MB VAKUUMINIAI ELEKTRONINIAI ĮTAISAI … 2007/4. Magnetronai...industrial/commercial microwave...

Mikrobangų ir optinės elektronikos įtaisai 2008

VGTU EF ESK [email protected]

1

MB VAKUUMINIAI

ELEKTRONINIAI ĮTAISAI

MAGNETRONAI



2

A cavity magnetron is a high-powered vacuum tube that generates

microwaves. They are commonly found in the microwave oven, as well

as various radar applications.

Simple two-pole magnetrons were developed in the 1920s by Albert Hull at

General Electric's Research Laboratories (Schenectady, New York), as an

outgrowth of his work on the magnetic control of vacuum tubes in an attempt to

work around the patents held by Lee DeForest on electrostatic control. The two-

pole magnetron, also known as a split-anode magnetron, had relatively low

efficiency…

There was an urgent need during radar development in World War II for a high-

power microwave generator that worked in shorter wavelengths - around 10 cm

rather than 150 cm - available from tube-based generators of the time. It was

known that a multi-cavity resonant magnetron had been developed in 1935 by

Hans Hollmann in Berlin. However the German military considered its frequency

drift to be undesirable, and based their radar systems on the klystron instead. It

was primarily for this reason that German night fighter radars were never a match

for their British counterparts.

MAGNETRONAI



3

In 1940, at the University of Birmingham in the UK, John Randall and Dr. Harry

Boot produced a working prototype similar to Hollman's cavity magnetron, but

added liquid cooling and a stronger cavity. Randall and Boot soon managed to

increase its power…

Because France had just fallen to the Nazi's and Britain had no money to develop

the magnetron on a massive scale, Churchill agreed that Sir Henry Tizard should

offer the magnetron to the Americans in exchange for their financial and industrial

help.

By September, the Massachusetts Institute of Technology had set up a secret

laboratory to develop the cavity magnetron into a viable radar. Two months later,

it was in mass production, and by early 1941, portable airborne radar were being

installed into American and British planes…

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetron

MAGNETRONAI

…many millions of cavity magnetrons have been manufactured; some for

radar, but the vast majority for another application far more domestic —

the microwave oven.



4

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetron

A microwave oven works by passing microwave radiation, usually at a

frequency of 2.45 GHz (a wavelength of 12.24 cm), through the food. Water,

fat, and other substances in the food absorb energy from the microwaves in a

process called dielectric heating.

Many molecules (such as those of water) are electric dipoles, meaning that

they have a positive charge at one end and a negative charge at the other,

and therefore rotate as they try to align themselves with the alternating electric

field induced by the microwaves.

This molecular movement creates heat as the rotating molecules hit other

molecules and put them into motion. Microwave heating is most efficient on

liquid water, and much less so on fats and sugars (which have less molecular

dipole moment), and frozen water (where the molecules are not free to rotate).

Microwave heating is sometimes explained as a rotational resonance of water

molecules, but this is incorrect: such resonance only occurs in water vapour at

much higher frequencies, at about 20 gigahertz. Moreover, large

industrial/commercial microwave ovens operating at 915 MHz also heat water

and food perfectly well.

MAGNETRONAI



5

Spencer had a chocolate bar in his pocket and noticed (no doubt messily)

that the candy melted when he was near some microwave equipment.

Quickly coming to the conclusion that other types of food could be heated

that way, the Raytheon Company, Spencer’s employer, filed the first

patents for a microwave oven later that year.

The first microwave ovens were developed

around 1946, when in a bit of serendipity,

engineer Percy LeBaron Spencer noticed that

microwave communication equipment could

be used to heat foods.

MAGNETRONAI



6

MAGNETRONAI

• Galingi mikrobangų generatoriai

• Elektronų judėjimą lemia elektrinis ir magnetinis laukai

Turinys

• Magnetrono sandara

• Elektronų judėjimas statiniuose elektriniame ir magnetiniame laukuose

• Virpesių tipai magnetrono rezonansinėje sistemoje

• Elektromagnetinio lauko erdvinės harmonikos periodinėje lėtinimo sistemoje

• Elektromagnetinio lauko erdvinių harmonikų greičiai

• Elektronų ir elektromagnetinio lauko sąveika

• Magnetrono susižadinimo sąlygos

• Magnetronų taikymas



7

MAGNETRONAI



8

MAGNETRONAI



9



10

Magnetrono sandara

1 – katodas, 2 – anodo blokas,

3 - virpesių išvedimo lizdas

Supaprastintas magnetrono

modelis statiniu atveju

)]([q BvEFrrrr

×+−=

t

yBBv

t

xmF yx

d

dqq

d

d2

2

===

t

xBEBvE

t

ymF xy

d

dqqqq

d

d2

2

−=−==

MAGNETRONAI

Elektronus veikia elektrinio

ir magnetinio lauko jėgos



11

Elektronų trajektorijos

Cikloidinė elektrono trajektorija, kai vx0 =

0

Elektronų trajektorijos, kai 00 ≠xv

4 –ąjį elektroną veikianti jėga

lygi 0.

./q/

,qq

./

,q2qq

cc

2

c

2cex

cex

mBRv

B

mE

B

mvR

RmvF

BvBvFE

==

==

=

==+

ω

./

,qq

c

c

BEv

BvE

=

=

Cikloidės viršūnėje v = 2vc .

... trochoidės



12

Kai katodas ir anodas – cilindrų pavidalo, elektronų trajektorijos – epitrochoidės.

Trajektorijos labai priklauso nuo elektrinio ir magnetinio lauko stiprumo.

krBB =

.2

q

,qq2

:

2

kr2

a

2

a

2

kr

m

d

B

U

dB

mU

B

mEdR

BB

=

===

=

Anodo įtampos ir magnetinės indukcijos

kritinių reikšmių sąryšis

Anodo srovės priklausomybė nuo

magnetinės indukcijos

Elektronų cilindrai

Ua

B

Ia =0

0

B

Ia

Bkr

Elektronų trajektorijos



13

5. Tarp elektrovakuuminio diodo anodo ir katodo veikia

10 kV įtampa. Elektronai juda skersiniame

magnetiniame lauke, kurio indukcija 0,1 T. Tarpas

tarp anodo ir katodo 20 mm. Ar tekės diodo srovė?

Raskime elektronų sluoksnio storį, elektrono greitį

sluoksnio paviršiuje ir ciklotroninį dažnį ir periodą.

Magnetronai. Užduotis



13

5. Tarp elektrovakuuminio diodo anodo ir katodo veikia 10 kV įtampa. Elektronai

juda skersiniame magnetiniame lauke, kurio indukcija 0,1 T. Tarpas tarp anodo

ir katodo 20 mm. Ar tekės diodo srovė? Raskime elektronų sluoksnio storį,

elektrono greitį sluoksnio paviršiuje ir ciklotroninį dažnį ir periodą.

.2

q 2

kr

2

a

m

d

B

U=

72

6

2

a 107...2

q10... ⋅≅=<=

m

d

B

U

Srovė netekėtų.

Hz1079,2

rad/s,1075,1.../q/

mm57,02

,m1085,2...qqq

9c

10cc

4

22

c

⋅≅

⋅===

≅

⋅≅==== −

f

mBRv

R

dB

mU

B

mE

B

mvR

ω



14

Periodinės lėtinimo sistemos EM laukas

Elektromagnetinėms bangoms lėtinti elektrovakuuminiuose

prietaisuose naudojamos periodinės sistemos.

Klasikinis periodinės sistemos pavyzdys – spiralinė sistema.

Neatsižvelgiant į slopinimą, sklindančios elektromagnetinės bangos

elektrinį lauką galima išreikšti formule:

)(je),,( ztzyxEE βω −=rr



15


)(je)(),( ztzFyxEE βω −=rr

∑∞

−∞=

−=

n

n zL

nczF

π2jexp)(

∑∞

−∞=

+−=

n

n zL

ntyxEczE

π2jexp),()( βω

rr

( )ztEzE nn βω −=∑∞

∞−

jexp)(rr

L

nn

π2+= ββ

LnL

L

nv

nn

π2π2f +=

+==

βω

β

ωβω

0gg/dd

1

/dd

1

d

dvv

nnn ====

ωβωββω

Floquet teorema

)(j11

1e),,(zt

zyxEEβω −=

rr

)]([j12

1e),,(Lzt

LzyxEE+−+= βω

rr

LeEE βj12

−=rr

Periodinis laukas:

Periodinės sistemos EM laukas sudarytas iš erdvinių harmonikų.



15


( )ztEzE nn βω −=∑∞

∞−

jexp)(rr

L

nn

π2+= ββ

LnL

L

nv

nn

π2π2f +=

+==

βω

β

ωβω

0gg/dd

1

/dd

1

d

dvv

nnn ====

ωβωββω

Periodinės sistemos EM laukas sudarytas iš erdvinių harmonikų.

Didžiausiu faziniu greičiu sklinda nulinė erdvinė harmonika.

Jeigu n ≥ 0, tai erdvinės harmonikos tiesioginės – sklinda z kryptimi.

Jeigu n < 0, ir harmonikos atbulinės – sklinda –z kryptimi.



16

Virpesių tipai magnetrono rezonansinėje sistemoje

Jeigu rezonatoriai vienodi, EM lauko struktūra turi būti vienoda; gali skirtis tik

virpesių fazės.

Uždaroje rezonatorių grandinėlėje fazės sūkio kampas turi būti kartotinis 2π.

,π2 nN =ϕN

nπ2=ϕ n = 0, 1, 2, … , (N–1)

Galimi įvairūs virpesių tipai.

Virpesių tipą atitinka tam tikras anodo

bloko rezonansinis dažnis.

Praktiniu požiūriu svarbiausi yra π tipo

virpesiai (n = N /2, ϕ = π).



17

EM lauko erdvinių harmonikų greičiai

Elektronų srautas sąveikauja su virpesių tipą atitinkančia bėgančiąja banga.

Elektronų ir bangos greičiai turi būti suderinti.

Jeigu elektronas, judėdamas prie anodo paviršiaus, rezonatorių plyšiuose būtų

veikiamas tos pačios fazės virpesių, jis judėtų EM bangos faziniu greičiu ir

lėtinimo sistemos periodą įveiktų per laiką

nn

pT+=ωϕ

τ nn

pTN

n+=

ωτ

π2

pNn

r

N

rΠv n

+=== aa

f

π2 ωττ

γωω nn

pNnr

vΩ =

+==

a

ff

pNn +=γ

π2/nnf ω=

Bangos fazinis greitis prie anodo paviršiaus

Kampinis greitis

– n-ojo tipo virpesių p-osios erdvinės harmonikos kampinė

sklidimo konstanta.

n-ojo virpesių tipo visų erdvinių harmonikų dažnis vienodas:

Erdvinės harmonikos, kurių faziniai greičiai ir amplitudės didžiausi, yra

pagrindinės. π-tipo virpesių atveju pagrindinės yra 0 ir –1 harmonikos.

N

nπ2=ϕ



18

Elektronų ir EM lauko sąveika

Elektronų trochoidinių

trajektorijų pagrindai

statmeni suminio elektrinio

lauko krypčiai.

1–3 elektronai

stabdymo lauke yra

grupuojami.

Stabdymo lauke

elektronų energija

virsta EM lauko

virpesių energija.



19

Elektronų ir EM lauko sąveika

4-as ir kiti greitinami elektronai pasišalina

iš sąveikos srities. Elektromagnetinis

laukas juos nukreipia į katodą.

Bombarduodami katodą elektronai jį

kaitina, todėl galingiems magnetronams

po paleidimo nereikalingas katodo

kaitinimas.

Atidavę energiją sugrupuoti elektronai tolsta nuo katodo, artėja prie anodo.

Stabdomų elektronų srautai sąveikos erdvėje sudaro besisukančius

elektroninius stipinus.



20

Magnetrono susižadinimo sąlygos

Kad magnetrone būtų tenkinama fazių balanso sąlyga, naudojamos erdvinės

harmonikos fazinis ir elektronų greičiai ϕ kryptimi turi būti vienodi.

Elektrinio lauko stipris sąveikos srityje

d

UE a≅ ka rrd −=

Brr

U

B

Ev

)( ka

ac −

=≅γγ

ω )(π kaf

rrfrv nn +

=≅

fc vv =γ

BrrfU n )(π 2

k2a

a

−≅

N

BrrfU n )(π2 2

k2a

a

−≅

Elektrono greitis: Bangos greitis:

Kai naudojama π-tipo virpesių nulinė erdvinė harmonika ir γ = n + pN = N/2,tai

Tada virpesiai susižadina veikiant žemiausiai anodo įtampai, ir nesusižadina

aukštesni bangų tipai.

Amplitudžių balanso sąlyga: ... magnetroniniams generatoriams būdingas

kietas susižadinimas.



21

• Magnetronai – efektyviausi MB generatoriai (η → 60 %).

• Jų galia – iki šimtų kilovatų. Impulsinė galia – iki dešimčių megavatų.

• Naudojimo dažnių ruožas: 0,5–100 GHz (0,6 m–3 mm).

• Sukurta daug magnetronų variantų.

Koaksialiniuose magnetronuose anodo rezonansinė sistema

patalpinta į cilindrą – koaksialinis rezonatorius padidina

virpesių stabilumą.

Atvirkštiniuose anodo sistema yra cilindrinio katodo viduje –

gaunamas mažesnis katodo srovės tankis ir didesnis

patikimumas.

Mitronų darbo dažnį galima keisti elektriniu būdu – keičiant

anodo įtampą.

Magnetronų savybės ir tipai



22

MAGNETRONAI

Industrial CW Magnetrons

Applications in food processing, drying,

curing, plasmas, and linear accelerators

896, 915 and 2450 MHz, others on request

Up to 75 kW Output, at 88% efficiency

Water-cooled anode, external electromagnet,

optional permanent magnets available

Economical rebuild capability

www.caltubelab.com/products/cwm.html



23

1 Filament standby conditions2 Available in forced-air cooled version

15/6.8Fig. 2 112 12.6 5.0 17.0 75 CWM-75L

15/6.8Fig. 2 112 12.6 4.5 16.0 60 CWM-60L

15/6.8Fig. 2 112 12.6 4.0 15.0 50 CWM-50L

15/6.8Fig. 2 112 12.6 3.0 12.8 30 CWM-30L

15/6.8Fig. 2 112 12.6 2.5 12.8 25 CWM-25L

5/2.3Fig. 1 50 7.5 1.0 4.0 2.5 CWM-3L-W2

Weight

lbs/Kg

Outline

Dwg

Filament1

A

Filament1

V

Anode

A

Anode

kV

Power

kWModel Number

L-band Series--896 MHz and 915 MHz Versions

www.caltubelab.com/products/cwm.html

MAGNETRONAI



24

High-Power Pulsed Magnetron-based generators

-Available frequencies: 36–140 GHz

-Pulse duration 20 ns–200 ns

-Peak output power at 95 GHz of 5–10 kW

www.insight-product.com/dnpmag3.htm

MAGNETRONAI

MAGNETRONAI



25



26

Магнетрон для напыления в вакууме тонких (от 5 нм) пленок:

общий вид магнетрона c блоком управления

MAGNETRONAI



27

Vacuum Deposition of Thin Films

MAGNETRONAI



28

Magnetron Ion-Beam Epitaxy deposition system, used for deposition of thin films and

superlattice coatings using magnetron and ion beam techniques.

NORTHWESTERN UNIVERSITY

ADVANCED COATING LABORATORY



29

6. Magnetrono π-tipo virpesių dažnis – 5 GHz. Jo rK

= 1 cm, rA = 2 cm, B0 = 0,1 T, N = 8. Raskime

bangos fazinį greitį.

Magnetronai. Užduotis



29

6. Magnetrono π-tipo virpesių dažnis – 5 GHz. Jo rK = 1 cm, rA = 2 cm, B0

= 0,1 T, N = 8. Raskime bangos fazinį greitį.

Brr

U

B

Ev

)( ka

ac −

=≅N

BrrfU n )(π2 2

k2a

a

−≅

( )m/s1018,1...

π2 8kacf ⋅≅=

+≅≅

N

rrfvv n

MB VAKUUMINIAI ELEKTRONINIAI ĮTAISAI … 2007/4. Magnetronai...industrial/commercial microwave...

Documents

Transcript of MB VAKUUMINIAI ELEKTRONINIAI ĮTAISAI … 2007/4. Magnetronai...industrial/commercial microwave...