Полостной магнетрон - Википедия - Cavity magnetron

«Магнетрон» перенаправляется сюда. Не следует путать с Мегатрон, Метатрон, или же Магнетон (значения).
Магнетрон с удаленной секцией для выявления полостей. Катода в центре не видно. Слева расположена антенна, излучающая микроволны. Магниты, создающие поле, параллельное длинной оси устройства, не показаны.
Аналогичный магнетрон с другой удаленной секцией. Виден центральный катод; антенна, проводящая микроволны вверху; магниты не показаны.
Устаревшие магнетронная трубка 9 ГГц и магниты от советского авиационного радара. Трубка зажата между полюсами двух подковообразных алнико магниты (сверху, снизу), которые создают магнитное поле вдоль оси трубки. Микроволны излучаются из апертуры волновода. (верх) который при использовании прикреплен к волноводу, проводящему микроволны к антенне радара. Использование современных ламп редкоземельные магниты, электромагниты или ферритовые магниты которые намного менее громоздки.

В резонаторный магнетрон это мощный вакуумная труба что порождает микроволны используя взаимодействие потока электроны с магнитное поле при движении мимо серии открытых металлических полостей (объемные резонаторы ). Электроны проходят через отверстия в эти полости и заставляют микроволны колебаться внутри, подобно тому, как свисток издает звук при возбуждении воздушным потоком, проходящим мимо его отверстия. В частота производимых микроволн резонансная частота, определяется физическими размерами полостей. В отличие от других электронных ламп, таких как клистрон или лампа бегущей волны (ЛБВ), магнетрон не может функционировать как усилитель мощности для увеличения интенсивности подаваемого СВЧ-сигнала; магнетрон служит исключительно осциллятор, генерирующий микроволновый сигнал из электричества постоянного тока, подаваемого на вакуумную лампу.

(Обратите внимание, что часто, как в этой статье, магнетрон является сокращением или синонимом резонаторный магнетрон. Тем не менее, есть и другие подобные устройства, также называемые магнетроны но которые не являются магнетронами резонатора, такими как катоды целевых магнетронов, используемые в планарном магнетронном распылении постоянного тока или в мощное импульсное магнетронное распыление. Эти магнетроны не имеют резонансной структуры полости магнетронов, но в остальном имеют много общего.[нужна цитата ])

Ранняя форма магнетрона была изобретена Х. Гердиеном в 1910 году.[1] Другая форма магнетронной трубки, магнетрон с разъемным анодом, была изобретена Альберт Халл из Лаборатория General Electric Research в 1920 году, но он достиг частоты всего 30 кГц.[2] С подобными устройствами экспериментировали многие команды в 1920-х и 1930-х годах. Ганс Эрих Холлманн подал патент на конструкцию, аналогичную современной лампе, в 1935 году,[3] но более стабильная частота клистрон был предпочтен для большинства Немецкие радары в течение Вторая Мировая Война. Важным достижением стал магнетрон с несколькими резонаторами, впервые предложенный в 1934 г. А. Л. Самуэлем из Bell Telephone Laboratories. Однако первый по-настоящему успешный образец был разработан Алексереевым и Малеаровым в СССР в 1936 году, который достиг 300 Вт при 3 ГГц (10 см длина волны ).[2]

Резонаторный магнетрон был радикально улучшен. Джон Рэндалл и Гарри Бут на Бирмингемский университет, Англия в 1940 году.[4] Они изобрели клапан, который мог производить многоцелевыекиловатт импульсы на длине волны 10 см - беспрецедентное достижение.[5] Высокая мощность импульсов от прибора в сантиметровом диапазоне радар практично для Союзники Второй мировой войны, с более коротковолновыми радарами, позволяющими обнаруживать более мелкие объекты с помощью меньших антенн. Компактная трубка магнетрона с резонатором резко уменьшила размер радарных установок.[6] чтобы их было легче установить в ночных истребителях, противолодочных самолетах.[7] и сопровождение кораблей.[6]

В то же время, Ёдзи Ито экспериментировал с магнетронами в Японии и предложил систему предотвращения столкновений с использованием частотной модуляции. Достигнута только низкая выходная мощность. Посетив Германию, где он ранее получил докторскую степень, Ито узнал, что немцы с большим успехом применяют импульсную модуляцию на УКВ. Вернувшись в Японию, в октябре 1941 года он изготовил прототип импульсного магнетрона мощностью 2 кВт, который затем получил широкое распространение.[8]

В послевоенное время магнетрон менее широко использовался для радаров, поскольку выходной сигнал меняется от импульса к импульсу как по частоте, так и по фазе. Это делает метод непригодным для сравнения импульсов с целью обнаружения и удаления "беспорядок "с дисплея радара.[9] Магнетрон по-прежнему используется в некоторых радиолокационных системах, но стал гораздо более распространенным в качестве недорогого источника для микроволновые печи. В этой форме сегодня используется более одного миллиарда магнетронов.[9][10]

Строительство и эксплуатация

Обычная конструкция трубки

В обычной электронной лампе (вакуумная труба ), электроны испускаются из отрицательно заряженного нагретого компонента, называемого катод и притягиваются к положительно заряженному компоненту, называемому анод. Компоненты обычно расположены концентрически, помещены в контейнер трубчатой ​​формы, из которого был откачан весь воздух, так что электроны могут свободно перемещаться (отсюда и название «вакуумные» трубки, которые англичане называют «клапанами»).

Если третий электрод (называемый сетка управления ) вставлен между катодом и анодом, поток электронов между катодом и анодом можно регулировать, изменяя напряжение на этом третьем электроде. Это позволяет полученной электронной лампе (называемой "триод "потому что теперь у него три электрода), чтобы функционировать как усилитель мощности потому что небольшие изменения электрического заряда, приложенного к управляющей сетке, приведут к идентичным изменениям гораздо большего тока электронов, протекающих между катодом и анодом.[11]

Корпусный или одноанодный магнетрон

Идея использования сетки для управления была запатентована Ли де Форест, что привело к значительным исследованиям альтернативных конструкций трубок, которые позволили бы избежать его патентов. Одна концепция использовала магнитное поле вместо электрического заряда для управления током, что привело к разработке магнетронной трубки. В этой конструкции трубка была сделана с двумя электродами, обычно с катодом в виде металлического стержня в центре и анодом в виде цилиндра вокруг него. Трубка помещалась между полюсами подковообразный магнит[12][нужен лучший источник ] расположены так, чтобы магнитное поле было направлено параллельно оси электродов.

В отсутствие магнитного поля трубка работает как диод, а электроны текут прямо от катода к аноду. В присутствии магнитного поля электроны будут испытывать силу, перпендикулярную их направлению движения, согласно правило левой руки. В этом случае электроны движутся по кривой траектории между катодом и анодом. Кривизной траектории можно управлять, изменяя магнитное поле, используя электромагнит, или изменяя электрический потенциал между электродами.

При очень высоких настройках магнитного поля электроны возвращаются на катод, предотвращая протекание тока. В противоположном крайнем случае, без поля, электроны могут свободно течь прямо от катода к аноду. Между двумя крайностями есть точка: критическое значение или же Магнитное поле отсечки корпуса (и напряжение отсечки), когда электроны достигают анода. В полях около этой точки устройство работает как триод. Однако магнитный контроль из-за гистерезис и другие эффекты, приводят к более медленной и менее точной реакции на управляющий ток, чем электростатическое управление с использованием управляющей сетки в обычном триоде (не говоря уже о большем весе и сложности), поэтому магнетроны ограниченно используются в обычных электронных конструкциях.

Было замечено, что когда магнетрон работал на критическом значении, он излучал энергию в радиочастота спектр. Это происходит потому, что несколько электронов вместо того, чтобы достичь анода, продолжают вращаться в пространстве между катодом и анодом. Из-за эффекта, теперь известного как циклотронное излучение эти электроны излучают радиочастотную энергию. Эффект не очень эффективный. В конце концов электроны попадают на один из электродов, поэтому количество в состоянии циркуляции в любой момент времени составляет небольшой процент от общего тока. Было также замечено, что частота излучения зависит от размера трубки, и даже были построены первые образцы, которые генерировали сигналы в микроволновом диапазоне.

Ранние традиционные системы трубок были ограничены высокая частота группы, и хотя очень высокая частота Системы стали широко доступны в конце 1930-х годов, сверхвысокочастотные и микроволновые области были далеко за пределами возможностей обычных схем. Магнетрон был одним из немногих устройств, способных генерировать сигналы в микроволновом диапазоне, и он был единственным, кто мог производить высокую мощность на сантиметровых длинах волн.

Магнетрон с расщепленным анодом

Магнетрон с разъемным анодом (ок. 1935 г.). (оставили) Трубка голая, высотой около 11 см. (верно) Устанавливается для использования между полюсами прочного постоянный магнит

Первоначальный магнетрон было очень трудно поддерживать при критическом значении, и даже тогда количество электронов в состоянии вращения в любой момент времени было довольно низким. Это означало, что он давал очень маломощные сигналы. Тем не менее, как одно из немногих устройств, которые, как известно, создают микроволны, интерес к нему и потенциальным улучшениям был широко распространен.

Первым серьезным улучшением стал магнетрон с расщепленным анодом, также известный как магнетрон с отрицательным сопротивлением. Как следует из названия, в этой конструкции использовался анод, который был разделен на две части - по одному на каждом конце трубки - создавая два полуцилиндра. Когда оба были заряжены одинаковым напряжением, система работала как оригинальная модель. Но, немного изменив напряжение двух пластин, траектория электрона может быть изменена так, чтобы они естественным образом двигались в сторону более низкого напряжения. Пластины были подключены к генератору, который менял относительное напряжение двух пластин на заданную частоту.[12]

В любой момент электрон, естественно, будет подталкиваться к стороне трубки с более низким напряжением. Затем электрон будет колебаться взад и вперед при изменении напряжения. В то же время прилагается сильное магнитное поле, более сильное, чем критическое значение в исходной конструкции. Обычно это заставляет электрон возвращаться к катоду, но из-за колеблющегося электрического поля электрон вместо этого следует по круговой траектории, которая продолжается к анодам.[12]

Поскольку все электроны в потоке испытывали это циклическое движение, количество излучаемой высокочастотной энергии было значительно улучшено. А поскольку движение происходило при любом уровне поля, превышающем критическое значение, больше не было необходимости тщательно настраивать поля и напряжения, и общая стабильность устройства была значительно улучшена. К сожалению, более высокое поле также означало, что электроны часто возвращались к катоду, передавая на него свою энергию и вызывая его нагрев. Поскольку это обычно вызывает высвобождение большего количества электронов, это иногда может привести к эффекту убегания, повреждая устройство.[12]

Полостной магнетрон

Большим достижением в конструкции магнетронов стал резонансная полость магнетрон или же электронно-резонансный магнетрон, который работает по совершенно другим принципам. В этой конструкции колебания создаются физической формой анода, а не внешними цепями или полями.

Схема поперечного сечения резонансная полость магнетрон. Магнитные силовые линии параллельны геометрической оси этой конструкции.

Механически магнетрон с резонатором состоит из большого сплошного металлического цилиндра с отверстием, просверленным в центре круглой поверхности. Проволока, действующая как катод, проходит по центру этого отверстия, а металлический блок сам образует анод. Вокруг этого отверстия, известного как «пространство взаимодействия», имеется ряд аналогичных отверстий («резонаторов»), просверленных параллельно пространству взаимодействия, соединенных с пространством взаимодействия коротким каналом. Получившийся блок выглядит примерно как цилиндр на револьвер, с несколько большим центральным отверстием. (Ранние модели были вырезаны с использованием Кольт пистолет приспособления)[13] Помня, что в цепи переменного тока электроны движутся по поверхности, а не по сердцевине проводника, параллельные стороны прорези действуют как конденсатор в то время как круглые отверстия образуют индуктор: an LC-цепь изготовлен из твердой меди, резонансная частота которого полностью определяется его размерами.

Магнитное поле установлено на значение значительно ниже критического, поэтому электроны следуют по дуговым путям к аноду. Когда они ударяются об анод, они вызывают отрицательный заряд в этой области. Поскольку этот процесс носит случайный характер, некоторые области станут более или менее заряженными, чем области вокруг них. Анод изготовлен из высокопроводящего материала, почти всегда из меди, поэтому эти различия в напряжении вызывают появление токов, которые выравнивают их. Поскольку ток должен течь по внешней стороне полости, этот процесс требует времени. В течение этого времени дополнительные электроны будут избегать горячих точек и оседать дальше вдоль анода, поскольку также поступает дополнительный ток, протекающий вокруг него. Это вызывает образование осциллирующего тока, когда ток пытается выровнять одно пятно, затем другое.[14]

Осциллирующие токи, протекающие вокруг полостей, и их влияние на поток электронов внутри трубки, вызывают генерацию в полостях большого количества микроволновой радиочастотной энергии. Полости открыты с одной стороны, поэтому весь механизм образует один более крупный микроволновый генератор. «Отвод», обычно провод, образованный в виде петли, отбирает микроволновую энергию из одной из полостей. В некоторых системах отводной провод заменяется открытым отверстием, которое позволяет микроволнам проникать в волновод.

Поскольку для настройки колебания требуется некоторое время, и оно изначально является случайным, последующие запуски будут иметь другие выходные параметры. Фаза почти никогда не сохраняется, что затрудняет использование магнетрона в фазированная решетка системы. Частота также дрейфует от импульса к импульсу, что является более сложной проблемой для более широкого набора радарных систем. Ни то, ни другое не представляет проблемы для радиолокаторы непрерывного действия, ни для микроволновых печей.

Общие черты

Изображение магнетрона с резонатором 1984 года в разрезе. Часть правого магнита и медного анодного блока вырезана, чтобы показать катод и полости. В этом старом магнетроне используются две подковообразные алнико магниты, использование современных ламп редкоземельные магниты.

Все магнетроны резонатора состоят из нагреваемого цилиндрического катод при высоком (непрерывном или импульсном) отрицательном потенциале, создаваемом высоковольтным источником постоянного тока. Катод расположен в центре эвакуирован, лопастная, круглая металлическая камера. Стенки камеры являются анодом трубки. А магнитное поле параллельно оси полости накладывается постоянный магнит. Электроны первоначально движутся радиально наружу от катода, притягиваясь электрическим полем стенок анода. Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спирали наружу по круговой траектории, как следствие Сила Лоренца. По краю камеры расположены цилиндрические полости. Прорези прорезаются по длине полостей, которые открываются в центральную общую полость. Когда электроны проходят мимо этих щелей, они создают высокочастотное радиополе в каждой резонансной полости, что, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть радиочастотной энергии извлекается с помощью короткого контура связи, подключенного к волновод (металлическая трубка, обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на загрузку, которая может быть варочной камерой в микроволновой печи или устройством с высоким коэффициентом усиления. антенна в случае радара.

Размеры полостей определяют резонансную частоту и, следовательно, частоту излучаемых микроволн. Однако частоту нельзя точно контролировать. Рабочая частота меняется в зависимости от нагрузки. сопротивление, при изменении тока питания и температуры трубки.[15] Это не проблема при использовании, например, при обогреве, или в некоторых формах радар где приемник может быть синхронизирован с неточной частотой магнетрона. Там, где требуются точные частоты, другие устройства, такие как клистрон используются.

Магнетрон - это автоколебательное устройство, не требующее никаких внешних элементов, кроме источника питания. Перед нарастанием колебаний необходимо приложить четко определенное пороговое анодное напряжение; это напряжение является функцией размеров резонансной полости и приложенного магнитного поля. В импульсных приложениях существует задержка в несколько циклов, прежде чем генератор достигнет полной пиковой мощности, и нарастание анодного напряжения должно координироваться с ростом выходного сигнала генератора.[15]

В случае четного числа полостей два концентрических кольца могут соединять чередующиеся стенки полости, чтобы предотвратить неэффективные режимы колебаний. Это называется пи-перевязкой, потому что две перемычки фиксируют разность фаз между соседними полостями в пи-радианах (180 °).

Современный магнетрон - довольно эффективное устройство. В микроволновой печи, например, входная мощность 1,1 киловатт обычно создает около 700 ватт микроволновой мощности, а эффективность составляет около 65%. (Высокое напряжение и свойства катода определяют мощность магнетрона.) Группа S магнетроны могут производить пиковую мощность до 2,5 мегаватт при средней мощности 3,75 кВт.[15] Некоторые большие магнетроны охлаждаются водой. Магнетрон по-прежнему широко используется в ролях, требующих высокой мощности, но где точный контроль частоты и фазы не важен.

Приложения

Радар

Узел магнетрона мощностью 9,375 ГГц (пиковая) мощностью 20 кВт для раннего коммерческого радара аэропорта в 1947 году. В дополнение к магнетрону (справа) он содержит трубку переключателя TR (передача / прием) и супергетеродинный ствольная коробка передняя 2К25 рефлекторный клистрон трубка гетеродин и 1N21 германиевый диод Смеситель. Отверстие волновода (слева) соединено с волноводом, идущим к антенне.
Основная статья: История радаров (Сантиметровый радар)

В радар волновод магнетрона подключается к антенна. Магнетрон работает с очень короткими импульсами приложенного напряжения, в результате чего излучается короткий импульс мощной микроволновой энергии. Как и во всех первичных радиолокационных системах, отраженное от цели излучение анализируется для создания радиолокационной карты на экране.

Некоторые характеристики мощности магнетрона делают использование устройства в радаре несколько проблематичным. Первым из этих факторов является собственная нестабильность частоты передатчика магнетрона. Эта нестабильность приводит не только к сдвигу частоты от одного импульса к другому, но также к сдвигу частоты в пределах отдельного переданного импульса. Второй фактор заключается в том, что энергия передаваемого импульса распространяется по относительно широкому частотному спектру, что требует, чтобы приемник имел соответственно широкую полосу пропускания. Эта широкая полоса пропускания позволяет принимать окружающий электрический шум в приемник, тем самым несколько заглушая слабые эхо-сигналы радара, тем самым уменьшая общий объем приемника. соотношение сигнал шум и, следовательно, производительность. Третий фактор, в зависимости от области применения, - это радиационная опасность, вызванная использованием мощного электромагнитного излучения. В некоторых приложениях, например, морской радар Установленный на прогулочном судне, радар с мощностью магнетрона от 2 до 4 киловатт часто находится в непосредственной близости от зоны, занятой экипажем или пассажирами. На практике эти факторы преодолены или просто приняты, и сегодня в эксплуатации находятся тысячи магнетронных авиационных и морских радаров. Последние достижения в области авиационных радаров предупреждения о погодных условиях и морских радаров успешно заменили магнетрон на СВЧ полупроводниковые генераторы, которые имеют более узкий диапазон выходной частоты. Это позволяет использовать более узкую полосу пропускания приемника, а более высокое отношение сигнал / шум, в свою очередь, позволяет снизить мощность передатчика, уменьшая воздействие ЭМИ.

Обогрев

Магнетрон из микроволновая печь с магнитом в монтажной коробке. Горизонтальные пластины образуют радиатор, охлаждаемый потоком воздуха от вентилятора. Магнитное поле создается двумя мощными кольцевыми магнитами, нижний из которых хорошо виден. Практически все современные печные магнетроны имеют аналогичную конструкцию и внешний вид.

В микроволновые печи, волновод ведет к радиочастотному прозрачному отверстию в варочной камере. Поскольку фиксированные размеры камеры и ее физическая близость к магнетрону обычно создают в камере модели стоячих волн, этот рисунок случайным образом изменяется с помощью моторизованного вентилятора, подобного вентилятору. режим мешалки в волноводе (чаще в коммерческих духовках) или на поворотном столе, который вращает пищу (чаще всего в бытовых духовках).

Освещение

В системах освещения с СВЧ-возбуждением, таких как серная лампа магнетрон создает микроволновое поле, которое проходит через волновод в осветительный резонатор, содержащий светоизлучающее вещество (например, серу, галогениды металлов и т. д.). Несмотря на свою эффективность, эти лампы намного сложнее, чем другие методы освещения, и поэтому обычно не используются. В более современных вариантах используются силовые полупроводники HEMT или GaN-на-SiC для генерации микроволн, которые значительно менее сложны и могут быть отрегулированы для максимального освещения. вывод с использованием системы ПИД.

История

В 1910 г. Ганс Гердиен (1877–1951) корпорации Сименс изобрел магнетрон.[16][17] В 1912 г. швейцарский физик Генрих Грайнахер искал новые способы расчета масса электрона. Он остановился на системе, состоящей из диода с цилиндрическим анодом, окружающего стержневой катод, помещенный в середину магнита. Попытка измерить массу электрона не удалась, потому что ему не удалось добиться хорошего вакуума в трубке. Однако в рамках этой работы Грайнахер разработал математические модели движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях.[18][19]

В США, Альберт Халл использовать эту работу в попытке обойти Western Electric патенты на триод. Western Electric получила контроль над этой конструкцией, купив Ли Де Форест Патенты на управление током с помощью электрических полей через «сетку». Халл намеревался использовать переменное магнитное поле вместо электростатического для управления потоком электронов от катода к аноду. Работая в General Electric исследовательских лабораторий в Скенектади, Нью-Йорк Корпуса построили трубки, обеспечивающие переключение за счет контроля соотношения напряженности магнитного и электрического полей. Он выпустил несколько статей и патентов на эту концепцию в 1921 году.[20]

Магнетрон Халла изначально не предназначался для генерации электромагнитных волн УКВ (очень высокой частоты). Однако в 1924 году чешский физик Август Жачек[21] (1886–1961) и немецкий физик Эрих Хабанн[22] (1892–1968) независимо обнаружили, что магнетрон может генерировать волны от 100 мегагерц до 1 гигагерца. Жачек, профессор пражского Карлов университет, опубликовано первым; однако он публиковался в журнале с небольшим тиражом и поэтому не привлек к себе особого внимания.[23] Хабанн, студентка Йенский университет, исследовал магнетрон для своей докторской диссертации 1924 г.[24] На протяжении 1920-х годов Халл и другие исследователи по всему миру работали над созданием магнетрона.[25][26][27] Большинство этих ранних магнетронов представляли собой стеклянные вакуумные трубки с несколькими анодами. Однако двухполюсный магнетрон, также известный как магнетрон с разъемным анодом, имел относительно низкий КПД.

Пока радар разрабатывался во время Вторая Мировая Война возникла острая потребность в мощном микроволновая печь генератор, который работал короче длины волн, около 10 см (3 ГГц), а не 50–150 см (200 МГц), которые были доступны у ламповых генераторов того времени. Было известно, что многокамерный резонансный магнетрон был разработан и запатентован в 1935 г. Ганс Холлманн в Берлин.[3] Тем не менее, немецкие военные сочли дрейф частоты устройства Холлмана нежелательным и основали свои радарные системы на клистрон вместо. Но клистроны в то время не могли достичь той высокой выходной мощности, которой в конечном итоге достигли магнетроны. Это была одна из причин того, что немецкий ночной истребитель радары, которые никогда не выходили за пределы диапазон низких УВЧ для начала для фронтовой авиации не могли сравниться со своими британскими аналогами.[25]:229 Точно так же в Великобритании Альберт Бомонт Вуд подробно описал систему с «шестью или восемью маленькими отверстиями», просверленными в металлическом блоке, идентичную более поздним производственным проектам. Однако его идея была отвергнута военно-морскими силами, которые заявили, что их клапанный отдел слишком занят, чтобы рассматривать ее.[28]

Сэр Джон Рэндалл и Гарри Бут оригинальный магнетрон с резонатором, разработанный в 1940 г. Бирмингемский университет, Англия
Электромагнит, используемый в сочетании с оригинальным магнетроном Рэндалла и Бута.
Анодный блок, который является частью магнетрона резонатора, разработанный Randall и Boot

В 1940 г. Бирмингемский университет в Соединенном Королевстве, Джон Рэндалл и Гарри Бут изготовлен рабочий прототип резонаторного магнетрона мощностью около 400 Вт.[5] В течение недели он увеличился до 1 кВт, а в течение следующих нескольких месяцев, с добавлением водяного охлаждения и множеством изменений деталей, он увеличился до 10, а затем до 25 кВт.[5] Чтобы справиться с его дрейфом частоты, они дискретизировали выходной сигнал и синхронизировали свой приемник с той частотой, которая фактически генерировалась. В 1941 г. проблема нестабильности частоты была решена Джеймс Сэйерс соединение («обвязка») чередующихся полостей внутри магнетрона, что уменьшало нестабильность в 5–6 раз.[29] (Обзор ранних конструкций магнетронов, в том числе конструкции Бута и Рэндалла, см. [30]) По словам Энди Мэннинга из Музей радаров ПВО RAF, Открытие Рэндалла и Бута было «грандиозным прорывом» и «многие даже сейчас считают его самым важным изобретением, появившимся после Второй мировой войны», в то время как профессор военной истории в Университет Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман утверждает:

Магнетрон остается основной радиолампой для коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил ход войны, позволив нам разрабатывать бортовые радиолокационные системы, но и остается ключевой технологией, которая сегодня лежит в основе вашей микроволновой печи. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир.[5]

Потому что Франция только что пала Нацисты и у Британии не было денег на массовую разработку магнетрона, Уинстон Черчилль согласился, что Сэр Генри Тизард должны предложить магнетрон американцам в обмен на их финансовую и промышленную помощь.[5] Раннее 10 кВт версия, построенная в Англии Компания General Electric Исследовательские лаборатории, Уэмбли, Лондон (не путать с одноименной американской компанией General Electric) был взят на Миссия Тизарда в сентябре 1940 года. Когда обсуждение перешло к радарам, представители ВМС США начали подробно рассказывать о проблемах своих коротковолновых систем, жалуясь на то, что их клистроны могут производить только 10 Вт. "Ириска" Боуэн вытащил магнетрон и объяснил, что он производит в 1000 раз больше.[5][31]

Bell Telephone Laboratories взяли пример и быстро начали делать копии, и до конца 1940 г. Радиационная лаборатория был создан в кампусе Массачусетский Институт Технологий разработать различные типы радаров с использованием магнетрона. К началу 1941 года переносные сантиметровые бортовые радары проходили испытания на американских и британских самолетах.[5] В конце 1941 г. Учреждение телекоммуникационных исследований в Соединенном Королевстве использовали магнетрон для разработки революционного бортового радара для картографирования земли под кодовым названием H2S. В H2S радар частично был разработан Алан Блюмлейн и Бернард Ловелл.

Магнетрон с резонатором широко использовался в Вторая Мировая Война в микроволновом радиолокационном оборудовании, и часто считается, что радар союзников имеет значительное преимущество в производительности перед Немецкий и Японский радары, тем самым напрямую влияя на исход войны. Позже он был описан американским историком. Джеймс Финни Бакстер III как «[т] он самый ценный груз, когда-либо доставленный к нашим берегам».[32]

Сантиметровый радар, ставший возможным благодаря магнетрону с резонатором, позволял обнаруживать гораздо меньшие объекты и использовать гораздо меньшие антенны. Комбинация магнетронов с малым резонатором, небольших антенн и высокого разрешения позволила установить в самолетах небольшие высококачественные радары. Они могли использоваться морскими патрульными самолетами для обнаружения объектов размером с перископ подводной лодки, что позволяло самолетам атаковать и уничтожать подводные лодки, которые ранее нельзя было обнаружить с воздуха. Радиолокаторы с сантиметровым контуром, такие как H2S улучшена точность бомбардировщиков союзников, используемых в стратегическая бомбардировка, несмотря на наличие немецкого FuG 350 Наксос устройство, чтобы специально его обнаружить. Сантиметровые радиолокаторы наводки также были намного точнее, чем старые технологии. Они сделали крупнокалиберные линкоры союзников более смертоносными и вместе с недавно разработанными бесконтактный взрыватель, сделало зенитные орудия намного более опасными для атакующей авиации. Эти два соединены вместе и используются зенитными батареями, размещенными вдоль траектории полета немецких Летающие бомбы Фау-1 на пути к Лондон, приписывают уничтожение многих летающих бомб, прежде чем они достигли своей цели.

С тех пор были изготовлены миллионы резонаторных магнетронов; в то время как некоторые из них были для радаров, подавляющее большинство были для микроволновые печи. Использование в самих радарах в некоторой степени сократилось, поскольку в целом требовались более точные сигналы, и разработчики перешли на клистрон и лампа бегущей волны системы для этих нужд.

Опасности для здоровья

Осторожно: опасность радиоволн
Осторожно: ядовитые частицы для легких.

В частности, как минимум одна опасность хорошо известна и задокументирована. Поскольку линза из глаз не имеет охлаждающего кровотока, особенно склонен к перегреву при воздействии микроволнового излучения. Этот нагрев, в свою очередь, может привести к более частому возникновению катаракта в более поздней жизни.[33]

Вокруг магнетронов также существует значительная опасность поражения электрическим током, поскольку для них требуется источник питания высокого напряжения.

Некоторые магнетроны имеют оксид бериллия (бериллий) керамические изоляторы, которые опасны при раздавливании, вдыхании или ином проглатывании. Единичное или хроническое воздействие может привести к бериллиоз, неизлечимое заболевание легких. Кроме того, бериллия внесена в список подтвержденных канцерогенов для человека МАИР; поэтому с сломанными керамическими изоляторами или магнетронами нельзя обращаться напрямую.

Все магнетроны содержат небольшое количество торий смешанный с вольфрам в их нить. Хотя это радиоактивный металл, риск рака невелик, поскольку он никогда не переносится по воздуху при нормальном использовании. Только если нить вынуть из магнетрона, измельчить и вдохнуть, она может представлять опасность для здоровья.[34][35][36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала на 20.11.2016. Получено 2016-11-19.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  2. ^ а б Рэдхед, Пол А., "Изобретение резонаторного магнетрона и его внедрение в Канаду и США", La Physique au Canada, Ноябрь 2001 г.
  3. ^ а б Холлманн, Ганс Эрих, «Магнетрон», В архиве 2018-01-14 в Wayback Machine Патент США № 2123728 (подано 27 ноября 1936 г .; выдано 12 июля 1938 г.).
  4. ^ "Магнетрон". Борнмутский университет. 1995–2009 гг. В архиве из оригинала 26 июля 2011 г.. Получено 23 августа 2009.
  5. ^ а б c d е ж грамм Анджела Хинд (5 февраля 2007 г.). «Портфель», изменивший мир'". Новости BBC. В архиве с оригинала 15 ноября 2007 г.. Получено 2007-08-16.
  6. ^ а б Шротер Б. (весна 2008 г.). "Насколько важна была Коробка уловок Тизарда?" (PDF). Имперский инженер. 8: 10. В архиве (PDF) из оригинала 2011-06-17. Получено 2009-08-23.
  7. ^ "Кем был Алан Дауэр Блюмлейн?". Дора Медиа Продакшн. 1999–2007 гг. Архивировано из оригинал 7 сентября 2009 г.. Получено 23 августа 2009.
  8. ^ Накадзима, С. (1992). «Разработка японских радаров до 1945 года». Журнал IEEE Antennas and Propagation Magazine. 34 (6): 17–22. Bibcode:1992ИАПП ... 34Р..17Н. Дои:10.1109/74.180636. S2CID  42254679.
  9. ^ а б Брукнер, Эли (19–20 апреля 2010 г.). «От 10 000 долларов Magee до 7 Magee и 10 долларов США передатчик и приемник (T / R) на одном чипе». 2010 Международная конференция по происхождению и эволюции резонаторного магнетрона: 1–2. Дои:10.1109 / CAVMAG.2010.5565574. ISBN  978-1-4244-5609-3.
  10. ^ Ма, Л. "3D компьютерное моделирование магнетронов В архиве 2008-10-10 на Wayback Machine. »Докторская диссертация Лондонского университета. Декабрь 2004 г. Проверено 23 августа 2009 г.
  11. ^ Белый, Стив. «Электрические клапаны: диоды, триоды и транзисторы». zipcon.net. В архиве с оригинала 25 августа 2017 г.. Получено 5 мая 2018.
  12. ^ а б c d "Магнетрон". electriciantraining.tpub.com. В архиве из оригинала 3 марта 2016 г.. Получено 5 мая 2018.
  13. ^ Дж. Бриттен (1985). «Магнетрон и начало микроволнового века». Физика сегодня. 38 (7): 60–67. Bibcode:1985ФТ .... 38г..60Б. Дои:10.1063/1.880982.
  14. ^ «Магнетронная операция». hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. В архиве из оригинала 11 сентября 2017 г.. Получено 5 мая 2018.
  15. ^ а б c Л.В. Тернер, (ред), Справочник электронщика, 4-е изд. Ньюнес-Баттерворт, Лондон, 1976 г. ISBN  9780408001687, страницы с 7-71 по 7-77
  16. ^ Видеть:
    • Гердиен, Х., Deutsches Reichspatent 276,528 (12 января 1910 г.).
    • Banneitz, F., ed. (1927). Taschenbuch der Drahtlosen Telegraphie und Telephonie [Карманный справочник беспроводной телеграфии и телефонии] (на немецком). Берлин, Германия: Springer Verlag. п. 514 сноска. ISBN  9783642507892.
  17. ^ Герт, Иоахим (2010). «Раннее развитие магнетронов, особенно в Германии». Международная конференция по происхождению и эволюции резонаторного магнетрона (CAVMAG 2010), Борнмут, Англия, Великобритания, 19–20 апреля 2010 г.. Пискатауэй, Нью-Джерси, США: IEEE. С. 17–22.
  18. ^ Грайнахер, Х. (1912). "Über eine Anordnung zur Bestimmung von e / m" [Об аппарате для определения э / м]. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком). 14: 856–864.
  19. ^ Вольф, дипл. Инж. (FH) Кристиан. «Основы радара». www.radartutorial.eu. В архиве из оригинала 23 декабря 2017 г.. Получено 5 мая 2018.
  20. ^ Видеть:
  21. ^ Биографические сведения об Августе Лачеке:
  22. ^ Биографические сведения об Эрихе Хабане:
    • Гюнтер Нагель, «Pionier der Funktechnik. Das Lebenswerk des Wissenschaftlers Erich Habann, der in Hessenwinkel lebte, ist heute fast vergessen» (Пионер в области радиотехнологий. Работа всей жизни ученого Эриха Габанна, жившего сегодня в Гессенвинкеле), почти забыта. , Bradenburger Blätter (дополнение к Märkische Oderzeitung, ежедневная газета города Франкфурта в земле Бранденбург, Германия), 15 декабря 2006 г., стр.9.
    • Карлш, Райнер; Петерманн, Хайко, ред. (2007). Für und Wider "Hitlers Bombe": Studien zur Atomforschung в Германии [За и против "бомбы Гитлера": исследования по атомным исследованиям в Германии] (на немецком). Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Waxmann Publishing Co., стр. 251 сноска.
  23. ^ Видеть:
  24. ^ Хабанн, Эрих (1924). "Eine neue Generatorröhre" [Новая генераторная лампа]. Zeitschrift für Hochfrequenztechnik (на немецком). 24: 115–120 и 135–141.
  25. ^ а б Кайзер, В. (1994). «Развитие электронных трубок и радиолокационных технологий: взаимосвязь науки и технологий». В Blumtritt, O .; Petzold, H .; Аспрей, W. (ред.). Отслеживание истории радара. Пискатауэй, Нью-Джерси, США: IEEE. С. 217–236.
  26. ^ Бриттен, Джеймс Э. (1985). «Магнетрон и начало микроволнового века». Физика сегодня. 38 (7): 60–67. Bibcode:1985ФТ .... 38г..60Б. Дои:10.1063/1.880982.
  27. ^ См. Например:
    • Советские физики:
    • Слуцкин, Абрам А .; Штейнберг, Дмитрий С. (1926). «[Получение колебаний в катодных трубках с помощью магнитного поля]». Журнал Русского Физико-Химического общества [Журнал Русского Физико-Химического Общества, Журнал Русского Физико-Химического Общества] (на русском). 58 (2): 395–407.
    • Слуцкин, Абрам А .; Штейнберг, Дмитрий С. (1927). «[Электронные колебания в двухэлектродных трубках]». Український физический журнал [Украинский физический журнал, Украинский физический журнал] (на украинском языке). 1 (2): 22–27.
    • Слуцкин, А. А .; Стейнберг, Д. С. (май 1929 г.). "Die Erzeugung von kurzwelligen ungedämpften Schwingungen bei Anwendung des Magnetfeldes" [Генерация незатухающих коротковолновых колебаний путем приложения магнитного поля]. Annalen der Physik (на немецком). 393 (5): 658–670. Bibcode:1929АнП ... 393..658С. Дои:10.1002 / andp.19293930504.
    • Японские инженеры:
    • Яги, Хидэцугу (1928). «Передача луча ультракоротких волн». Труды Института Радиоинженеров.. 16 (6): 715–741. Магнетроны обсуждаются во второй части этой статьи.
    • Окабе, Киндзиро (март 1928 г.). «[Производство интенсивных сверхкоротких радиоволн магнетроном с расщепленным анодом (Часть 3)]». Журнал Института электротехники Японии (на японском языке): 284ff.
    • Окабе, Киндзиро (1929). «О коротковолновом пределе магнетронных колебаний». Труды Института Радиоинженеров.. 17 (4): 652–659.
    • Окабе, Киндзиро (1930). «О магнетронных колебаниях нового типа». Труды Института Радиоинженеров.. 18 (10): 1748–1749.
  28. ^ Кингсли, Ф.А. (2016). Разработка радиолокационного оборудования для Королевского флота, 1935–45. ISBN  9781349134571. В архиве из оригинала от 05.05.2018.
  29. ^ Барретт, Дик. "M.J.B.Scanlan; Ранние сантиметровые наземные радары - личное воспоминание". www.radarpages.co.uk. В архиве из оригинала 4 марта 2016 г.. Получено 5 мая 2018.
  30. ^ Willshaw, W. E .; Л. Рашфорт; А. Г. Стейнсби; Р. Латам; А. В. Боллз; А. Х. Кинг (1946). «Импульсный магнетрон большой мощности: разработка и проектирование для радаров». Журнал Института инженеров-электриков - Часть IIIA: Радиолокация. 93 (5): 985–1005. Дои:10.1049 / ji-3a-1.1946.0188. Получено 22 июн 2012.
  31. ^ Харфорд, Тим (9 октября 2017 г.). «Как поиск« луча смерти »привел к появлению радара». Всемирная служба BBC. В архиве из оригинала 9 октября 2017 г.. Получено 9 октября 2017. Магнетрон поразил американцев. Их исследования отставали от темпов на годы.
  32. ^ Бакстер, Джеймс Финни (III) (1946). Ученые против времени. Бостон, Массачусетс, США: Little, Brown, and Co., стр. 142. (Бакстер был официальным историком Управления научных исследований и разработок.)
  33. ^ Lipman, R.M .; Б. Дж. Трипати; Р. К. Трипати (1988). «Катаракта, вызванная микроволновым и ионизирующим излучением». Обзор офтальмологии. 33 (3): 200–210. Дои:10.1016/0039-6257(88)90088-4. OSTI  6071133. PMID  3068822.
  34. ^ 3111, корпоративное имя = Австралийская организация ядерной науки и технологий; адрес = New Illawarra Road, Lucas Heights NSW 2234, Австралия; контакт = + 61 2 9717. «В доме - АНСТО». www.ansto.gov.au. Архивировано из оригинал 5 сентября 2017 г.. Получено 5 мая 2018.CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)
  35. ^ «ИнженерГай Видео: микроволновая печь». www.engineerguy.com. В архиве из оригинала 5 сентября 2017 г.. Получено 5 мая 2018.
  36. ^ EPA, OAR, ORIA, RPD, США (16.07.2014). «Радиационная защита - Агентство по охране окружающей среды США». Агентство по охране окружающей среды США. В архиве из оригинала 1 октября 2006 г.. Получено 5 мая 2018.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  37. ^ Младший Раймонд К. Уотсон (25 ноября 2009 г.). Истоки радаров во всем мире: история его развития в 13 странах во время Второй мировой войны. Издательство Trafford. С. 315–. ISBN  978-1-4269-2110-0. Получено 24 июн 2011.

внешняя ссылка

Информация
Патенты
  • США 2123728  Ганс Эрих Холлманн / Telefunken GmbH: «Магнетрон» подан 27 ноября 1935 г.
  • США 2315313  Бухгольц, Х. (1943). Полостной резонатор
  • США 2357313  Картер, П.С. (1944). Высокочастотный резонатор и контур для него
  • США 2357314  Картер, П.С. (1944). Схема резонатора полости
  • США 2408236  Спенсер, П. (1946). Корпус магнетрона
  • США 2444152  Картер, П.С. (1948). Схема резонатора полости
  • США 2611094  Рекс, Х. (1952). Контур индуктивно-емкостного резонанса
  • ГБ 879677  Декстер, С.А. (1959). Схемы вентильного генератора; муфты радиочастотного выхода