önüne alındığında aşağıdaki şekilde görülebilir.b Her iki kuvvet de ona etki ederken kavisli bir yol izler.
Bu yolun yarıçapı şu şekilde hesaplanır:
$$ R = \ frac {mv} {eB} $$
Elektronun hızıyla orantılı olarak değişir ve manyetik alan kuvveti ile ters orantılıdır.
Case 3
Manyetik alan B daha da artar, elektron, elektron gibi bir yol izler c, sadece anot yüzeyini otlatmak ve anot akımını sıfırlamak. Buna "Critical magnetic field"$ (B_c) $, bu manyetik alan kesme alanıdır. Daha iyi anlamak için aşağıdaki şekle bakın.
Case 4
Manyetik alan kritik alandan daha büyük yapılırsa,
$$ B> B_c $$
Sonra elektronlar elektron gibi bir yol izler d, elektronun anoda gitmeden katoda geri sıçradığı yer. Bu "back heatingKatodun ". Aşağıdaki şekle bakın.
Bu, salınım başladığında elektrik beslemesinin kesilmesiyle elde edilir. Buna devam edilirse, katodun yayma verimliliği etkilenir.
Aktif RF Alanıyla Boşluklu Magnetronun Çalışması
Şimdiye kadar, magnetronun boşluklarında RF alanının bulunmadığı (statik durum) boşluk magnetronun çalışmasını tartıştık. Şimdi aktif bir RF alanımız olduğunda işleyişini tartışalım.
TWT'de olduğu gibi, geçici gürültü nedeniyle ilk RF salınımlarının mevcut olduğunu varsayalım. Salınımlar, cihazın çalışmasıyla sürdürülür. Bu süreçte yayılan ve eylemleri elektron olarak anlaşılan üç tür elektron vardır.a, b ve c, üç farklı durumda.
Case 1
Salınımlar mevcut olduğunda, bir elektron a, salınım için enerji transferini yavaşlatır. Enerjisini salınımlara aktaran bu tür elektronlarafavored electrons. Bu elektronlar sorumludurbunching effect.
Case 2
Bu durumda başka bir elektron diyelim bsalınımlardan enerji alır ve hızını artırır. Bu ne zaman yapılırsa,
- Daha keskin bir şekilde bükülür.
- Etkileşim alanında çok az zaman harcıyor.
- Katoda geri döner.
Bu elektronlara unfavored electrons. Demetleme etkisine katılmazlar. Ayrıca, bu elektronlar "geri ısınmaya" neden oldukları için zararlıdır.
Case 3
Bu durumda elektron cbiraz sonra yayılan, daha hızlı hareket eder. Elektronu yakalamaya çalışıra. Bir sonraki yayılan elektrond, adım atmaya çalışır a. Sonuç olarak, tercih edilen elektronlara, c ve delektron demetleri veya elektron bulutları oluşturur. "Faz odaklanma etkisi" olarak adlandırılır.
Aşağıdaki şekle bakıldığında tüm bu süreç daha iyi anlaşılır.
Şekil A, farklı durumlarda elektron hareketlerini gösterirken, Şekil B, oluşan elektron bulutlarını göstermektedir. Bu elektron bulutları, cihaz çalışırken meydana gelir. Bu anot segmentlerinin iç yüzeyinde bulunan yükler, boşluklardaki salınımları takip eder. Bu, saat yönünde dönen bir elektrik alanı yaratır ve pratik bir deney yaparken gerçekten görülebilmektedir.
Elektrik alanı dönerken, manyetik akı çizgileri katoda paralel olarak oluşturulur ve bunların birleşik etkisi altında, spiral yörüngelerde en yakın pozitif anot segmentine düzenli aralıklarla yönlendirilmiş dört parmakla elektron demetleri oluşturulur.