Просмотр кода страницы Магнетрон

[[Файл:Magnetron1.jpg|thumb|225px|Фотография магнетрона [[Микроволновая печь|микроволновой печи]] Samsung. Сверху — излучающая антенна, справа снизу — разъём для накала [[катод]]а и [[анод]]ного напряжения, на передней панели кожуха — рёбра охлаждения.]]
'''Магнетро́н''' — [[электронная лампа|электронный]] электровакуумный прибор, величина протекающего тока в котором управляется электрическим и магнитным полем. Частным случаем реализации прибора (ставшим практически единственным) является вариант с выполнением анодного блока в виде резонаторных структур. Такая конструкция наделяет магнетрон способностью к генерации [[микроволны|СВЧ-излучения]] при взаимодействии потока [[электрон]]ов с электрической составляющей [[Микроволновое излучение|сверхвысокочастотного]] поля в пространстве, где постоянное [[магнитное поле]] перпендикулярно постоянному электрическому полю{{sfn|Кулешов|с=353|2008}}.

== История ==
В 1912 году швейцарский физик [[Грайнахер, Генрих|Генрих Грайнахер]] изучал способы измерения [[масса электрона|массы электрона]]. В его установке в [[соленоид]], создающий магнитное поле, был помещен [[электровакуумный диод]] с цилиндрическим анодом вокруг цилиндрического катода. Ему не удалось измерить массу электрона из-за проблем с получением достаточного высокого [[вакуум]]а в лампе, однако в ходе работы им были разработаны математические модели движения электронов в скрещённых электрических и магнитных полях<ref>H. Greinacher (1912) [http://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=coo.31924056112091;view=1up;seq=878 «Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m»] {{Wayback|url=http://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=coo.31924056112091;view=1up;seq=878 |date=20210308042419 }}{{ref|de}} (Об аппарате для определения e/m), ''Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft'', '''14''' : 856—864.</ref><ref>[http://www.radartutorial.eu/04.history/hi80.en.html «Invention of Magnetron»] {{Wayback|url=http://www.radartutorial.eu/04.history/hi80.en.html |date=20171223044102 }}{{ref|en}}.</ref>.

[[Халл, Альберт|Альберт Халл]] (США) использовал его данные при попытках обойти патенты [[Western Electric]] на электровакуумный [[триод]]. Халл планировал использовать для управления потоком электронов между катодом и анодом изменяющееся магнитное поле вместо постоянного электрического. В исследовательских лабораториях [[General Electric]] ([[Schenectady, New York]]) Халл создал лампы, управляющие током посредством изменения соотношения магнитных и электрических полей. В 1921 году он предложил термин «магнетрон», опубликовал несколько статей об их устройстве и получил патенты<ref>Albert W. Hull (1921) [https://books.google.com/books?id=OrYWAAAAYAAJ&pg=PA31#v=onepage&q&f=false «The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders»] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=OrYWAAAAYAAJ&pg=PA31#v=onepage&q&f=false |date=20160405003751 }}, ''Physical Review'', '''18''' (1) : 31—57. Также: Albert W. Hull, «The magnetron», ''Journal of the American Institute of Electrical Engineers'', vol. 40, no. 9, p. 715—723 (September 1921).</ref>. Магнетрон Халла не был предназначен для получения высокочастотных электромагнитных волн.

В 1924 году чехословацкий физик А. Жачек<ref>Biographical information about August Žáček:
* R. H. Fürth, Obituary: «Prof. August Žáček», ''Nature'', vol. 193, no. 4816, p. 625 (1962).
* «The 70th birthday of Prof. Dr. August Žáček», ''Czechoslovak Journal of Physics'', vol. 6, no. 2, p. 204—205 (1956). Available on-line at: [http://resources.metapress.com/pdf-preview.axd?code=h05r1105157t7x38&size=largest Metapress.com] {{Wayback|url=http://resources.metapress.com/pdf-preview.axd?code=h05r1105157t7x38&size=largest |date=20120312052512 }}.</ref> и немецкий физик Эрих Хабан ({{lang-de|Erich Habann}}, [[Йенский университет имени Фридриха Шиллера|Йенский университет]]) независимо друг от друга обнаружили возможность генерации магнетроном дециметровых волн (на [[частота]]х 100 МГц — 1 ГГц).

В 1920-е годы исследованиями в области генерирования СВЧ-колебаний с применением магнитных полей занимались также А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926—1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928—1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). Действующие магнетронные генераторы были созданы независимо и почти одновременно в трёх странах: в Чехословакии (Жачек, 1924 году), в СССР (А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг, 1925 году), в Японии (Окабе и Яги, 1927 году).

Французский учёный Морис Понт с сотрудниками из парижской фирмы «КСФ» в 1935 году создали электронную лампу с вольфрамовым [[катод]]ом, окружённым резонаторными [[анод]]ными сегментами. Она была предшественницей магнетронов с резонаторными камерами.

К 1936—1937 годам в СССР мощность магнетронных генераторов была повышена в несколько раз — весной 1937 года было получено до 300 ватт на длине волны 9 см благодаря разработке четырёхрезонаторного магнетрона, состоящего из массивного медного анода с несколькими резонаторными полостями и принудительным водяным охлаждением ([[Бонч-Бруевич, Михаил Александрович|М. А. Бонч-Бруевич]], [[Алексеев, Николай Фёдорович (учёный)|Н. Ф. Алексеев]], Д. Е. Маляров)<ref>{{книга |автор = [[Лобанов, Михаил Михайлович (военнослужащий)|Лобанов М. М.]] |заглавие = Развитие советской радиолокационной техники  |издание = |место = М. |издательство = Воениздат |год = 1982 | Страницы=38|страниц = 240  |тираж = 22000 |ref = Лобанов}}</ref><ref>Alexeev Н. F., Malyarov Д. Е. Getting powerful vibrations of magnetrons in centimeter wavelength range // Magazine of Technical Physics. 1940. Vol. 10. No. 15, P. 1297—1300.</ref>.

В Великобритании первый прототип многорезонаторного магнетрона создали в 1940 году, он имел мощность до 400 Вт ([[Рэндалл, Джон Туртон|Джон Рэндалл]] и [[Бут, Гарри|Гарри Бут]] из [[Бирмингемский университет|Бирмингемского университета]])<ref name="Fine2019">{{Cite book|автор=Fine|first=Norman|заглавие=Blind Bombing: How Microwave Radar brought the Allies to D-Day and Victory in World War II|издание=|место=Nebraska|издательство=Potomac Books/University of Nebraska Press|год=2019|pages=24–26|isbn=978-1640-12279-6}}</ref> {{Rp|24-26}}<ref>{{cite web |title=The Magnetron |url=http://histru.bournemouth.ac.uk/Oral_History/Talking_About_Technology/radar_research/the_magnetron.html |date=1995—2009 |publisher=Bournemouth University |access-date=2009-08-23 |archive-url=https://www.webcitation.org/619PZa5pe?url=http://histru.bournemouth.ac.uk/Oral_History/Talking_About_Technology/radar_research/the_magnetron.html |archive-date=2011-08-23 |url-status=live}}</ref>. Новый магнетрон генерировал импульсы высокой мощности, что позволило разработать [[РЛС]] сантиметрового диапазона. Использование более короткой длины волны позволяло обнаруживать более мелкие объекты<ref>''Перпя Я. З.'' Как работает радиолокатор. Оборонгиз, 1955.</ref>. Кроме того, компактный размер магнетрона привёл к уменьшению размеров радиолокационной аппаратуры<ref name=tricks>{{статья |заглавие=How important was Tizard’s Box of Tricks? |издание=Imperial Engineer |том=8 |страницы=10 |ссылка=http://www3.imperial.ac.uk/pls/portallive/docs/1/44009701.PDF |access-date=2009-08-23 |язык= |автор=Schroter, B. |месяц=Spring |год=2008 |archive-date=2011-06-17 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110617100908/http://www3.imperial.ac.uk/pls/portallive/docs/1/44009701.PDF }}</ref>, что упростило её установку на
[[Ночной истребитель|ночных истребителях]], [[Противолодочный самолёт|противолодочных самолётах]] и небольших эскортных кораблях<ref>{{cite web |title=Who Was Alan Dower Blumlein? |url=http://www.doramusic.com/Who%20Was%20Blumlein.htm |date=1999—2007 |publisher=Dora Media Productions |access-date=2009-08-23 |archive-url=https://www.webcitation.org/619PaKg27?url=http://www.doramusic.com/Who%20Was%20Blumlein.htm |archive-date=2011-08-23 |url-status=dead}}</ref>. Во время [[Вторая мировая война|Второй мировой войны]] Великобритания и США были лидерами в радиолокации благодаря массовому применению многорезонаторных магнетронов, отставание от которых в Германии и Японии сократить не смогли{{efn|Довоенные исследования в СССР к практическим результатам не привели; некоторое количество сантиметровых РЛС было поставлено союзниками по ленд-лизу, но и они не нашли применения из-за отсутствия подготвленного персонала.{{нет АИ|09|01|2026}}}}.

В 1949 году в США инженерами Д. Уилбуром и Ф. Питерсом были разработаны методы изменения частоты магнетрона с помощью управления напряжением (прибор получил название «митрон» — {{lang-en2|mitron}})<ref>[http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?reload=true&tp=&arnumber=4055413&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F10933%2F4055400%2F04055413.pdf%3Farnumber%3D4055413 The Mitron-An Interdigital Voltage-Tunable Magnetron] {{Wayback|url=http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?reload=true&tp=&arnumber=4055413&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F10933%2F4055400%2F04055413.pdf%3Farnumber%3D4055413 |date=20160205091847 }} / Proceedings of the IRE (Volume: 43, Issue: 3, 1955) p. 332—338, [[doi:10.1109/JRPROC.1955.278140]].</ref><ref>[https://books.google.ru/books?id=9JujBQAAQBAJ&pg=PA239&lpg=PA239 62. Mitrons] {{Wayback|url=https://books.google.ru/books?id=9JujBQAAQBAJ&pg=PA239&lpg=PA239|date=20160203151424}}{{ref|en}} / V. N. Shevchik, Fundamentals of Microwave Electronics: International Series of Monographs on Electronics and Instrumentation, Elsevier, 2014 ISBN 978-1-4831-9476-9, p. 239.</ref>.

В 1945 году появилась первая опытная [[микроволновая печь]] в которой использовался магнетрон для приготовления пищи, выпускать печи начали в [[1947 год]]у сначала они использовались для ресторанов и были размером с холодильник, а в 1960-х СВЧ-печи стали выпускать меньших размеров для домашнего использования.<ref>''В. Коляда.'' [http://www.nkj.ru/archive/articles/1677/ Прирученные невидимки. Всё о микроволновых печах] {{Wayback|url=http://www.nkj.ru/archive/articles/1677/ |date=20170703155839 }} // Наука и жизнь, № 10, 2004.</ref>

== Характеристики ==
Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким [[Коэффициент полезного действия|КПД]], достигающим 80 %.

Существуют магнетроны как неперестраиваемые по частоте, так и перестраиваемые в узком диапазоне частот (обычно относительная перестройка менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы с ручным управлением, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — вращающиеся и вибрационные устройства.

Магнетроны как [[генераторы сверхвысоких частот]] широко используются в современной радиолокационной технике, хотя их начинают вытеснять [[Активная фазированная антенная решётка|активные фазированные антенные решётки]], и в микроволновых печах.

По состоянию на 2017 год магнетрон — последний тип массово производимого электронного электровакуумного прибора после свёртывания массового производства [[кинескоп]]ов в начале 2010 годов.

== Конструкция ==
{{Нет источников в разделе |дата=2025-08-26}}
{{Main|Резонаторный магнетрон}}
[[Файл:Magnetron2.jpg|thumb|Магнетрон в продольном разрезе]]
[[Файл:Resonant Cavity Magnetron Diagram ru.svg|thumb|Схема конструкции магнетрона]]
''Резонансный (резонаторный) магнетрон'' состоит из [[анод]]ного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль [[Объёмный резонатор|объёмных резонаторов]]. Резонаторы образуют кольцевую [[колебательная система|колебательную систему]]. В центре анодного блока расположен цилиндрический [[катод]]. Внутри катода косвенного накала находится подогреватель. [[Магнитное поле]], параллельное оси прибора, создаётся внешними постоянными [[магнит]]ами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ-энергии используется, как правило, проволочная петля, — петля связи, размещённая в одном из резонаторов, или отверстие между одним из резонаторов и наружной поверхностью анодного блока.

Резонаторы магнетрона образуют кольцевую колебательную систему, около щелевых прорезей резонаторов происходит взаимодействие потока электронов и электромагнитного поля. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых модах колебаний, из которых основное значение имеет <math>\pi</math>-мода. Среди нескольких резонансных частот системы (при ''N'' резонаторах в системе возможно существование любого целого количества стоячих волн в диапазоне от 1 до ''N''/2) чаще всего используется <math>\pi</math>-мода, у которой [[Фаза колебаний|фазы]] в соседних резонаторах различаются на [[пи (число)|<math>\pi</math>]]. При существовании рядом с резонансной рабочей частотой (ближе 10 %) других резонансных частот возможны скачкообразные перепады частоты и нестабильная работа прибора. Для предотвращения подобных эффектов в магнетронах с одинаковыми резонаторами в них могут вводиться различные связи либо применяться магнетроны с разными размерами резонаторов (чётные резонаторы — с одним размером, нечётные — с другим).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых {{nobr|и т. д.}}

== Принцип работы ==
{{Нет источников в разделе |дата=2025-08-26}}
[[Файл:Magnetron02-ru.svg|thumb|Схема работы магнетрона]]
[[Файл:Electron spokes in magnetron.svg|thumb|Электронные «спицы» в магнетроне. Стрелкой показано направление вращения системы «спиц».]]
Электроны [[термоэлектронная эмиссия|эмитируются]] из цилиндрического [[катод]]а в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электростатическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле, вектор напряжённости которого перпендикулярен вектору напряжённости электростатического поля, и поле электромагнитной волны.

Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по [[эпициклоида]]м (кривая, которую описывает точка на окружности, катящейся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно сильном магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля [[сила Лоренца|силы Лоренца]]) и возвращается на катод, при этом говорят, что произошло «магнитное запирание диода». В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов ([[дробовой шум]]) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний в резонаторных полостях анода, эти колебания усиливаются в резонаторах. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения увеличивается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона уменьшается, центр окружности вращения смещается ближе к аноду, и он может достигнуть анода.

Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны вдоль резонаторов, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии электронов волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон попадает в тормозящее поле вблизи всех щелей резонаторов, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем вокруг катода, происходит автофазировка электронных сгустков. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с СВЧ-полем и автофазировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и получение большой выходной мощности.

== Применение ==
В [[радар]]ных устройствах [[волновод]] подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего в пространство излучается короткий импульс [[микроволновое излучение|микроволновой энергии]]. [[Основное уравнение радиолокации|Небольшая порция]] этой энергии отражается от объекта радиолокации обратно к антенне, попадает в волновод, которым она направляется к чувствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на [[Индикаторная электронно-лучевая трубка|электронно-лучевой трубке]] (ЭЛТ) в виде радарной карты А1.

В [[Микроволновая печь|микроволновых печах]] волновод заканчивается отверстием, закрытым пластиной, прозрачной для СВЧ-излучения (как правило, из [[слюды]]), оно выходит непосредственно в камеру для приготовления пищи.

Важно, чтобы во время работы печи в ней находились приготовляемые продукты. Тогда микроволны поглощаются в них и не отражаются от стенок камеры обратно в волновод. Возникающая при этом [[стоячая волна]] может вызвать [[электрический пробой]] воздуха и искрение. Длительное искрение может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи, для предотвращения искрения рекомендуется поставить в камеру также стакан с водой для поглощения микроволн и снижения их до уровня, не вызывающего искрения.

== Опасности для здоровья ==
[[Файл:Radio waves hazard symbol.svg|thumb|150px|Предупреждающий знак «Опасно. Радиоизлучение»]]
Минимум одна опасность для здоровья хорошо известна и задокументирована. У [[хрусталик]]а глаза отсутствует охлаждающий поток крови, поэтому он особенно подвержен перегреву под воздействием микроволнового излучения. Такой нагрев, в свою очередь, может привести к катаракте в более позднем возрасте<ref name=Lipman1>{{Cite journal
| volume = 33
| issue = 3
| pages = 200–210
| last = Lipman
| first = R. M.
|author2=B. J. Tripathi |author3=R. C. Tripathi
 | title = Cataracts induced by microwave and ionizing radiation
| journal = Survey of Ophthalmology
| year = 1988
| osti=6071133
| doi = 10.1016/0039-6257(88)90088-4
| pmid = 3068822
}}</ref>.

Также существует значительная опасность поражения электрическим током, поскольку для работы магнетронов требуется источник питания высокого напряжения. Некоторые магнетроны имеют керамические изоляторы из [[Оксид бериллия|оксида бериллия]], которые опасны при потере целостности, вдыхании или проглатывании. Единичное или хроническое воздействие может привести к неизлечимому заболеванию легких — [[бериллиоз]]у. Кроме того, бериллий внесен в список подтвержденных канцерогенов для человека [[Международное агентство по изучению рака|IARC]]; поэтому со сломанными керамическими изоляторами или магнетронами нельзя контактировать напрямую.

Все магнетроны содержат небольшое количество [[Торий|тория]], смешанного с вольфрамом в нити накала. Хотя это радиоактивный металл, но риск рака невелик, поскольку он никогда не попадает в воздух при нормальном использовании. Только если нить вынуть из магнетрона, измельчить и вдохнуть, она может представлять опасность для человека<ref>{{cite web|url=http://www.ansto.gov.au/NuclearFacts/BenefitsofNuclearScience/Inthehome/|title=In the home - ANSTO|publisher=Australian Nuclear Science and Technology Organisation|website=www.ansto.gov.au|access-date=2018-05-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20170905142025/http://www.ansto.gov.au/NuclearFacts/BenefitsofNuclearScience/Inthehome/|archive-date=2017-09-05}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.engineerguy.com/elements/videos/video-microwave.htm|title=EngineerGuy Video: microwave oven|website=www.engineerguy.com|access-date=2018-05-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20170905142309/http://www.engineerguy.com/elements/videos/video-microwave.htm|archive-date=2017-09-05}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.epa.gov/radiation/radionuclides/thorium.html#exposure|title=Radiation Protection - US EPA|first=US|last=EPA,OAR,ORIA,RPD|date=2014-07-16|website=US EPA|access-date=2018-05-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20061001225000/http://www.epa.gov/radiation/radionuclides/thorium.htm#exposure|archive-date=2006-10-01}}</ref>.

== Примечания ==
;Комментарии
{{комментарии}}
;Источники
{{примечания}}

== Литература ==
{{Викисловарь|магнетрон}}
* {{БСЭ3|Магнетро́н|15|159-161}}
* {{БСЭ3|Магнетронного типа приборы|15|161-162}}
* {{книга | автор  = Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богачев В. М. и др. | заглавие  = Генерирование колебаний и формирование радиосигналов | место  = М. | издательство  = МЭИ | год  = 2008 | страниц   = 416 | isbn = 978-5-383-00224-7 | ref  = Кулешов}}

{{внешние ссылки}}
{{Электровакуумные приборы}}
[[Категория:Вакуумные приборы СВЧ]]