Kỹ thuật vi sóng - Magnetrons

Không giống như các ống được thảo luận cho đến nay, Magnetron là các ống trường chéo trong đó điện trường và từ trường chéo nhau, tức là chạy vuông góc với nhau. Trong TWT, người ta quan sát thấy rằng các electron khi được tạo ra để tương tác với RF, trong một thời gian dài hơn so với Klystron, dẫn đến hiệu suất cao hơn. Kỹ thuật tương tự cũng được thực hiện trong Magnetrons.

Các loại Magnetron

Có ba loại Magnetron chính.

Loại điện trở tiêu cực

Điện trở âm giữa hai đoạn cực dương, được sử dụng.
Chúng có hiệu quả thấp.
Chúng được sử dụng ở tần số thấp (<500 MHz).

Các nam châm tần số Cyclotron

Tính đồng bộ giữa thành phần điện và các electron dao động được coi là.
Hữu ích cho các tần số cao hơn 100MHz.

Sóng du lịch hoặc loại khoang

Tương tác giữa các điện tử và trường EM quay được tính đến.
Các dao động công suất đỉnh cao được cung cấp.
Hữu ích trong các ứng dụng radar.

Khoang Magnetron

Magnetron được gọi là Cavity Magnetron vì cực dương được tạo thành các hốc cộng hưởng và một nam châm vĩnh cửu được sử dụng để tạo ra từ trường mạnh, nơi tác động của cả hai loại này làm cho thiết bị hoạt động.

Cấu tạo của Cavity Magnetron

Một cực âm hình trụ dày có ở tâm và một khối hình trụ bằng đồng, được cố định theo phương trục, đóng vai trò như một cực dương. Khối cực dương này được làm bằng một số khe đóng vai trò như các hốc cực dương cộng hưởng.

Không gian hiện diện giữa cực dương và cực âm được gọi là Interaction space. Điện trường hiện diện xuyên tâm trong khi từ trường hiện diện dọc trục trong magnetron khoang. Từ trường này được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu, nam châm này được đặt sao cho các đường sức từ song song với catốt và vuông góc với điện trường giữa anốt và catốt.

Các hình sau đây cho thấy các chi tiết cấu tạo của một magnetron khoang và các đường sức từ hiện có, theo phương dọc trục.

Khoang Magnetron này có 8 khoang được ghép chặt vào nhau. Một magnetron khoang N có $ N $ phương thức hoạt động. Các hoạt động này phụ thuộc vào tần số và pha của dao động. Tổng độ lệch pha xung quanh vòng của bộ cộng hưởng khoang này phải là $ 2n \ pi $ trong đó $ n $ là một số nguyên.

Nếu $ \ phi_v $ biểu thị sự thay đổi pha tương đối của điện trường xoay chiều qua các hốc liền kề, thì

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

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

Điều đó có nghĩa là chế độ cộng hưởng $ \ frac {N} {2} $ có thể tồn tại nếu $ N $ là một số chẵn.

Nếu,

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

Chế độ cộng hưởng này được gọi là $ \ pi-mode $.

$$ n = 0 \ quad thì \ quad \ phi_v = 0 $$

Điều này được gọi là Zero mode, vì sẽ không có điện trường RF giữa cực dương và cực âm. Điều này còn được gọi làFringing Field và chế độ này không được sử dụng trong magnetron.

Hoạt động của Cavity Magnetron

Khi Khoang Klystron đang hoạt động, chúng tôi có những trường hợp khác nhau cần xem xét. Hãy để chúng tôi đi qua chúng một cách chi tiết.

Case 1

Nếu không có từ trường, tức là B = 0, thì hoạt động của các electron có thể được quan sát trong hình sau. Xét một ví dụ, trong đó electrona trực tiếp đi tới anốt dưới tác dụng của lực điện hướng tâm.

Case 2

Nếu tăng từ trường thì lực bên tác dụng lên các êlectron. Điều này có thể được quan sát trong hình sau, xem xét electronb mà có một đường cong, trong khi cả hai lực tác dụng lên nó.

Bán kính của đường dẫn này được tính bằng

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

Nó thay đổi tỷ lệ thuận với vận tốc của electron và nó tỷ lệ nghịch với cường độ từ trường.

Case 3

Nếu từ trường B được tăng thêm, electron đi theo một con đường chẳng hạn như electron c, chỉ sượt qua bề mặt anốt và làm cho dòng điện cực dương bằng không. Điều này được gọi là "Critical magnetic field"$ (B_c) $, là từ trường cắt. Tham khảo hình sau để hiểu rõ hơn.

Case 4

Nếu từ trường được tạo ra lớn hơn từ trường tới hạn,

$$ B> B_c $$

Khi đó các electron đi theo một con đường là electron d, nơi mà electron nhảy trở lại catốt, mà không đi về anốt. Điều này gây ra "back heating"của catốt. Tham khảo hình sau.

Điều này đạt được bằng cách cắt nguồn cung cấp điện khi bắt đầu dao động. Nếu tiếp tục như vậy, hiệu suất phát xạ của catốt bị ảnh hưởng.

Hoạt động của Magnetron khoang với Trường RF Chủ động

Cho đến nay chúng ta đã thảo luận về hoạt động của magnetron hốc khi trường RF không có trong các hốc của magnetron (trường hợp tĩnh). Bây giờ chúng ta hãy thảo luận về hoạt động của nó khi chúng ta có một trường RF đang hoạt động.

Như trong TWT, chúng ta hãy giả sử rằng các dao động RF ban đầu hiện diện, do một số nhiễu nhất thời. Dao động được duy trì bởi hoạt động của thiết bị. Có ba loại electron được phát ra trong quá trình này, mà hành động của chúng được hiểu là electrona, b và c, trong ba trường hợp khác nhau.

Case 1

Khi có dao động, một êlectron a, truyền năng lượng chậm lại cho dao động. Các electron như vậy truyền năng lượng của chúng cho các dao động được gọi làfavored electrons. Các electron này chịu trách nhiệm chobunching effect.

Case 2

Trong trường hợp này, một electron khác, nói b, lấy năng lượng từ dao động và tăng vận tốc của nó. Như và khi nào việc này được thực hiện,

Nó uốn cong mạnh hơn.
Nó dành ít thời gian trong không gian tương tác.
Nó quay trở lại cực âm.

Các điện tử này được gọi là unfavored electrons. Chúng không tham gia vào hiệu ứng chùm. Ngoài ra, các electron này có hại vì chúng gây ra hiện tượng "nóng ngược".

Case 3

Trong trường hợp này, electron c, được phát ra muộn hơn một chút, di chuyển nhanh hơn. Nó cố gắng bắt kịp electrona. Electron phát ra tiếp theod, cố gắng bước với a. Kết quả là, các electron được ưua, c và dtạo thành chùm điện tử hoặc đám mây điện tử. Nó được gọi là "Hiệu ứng lấy nét theo pha".

Toàn bộ quá trình này được hiểu rõ hơn bằng cách xem hình sau.

Hình A cho thấy các chuyển động của electron trong các trường hợp khác nhau trong khi hình B cho thấy các đám mây electron được hình thành. Những đám mây điện tử này xảy ra trong khi thiết bị đang hoạt động. Các điện tích hiện diện trên bề mặt bên trong của các đoạn anôt này, tuân theo các dao động trong các khoang. Điều này tạo ra một điện trường quay theo chiều kim đồng hồ, có thể được nhìn thấy thực sự khi thực hiện một thí nghiệm thực tế.

Trong khi điện trường quay, các đường sức từ được hình thành song song với catốt, dưới tác dụng tổng hợp của chúng, các chùm electron được hình thành với bốn nan hoa, hướng đều nhau, đến đoạn cực dương gần nhất, theo quỹ đạo xoắn ốc.