Μικροκύματα Magnetron | Κατασκευές και εφαρμογές | Είναι 4+ σημαντικές φάσεις

Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron

Εξώφυλλο από: https://giphy.com/embed/11j5OF7BTglVkc

Μέσω GIPHY

Σημεία συζήτησης: Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron

Εισαγωγή στο μαγνητικό φούρνο μικροκυμάτων | Τι είναι το Magnetron;

Το magnetron είναι ένα είδος σωλήνα μικροκυμάτων. Πριν συζητήσουμε το magnetron και τα σχετικά θέματα, ας ανακαλύψουμε μερικούς από τους βασικούς ορισμούς.

Σωλήνες μικροκυμάτων: Οι σωλήνες μικροκυμάτων είναι συσκευές που παράγουν μικροκύματα. Είναι τα όπλα ηλεκτρονίων που παράγουν γραμμικούς σωλήνες δέσμης.

Τώρα, ο ορισμός του Magnetron δίνεται ως -

Μαγνήτρο: Το Magnetron είναι ένας τύπος σωλήνα κενού που παράγει σήματα του εύρους συχνοτήτων μικροκυμάτων, με τη βοήθεια αλληλεπιδράσεων μαγνητικού πεδίου και ηλεκτρονικών ακτίνων.

Ο σωλήνας Magnetron καταναλώνει υψηλή ισχύ και η συχνότητά του εξαρτάται από τη φυσική διάσταση των κοιλοτήτων των σωλήνων. Υπάρχει μια κύρια διαφορά μεταξύ ενός Magnetron και άλλων τύπων σωλήνων μικροκυμάτων. Το magnetron λειτουργεί μόνο ως ταλαντωτής αλλά όχι ως ενισχυτής, αλλά το Klystron (ένας σωλήνας μικροκυμάτων) μπορεί να λειτουργήσει ως ενισχυτής και ως ταλαντωτής.

Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Ένα τυπικό φούρνο μικροκυμάτων Magnetron, Credit Credit: HCRS Home Labor Page, Μαγνήτρο1CC BY-SA 2.0 AT

Μια σύντομη ιστορία του Magnetron Microwave

Η Siemens Corporation ανέπτυξε το πρώτο μαγνητρόνιο το 1910 με την καθοδήγηση του επιστήμονα Hans Gerdien. Ο Ελβετός φυσικός Heinrich Greinacher ανακαλύπτει την ιδέα της κίνησης των ηλεκτρονίων στο διασταυρούμενο ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο από τα δικά του αποτυχημένα πειράματα υπολογισμού της μάζας των ηλεκτρονίων. Ανέπτυξε το μαθηματικό μοντέλο γύρω στο έτος 1912.

Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο Albert Hull άρχισε να εργάζεται για τον έλεγχο των κινήσεων των ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο αντί να χρησιμοποιεί το συμβατικό ηλεκτροστατικό πεδίο. Το πείραμα ξεκίνησε για να παρακάμψει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της «τριόδου» της Western's Electric.

Ο Hull ανέπτυξε μια συσκευή σχεδόν σαν Magnetron, αλλά δεν είχε καμία πρόθεση να δημιουργήσει σήματα συχνοτήτων μικροκυμάτων. Ο Τσέχος φυσικός August Žáček και ο Γερμανός φυσικός Erich Habann ανακάλυψαν ανεξάρτητα ότι το Magnetron θα μπορούσε να παράγει σήματα με συχνότητες εύρους μικροκυμάτων.

Η εφεύρεση και η αυξημένη δημοτικότητα του RADAR αύξησαν τη ζήτηση για συσκευές που μπορούν να παράγουν φούρνο μικροκυμάτων σε μικρότερα μήκη κύματος.

Το 1940, ο Sir John Randall και ο Harry Boot του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ ανέπτυξαν ένα λειτουργικό πρωτότυπο ενός μαγνήτη κοιλότητας. Στην αρχή, η συσκευή παρήγαγε περίπου 400 Watt ισχύος. Περαιτέρω ανάπτυξη όπως η ψύξη νερού και πολλές άλλες βελτιώσεις αύξησαν την παραγόμενη ισχύ από 400 W έως 1 kW και στη συνέχεια έως και 25 kW.

Υπήρχε ένα πρόβλημα που σχετίζεται με την αστάθεια συχνότητας στο magnetron που αναπτύχθηκε από Βρετανούς επιστήμονες. Το 1941, ο James Sayers έλυσε αυτό το πρόβλημα.

Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Το μαγνητόνιο κοιλότητας που αναπτύχθηκε από τους Sir John Randall και Harry Boot του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ, Magnetron Microwave, Image Credit: Elektrik FanneR&B MagnetronCC BY-SA 4.0

Εφαρμογές του Magnetron

Το magnetron είναι μια ευεργετική συσκευή, έχει πολλές εφαρμογές σε διάφορα πεδία. Ας συζητήσουμε μερικά από αυτά.

  • Magnetrons στο ραντάρ: Η χρήση του Magnetron για ένα ραντάρ που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία σύντομων παλμών συχνοτήτων μικροκυμάτων υψηλής ισχύος. Ο κυματοδηγός του magnetron είναι συνδεδεμένος με οποιαδήποτε από τις κεραίες μέσα σε ένα ραντάρ.
    • Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες του Magnetron που προκαλούν πολυπλοκότητα στο Ραντάρ. Ένα από αυτά είναι το πρόβλημα που σχετίζεται με την αστάθεια συχνότητας. Αυτός ο παράγοντας δημιουργεί το πρόβλημα των αλλαγών συχνότητας.
    • Τα δεύτερα χαρακτηριστικά είναι ότι ένα μαγνητόνιο παράγει σήματα με τη δύναμη του ευρύτερου εύρους ζώνης. Έτσι, ο δέκτης θα πρέπει να έχει ευρύτερο εύρος ζώνης για να τους αποδεχτεί. Τώρα, έχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ο δέκτης λαμβάνει επίσης κάποιο είδος θορύβου που δεν είναι επιθυμητό.
Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Ένα πρώιμο εμπορικό ραντάρ για το αεροδρόμιο, Magnetron Microwave, Εικόνα από: Άγνωστος συγγραφέας Άγνωστος συγγραφέας, Συναρμολόγηση ραντάρ Magnetron 1947, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons
  • Θέρμανση Magnetron | Φούρνοι μικροκυμάτων Magnetron: Τα μαγνητρόνια χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μικροκυμάτων που χρησιμοποιούνται περαιτέρω για θέρμανση. Μέσα σε ένα φούρνο μικροκυμάτων, αρχικά, το μαγνητόνιο παράγει τα σήματα μικροκυμάτων. Στη συνέχεια, ο κυματοδηγός μεταδίδει τα σήματα σε μια διαφανή θύρα RF στον θάλαμο τροφίμων. Ο θάλαμος έχει σταθερή διάσταση και επίσης κοντά στο μαγνήτη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα μοτίβα όρθιου κύματος τυχαιοποιούνται από τον περιστρεφόμενο κινητήρα, ο οποίος περιστρέφει το φαγητό μέσα στον θάλαμο.
Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Φούρνος μικροκυμάτων, εφαρμογές Magnetron Microwave, Image Credit: Ο αρχικός φορτωτής ήταν 吉恩 at Κινεζική Βικιπαίδεια., WeiboluCC BY-SA 3.0
  • Φωτισμός Magnetron: Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες συσκευές που ανάβουν χρησιμοποιώντας τη διέγερση Magnetron. Συσκευές όπως η λάμπα θείου είναι ένα πρωταρχικό παράδειγμα τέτοιου φωτός. Μέσα στις συσκευές, το magnetron παράγει το πεδίο μικροκυμάτων, το οποίο πραγματοποιείται από κυματοδηγό. Στη συνέχεια, το σήμα διέρχεται μέσω της κοιλότητας εκπομπής φωτός. Αυτοί οι τύποι συσκευών είναι περίπλοκοι. Σήμερα, δεν χρησιμοποιούνται αντί για πιο επιφανειακά στοιχεία όπως το Gallium Nitride (GaN) ή τα HEMTs.

Κατασκευή Magnetron

Σε αυτήν την ενότητα, θα συζητήσουμε τη φυσική κατασκευή και τα εξαρτήματα ενός Magnetron.

Το magnetron ομαδοποιείται ως δίοδος καθώς αναπτύσσεται στο πλέγμα. Η άνοδος του μαγνήτρου τοποθετείται σε κυλινδρικό σχήμα μπλοκ που αποτελείται από χαλκό. Υπάρχουν νήματα με μόλυβδο νήματος και η κάθοδος στο κέντρο του σωλήνα - οι ακροδέκτες-νήματα βοηθούν στη διατήρηση της καθόδου και του νήματος συνδεδεμένα με αυτό στο κέντρο. Η κάθοδος αποτελείται από υλικό υψηλών εκπομπών και θερμαίνεται για τη λειτουργία.

Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Ένα Magnetron με τα μέρη του, Magnetron Microwave, Credit Credit: HCRS Home Labor Page, Μαγνήτρο2CC BY-SA 2.0 AT

Ο σωλήνας έχει 8 έως 20 κοιλότητες συντονισμού που είναι κυλινδρικές οπές γύρω από την περιφέρεια του. Η εσωτερική δομή χωρίζεται σε διάφορα μέρη: τον αριθμό των κοιλοτήτων που υπάρχουν στον σωλήνα. Η διαίρεση του σωλήνα γίνεται από τις στενές σχισμές που συνδέουν τις κοιλότητες με το κέντρο.

Κάθε κοιλότητα λειτουργεί σαν παράλληλο συντονιστικό κύκλωμα όπου το άκρο του μπλοκ χαλκού ανόδου λειτουργεί ως επαγωγέας. Η περιοχή του άκρου του πτερυγίου θεωρείται ο πυκνωτής. Τώρα, η συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος εξαρτάται από τις φυσικές διαστάσεις του κυκλώματος αντηχείου.  

Είναι προφανές ότι εάν μια συντονισμένη κοιλότητα ξεκινά ταλάντωση, διεγείρει άλλες συντονιστικές κοιλότητες και ξεκινούν επίσης ταλάντωση. Αλλά υπάρχει μια ιδιότητα που ακολουθεί κάθε κοιλότητα. Εάν μια κοιλότητα ξεκινά ταλάντωση, η επόμενη κοιλότητα ξεκινά ταλάντωση με καθυστέρηση 180 μοιρών στη φάση. Αυτό ισχύει για κάθε κοιλότητα. Τώρα, η σειρά ταλαντώσεων δημιουργεί μια δομή αργού κύματος που είναι αυτόνομη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτός ο τύπος κατασκευής Magnetron είναι επίσης γνωστός ως "Multi-Cavity Traveling Wave Magnetron".

Φούρνος μικροκυμάτων Magnetron
Κεντρική κάθοδο στη μέση του μαγνητικού μικροκυμάτων, Image Credit: Το Pingu είναι SumerianΤομή Magnetron εγκάρσιο στον άξοναCC BY-SA 3.0

Η κάθοδος παρέχει τα ηλεκτρόνια που είναι απαραίτητα για τον μηχανισμό μεταφοράς ενέργειας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η κάθοδος βρίσκεται στο κέντρο του σωλήνα, τοποθετημένη περαιτέρω από τους αγωγούς του νήματος. Υπάρχει ένας συγκεκριμένος ανοιχτός χώρος μεταξύ της καθόδου και της ανόδου που πρέπει να διατηρηθεί. Διαφορετικά, θα προκαλέσει δυσλειτουργία στη συσκευή.

Υπάρχουν τέσσερις τύποι διάταξης κοιλότητας. Αυτοί είναι -

  • Τύπος υποδοχής
  • Τύπου Vane
  • Τύπος Rising Sun
  • Τύπος τρύπας και υποδοχής

Λειτουργία μικροκυμάτων Magnetron

Το Magnetron βρίσκεται κάτω από ορισμένες φάσεις για να δημιουργήσει σήματα εύρους συχνοτήτων μικροκυμάτων. Οι φάσεις παρατίθενται παρακάτω.

Αν και το όνομα των φάσεων είναι αρκετά ενδεικτικό για να μας επιτρέψει να συζητήσουμε τα περιστατικά, αυτά συμβαίνουν σε κάθε φάση.

Φάση 1: Παραγωγή και επιτάχυνση δέσμης ηλεκτρονίων

Η κάθοδος μέσα στην κοιλότητα έχει την αρνητική πολικότητα της τάσης. Η άνοδος διατηρείται σε ακτινική διεύθυνση από την κάθοδο. Τώρα, η έμμεση θέρμανση της καθόδου προκαλεί τη ροή ηλεκτρονίων προς την άνοδο. Κατά τη στιγμή της παραγωγής, δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο στην κοιλότητα. Αλλά μετά την παραγωγή του ηλεκτρονίου, ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο κάμπτει τη διαδρομή των ηλεκτρονίων. Η διαδρομή του ηλεκτρονίου παίρνει μια απότομη κάμψη εάν η ισχύς του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται περαιτέρω. Τώρα, εάν η ταχύτητα των ηλεκτρονίων αυξηθεί, η κάμψη γίνεται ακόμα πιο έντονη.

Φάση 2: Έλεγχος ταχύτητας και αλλαγές δέσμης ηλεκτρονίων

Αυτή η φάση συμβαίνει μέσα στο πεδίο εναλλασσόμενου ρεύματος της κοιλότητας. Το πεδίο AC βρίσκεται από παρακείμενα τμήματα ανόδου στην περιοχή καθόδου. Αυτό το πεδίο επιταχύνει τη ροή της δέσμης ηλεκτρονίων, η οποία ρέει προς τα τμήματα της ανόδου. Τα ηλεκτρόνια που ρέουν προς τα τμήματα επιβραδύνονται.

Φάση 3: Δημιουργία "Τροχού φορτίου διαστήματος"

Οι ροές ηλεκτρονίων σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις με ξεχωριστές ταχύτητες προκαλούν μια κίνηση γνωστή ως «τροχός φόρτισης χώρου». Αυτό βοηθά στην αύξηση της συγκέντρωσης των ηλεκτρονίων, η οποία παρέχει επιπλέον αρκετή ισχύ για τις ταλαντώσεις ραδιοσυχνοτήτων.

Φάση 4: Μετασχηματισμός ενέργειας

Τώρα, μετά την παραγωγή της δέσμης ηλεκτρονίων και την επιτάχυνσή της, το πεδίο αποκτά ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια διανέμουν επίσης λίγη ενέργεια στο πεδίο. Ενώ ταξιδεύετε από ηλεκτρόνια καθόδου διανέμεται ενέργεια σε κάθε κοιλότητα που περνά. Η απώλεια ενέργειας προκαλεί μείωση της ταχύτητας και τελικά επιβράδυνση. Αυτό συμβαίνει πολλές φορές. Η απελευθερούμενη ενέργεια χρησιμοποιείται αποτελεσματικά και επιτυγχάνεται έως και 80% αποδοτικότητα.

Ανησυχίες σχετικά με την υγεία από το Magnetron Microwave

Ένα μαγνητόνιο μαγνητρόν παράγει σήματα μικροκυμάτων τα οποία μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στα ανθρώπινα σώματα. Ορισμένα μαγνητρόνια αποτελούνται από θόριο στο νήμα τους, το οποίο είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο και δεν είναι καλό για τον άνθρωπο. Στοιχεία όπως οξείδια του βηρυλλίου και μονωτές που κατασκευάζονται με κεραμικά είναι επίσης επικίνδυνα εάν συνθλίβονται και εισπνέονται. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τους πνεύμονες.

Υπάρχουν επίσης πιθανότητες ζημιών από την υπερθέρμανση των φούρνων μικροκυμάτων μαγνητρόν. Τα Magnetrons απαιτούν τροφοδοτικά υψηλής τάσης. Υπάρχει λοιπόν πιθανότητα ηλεκτρικών κινδύνων.

Σχετικά με τη Sudipta Roy

Είμαι ενθουσιώδης των ηλεκτρονικών και επί του παρόντος αφιερώνω στον τομέα των ηλεκτρονικών και των επικοινωνιών.
Έχω έντονο ενδιαφέρον για την εξερεύνηση σύγχρονων τεχνολογιών όπως η AI & Machine Learning.
Τα γραπτά μου είναι αφιερωμένα στην παροχή ακριβών και ενημερωμένων δεδομένων σε όλους τους μαθητές.
Βοηθώντας κάποιον να αποκτήσει γνώση μου δίνει μεγάλη χαρά.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Lambda Geeks