Figuur 1: Symbool van een magnetron in schakelschema's
Figuur 1: Symbool van een magnetron in schakelschema's
Wat is een magnetron?
Magnetron
Figuur 2: Magnetron MI29G van de Russische P-37 radar
De magnetron is een vacuümbuis voor het genereren van hoogfrequente oscillaties en wordt vaak gebruikt om het hoge pulsvermogen te produceren dat nodig is in radarapparatuur. De functie is gebaseerd op een snelheidsmodulatie van elektronen in een lopende ruimte. De magnetron is daarom toegewezen aan de lopende buizen. De magnetron is een zelf-opwekkende oscillator, die anders werkt dan lineaire straalbuizen zoals de lopende-golfbuis of de klystron. Het relatief eenvoudige ontwerp heeft als nadeel dat de magnetron meestal alleen op een vaste frequentie kan werken. Dit kan tussen 600 MHz en ongeveer 95 GHz.[1] Een elektrisch en een sterk magnetisch veld zijn loodrecht op elkaar gerangschikt (kruisvormig) in de magnetron. Daarom wordt de magnetron in publicaties ook wel “crossfield generator” of “crossfield oscillator” genoemd.
Structuur van de magnetron
uitvoer
Figuur 3: Sectiemodel van een magnetron
Figuur 3: Sectiemodel van een magnetron
De magnetron is eigenlijk een diode, aangezien hij geen roosters gebruikt voor de besturing. De anode bestaat uit een massief koperblok. In het centrale gat van het anodenblok bevindt zich de cilindrische kathode, een direct verwarmde oxidekathode met een hoge emissiviteit, die in het midden wordt vastgehouden door de toevoerleidingen voor de verwarming. Aangezien de anode meestal op het aardpotentiaal staat door de grote koelvlakken, moet de kathode een zeer hoge negatieve spanning dragen. Dit betekent dat de verwarming ook op dit negatieve potentieel moet staan. Het is dan een directe verwarming, d.w.z. de kathode is direct aangesloten op een verwarmingstoevoerleiding. De toevoerleidingen moeten groot en stabiel genoeg zijn om de kathode en de verwarming op hun plaats te houden. Parallel aan de kathode is er een sterk magnetisch veld van een permanente magneet.
Figuur 3: Sectiemodel van een magnetron
Figuur 4: Een resonator in het anodeblok heeft de functie van een parallelle resonantiekring: de anodewanden tegenover elkaar bij de gleuf zijn de condensator, de omweg om het gat is de inductie (met slechts één wikkeling).
Figuur 4: Een resonator in het anodeblok heeft de functie van een parallelle resonantiekring: de anodewanden tegenover elkaar bij de gleuf zijn de condensator, de omweg om het gat is de inductie (met slechts één wikkeling).
Figuur 4: Een resonator in het anodeblok heeft de functie van een parallelle resonantiekring: de anodewanden tegenover elkaar bij de gleuf zijn de condensator, de omweg om het gat is de inductie (met slechts één wikkeling).
In het anodeblok zijn 8 tot 20 caviteiten opgenomen, die de frequentiebepalende caviteitsresonatoren zijn. Wanneer een resonator oscilleert, prikkelt hij ook de naburige resonator om te oscileren, maar dan met een faseverschuiving van 180°. Door deze vertraging van resonator naar resonator werkt het anodeblok als een op zichzelf staande vertragingslijn. Vanwege deze vertragingslijn wordt dit ontwerp in sommige publicaties ook wel “Multicavity Traveling Wave Magnetron” genoemd.
Deze resonatoren zijn via een smalle gleuf verbonden met de ruimte tussen anode en kathode. Het effectieve gebied van de anode is dus verdeeld in verschillende secties, waarvan het aantal overeenkomt met dat van de resonatoren. De ruimte tussen de anode en de kathode wordt de loopruimte genoemd. In de loopruimte werken de elektrostatische en magnetische velden in op het elektronenpad.
Figuur 5: Anode vormen van magnetrons
Figuur 5: Anode vormen van magnetrons
Mogelijke vormen van resonatoren zijn weergegeven in Figuur 5, die vier verschillende anodevormen in een kwadrant elk laat zien.
- Type gleuf
- Cirkelvormig sectortype (of webtype)
- Type rijzende zon
- Gattype
Het klassieke ontwerp is het gattype dat uit een massief koperblok wordt geboord en gefreesd. De eerste magnetron die in massa werd geproduceerd was zo'n gattype. De twee gleuftypes zijn ook gefreesd. Het frezen van het relatief zachte koper is een zeer complex productieproces, omdat de freesmachine slechts zeer weinig materiaal kan verwijderen zonder de rest van het materiaal te buigen. Om dit freeswerk tot een minimum te beperken is het cirkelvormige sectortype ontwikkeld. Dit wordt geproduceerd door het persen van de koperwebben (dus ook webtype) in geprepareerde korte sleuven. De resonantiefrequentie van deze holtes kan tijdens de productie worden gecontroleerd en gecorrigeerd door inkepingen in de staafranden te frezen. De huidige magnetrons zijn meestal van dit type, omdat ze het minst duur zijn om te produceren.
Hoe werkt een magnetron?
Hoe een magnetron werkt
Zoals bij alle snelheidsgemoduleerde buizen kunnen de elektronische processen die betrokken zijn bij het genereren van de hoogste frequentie-oscillaties in een magnetron in vier fasen worden verdeeld:
1. Proces: Genereren en versnellen van een elektronenstroom
Figuur 6: Pad van een elektron onder invloed van het elektrostatische en magnetische veld voor verschillende magnetische fluxdichtheden.
Figuur 6: Pad van een elektron onder invloed van het elektrostatische en magnetische veld voor verschillende magnetische fluxdichtheden.
Figuur 6: Pad van een elektron onder invloed van het elektrostatische en magnetische veld voor verschillende magnetische fluxdichtheden.
Als de anodespanning op de magnetron wordt gezet wanneer de kathode wordt verwarmd, bewegen de elektronen langs radiale paden naar de anode. Het sterke statische elektrische veld versnelt de elektronen en absorbeert zo energie. Figuur 5 toont het pad van een enkel elektron zonder de invloed van een magnetisch veld in donkerblauw, het vliegt in een rechte baan van de kathode naar de anode.
Als een magnetisch veld nu axiaal door de ruimte tussen de anode en de kathode gaat (E en H velden staan dus loodrecht op elkaar), worden de elektronen afgebogen langs epicycloïdale paden. Hoe sterker de magnetische fluxdichtheid, hoe sterker de doorbuiging. De fluxdichtheid waarbij het elektronenpad net de anode raakt (weergegeven in rood) wordt kritische fluxdichtheid genoemd. In de praktijk wordt een veel hogere fluxdichtheid gekozen dan de kritische (in oranje). De elektronen kunnen de anode niet bereiken. Er zou ook geen anodestroom vloeien.
Als er geen anodestroom kan stromen, hebben de elektronen echter niet genoeg energie om een oscillatieproces in de resonatoren in stand te houden, ondanks het stroomverbruik. Door de anodespanning aanzienlijk te verhogen, krijgen de elektronen een grotere initiële versnelling in de richting van de anode. Hoe sterker de anodespanning, hoe sneller (d.w.z. hoe energieker) de elektronen zijn. Het magnetisch veld kan dan niet lang genoeg op de elektronen inwerken om ze voorbij het kritieke pad af te buigen. Zo kan een anodestroom worden gemeten. De elektronenbaan zou dan theoretisch ongeveer lopen zoals in het voorbeeld met de kleur paars. Ondanks het impulsvermogen in het megawattbereik ligt deze anodestroom slechts in het bereik van enkele tien milliampères. Dit komt omdat de anodestroom slechts als een gemiddelde waarde wordt gemeten door de traagheid van de meetinstrumenten. De piekstroom is veel hoger. In de praktijk zou zo'n pad echter alleen kunnen ontstaan als de anode geen resonatoren heeft (of als deze kortgesloten zijn, zoals te zien is in figuur 5).
2. Proces: Snelheidsregeling van de elektronen
Figuur 7: Verloop van het elektrisch veld van de roterende golf
Figuur 7: Verloop van het elektrisch veld van de roterende golf
De elektronen die langs de gleuven van de holte-resonatoren vliegen, zorgen ervoor dat ze gaan oscilleren. Zelfs de eerste resonator die oscilleert, prikkelt ook de naburige resonator, die echter met een vertraging van 180° oscilleert. Dit, aan de andere kant, prikkelt ook de volgende resonator en zo verder. De hele rij resonatoren vormt een vertragingslijn. Op deze vertragingslijn wordt een circulerende elektromagnetische golf opgewekt. Aangezien het magnetisch veld van deze golf alleen binnen de resonatoren werkt, wordt alleen het elektrische veld dat zich in de resonatorsleuven concentreert effectief in de lopende ruimte en beïnvloedt het de beweging van de elektronen.
In Fig. 6 wordt alleen het hoogfrequente elektrische veld van de circulerende golf en de bijbehorende ladingsverdeling op de anodesegmenten op een bepaald moment in beschouwing genomen. De groene pijlen symboliseren de elektronenbewegingen binnen het anodeblok die worden veroorzaakt door de RF-oscillatie. Het RF-veld dat optreedt bij de resonatorsleuven en de ladingen op de anodesegmenten werken naast het permanent aanwezige statische elektrostatische veld.
Als gevolg daarvan verandert de circulerende golf de potentialen van de anodesegmenten in waarden die iets hoger (meer positief) of iets lager (meer negatief) zijn dan het anodegelijkstroompotentiaal. Deze laadverschillen zijn gemarkeerd met de „+” en „-” tekens voor dit ene moment.
De elektronen die uit de kathode vliegen in de richting van de tijdelijk meer positief geladen anodesegmenten worden zo extra versneld. Hierdoor wordt de magnetische rechterafbuiging sterker en krijgen de elektronen een hogere tangentiële snelheid.
Aan de andere kant worden de elektronen die in de richting van de momenteel meer negatief geladen segmenten vliegen, afgeremd. Ze worden niet zo sterk naar rechts afgebogen en krijgen daardoor een lagere tangentiële snelheid.
3. Proces: Dichtheidsmodulatie van de elektronenstroom
Figuur 8: Dichtheidgemoduleerde elektronenstroom uitgedrukt als een roterend „spaakwiel”.
Figuur 8: Dichtheidgemoduleerde elektronenstroom uitgedrukt als een roterend „spaakwiel”.
Figuur 8: Dichtheidgemoduleerde elektronenstroom uitgedrukt als een roterend „spaakwiel”.
Echter, niet alleen een enkel elektron beweegt zich op het pad zoals beschreven in Figuur 5. De kathode zendt veel van hen uit in alle richtingen. De verdeling is ook zeer gelijkmatig in het begin. Alleen de invloed van de elektrische velden van de resonatoren veroorzaakt een snelheidsmodulatie van de elektronen.
Door de verschillende snelheden van de verschillende groepen elektronen treden de overgangseffecten op tijdens de circulatie van de elektronen. De snellere elektronen halen de langzamere elektronen in. Hoe dichter ze bij de anode komen, hoe meer ze gebundeld zijn en hoe meer elektronen zich ophopen in de vorm van een roterend „spaakwiel.
Omdat deze toestand niet statisch is omdat zowel de as (en dus de veldverdeling bij de resonatoren) als het spaakwiel constant draaien, moeten de tangentiële snelheid van de elektronenspaken en de rotatiesnelheid van de as met elkaar in overeenstemming worden gebracht. Deze regeling van de snelheid van de elektronen gebeurt door de radarmecanicien die de anodestroom instelt zoals voorgeschreven in de gebruiksaanwijzing.
4. Proces: Energieoverdracht van de elektronen naar het RF-veld
Als een van de spaken zich momenteel op een anodesegment bevindt dat iets negatiever wordt geladen door het wisselende RF-veld dat op de anodegelijkspanning is gesuperponeerd, worden de elektronen geremd en geven ze hun energie af aan het wisselende RF-veld. Op hun weg tussen kathode en anode worden de elektronen in de spaak meerdere malen geremd voordat ze het betreffende (dan meer negatieve) anodesegment bereiken. Elke keer dat ze geremd worden en ook als ze uiteindelijk de anode raken, geven ze energie af aan de hoogfrequente oscillatie. Door meerdere malen te remmen wordt de energie van het elektron optimaal benut en worden rendementen tot 80% bereikt.
Figuur 9: Transiëntatieproces: opwekken van een gedempte oscillatie door een enkel elektron
Afwikkelingsproces
Na het inschakelen van de anodespanning bestaat er nog geen hoogfrequent veld. Het enkele elektron beweegt onder invloed van het statische elektrische veld van de anodespanning en door het effect van het magnetische veld zoals weergegeven in Figuur 6 (rode elektronenpad). Elektronen zijn ladingsdragers: als ze langs een gat in de holte resonatoren vliegen, geven ze wat energie vrij.
In detail ziet het voorbijgaande proces er zo uit: Ook al heeft de anode een hoog positief potentieel in vergelijking met de kathode (die fungeert als een gebrek aan vrije elektronen), er zijn nog steeds genoeg vrije elektronen in het metaal. In rusttoestand hebben deze een vrij constante afstand tot elkaar, omdat ze elkaar allemaal afstoten door hun negatieve lading. Nu passeert een extra elektron de kloof en stoot bovendien de nabijgelegen rustende elektronen af. Dit beïnvloedt alle elektronen rond het gat in de anode. Ook al is het elektron allang voorbij gevlogen, het duurt even voordat de rusttoestand is hersteld. Rondom het anodegat ontstaat een gedempte oscillatie in de resonantiefrequentie.
Het passerende elektron is ook langzamer geworden: het heeft energie vrijgemaakt voor de holte-resonator.
De holte-resonator begint vooralsnog zeer zwak te slingeren met zijn eigen resonantie. Onmiddellijk begint de interactie tussen dit RF-veld (met aanvankelijk laag vermogen) en de elektronenbundel. De elektronen worden bovendien beïnvloed door het wisselende veld en de interactie tussen het RF-veld en de nu snelheidgemoduleerde elektronen die onder processen 1 tot 4 worden beschreven, begint. De maximale amplitude van de oscillatie wordt zeer snel bereikt.
Helaas treedt de oscillatie niet op met een voorspelbare fasepositie. Elke oscillatie gebeurt met een willekeurige fase. Daarom zijn de transmissiepulsen die door een magnetron worden gegenereerd niet coherent met elkaar.
Het is echter mogelijk om een magnetron te dwingen te oscilleren met zijn fasepositie door middel van een coherente oscillator.[2]
Modi voor het werken met de magnetron
Figuur 10: Trillingsmodi van de magnetron, (anodesegmenten worden „afgewikkeld” weergegeven).
Figuur 10: Trillingsmodi van de magnetron, (anodesegmenten worden „afgewikkeld” weergegeven).
Figuur 11: opengesneden magnetron, de kortsluitringen zijn duidelijk zichtbaar
De werkingsfrequentie is vooral afhankelijk van de afmetingen van de resonatoren en de loopruimte tussen de anode en de kathode. Aangezien de afzonderlijke resonatoren echter via de loopruimte aan elkaar zijn gekoppeld, zijn er verschillende resonantiefrequenties voor het hele systeem (vertragingslijn).
Figuur 10 toont drie van de vier mogelijke vibratiestanden van een 12-resonatormagnetron. Als de magnetron in een van de andere standen (3/4π, 1/2π, 1/4π) werkt, neemt het vermogen of de efficiëntie af en daalt de oscillatiefrequentie.
Om een stabiele werking in de optimale π-modus te garanderen, zijn twee ontwerpmaatregelen mogelijk:
- Kortsluitringen op de anodesegmenten
Zowel de even als oneven segmenten zijn met elkaar verbonden door kortsluitringen. De anodesegmenten krijgen dus hetzelfde potentieel in de π-modus. Andere modi worden onderdrukt door compensatiestromen via deze kortsluitringen.
- Gebruik van resonatoren met verschillende natuurlijke frequenties
Een van die varianten is bijvoorbeeld de anodevorm Rising Sun.
Het type Rising Sun heeft sleuven van verschillende lengtes. In een gegeven voorbeeld staat de resonantiefrequentie van elke tweede resonator op de derde harmonische van de gewenste werkfrequentie in de π-mode, dat wil zeggen drie keer de grondfrequentie. Normaal gesproken ondersteunt deze resonantiefrequentie (omdat het een oneven veelvoud van de werkfrequentie is) de randen van de oscillatie in π-Mode-mode. Als de magnetron bijvoorbeeld in de 1/2π-Mode-stand werkt, zou de stroom van de oscillatie bestaan uit twee resonatoren die stevig aan elkaar zijn gekoppeld. De ene resonator zou nu werken op de 2e harmonische, de andere op de 6e harmonische. Omdat deze kleinere resonator nu op een nog veelvoud werkt en door de vaste koppeling nog steeds een faseverschuiving van 180° nodig heeft, staat hij nu in fase tegenover zijn naburige resonatoren. Dit maakt het toch al ongunstige rendement voor de verkeerde modus nog ongunstiger, en de werkomstandigheden worden daardoor nog slechter, totdat deze oscillatie overgaat in de π-modus.
Om überhaupt een oscillatie te kunnen opwekken in een andere stand dan π, moet het aantal resonatoren overeenkomen met deze stand. Bijvoorbeeld, voor een 3/4π-modus moet het aantal resonatoren deelbaar zijn door 6 om in deze modus een circulerende golf te genereren. Daarom is het aantal mogelijke modi afhankelijk van het aantal resonatoren.
Koppeling van de energie bij de magnetron
De RF-energie kan via een koppellus uit de magnetron worden gehaald. Bij frequenties onder 10 GHz wordt deze lus gevormd door de middengeleider van de coaxkabel en bevindt deze zich in een willekeurige resonator (Figuur 12). Bij hogere frequenties is de opstelling van deze koppellus buiten de resonator (Figuur 13) effectiever.
Figuur 14 laat zien hoe de koppellus wordt gevoed door de RF-spanning van een segment. De kabel detecteert ook het magnetisch veld dat tussen de resonatoren optreedt. Koppeling aan een kortsluitring is ook mogelijk (Figuur 15). De methode om de energie via een coaxiale kabel te koppelen is gunstig omdat de doorvoer door het anodeblok luchtdicht moet zijn (vacuümbuis!). Deze coaxiale kabel kan echter direct een golfgeleider voeden. Directe koppeling via een slot is ook gebruikelijk bij hoge frequenties (en dus kleine golfgeleiders) (Figuur 16). De golfgeleiderverbinding moet hermetisch worden afgesloten door een kwartsglasvenster met een opening.
Verschillende methoden om de energie bij de magnetron te koppelen
Frequentieverandering bij de magnetron
Afstembare magnetrons maken een nauwkeurigere zendfrequentie mogelijk binnen een door het ontwerp gespecificeerde frequentieband. De verandering van de resonantiefrequentie wordt veroorzaakt door ofwel capacitieve ofwel inductieve mechanische veranderingen van de resonatoren.
Frame
Inductantie
actieve
Afstemelementen
Figuur 17: Inductieve stemming („doornenkroonstemming”)
Frame
Inductantie
actieve
Afstemelementen
Figuur 17: Inductieve stemming („doornenkroonstemming”)
Capacitieve afstemming is mogelijk door de afstand tussen de kortsluitstangen te veranderen, bijvoorbeeld door een ring tussen de kortsluitstangen te plaatsen. Dit type tuning wordt “cookie-cutter tuning” genoemd, maar wordt nauwelijks gebruikt. Meestal worden inductieve stempels tegelijkertijd in alle caviteitsresonatoren geplaatst. Deze stoten worden aan een frame bevestigd en kunnen van buitenaf worden afgesteld. Dit type wordt “crown-of-thorns tuning” genoemd. Met deze tuning kan een tuningbereik tot 1,5 : 1 worden bereikt. Het grootste probleem bij alle tuningvariaties is de overdracht van de mechanische beweging naar de vacuümruimte van de buis.
Figuur 18: Resonatoren van een magnetron (gattype) met inductieve stemelementen
Figuur 18: Resonatoren van een magnetron (gattype) met inductieve stemelementen
Een voorbeeld van een afstembare magnetron is de M5114B van de ASR-910. Aangezien de ASR-910 op verschillende toegewezen frequenties kan werken om onderlinge interferentie te verminderen, moet de bedrijfsfrequentie van de zender afstembaar zijn. Deze magnetron is uitgerust met een afstemmechanisme om de zendfrequentie van de ASR-910 nauwkeurig in te stellen.
Figuur 18 toont de inductieve stemmingselementen van de TH3123-magnetron. De resonator achter de voedingslijnen voor de verwarmingsspanning en de resonator met de uitgangslus zijn niet afstembaar! Dit toont ook het nadeel van tuning aan: deze twee resonatoren moeten meer breedbandig zijn dan de andere resonatoren. Dit vermindert de effectiviteit van de magnetron en een frequentieverandering is alleen mogelijk binnen zeer nauwe grenzen.
Overigens: de in afbeelding 17 getoonde magnetron werd met een freesmachine geopend. Aan het gebogen deel van de anders zo ronde buitenrand van de anode net boven de ontkoppelingslus kunt u zien hoe moeilijk het is om een freesmachine op te zetten om zeer zacht koper te bewerken zonder het materiaal te buigen.
Figuur 18: Magnetron M5114B van de ASR-910
Figuur 19: Magnetron VMX 1090, gebruikt in de PAR-80, deze magnetron bevat zelfs de permanente magneten die nodig zijn voor het werk.
Bovenste afsnijfrequenties
Ernstige bronnen geven ongeveer 95 GHz[1] als bovenste grensfrequentie voor het gebruik van magnetrons voor stroomopwekking. Andere secundaire bronnen noemen veel hogere frequenties, maar helaas zonder de informatie waar ze zulke nummers hebben gekregen.
Laten we praktisch denken: een holte-resonator in een magnetron moet de afmetingen hebben van ongeveer de helft van de golflengte van de te genereren oscillatie. Bij 96 GHz ligt de golflengte in het bereik van 3,125 mm. Het gat moet daarom een diameter van ongeveer 1,5 mm hebben. De nauwkeurigheid moet ver onder 5% liggen, omdat alle caviteitsresonatoren dezelfde resonantiefrequentie moeten hebben, zodat een oscillatie wordt versterkt. We hebben dus al een vereiste mechanische nauwkeurigheid van een paar honderdsten van een millimeter. Tot nu toe is het misschien haalbaar.
Maar als een resonantiefrequentie van 300 of zelfs 400 GHz wordt geclaimd, dan zijn de vereiste afmetingen van de holte-resonatoren voor een resonantie in het bereik van tienden van een millimeter. De vereiste nauwkeurigheid zou dan zelfs in het bereik van een paar duizendste van een millimeter moeten liggen. Zelfs als men zich deze mechanische uitdagingen voor een laboratoriumapparaat zou kunnen voorstellen, faalt het omdat deze kleine afstanden van tienden van een millimeter geen hoge anodespanning meer toelaten. In plaats van een hoogfrequente oscillatie is er dan een vonkspleet als een bougie. Deze overwegingen maken dergelijke uitspraken voor zulke hoge frequenties vrij onwaarschijnlijk.
Voetnoten:
- Richard C. Dorf: ”The Electrical Engineering Handbook”, 2. Edition, Seite 1046 (Google-voorvertoning)
- David J. Greenslade: ”The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection”, University of Essex, (online)
- Meer foto's van magnetrons en diverse uitsnijdingsmodellen van magnetrons zijn te vinden op www.ostron.de.