Как работает магнетрон в микроволновке. Из чего состоит и как работает микроволновка. Магнетрон: что это и как появилось

Определение . Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров-резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.

Устройство . Анодный блок многорезонаторного магнетрона (рис. 5-1) представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным, они образуют объемные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь поток электронов, движущихся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем. В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высокочастотных колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок магнетрона заземляется а катоду сообщается достаточно высокий отрицательный потенциал.

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюсы которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока. Поэтому движение электронов в пространстве взаимодействия подобно движению электронов в системе цилиндрических электродов, помещенной в осевое магнитное поле (рис. 4-5). Однако траектории электронов в магнетроне более сложные, так как, помимо постоянных электрического и магнитного полей, в пространстве взаимодействия имеется переменное электрическое поле, влияющее на движение электронов.

Принцип действия . Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуации электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты колебательных систем, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия, образуя так называемые электронные спицы (рис. 5-2, а). Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее употребительном режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.

Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются благодаря наложению переменного электрического поля заряженными до более положительного потенциала (рис. 5-2, б). Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.

Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования там нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизируется с изменением фазы высокочастотных колебаний.

При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передается полю.

Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмиттированными катодом. Таков в общих чертах принцип работы многорезонаторного магнетрона.

5-2. Виды колебаний в магнетроне

Возможные виды колебаний. Как видно из рис. 5-1, анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна:

Ф = 2πn, (5-1)

где n = 0, 1, 2, ..., N определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.

Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ψ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится.

Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна:

Из формулы (5-2) легко видеть, что при целочисленных значениях n, больших N, возможные величины фазовых сдвигов будут повторять величины φ для 0

Основным видом колебаний в многорезонаторном магнетроне являются π-колебания или противофазные колебания, соответствующие n = N/2 и φ = π. Этот вид колебаний не имеет дублета и, как будет показано, возникает при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях.

Колебания π-вида, как это видно из (5-2), могут возникнуть в магнетроне лишь при четном числе N. Поэтому анодные блоки многорезонаторных магнетронов обязательно содержат четное число резонаторов.

Поля в магнетроне . На рис. 5-3 показаны картины переменных электрического и магнитного полей в магнетроне при разных значениях n. Для наглядности анодный блок магнетрона изображен в развернутом виде (рис. 5-3, а). Ниже на развертках анодного блока пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля для момента времени, соответствующего максимуму тока в контуре. Под развертками блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала вдоль поверхности анода. Силовые линии переменного электрического поля, когда ток в контуре равен нулю, показаны слева.

5-3. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем

Образование электронных спиц . Образование переменного по плотности электронного потока - электронных спиц - в многорезонаторном магнетроне осуществляется, как и во всех приборах типа М, за счет взаимодействия электронов с переменным неоднородным электрическим полем. Физические процессы, лежащие в основе такого взаимодействия, рассмотренные в гл. 4, справедливы и для многорезонаторного магнетрона.

В отсутствие колебаний в магнетроне электрон, покинувший катод с нулевой скоростью, движется по эпициклоидальной траектории (рис. 5-4, а). При возникновении колебаний вблизи щелей резонаторов образуются неоднородные электрические поля.

Рис. 5-4. Картины неоднородного электрического поля и траектории электронов. а - в отсутствие колебаний; б - траектория нерабочего электрона; в - траектория "рабочего" электрона

В отличие от рассмотренного в гл. 4 случая плоских электродов, движение электронов в магнетроне следует рассматривать с учетом его взаимодействия с радиальной и тангенциальной составляющими переменного электрического поля. Однако общая картина от этого не меняется. Воздействие радиальной составляющей поля аналогично влиянию поперечной составляющей в случае плоских электродов, а тангенциальная составляющая поля действует так же, как продольная. На рис. 5-4, б и в показаны картины неоднородного электрического поля, составляющие векторов напряженностей в различных точках поля и характер движения электронов для двух различных моментов времени, разделенных интервалом, равным половине периода колебаний.

В первом случае электрон, вылетевший с поверхности катода, описывая дугу эпициклоиды, оказывается в поле резонатора в тот момент, когда вектор тангенциальной составляющей поля противоположен по направлению вектору скорости электрона в верхней части витка. Суммарное электрическое поле в точке 5 характеризуется вектором ε σ 5 , отклоненным от радиального направления влево. В результате поверхность качения образующей окружности искривляется и электрон, описав виток, оказывается у поверхности катода с некоторым запасом энергии, которую он и рассеивает в виде тепла при соударении с катодом. Таким образом, большинство электронов, вылетающих с катода против резонаторов, поле которых характеризуется рассмотренной фазой, удаляются на катод. Исключение могут составить лишь те электроны, начальная скорость которых позволит им остаться в пространстве взаимодействия. Взаимодействие этих электронов с радиальной составляющей приводит к уменьшению плотности электронного потока в этой области поля. В самом деле, скорость электрона в точке 4 уменьшается, а в точке 6 - увеличивается относительно скорости центрального электрона, находящегося в точке 5 (см. § 4-2). Происходит разгруппирование электронов.

Иной характер имеет движение электронов, попадающих в противоположную фазу поля (рис. 5-4, в). Под действием радиальной составляющей электрон в точке 1 приобретает дополнительную скорость в тангенциальном направлении, а скорость электрона в точке 3 уменьшается. Электроны группируются в сгусток вокруг электрона, находящегося в точке 2. Происходит фазовая фокусировка электронного потока.

В результате сложения вектора тангенциальной составляющей неоднородного поля ε τ 2 и вектора ε постоянного электрического поля суммарный вектор ε σ 2 отклоняется вправо. Поверхность качения образующей окружности поднимается над поверхностью катода. Траекторию движения электрона можно приближенно представить как траекторию точки окружности, катящейся по некоторой криволинейной поверхности, уходящей от катода к аноду. Число "петель" в траектории и "крутизна" образующей поверхности зависят от величины анодного напряжения, магнитной индукции, а также от интенсивности переменного электрического поля.

Итак, на анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует тормозящее электроны переменное электрическое поле: в магнетроне образуются электронные спицы. Число таких спиц при противофазном виде колебаний равно половине числа резонаторов (см. рис. 5-2, а).

Движение электронных спиц . Поскольку через каждые полпериода знаки высокочастотных потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Для обеспечения нужной угловой скорости вращения спиц требуется, как мы увидим далее, определенная величина разности потенциалов между анодом и катодом. Такое синхронное с перемещением поля вращение электронных спиц обеспечивает не только непрерывное уплотнение электронов в спицах - их фазовую фокусировку, но и необходимый режим обмена энергией между электронами и сверхвысокочастотным полем.

Передача энергии от электронов полю . Электроны, образующие спицу одновременно с вращательным движением, описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод. По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. Эта составляющая движения электронов сопровождается уменьшением их потенциальной энергии.

Энергия электронов передается электромагнитному полю, взаимодействие с электрической составляющей которого и служит причиной рассмотренного движения электронов.

Для обеспечения радиального перемещения электронов, как и для вращательного движения спиц, требуются определенные величины разности потенциалов анод - катод и напряженности магнитного поля.

5-4. Рабочий режим магнетрона

В предыдущих параграфах отмечалось, что для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям, их перемещения в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуются определенные соотношения между напряженностью ε постоянного электрического поля и магнитной индукцией В. Выбор соответствующих величин ε и В и определяет рабочий режим магнетрона.

Парабола критического режима . Если анодное напряжение магнетрона больше критического, то условия передачи электронами энергии высокочастотному полю не выполняются. В самом деле, при U а > U а.кр электроны, двигаясь по криволинейным траекториям (см. рис. 4-7), устремляются к аноду. При этом высокочастотные колебания, даже если они и возникли, не могут поддерживаться за счет энергии электронов, которые не описывают петель и практически не взаимодействуют с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов. Поэтому рабочие значения анодных напряжений должны лежать ниже параболы критического режима (рис. 4-6), которая описывается уравнением (4-38).

Потенциал синхронизации . Однако для нормальной работы магнетрона недостаточно движения электронов по петлеобразным траекториям. Необходимо, кроме того, добиться вращения спиц с определенной угловой частотой, синхронной с изменением фазы сверхвысокочастотных колебаний. Условие синхронизма может выполняться при различных значениях угловой скорости вращения спиц. В самом деле, при колебаниях вида π время t c движения спицы между двумя соседними резонаторами может равняться не только половине периода, но и любому целому числу полупериодов:

где p = 0, 1, 2, 3 ...

Графики движения электронов для колебаний π-вида при различных значениях р изображены пунктирными прямыми на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Картина переменного электрического поля и графики движения электронов при колебаниях π-вида

На графике по оси ординат отложено время и под резверткой анодного блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала через каждые четверть периода. В течение всего времени узлы напряжения остаются в середине щелей. Во всех случаях, когда р - целое число, электроны оказываются в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. В зависимости от р изменяется лишь угловая скорость ω 0 вращения электронов. Максимальная величина ω 0 соответствует p = 0, когда t c = T/2.

Для характеристики угловой скорости вращения электронов удобно ввести некоторый параметр k, равный числу периодов, в течение которых электрон проходит мимо всех резонаторов и возвращается к исходной точке. Тогда время движения электрона между соседними резонаторами, выраженное в долях периода Т, определится соотношением

В случае π-колебаний выражение (5-3) принимает вид:

Обобщая это соотношение и для других видов колебаний, получим:

Используя параметр k, нетрудно получить выражение угловой скорости вращения электронов для колебаний любого вида:

где λ = сТ - длина волны колебаний в магнетроне, а c - скорость света.

Для обеспечения угловой скорости вращения необходимо, чтобы электрон, находящийся в спице у поверхности анода, обладал тангенциальной скоростью

Кинетическую энергию в магнетроне электрон приобретает за счет постоянного электрического поля, определяемого разностью потенциалов U а. У поверхности анода (r = r а) наибольшее значение энергии электрона равно:

E K = eU a . (5-9)

В условиях синхронного движения энергия электрона у поверхности анода должна быть:

Приравнивая (5-9) и (5-10), получим значение анодного напряжения, необходимого для обеспечения синхронного вращения электронов:

Эта величина, называемая потенциалом синхронизации, определяет наименьшее (для заданного k) значение анодного напряжения, при котором возможно синхронное вращение электронных спиц.

Подставляя в (5-11) численные значения всех постоянных и выражая U c в вольтах, получим:

Это выражение получено в предположении, что электрон движется по окружности, соосной поверхности анода, и с радиусом, близким к величине r а. В действительности электроны движутся в магнетроне по сложным петлеобразным траекториям и тангенциальная составляющая их скорости зависит как от скорости переносного движения центра образующей окружности, так и от скорости движения самого электрона относительно этого центра.

Пороговое напряжение . Приблизившись к поверхности анода и передав полю значительную часть своей энергии, электрон должен быть удален из пространства взаимодействия. В противном случае такой отработавший, медленно движущийся электрон отстанет от спицы и отберет энергию у переменного поля. Для того чтобы отработавшие электроны попадали на анод, а также для обеспечения необходимой тангенциальной скорости электронов с учетом их движения по петлеобразным кривым требуется анодное напряжение несколько выше потенциала синхронизации U c .

На электрон, удаленный от центра магнетрона на расстояние r и вращающийся вокруг оси прибора с угловой скоростью ω 0 , действуют три силы (рис. 5-6): сила F e постоянного электрического поля направлена по радиусу к аноду; сила Лоренца F м, возникающая при пересечении электроном силовых линий магнитного поля, в соответствии с правилом правой руки, направлена к катоду; и, наконец, третья, центробежная сила F д, совпадает по направлению с силой F e .

Для того чтобы электрон достиг анода, кинетическая энергия его движения в радиальном направлении должна быть больше нуля и, следовательно, работа сил F e и F д должна быть больше или, по крайней мере, равна работе силы F м.

Из этих соображений легко определить [Л. 2] пороговое напряжение, т. е. величину наименьшего анодного напряжения, при котором отработавшие электроны удаляются на анод:

Подставляя сюда формулу (5-7) для ω 0 и выражая напряжение в вольтах, получим:

Отсюда видно, что для удовлетворения поставленных условий удаления отработавших электронов на анод анодное напряжение должно быть больше потенциала синхронизации, причем если величина U c не зависит от напряженности магнитного поля, то пороговое напряжение растет пропорционально величине В.

Диаграмма рабочего режима . Итак, мы рассмотрели ряд условий нормальной работы магнетрона и получили уравнения: для критического потенциала (4-38), для потенциала синхронизации (5-12) и для порогового анодного напряжения (5-14).

Все три эти зависимости изображены на рис. 5-7. Парабола критического режима отделяет на плоскости В - U a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U а для любой точки в этой области электроны в магнетроне не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Величина потенциала синхронизации (5-12) не зависит от В, но изменяется в зависимости от к. На рис. 5-7 линия U c проведена лишь для режима π-колебаний (n = 4; р = 0; N = 8). Для других k = n (p = 0) потенциал синхронизации отмечен точками на параболе критического режима.

Линия порогового напряжения (5-14) при различных k(p = 0) изображаются на плоскости В - U а в виде прямых, касательных к параболе критического режима в точках, соответствующих значению потенциала синхронизации для данного вида колебаний. В справедливости этого нетрудно убедиться, если в выражение (5-14) подставить значение критического потенциала (4-38).

Таким образом, для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой порогового напряжения (k = 4). При этих значениях U a и В либо не выполняется условие синхронного движения спиц (U а

5-5. Анодный блок магнетрона

Эквивалентная схема анодного блока . Наиболее употребительные формы резонаторов магнетронов показаны на рис. 5-8, где, помимо уже известных нам, изображены также резонаторы, образованные короткозамкнутыми отрезками волноводов. Однако при любой конфигурации резонаторов анодный блок представляет собой систему сложно связанных контуров. Контуры магнетрона прежде всего связаны между собой кондуктивно, так как по поверхности сегмента анодного блока протекают токи соседних резонаторов. Помимо этого, между соседними резонаторами существует также емкостная связь через емкости, образованные сегментами анодного блока и поверхностью катода. И, наконец, соседние резонаторы связаны между собой индуктивно (силовые линии переменного магнитного поля в резонаторе замыкаются через соседние отверстия).

Преобладание того или иного вида связи определяется конструкцией анодного блока и, в частности, его высотой h. При малой величине h преобладает индуктивная связь между отдельными резонаторами, а с увеличением высоты h анодного блока все большую роль играет связь емкостная. Одна из возможных, эквивалентных схем анодного блока магнетрона с большим h представлена на рис. 5-9. Величины L 0 и С 0 - эквивалентные индуктивность и емкость резонатора соответственно. Резонаторы связаны между собой кондуктивно, а также через емкости С а-к анод - катод.

Анализ такой эквивалентной схемы показывает [Л. 2], что длина волны генерируемых колебаний зависит как от реактивных параметров, так и от числа n:

Отношение С а-к /С 0 в магнетронах обычно равно 0,1-0,4.

Зависимость (5-15) для восьмирезонаторного магнетрона показана на рис. 5-10 (кривая 1). Там же нанесена аналогичная зависимость (кривая 2), но для случая преобладания индуктивной связи в магнетроне. Из кривых видно, что колебания вида я незначительно отличаются по длине волны от колебаний соседних видов. С увеличением числа резонаторов, а следовательно, и числа n это отличие становится все меньше. Кроме того, вследствие малого отличия частоты π-колебаний от колебаний соседних видов работа магнетронного генератора может быть неустойчивой.

В результате изменения режима питания, характера нагрузки и других причин в магнетроне могут вместо π-колебаний возникнуть колебания другого вида (скачок частоты). Возможно также одновременное существование колебаний вида π и соседнего вида колебаний. Распределение высокочастотного поля при этом нарушается, условие синхронизма выполняется плохо, падают мощность и к. п. д. магнетрона. Следовательно, нельзя увеличивать число резонаторов с целью повышения мощности колебаний, что особенно важно на более коротких волнах.

Разделение видов колебаний с помощью связок . Для устранения нестабильностей в магнетронах принимаются специальные меры. Хороший эффект дают специальные связки, имеющие в простейшем случае форму колец (рис. 5-11). Одно из колец приваривается к четырем четным сегментам анодного блока, а другое - к четырем нечетным. Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные емкость и индуктивность. Вносимая емкость определяется не только размерами самих связок и их расстоянием от поверхности анодного блока, но и разностью высокочастотных потенциалов между двумя кольцами. Индуктивность зависит как от размеров самих связок, так и от токов, протекающих по связкам.

При противофазном виде колебаний каждое из колец соединяется с сегментами блока, находящимися под одинаковым потенциалом. Таким образом, разность фаз высокочастотных потенциалов двух связывающих колец равна π и емкостное действие связок весьма существенно. В то же время индуктивный эффект связок при π-колебаниях минимален, поскольку каждое кольцо приваривается к сегментам с одинаковым потенциалом, и уравнительные токи в связках близки к нулю. Следовательно, результирующее влияние связок при π-колебаниях имеет емкостный характер. Емкость, вносимая связками в резонаторы, параллельна их собственной емкости. В результате суммарная емкость увеличивается и длина волны при π-колебаниях возрастает.

При колебаниях других видов высокочастотные потенциалы сегментов, соединенных с каждым из колец, неодинаковы, и поэтому средняя разность потенциалов между связками меньше, чем при противофазных колебаниях. Вследствие этого вносимая связками емкость уменьшается, а вносимая индуктивность увеличивается, так как вследствие различия высокочастотных потенциалов двух сегментов, присоединенных к одному кольцу, в нем протекают уравнительные токи. Результирующее влияние связок носит индуктивный характер. Вносимая индуктивность параллельна собственной идуктивности резонаторов; суммарная индуктивность уменьшается, уменьшается и длина волны колебаний.

Изменение длины волны колебаний от величины n при использовании различных видов связок показано на рис. 5-10 (кривая 5 - для связок рис. 5-11, а, а кривая 4 - для связок рис. 5-11, б).

Из сравнения этих кривых с кривыми 1 и 2 видно, что применение связок позволяет значительно увеличить разность частот π-колебаний и соседнего с ним вида. Для устойчивой работы магнетрона необходимо, чтобы частота колебаний вида n = N/2-1 отличалась от частоты противофазных колебаний не менее чем на 4%. Обычно добиваются, чтобы разнос частот был порядка 10-15%.

Повышению устойчивости работы магнетрона на противофазном виде колебаний способствует также применение асимметричных связок, например колец, имеющих разрыв. Применение асимметричных связок нарушает ориентацию высокочастотных полей, возникающих при колебаниях, отличных от противофазного, и, таким образом, еще больше затрудняет их появление. Следует также отметить, что увеличение длины волны колебаний π-вида вследствие применения связок приводит к соответствующему понижению порогового напряжения, что сопровождается увеличением мощности генерируемых колебаний и к. п. д. магнетрона.

Применение связок имеет и некоторые недостатки. Так, например, высокочастотное поле, образуемое связками и не зависящее от азимутального угла, искажает в некоторой степени электрическое поле в пространстве взаимодействия и ухудшает работу магнетрона. Кроме того, введение связок увеличивает высокочастотные потери, величина которых растет с укорочением длины волны генерируемых колебаний. Для исключения этого влияния связки экранируют, размещая их в специальных канавках в анодном блоке.

Разнорезонаторный анодный блок . В магнетронах, работающих на волнах λ = 3 см и короче, используют другой метод разделения частот - разнорезонаторный анодный блок.

В разнорезонаторном анодном блоке размеры каждого второго резонатора несколько увеличиваются по сравнению с размерами в обычном анодном блоке; размеры же второй половины резонаторов уменьшаются (рис. 5-12). Получаются как бы две системы резонаторов, одна из которых настроена на короткую волну, а другая - на более длинную.

Для определения в разнорезонаторной системе длин волн колебаний, соответствующих различным значениям n, можно воспользоваться формулой (5-15), считая, что анодный блок состоит из двух различных систем: больших (h б) и малых (h м) резонаторов. При вычислении этих длин волн вместо λ 0 нужно подставлять резонансную длину волны большого или малого резонатора соответственно. Но так как число одинаковых резонаторов в системе вдвое меньше общего числа N резонаторов, то для каждой системы одинаковых резонаторов вводят свое число n", величина которого не может быть больше N/4.

На рис. 5-13 показано (кривая 3) изменение длины волны в зависимости от величины n в разнорезонаторном магнетроне (N = 18). Верхняя ветвь этой кривой, вплоть до n = 4, соответствует первой - длинноволновой группе колебаний при нулевом фазовом сдвиге между колебаниями в больших и малых резонаторах. Характер изменения длины волны здесь такой же, как и для обычного магнетрона без связок (кривая 1): с увеличением n длина волны уменьшается.

Нижняя ветвь кривой от n = 5 до n = N/2 = 9 соответствует второй - коротковолновой группе колебаний. Здесь с возрастанием n длина волны уменьшается. На рис. 5-13 приведена для сравнения также кривая 2 для магнетрона со связками.

Разнос частот при разных n зависит от соотношения h б /h м (рис. 5-12), возрастая при его увеличении. Однако при значительных величинах h б /h м усиливается влияние составляющей высокочастотного поля, не зависящей от азимутального угла и ухудшающей взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.

Преимущество разнорезонаторной системы перед анодным блоком со связками заключается прежде всего в том, что на величину разделения частот не влияет высота анодного блока. Кроме того, высокочастотные потери в разнорезонаторном анодном блоке значительно меньше, что позволяет повысить к. п. д. магнетрона.

5-6. Параметры и характеристики магнетронов

Многорезонаторные магнетроны, как и другие электронные приборы, характеризуются рядом параметров, обусловливающих эксплуатационный, предельный, климатический и другие режимы их работы.

Параметры электрического режима . Справочными данными, как правило, оговариваются: величины напряжения U н или тока I н накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно ±10%; номинальное анодное напряжение U а и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимые верхнее и нижнее значения тока I а; напряженность или индукция магнитного поля. Для магнетронов, работающих в импульсном режиме, в справочнике указывают номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважности и крутизны фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.

Мощность генерируемых колебаний . Многорезонаторные магнетроны используются обычно в качестве генераторов мощных СВЧ колебаний в импульсном или непрерывном режиме. Поэтому важнейший параметр этих приборов - величина генерируемой мощности

P вых = ηI а U а, (5-61)

где η - полный к. п. д. магнетрона. Таким образом, величина Р вых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - к. п. д. прибора.

Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением мощности сверхвысокочастотных колебаний к мощности, подводимой к магнетрону от источника постоянного напряжения в анодной цепи.

Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее высокочастотному полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с высокочастотным полем, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной высокочастотным полем от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным к. п. д. магнетрона η эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем. Энергия высокочастотных колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т. п. Эти потери определяются к. п. д. колебательной системы η к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен:

η = η эл η к. (5-17)

Величина электронного к. п. д. магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. Для определения η эл необходимо знать не только энергию, получаемую электроном от постоянного электрического поля, но также величину неизрасходованной электроном энергии (кинетическую энергию, с которой электрон достигает анода). Для выполнения условий синхронизма электрон должен двигаться у поверхности анода со скоростью, не меньшей U c . Поэтому кинетическая энергия электрона, достигающего анода, не может быть меньше eU c . Следовательно, электронный к. п. д. магнетрона равен:

Однако рассчитанный по этой формуле электронный к. п. д. оказывается выше экспериментальной величины η эл. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, в действительности значительно больше величины eU c . Электроны движутся в пространстве взаимодействия, описывая петлеобразные траектории. Если анодное напряжение близко к пороговому напряжению, то электроны медленно поднимаются от катода к аноду и попадают на анод, находясь, как правило, в вершине "петли". Если тангенциальная скорость движения оси образующей окружности равна (из условия синхронизма) U с, то тангенциальная скорость движения электрона относительно катода примерно в 2 раза больше, а его кинетическая энергия - в 4 раза больше принятой величины. В рабочем режиме анодное напряжение в магнетроне обычно больше величины U п и электроны поднимаются к аноду по более крутой петлеобразной траектории. Они могут достигать анода как на вершине петли, так и у ее начала, где скорость электрона близка к нулю. Поэтому среднее значение кинетической энергии у поверхности примерно в 2 раза больше величины eU c . Величина электронного к. п. д. в современных многорезонаторных магнетронах достигает величины 50-70% и более.

Рабочая длина волны λ 0 или рабочая частота колебаний ω 0 определяется, как это было показано в § 5-5, параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока. В многорезонаторных магнетронах обычной конструкции изменение рабочей частоты в небольших пределах может быть получено с помощью специальных устройств, изменяющих емкость или индуктивность резонаторов (см далее § 5-7).

При конструировании генераторных устройств на многорезонаторных магнетронах особое внимание уделяется стабилизации частоты колебаний. С этой целью, как уже было сказано выше, используются связки, применяются разно-резонаторные анодные блоки и др. Однако рабочая частота магнетрона существенным образом зависит от характера нагрузки и способа ее подключения к магнетрону. Степень изменения частоты под влиянием нагрузки характеризуют такими параметрами, как электронное смещение частоты, затягивание частоты и др. Наиболее полно эти явления отображаются так называемой нагрузочной характеристикой магнетрона. Подробно работа магнетрона в реальных условиях рассматривается в курсе "Радиопередающие устройства", и поэтому обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

Рабочие характеристики магнетронов . В качестве рабочих характеристик магнетронов приняты зависимости U a = f(I a) при постоянных величинах В, Р вых, η и ω 0 . Обычно линии постоянных значений В, Р вых и η изображаются на одном графике в координатах I а - U a . Эти семейства кривых и называют рабочими характеристиками многорезонаторных магнетронов.

На рис. 5-14 показаны рабочие характеристики магнетрона со следующими параметрами: рабочий режим - импульсный, число резонаторов N = 8, радиус катода r к = 0,3 см, радиус анода r а = 0,8 см, высота анодного блока h = 2 см, частота (в режиме π-колебаний) f = 2800 Мгц, рабочее анодное напряжение U а = 16 кв, напряженность магнитного поля в рабочем режиме H = 128000 а/м, рабочий анодный ток (в импульсе) I а = 20 а, к. п. д. η = 42%, генерируемая мощность (в импульсе) Р вых = 35 квт.

При малых анодных напряжениях и соответственно меньших В к. п. д. магнетрона невелик. Поэтому использование низких анодных напряжений не имеет смысла. Значительное увеличение анодного напряжения, хотя и сопровождается некоторым ростом к. п. д. и генерируемой мощности, требует, кроме того, повышения напряженности магнитного поля. Работа с очень большими значениями U a и В встречает серьезные технические затруднения; они не оправдываются повышением к. п. д., который при увеличении U a растет сначала быстро, а затем медленно.

При малых анодных токах магнетрон работает неустойчиво. Большая часть электронов возвращается на катод, к. п. д. и генерируемая мощность невелеки. Чрезмерное увеличение тока также нежелательно, так как при этом сильно разогревается анодный блок, катод работает с перегрузкой и требуется дальнейшее повышение U a .

Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений U a и I а. Другие параметры (В, η, Р вых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.

Рассмотрим семейство кривых В = const. При заданной величине В и при повышении U a анодный ток вначале мал и растет медленно. Эта часть кривых соответствует анодным напряжениям ниже порогового. Большинство электронов не попадает на анод, а под действием силы F м возвращаются на катод. При дальнейшем увеличении U a анодный ток резко увеличивается и кривые U a = f(I a) представляют собой отрезки почти прямых линий, образующих с осью абсцисс небольшой угол. Эта рабочая часть характеристик соответствует значениям U a > U п.

С увеличением В для получения той же величины I a требуются большие значения анодного напряжения, причем, как это видно из рис. 5-14, одинаковые приращения В требуют и одинаковых приращений U a (линии В = const при равных приращениях В расположены на одном и том же расстоянии друг от друга). Иными словами, анодное напряжение пропорционально напряженности магнитного поля, что полностью согласуется с формулой (5-14) для порогового напряжения. Величину U п здесь легко определить графически, продолжив линейную часть характеристик B = const до пересечения с осью ординат.

Кривые второго семейства (P выx = const) имеют гиперболический характер. Колебательная мощность в магнетроне определяется выражением Р вых = ηI а U а. Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от I а и U a . Поэтому линии P выx = const не являются правильными гиперболами.

На рис. 5-14 видно, что I а = const и при увеличении U a к. п. д. магнетрона увеличивается. Это объясняется главным образом тем, что увеличение U a и В сопровождается уменьшением радиуса образующей окружности и, следовательно снижением скорости, с которой электроны попадают на анод. С увеличением анодного тока (при В = const) η сначала несколько увеличивается, а затем снижается.

Небольшая величина η при очень малых анодных токах объясняется большими электронными потерями. Кроме того, вследствие малой интенсивности колебаний в резонаторах фокусирующее действие переменного электрического поля незначительно. Электроны плохо группируются в спицы, и условие синхронизма выполняется лишь для небольшой части электронов. При некотором увеличении I а к. п. д. возрастает, так как влияние указанных причин ослабляется. Дальнейшее увеличение тока сопровождается падением η за счет увеличения радиальной составляющей кинетической энергии у анода, а также вследствие взаимного расталкивания электронов в спицах.

5-7. Особенности конструкции многорезонаторных магнетронов

Условия работы магнетрона отличаются от условий работы не только обычных электронных ламп, но и других СВЧ приборов. Значительная часть электронов, эмиттируемых катодом, возвращается обратно. Эти электроны, попадая на катод с некоторым запасом кинетической энергии, разогревают его и вызывают с поверхности катода дополнительную вторичную эмиссию. На катоде выделяется около 5% всей мощности, рассеиваемой в магнетроне. Поток электронов, образуемый за счет вторичной эмиссии, составляет значительную часть электронов потока, эмиттируемого катодом. Величина вторично-эмиссионного тока такова, что магнетроны обычно продолжают нормально работать, если после их включения разомкнуть цепь накала. Поэтому катод магнетрона должен обеспечить значительную термоэлектронную эмиссию только в момент его включения. К особенностям работы катода в магнетроне следует отнести также сильное электрическое поле, так как обычно потенциал анода равен нескольким киловольтам, а в мощных магнетронах - десяткам киловольт, в то время как расстояния анод - катод не превышают нескольких сантиметров.

Катод в магнетроне должен обеспечить термоэмиссионный ток большой плотности. Он должен, кроме того, быть стойким к перегреву и действию сильных электрических полей, а также сохранять постоянство эмиссии во времени.

Наиболее часто в магнетронах используются подогревные оксидные катоды, которые позволяют получить плотность тока до 40 а/см 2 и способны работать в электрических полях до 70 кв/см. Коэффициент вторичной эмиссии этих катодов достигает нескольких десятков. В магнетронах применяют также вольфрамо-ториевые катоды, спекаемые из порошка, содержащего 96% вольфрама и 4% окиси тория. Эти катоды очень прочны, стойки к отравлению газами и после искрения восстанавливают первоначальную эмиссию. Камерные металлогубчатые и пропитанные катоды могут обеспечить ток плотностью до 80 а/см 2 и устойчиво работают при напряжениях до 20 кв.

Важную роль в работе магнетрона играет постоянное магнитное поле. Для получения высокого к. п. д. индукция магнитного поля должна быть порядка 0,3-0,6 вб/м 2 . Такое сильное магнитное поле создают мощные постоянные магниты специальной формы (рис. 5-15). В тех случаях, когда требуются особенно сильные магнитные поля, применяются пакетные магнетроны, у которых полюсные наконечники из ферромагнитного материала служат торцовыми стенками анодного блока. В пакетных магнетронах значительно сокращен воздушный промежуток между полюсами, что позволяет повысить напряженность магнитного поля или же уменьшить вес и габариты постоянного магнита, который обычно значительно тяжелее и больше по размерам самого магнетрона.

Частоту колебаний в магнетроне можно перестроить за счет изменения индуктивности или емкости колебательной системы с помощью металлических штырей - плунжеров, погружаемых в отверстия резонаторов, либо с помощью специальных металлических колец, расположенных в пазах на торцовой поверхности блока. Оба эти метода позволяют изменять частоту магнетрона не более чем на 5-7% от резонансной частоты. При большем отклонении частоты от среднего значения ухудшаются условия отделения противофазного вида колебаний от соседних видов.

5-8. Митрон

Определение . Митроном называют перестраиваемый по частоте прибор, работающий по принципу многорезонаторного магнетрона, но отличающийся от него устройством колебательной системы и эмиттирующего электроны катода.

Устройство митрона схематически показано на рис. 5-16, а. Анодный блок представляет собой систему (рис. 5-16, б) в виде двух дисков с рядом направленных навстречу друг другу штырей (сегментов). В центре пространства взаимодействия помещается металлический цилиндр, не предназначенный, в отличие от многорезонаторного магнетрона, для эмиссии электронов. Этот цилиндр, называемый холодным катодом или отрицательным электродом, вместе со штырями образует колебательную систему. Катод, в виде вольфрамовой спирали, эмиттирующий электроны, вынесен из пространства взаимодействия и окружен управляющим электродом в виде усеченного конуса с отверстием посредине. С помощью дисковых выводов анодный блок соединяется с внешней колебательной системой, конфигурация которой может быть различной. На рис. 5-16, в показана колебательная система в виде короткозамкнутого отрезка волновода, длина которого может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Другая часть волновода представляет собой трансформатор волнового сопротивления, через который к митрону подключается фидер, идущий к нагрузке.

Дисковые выводы холодного катода, управляющего электрода и анодного блока электрически разделяются керамическими цилиндрами.

Магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оси прибора, как и в магнетроне, создается внешними магнитами.

Анодная колебательная система обычно заземляется, на катод подается отрицательное напряжение, а на управляющий электрод - тоже отрицательное напряжение, но несколько меньшей величины, так что между катодом и этим электродом существует ускоряющее поле.

Принцип действия митрона практически тождествен принципу работы многорезонаторного магнетрона. Митрон тоже работает, как правило, в режиже π-колебаний; так же как и в магнетроне, в пространстве взаимодействия формируются электронные спицы, вращающиеся синхронно с высокочастотным полем, протекают те же процессы энергетического взаимодействия электронов с полем, при которых они отдают волне потенциальную энергию.

Отличие заключается в несколько ином, нежели в магнетроне, электрическом режиме, который обеспечивается вынесенным из пространства взаимодействия эмиттирующим катодом и использованием дополнительной внешней низкодобротной колебательной системы. Эти отличия обусловливают возможность электронного управления частотой колебаний при изменении анодного напряжения. Поэтому митрон иногда в литературе называют магнетроном, настраиваемым напряжением.

В митроне, по сравнению с магнетроном, существенно уменьшена добротность Q колебательной системы. Это достигнуто за счет использования замедляющей системы типа встречных штырей, системы более широкополосной, чем замкнутая цепочка объемных резонаторов в магнетроне, а также подключением внешней колебательной системы, например в виде отрезка волновода. Уменьшение Q естественно сопровождается снижением уровня энергии, запасаемой в контуре, а следовательно, уменьшением амплитуды высокочастотных колебаний и, что особенно существенно, уменьшением реактивной составляющей тока контура. Вполне понятно, что уменьшение амплитуды высокочастотного поля в контуре, т. е. в зазоре между штырями требует снижения плотности объемного заряда в пространстве взаимодействия, так как в противном случае процесс формирования и фазовой фокусировки спиц будет неэффективным. В митроне уменьшение объемного заряда в пространстве взаимодействия достигается, главным образом, за счет конструкции катодного узла. Число электронов, попадающих в пространство взаимодействия, регулируется потенциалом U у.э управляющего электрода. Экспериментальные исследования показали [Л. 7], что при снижении плотности объемного заряда степень модуляции электронного потока по плотности возрастает. Иначе говоря, уменьшение числа электронов, поступающих в пространство взаимодействия, приводит в основном к снижению числа нерабочих электронов; плотность же объемного заряда в спицах уменьшается значительно меньше. Оптимальный режим работы митрона достигается в том случае, когда величина анодного тока равна примерно одной трети от тока, обусловленного поступлением электронов через отверстие в управляющем электроде.

Очень важно, что при таком режиме образования объемного заряда в пространстве взаимодействия величина анодного тока оказывается ограниченной. Иными словами, увеличение анодного напряжения не может привести к существенному росту анодного тока.

С изменением величины анодного напряжения в митроне, как и в магнетроне, нарушаются условия синхронизации вращения сверхвысокочастотного поля и электронных спиц. Появляется сдвиг фаз между электрическим полем и электронным током, возникает реактивная электронная проводимость. Для выполнения баланса фаз при новом значении U a реактивная проводимость резонатора также должна измениться. Это изменение, естественно, повлечет за собой изменение частоты колебаний. Но в магнетроне, где в силу высокой добротности реактивный ток резонатора значительно больше реактивной составляющей электронного тока, это изменение частоты невелико. В митроне же с низкодобротной колебательной системой изменение частоты оказывается значительным.

Кроме того, в силу ограничения тока в митроне изменение анодного напряжения и частоты колебаний не сопровождается, как это было в магнетроне (см. рис. 5-14), резким изменением мощности.

Рабочие характеристики и параметры . В качестве основных характеристик митрона используются зависимости Pвыx = f(U а); I а = φ(U а) и ω = ψ(U a) (рис. 5-17).

Ширина полосы Δω электронной перестройки частоты зависит от конструкции прибора и может изменяться для митронов разных типов от 15% относительно средней рабочей частоты до октавы (ω макс /ω мин ≈ 2) и более. Расширение полосы Δω неизбежно сопровождается уменьшением выходной мощности P вых и к. п. д.

Так, в относительно узкополосных митронах величина выходной мощности измеряется единицами или десятками ватт при изменении значения Р вых в диапазоне перестройки частоты не более чем на 2-3 дб и к. п. д. до 40%.

При расширении полосы Δω до октавы выходная мощность уменьшается до 0,5-3 вт, а к. п. д. снижается до 15-25%.

Величина выходной мощности в митроне может регулироваться с помощью напряжения U y.э на управляющем электроде. Однако с увеличением U y.э неизбежно меняется и частота генерируемых колебании (рис. 5-18).

Степень изменения частоты при изменении напряжении U а и U y.э не различна. Крутизна S кривой ω = ψ(U a) составляет 0,5-5 мгц/в, а крутизна S y.э не превышает 0,9 мгц/в. Митроны используются, главным образом, в качестве маломощных гетеродинов. По уровню собственных шумов они в настоящее время уступают отражательным клистронам и лампам обратной волны типа O.

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

Конструкция многорезонаторного магнетрона

сновой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.

В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

Принцип действия магнетрона

Весь анодный блок устанавливается в сильное магнитное поле, которое создаётся постоянными магнитами. Между катодом и анодом устанавливается высокое электрическое напряжение, при этом положительный полюс прикладывается к аноду. Электроны, которые вылетают из катода под действием электрического поля, двигаются в радиальном направлении к аноду, однако под влиянием магнитного поля меняют траекторию движения.

При определённых величинах магнитного и электрического полей удаётся добиться такого состояния, когда электроны, описывая окружность, в итоге пройдя рядом с анодом, вновь возвращаются на катод, а на анод попадает только незначительная часть вылетевших электронов. Большая часть их возвращается обратно в область катода.

При некоторых условиях динамического равновесия, возвращающиеся в область катода электроны заменяются вылетевшими вновь. Поскольку электроны постоянно перемещаются от катода к аноду, возле последнего рядом со щелями объёмных резонаторов устанавливается постоянно вращающийся заряд кольцеобразной формы. По мере движения по окружности центральной полости анодного блока электроны возбуждают в каждом резонаторе незатухающие высокочастотные колебания.

Выводятся эти колебания посредством витка проводов, расположенного в полости одного из резонаторов, которые затем передаются в коаксиальную линию или волновод.

Легко управлять микроволновкой сегодня может даже ребенок. Она стала привычной и надежной помощницей. И при этом очень редко задумываемся, каким образом пища разогревается за считаные минуты. А происходит это, благодаря микроволнам, которые производит магнетрон. Разберемся, каким образом прибор работает.

Что такое магнетрон в СВЧ

Магнетрон - это главная деталь микроволновой печи . Его неслучайно называют сердцем агрегата. СВЧ исправно выполняет свои функции только при исправном магнетроне.Основная задача детали - создание электромагнитных полей. Возможность руководить их возникновением была установлена почти 100 лет назад.

Справка. В 1921 году физик из США А.Халл в процессе проводимых опытов и экспериментов обнаружил возможность изменять массу электронов.

Он же ввел в употребление само название магнетрона. Но высокочастотные электромагнитные волны были открыты тремя годами позже, в 1924 г. С этого времени ученые не только изучили СВЧ, но и научились их использовать.

Справка . В микроволновых печах данные генераторы волн используются с 60-х годов XX века.

Как устроен магнетрон в СВЧ

Устройство детали требует минимальных знаний по физике. Поток электронов возникает в пространстве между анодом и катодом.

Анод

В микроволновке для анода используют медь. Из нее выполнена оболочка цилиндра. Внутри он полый. Стенка цилиндра толстая, ее внутренняя поверхность неровная. В разрезе анод выглядит как окружность, по всей длине которой расположены небольшие полукольца.

Они необходимы для создания дополнительного резонанса. Воздуха внутри анода нет, там создано вакуумное пространство. Чтобы создаваемые СВЧ волны не оставались внутри, в одном из полуколец-резонаторов имеется специальный выход.

Катод

Через центр анода проложен катод. Для него воспользовались нитью накаливания. Для ее подогрева предусмотрены провода. Они соединяют катод с источником подогрева.

Важно! Анод и катод размещают в специальном блоке, который содержит магниты.

Принцип работы магнетрона

Итак, теперь мы знаем, что в главной детали СВЧ взаимодействуют 2 разных поля .

• Первое из них - электронное . При включении прибора и подаче напряжения у катода появляются электроны, которые движутся к положительному полюсу - к аноду.
• Второе поле - магнитное . Оно воздействует на частицы и возвращает их назад, к катоду.

После того как электроны образуют кольцо, внутри магнетрона возникает заряд. Причем количество зарядов увеличивается, так как в каждом полукольце-резонаторе образуются дополнительные электронные кольца. Это становится причиной возникновения высокочастотных колебаний. Таким образом, волновое поле сверхвысоких частот появляется в результате взаимодействия электронного и магнитного полей. Возникающие при этом микроволны и выполняют обработку продуктов.

Сервисное обслуживание бытовых СВЧ-печей (микроволновок) – яркий пример идеологии потребительского общества в действии: гарантийный срок назначается сравнительно долгий, но по его истечении ремонт зачастую оказывается дороже покупки нового изделия. Как сказывается на экологии с экономикой то, что промышленность «молотит на свалку», вполне понимает узкий круг вышколенных экспертов, кандидаты в который тщательнейше отфильтровываются. Поэтому для рядового гражданина вопрос: как произвести ремонт микроволновки своими руками очевидно важен экономически, т.к. технически в домашних условиях вполне осуществим.

Однако микроволновка не менее четкая иллюстрация еще одной потребительски-идеологической проблемы, когда качества товара, способствующие спросу на него, всячески выпираются, действительно полезные, но не столь эффектные упоминаются вскользь, а потенциальная опасность затушевывается обтекаемыми выражениями. Последняя от микроволновки достаточно велика и коварна, поэтому ремонт микроволновой печи нужно производить, четко представляя себе, что и как можно делать, чего нельзя, чего следует избегать и опасаться. Целью настоящей публикации как раз и является дать читателям такое представление.

Что видно снаружи

Приглядимся еще раз к своей «микрухе», см. рис. Сразу же обращаем внимание на то, что усы защелок разной конфигурации: они не просто запоры, но и части системы электромеханической блокировки (ЭМБ, см. далее). Запоминаем также выходное окно волновода, которое обычно не бросается в глаза. Ремонт СВЧ печи чаще всего будет связан с отмеченными буквами узлами; для программатора и регулятора мощности отмечены внешние органы управления ими. В «цифровых» микроволновках с полностью сенсорным управлением электромеханический программатор и регулятор мощности заменены электронными. Их ремонт требует специальных познаний, но все остальное в «цифромикрухах» действует так же.

Примечание: программатор часто, даже в фирменных руководствах, называют таймером. На самом деле таймер лишь один из функциональных узлов программатора.

Что внутри

Если снять наружный кожух микроволновки, картина ее устройства показывается детальнее, см. рис. В печах поновее (справа на рис.) критически важные для надежности узлы (высоковольтный блок, ЭМБ и программатор) закрыты защитными кожухами и обязательно добавлен высоковольтный предохранитель; в первых микроволновках его не было.

На 2-х пред. рис. не видны лампы подсветки, гриль и механизм поворота стола. Это неспроста: добраться до них, не снимая рабочую камеру или без полной разборки печи, возможно в большинстве современных моделей (желтая стрелка справа на рис.), и в отдельных старых. Это осложняет самостоятельный ремонт, т.к., чтобы исправить в общем несложную неполадку, чаще всего приходится снимать магнетрон, что плохо, см. далее.

Что это значит?

Вся эта начинка нужна, чтобы прогреть сразу по всей массе загрузку пищевых продуктов сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Дает его мощный компактный генератор СВЧ – магнетрон. Что такое магнетрон, как он устроен и работает, см. видео:

Видео: об устройстве магнетрона микроволновой печи

В частично электропроводящие среды СВЧ проникает на глубину прим. равную длине его волны и поглощается средой, выделяя тепловую энергию. Длина волны СВЧ стандартной для микроволновок частоты 2,45 ГГц (иногда – 2,85 ГГц) как раз обеспечивает полное поглощение СВЧ загрузкой продуктов. Тут проявляется полезнейшее свойство СВЧ-нагрева: благодаря прогреву в массе температура продукта не повышается до значений, при которых начинается гидролиз жиров, дающий токсины и канцерогены. Это особенно важно для разогрева пищи, т.к., если он производится на пламени или от ТЭНа, то гидролиз оставшихся в пище жиров продолжается, а уже имеющиеся его продукты разлагаются глубже, до еще более вредных веществ.

Примечание: в металлы СВЧ почти не проникает, т.к. их проводимость вызвана не отдельными носителями заряда, а т. наз. вырожденным электронным газом. Он же дает металлический блеск и ковкость. Поэтому помещать металлические предметы в камеру микроволновки категорически нельзя – вся энергия СВЧ сконцентрируется на их поверхности, отчего пойдет чрезмерный нагрев, дуговые разряды и пр., после чего печку останется только выбросить. Разве что трансформатор питания магнетрона сгодится на .

Однако по той же причине физиологическое действие СВЧ на живые организмы сильно, вредно и на первых порах может быть незаметным. Это требует применения особых мер безопасности при конструировании, производстве, текущей эксплуатации и ремонте СВЧ печей, см. далее.

Функциональная схема микроволновки дана на рис. Конфигурация волновода и потока СВЧ показаны условно; более-менее соответствующая реальной схема дана на врезке справа внизу.

1а – импульсы сетевого тока напряжением 220 В. Мощность излучения магнетрона плавно не регулируема, поэтому для управления ею приходится использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, см. далее). 4а и 5а – внутренние сигналы управления. 6а – высокое постоянное напряжение питания катода (эмиттера) магнетрона –4000В; 6б – питание цепи накала магнетрона 6,3В 50/60Гц.

Современные микроволновки строятся по т. наз. схеме с укороченным СВЧ трактом, повышающим КПД печи. При этом камера делается настроенной в резонанс, отчего, во-первых, без поглощающей энергию СВЧ загрузки печка своим излучением сожжет сама себя. Что и указывается и инструкции к ней.

Во-вторых, магнетрон дает когерентное излучение, поэтому вследствие интерференции отраженных волн в камере продукт засвечивается СВЧ неравномерно. Чтобы загрузка пропекалась как следует, ее и помещают на поворотный стол. Как следствие – неисправность его механизма может повлечь за собой неполадки более серьезные, см. далее. Точно так же, как неисправность системы внутренней конвекции в камере, которой снабжаются современные микроволновки для совершенно равномерного прогрева продуктов.

Правила безопасности

Уже по функциональной схеме бытовую СВЧ печь можно условно разделить на узлы и модули, требующие при ремонте соблюдения соотв. мер техники безопасности:

• Внешние цепи электропитания 220В и модуль управления – общие меры безопасности для электроустановок I класса по степени создаваемой опасности поражения электротоком.
• Источник питания (ИП или блок питания БП) магнетрона – меры безопасности для электроустановок свыше 1000В, способных в режиме короткого замыкания (КЗ) по выходу отдавать мощность более 60Вт в течение свыше 1с.
• Магнетрон и СВЧ тракт – особые меры безопасности для СВЧ установок большой мощности.

I класс

Посмотрите на свою микроволновку сзади. Увидите там внизу контактную площадку с металлическим резьбовым штырем и гайкой на нем – если кто-то уже не свинтил ее. Это значит, что СВЧ печь относится к электроустановкам I класса опасности, которые обязательно должны подключаться к отдельному контуру защитного заземления с сопротивлением растекания тока до 4 Ом наглухо, т.е. неразъемным соединением. Разъемное подключение к заземлителю через евророзетку заземлением наглухо не считается. Обусловлены такие требования к микроволновке совпадением в ней, формально говоря, более 2-х факторов опасности:

1. Наличием электрического напряжения свыше 1000В;
2. Наличием источника СВЧ излучения;
3. Температурой воздуха свыше 30 градусов Цельсия, его относительной влажности более 85% и наличием в воздухе летучих веществ в виде испарений подогреваемой пищи.

О заземлении

В странах с экономной по расходу металла системой электроснабжения с глухозаземленной нейтралью TN-C, в т.ч. в РФ, снабдить все жилые дома контурами защитного заземления технически не представляется возможным и в обозримом будущем глобального решения этой проблемы не предвидится. Руководства по ТБ посылают читателя с параграфа на параграф и с пункта на пункт, не давая общих указаний, пригодных для каждого конкретного случая. Общий смысл: спасение утопающих дело рук самих утопающих. Изыскивайте любую возможность устроить контур защитного заземления, хотя бы индивидуальный упрощенной конструкции. Нет таковой – регулярно проверяйте микроволновку на качество экранирования и «сифон» СВЧ, см. далее. Хотя формально это будет грубым нарушением ПТБ с ПУЭ и судиться хоть с беспомощным бомжом за ущерб от микроволновки будет бесполезно. Правда, и штрафа за нарушение опасаться не приходится; ввиду широкого распространения микроволновок это уже юридически нереально.

Высокое напряжение

Степень воздействия электротока на человека зависит от состояния его организма, силы тока, времени его воздействия и количества выделившейся в организме электрической энергии. Поэтому, к примеру, телевизор с кинескопом и электрошокер (до 25 кВ на 3-м аноде кинескопа и 35 кВ на выходе соотв.) к I классу не относятся: высоковольтный выпрямитель первого не способен дать опасный ток и в штатном режиме работы, а порция энергии на выходе второго точно дозирована. Хотя, если влезть рукой в строчную развертку телевизора, ощущения будут мерзейшие. Определяющие параметры воздействия электротока на человека таковы:

• Электрическое сопротивление здорового тела 100 кОм; в состоянии опьянения, больного, распаренного, усталого – 1 кОм.
• Опасный с точки зрения возможных отдаленных последствий ток – 1 мА.
• Неотпускающий ток, вызывающий судорогу мышц – 10 мА.
• Мгновенно (в течение 1с) убивающий ток – 100 мА.
• Максимально допустимое энерговыделение в организме в течение 1с – 60 Дж, т.е. мощность – 60 Вт.

Отсюда следует деление электротехнических установок на 2 обширные категории: до 1000В и свыше 1000В. Первые еще могут быть безопасными; последние опасны безусловно. Кстати, телевизор и электрошокер тоже опасны, просто степень их опасности не наивысшая, т.к. обусловлена одним фактором.

Нужно учесть еще один момент: индивидуальная восприимчивость человека к электротоку колеблется в очень широких пределах. Особенно это касается допустимой мощности разряда, она, откровенно говоря, «отфонарная». Взята из расчета, что человек в нормальных условиях выделяет ок. 60 Вт тепла, а надежного физиологического обоснования нет. 60-ваттными импульсами иногда лечат тяжелых и опасных психически больных, но лучше вообще избегать импульсных разрядов тока через себя, т.к. именно они чаще всего дают отдаленные последствия. Микроволновка в этом отношении особенно опасна, т.к. питание на магнетрон подается импульсами. Поэтому перед ее ремонтом нужно неукоснительно выполнить следующие подготовительные процедуры:

1. Полностью отключить от сети электропитания, вынув вилку из розетки;
2. Выждать нормативное время разряда высоковольтных конденсаторов через штатный резистор – 20 мин;
3. Отсоединить заземляющий проводник (если он есть);
4. Выждать еще 3 времени разряда, т.е. 1 час;
5. Только теперь можно снимать внешний кожух и приступать к работе;
6. Все работы производить только на полностью отключенной СВЧ печи (с вынутой из розетки вилкой и отсоединенным заземляющим проводом);
7. В процессе самостоятельного ремонта – никаких пробных включений! Если замена подозрительного элемента толку не дала – оставляем все как есть и обращаемся к сертифицированному специалисту. Или изыскиваем средства на новую печку, узнав стоимость ремонта.

Примечание: производить принудительный разряд высоковольтных конденсаторов любыми способами (напр., замыкая выводы отверткой) вне специальной лаборатории чрезвычайно опасно! Помните – накопленная в конденсаторе энергия пропорциональна квадрату напряжения на нем!

Высокое напряжение особо опасно и для электроустановки – если работать с ней неправильно. Напр., взяться пальцами за высоковольтный провод. Совершенно безопасный, обесточенный и разряженный. В работе под воздействием электрического поля жиропот довольно быстро диффундирует (как сейчас говорят – мигрирует) в изоляцию, что вскоре приведет к ее пробою. Поэтому работать с высоковольтными компонентами нужно в чистых латексных перчатках, детали брать по возможности только инструментом, а по завершении работы протирать 96% техническим этиловым спиртом. Не медицинским перегоночным! Технический спирт оставляет небольшие потеки солей, т.к. в его производстве используется сульфатирование. Потеки, когда деталь полностью просохнет, удаляют чистой сухой простиранной фланелевой ветошью или, лучше, микрофибровой салфеткой для чистки очков.

СВЧ

Действие СВЧ на человеческий организм во многом сходно с таковым проникающей радиации:

• Однократное облучение большой дозой может немедленно вызвать необратимые расстройства здоровья, из которых потеря репродуктивных способностей не самое тяжелое.
• Существует некий порог величины плотности потока энергии (ППЭ) СВЧ, ниже которого его действие на организм не сказывается ни сразу, ни в долговременной перспективе.
• В пределах величины ППЭ от порога восприимчивости до ощутимого физиологического воздействия облучение СВЧ обладает кумулятивным эффектом – сразу может быть совершенно неощутимо, но впоследствии проявит себя самым опасным образом. Типичные постэффекты – нарушение генома, лейкоз и рак кожи.

От ионизирующих излучений СВЧ отличается тоже в плохую сторону: оно легко просачивается из отведенного ему объема и через щели, и по выступающим наружу электропроводникам. Специалисты говорят – СВЧ очень хорошо сифонит. Поэтому за ремонт СВЧ тракта микроволновки, от ввода питания в магнетрон до выходного окна волновода, самому без глубоких специальных познаний и оборудования лучше не браться: если по результатам теста (см. ниже) не сифонит после ремонта сразу, засифонит потом.

Дело осложняется еще и тем, что пределы индивидуальной восприимчивости к СВЧ излучению еще шире, чем к электротоку. Порог восприятия до того размыт, что, напр., в США приняли за предельно допустимую чудовищную величину ППЭ – 1 (Вт*с)/кв. м. Человек непосредственно ощущает такое облучение и должен немедленно покинуть опасную зону, т.к. ППЭ СВЧ данной величины вызывает плазмолиз клеток организма. Отдаленные последствия – у вас медстраховка за счет фирмы. Медицина в вашем случае бессильна? Простите, вы сразу были предупреждены о возможных последствиях.

В СССР ударились в другую крайность, приняв допустимый ППЭ в миллион раз меньше – 1 (мкВт*с)/кв. м; это примерно в 5 раз ниже естественного фона СВЧ в районах средних широт с нечастыми и несильными грозами. Все бы хорошо, но технически обеспечить экранирование нужной степени СВЧ установок оказалось невозможно. Хотя, между прочим, частота профзаболеваний работающего с СВЧ персонала в СССР была примерно втрое ниже, чем в Америке.

Новую или сразу после ремонта СВЧ печь нужно проверить, во-первых, на качество экранирования; во-вторых, не сифонит ли из нее СВЧ в работе. Именно в таком порядке: если экранирование хорошее, то доза СВЧ, которую вы получите в течение часа на расстоянии более 1 м от печки, не превысит однократно допустимой для самого чувствительного человека.

Экранирование

Для проверки микроволновки на качество экранирования, во-первых, нужно полностью обесточить квартиру/дом, выключив главный автомат на вводном щите или вывернув пробки на счетчике электричества. УЗО, если они есть, оставляем включенными. Так нужно, чтобы убедиться – не просифонит ли СВЧ по сетевым и заземляющему проводам.

Далее в микроволновку кладем включенный мобильный телефон, закрываем дверцу и пытаемся позвонить на него с другого. Откуда – все равно, хоть из Антарктиды. Нам важно убедиться, что ближайшая сота не поймает маркерный сигнал того, что в печке лежит. Как известно, сотовые телефоны, даже выключенные, раз в минуту отзываются вроде «я в сети», а импульс передатчика телефона довольно мощный.

Итак, если вызов не прошел и пришло сообщение наподобие «Телефон вызываемого абонента вне зоны действия сети или выключен», то все типа ОК, экранировка печи в порядке и ее можно тестировать глубже. Если же сообщение было «Абонент недоступен» или «Сбой вызова», то, значит, маркер контрольного телефона на соту пробился, но речевой канал наладить не удалось, экранировка печи плохая. Что делать дальше с такой печкой – на ваше усмотрение по-американски: «Вы были предупреждены о возможных последствиях».

Сифон

Мобильные телефоны работают в диапазоне частот 900 или 1800 МГц, и передатчик телефона много слабее магнетрона. Поэтому нужно также проверить – достаточно ли надежно экранирование микроволновки от собственного излучения. Для этого понадобятся 2 одноразовых пластиковых стаканчика с водой, алюминиевая кастрюля с крышкой и загрузка не очень влажного продукта, который не жалко перепечь, напр., вареной картошки в мундирах. Вода в стаканчиках должна быть одинаковой температуры, равной комнатной. Поэтому, если опыт задуман заранее, воды из-под крана нужно где-то за сутки налить в любую чистую посуду и в стаканы наливать уже находящуюся в термодинамическом равновесии с окружающей средой: чтобы к нему пришла наполненная 200-мл посудина, понадобится не менее 2-3 часов.

Для опыта в печь загружают продукт и ее дверцу закрывают, не запуская пока таймер. Стаканы с водой ставят в 10-40 см перед дверцей печи: один «голый», другой в накрытой крышкой кастрюле. Воду в стаканы отмеряют мензуркой поровну в количестве 100-500 мл с точностью не хуже 0,5 мл. Регулятор мощности печи ставим на максимум без гриля. Подсветку камеры, если есть возможность, лучше отключить. В комнате должно быть как можно темнее и уж точно не должно быть никакого прямого света, в т.ч. и от лампочек. Теперь поворачиваем ручку таймера на максимальное время (обычно – 30 мин) и уходим от греха подальше. Величина ППЭ убывает по квадрату расстояния от источника, так что уйти в другую комнату будет совершенно безопасно.

Как только звонок микроволновки звякнет, возвращаемся, включаем свет (уже можно), снимаем крышку с кастрюли и, не касаясь стаканчиков руками (!), меряем температуру воды в них, осторожно помешивая термощупом. Если разница температур в емкостях менее 1 градуса (это удвоенная собственная погрешность термощупа, хотя тестер показывает температуру с градацией 0,1 градуса), то все ОК – в течение часа-полутора в день этой микроволновкой можно пользоваться и по советским стандартам. Если больше – все опять на ваше усмотрение по-американски.

Проверка дверцы

Если вроде бы исправная микроволновка сифонит, то, скорее всего, зазор между закрытой дверцей и корпусом печи более 0,15 мм. В рунете правильно пишут, что проверить его можно листом писчей бумаги плотностью 90-110 г/куб. дм, он как раз нужной толщины, вот только методику проверки дают неверную. Правильно будет отрезать полоску бумаги шириной 5-7 см и подкладывать ее под дверцу перед закрыванием 6 раз: вверху и внизу у петель, затем так же посередине и у защелок. Каждый раз бумага не должна вытаскиваться из-под зарытой дверцы. Таким образом дверца будет проверена на перекос и по горизонтали, и по вертикали, а устранить его можно будет за счет люфта крепежных болтов петель в установочных отверстиях.

Как устроена микроволновка

Что ж, теперь вы знаете об СВЧ и микроволновках достаточно, чтобы решить – стоит ли браться за ремонт самому. Если такое желание осталось, то, чтобы окончательно уяснить себе, как работает СВЧ печь, где в ней что может поломаться и где какую степень осторожности нужно проявлять при ее ремонте, придется обратиться уже к принципиальной электрической схеме микроволновки. Типичное ее построение, используемое во многих моделях фирмы Самсунг и других производителей, дано слева на рис. Зеленым выделен сетевой фильтр, предназначенный для того, чтобы не выпустить на провода питания СВЧ (см. далее). Голубым – модуль управления с системой ЭМБ. Горчичным – устройство формирования импульсов электропитания на магнетрон (УФИ). Формально УФИ входит в модуль управления; их компоненты располагаются на одной печатной плате. Но неисправности УФИ специфичны, поэтому функционально его следует рассматривать отдельно. Розовым обозначен блок питания магнетрона БПМ.

Что там происходит

В сетевом фильтре находится общий плавкий предохранитель F1, который может перегорать во многих случаях, см. далее. Если вызвавшая его перегорание неисправность устранена, новый F1 нужно ставить того же номинала (на тот же ток, время и температуру срабатывания), что и «родной». F1 осуществляет общую защиту печи от перегрузок по току, поэтому, если у вас мелькнула мысль о «жучке», лучше сразу переключить ее на новую микроволновку.

Термопредохранитель (термичка) устанавливается на корпусе наиболее греющегося компонента – магнетрона – и срабатывает многократно: по остывании восстанавливается. Отключение СВЧ печи по перегреву до того, как ее выключит программатор – признак того, что засорился вытяжной вентилятор охлаждения магнетрона, его выходная решетка или входной патрубок. Если мотор вентилятора при этом работает со стуком, скрипом, большим шумом – вероятен его механический износ, что требует замены мотора.

ЭМБ

Микропереключатели (микрики) SWA, SWB и SWC составляют систему электромеханической блокировки. SWA и SWB задействуются верхним усом защелки дверцы, SWC нижним. Поскольку микроволновка устройство I класса опасности и часто эксплуатируется нештатно (без заземления), используется сложная система ЭМБ: двойная на размыкание с контрольной на короткое замыкание. Тут реализован один из принципов ТБ: если невидимой опасности 100% избежать невозможно, нужно хотя бы сделать ее видимой. Невидимая опасность в данном случае – излучение СВЧ через неплотно прикрытую дверцу, а видимая – сгорание F1.

Ввиду важности ЭМБ для безопасности печи и ее подверженности поломкам вследствие оседания чада (см. далее), нужно схему ЭМБ рассмотреть подробнее отдельно от общей уже в состоянии при закрытой дверце, (см. рис. справа). Как видим, если SWA залипнет при открытой дверце, то SWC замкнет общую цепь питания накоротко, отчего сгорит F1. Чтобы не было ложных срабатываний ЭМБ, нужно, чтобы SWC переключался немного медленнее SWA. Поэтому, во-первых, заменять неисправные SWA и SWC нужно только на однотипные.

Во-вторых, возможна ситуация, когда все микрики ЭМБ звонятся нормально и при открытой, и при закрытой дверце, но F1 сгорает сразу при ее открывании. Это значит, что чад от продуктов проник в микрики, времена их срабатывания «поплыли» и ЭМБ разбалансировалась по времени. Выход один – менять сразу SWA, SWB и SWC, т.к. они неразборные и ремонту не подлежат.

Примечание: те же микропереключатели электромеханической блокировки дверцы нужно в первую очередь проверить, если печь не включается при закрытой дверце. Очень часто их контакты просто не замыкаются/переключаются от налипшего на них чада.

Жир и чад

С ролью жира и чада от него в возникновении неисправностей микроволновки мы столкнулись сразу же, а дальше неприятностей от него будет еще больше. Жир в продуктах в микроволновке не кипит, как на сковороде, но испаряется, а его пары оседают где угодно, образуя пленку чада. Она нарушает работу механики, вызывая комплексные неполадки (см. далее). Чуть влажная чадная пленка обладает заметной проводимостью, «сбивая с толку» автоматику управления, а сухая пробивается напряжением менее 500В, что опасно для высоковольтной части. Особенно нежелательно попадание чада в СВЧ тракт – ремонт СВЧ печи в таком случае оказывается наиболее сложным и дорогим.

Чтобы убедиться в вездесущности паров жира, можно проделать опыт, для которого понадобится совершенно новая сковорода с крышкой. Крышку пока убирают подальше, а на сковородке растопляют до растекания любой кулинарный жир. Затем дают ему полностью застыть на сковородке, закрывают ее крышкой и держат так при комнатной температуре сутки или более. После этого крышка изнури оказывается липкой на ощупь – на ней осел жировой чад. Что будет от жира в камере печи при температуре 100 и более градусов – вопрос риторический. Жировой чад в микроволновке не темный пригоревший, как кухонный, а почти прозрачный и потому плохо заметный, но ничуть не менее вредный.

Автоматика управления

Допустим, наша печка пока исправна. Продукт загружен, дверца закрыта. Регулятор мощности (см. ниже) выставлен правильно. Поворачиваем ручку таймера на нужное время – сразу замкнется SW1, включит подсветку, вращение стола, обдув магнетрона и конвектор. Когда они «разгонятся», сработает SW2 и включит устройство формирования импульсов питания магнетрона (УФИ), печь начнет греть. Когда таймер вернется на ноль, SW1 и SW2 разомкнутся, все выключив, и звякнет звонок. В простых микроволновках его пружина взводится механически при закрывании дверцы, а освобождается рычагом, который толкает кулачок таймера.

Таймер

Таймер микроволновки это электромеханический кулачковый программатор, приводимый в действие собственно таймером: ленточной спиральной пружиной с часовым механизмом или микромотором с редуктором. На валу таймера насажены несколько дисков с кулачками, замыкающими и размыкающими контактные группы.

Неисправности таймера (будем так его называть для краткости) вызываются чаще всего жировым чадом. Реже – поломкой механических частей. Еще реже, если таймер полностью механический – ослаблением пружины. Характерные признаки поломок таймера таковы:

• После поворота ручки управления печь не работает совсем, ручка не вращается обратно – полностью засорилась механика или вышел из строя микромотор либо его редуктор. Ремонт в первом случае переборка и чистка, во втором – замена.
• Не работают конечные функции. Напр., подсветка, стол, обдув магнетрона и конвектор включаются, но печь не греет. Либо засорились контакты (в данном случае SW2), либо отломался его кулачок. Ремонт – как в пред. случае.
• Ручка вращается обратно, уходит на ноль за положенное время, звонок звякает, но электрически ничего не включается. То же, только с SW1.
• Все работает как надо, но медленно – реальное время возврата ручки на ноль больше заданного. Редко бывает, и только у таймеров с часовым механизмом – ослабла его пружина. Ремонт – ее подзавод на 0,5-2 оборота; в таймерах с часами есть такая возможность. В некоторых и без разборки: под задней крышкой обнаруживается шлиц под отвертку для подзавода.

Ох, эти «лыжи»…

В некоторых старых микроволновках LG из-за чада в таймере случается изредка и вовсе экзотическая поломка: печка самопроизвольно включается и «молотит», пока не уйдет в останов по теплу. Когда FU остынет, снова включается. Опасная поломка, т.к. при пустой камере скоро выходит из строя магнетрон, а замена оказывается дороже новой печи. Наблюдается чаще всего в межсезонье перед включением отопления, но только при закрытой дверце. Причина, как оказывается – в залипшем из-за чада SW1 и, одновременно – в комке чада между контактами SW2. Его сопротивление в сыром воздухе оказалось соизмеримо с таковым времязадающих резисторов УФИ (см. ниже), накопительный конденсатор потихоньку заряжался и запускал реле, подающее питание на магнетрон.

Механика камеры

Осаждение чада в механизме вращения стола и конвекторе действует враскачку: от неравномерного нагрева загрузки выделение паров жира из перегретых мест усиливается. В конце концов прогорает крышка выходного окна волновода, что означает сложный и дорогой ремонт СВЧ тракта. Поэтому, если замечено неравномерное вращение стола или затягивание чадом решеток конвектора нужно, не дожидаясь худшего, разобрать печь и почистить механику. С условием: не трогать магнетрон и СВЧ тракт, если конструкция печи это позволяет. В противном случае лучше обратиться в сервисный центр, цены на такой ремонт приемлемые.

УФИ и мощность

Действует устройство формирования импульсов питания магнетрона таким образом: через выпрямительный маломощный диод D1 и резисторы R2/R3 заряжается электролитический конденсатор большой емкости C4. Стабилитрон D2 предназначен для защиты низковольтных C4 и реле RY от перенапряжения. Когда напряжение на C4 достигнет величины напряжения срабатывания RY, оно подаст 220В 50/60Гц на первичную обмотку трансформатора питания магнетрона, который выдаст в камеру импульс СВЧ. Спустя короткое время C4 разрядится через обмотку RY, оно отпустит, затем цикл будет повторяться, пока таймер не разомкнет SW2 или не сработает FU. Таким образом, СВЧ в камеру подается импульсами (врезка внизу в центре на рис. со схемой).

Регулировка мощности в простейшем случае осуществляется переключением R2/R3. При этом меняется время заряда C4, а время его разряда остается неизменным. Соотв., меняется отношение периода следования импульсов к длительности импульса, т. наз. скважность последовательности импульсов. Это и есть широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая, как видим, отнюдь не является прерогативой «цифровых» микроволновок. От скважности импульсов зависит средняя отдаваемая магнетроном мощность, которую загрузка продуктов благодаря своей тепловой инерции воспринимает как постоянную.

Чтобы при резком отключении питания магнетрон из-за накопленной в обмотках трансформатора энергии не давал большого всплеска СВЧ, способного просифонить через любой экран, первичная обмотка трансформатора не отключается от нуля 220В полностью, но остается соединенной с ним через резисторы большого сопротивления R4. Если их удалить, в остальном исправная печка будет упрямо сифонить с любым заземлением. Если же пайки R4 на плате затянет чадом, магнетрон будет отрабатывать каждый импульс дольше, чем следует, перегреваться, а печка отключаться по теплу. Так что запомните хорошенько эти «резики».

В ряде моделей СВЧ печей используется двойная ШИМ, что обеспечивает большую стабильность средней мощности магнетрона. Для этого на валу таймера устанавливаются дополнительные диски с разным количеством кулачков и своими контактными группами. Регулировка мощности осуществляется переключением питания УФИ с группы на группу. При этом серия импульсов питания идет пакетами, следующими друг за другом реже или чаще (поз. a и b на рис.), а скважность импульсов в пределах пакета остается неизменной.

В УФИ чаще всего выходит из строя реле (см. рис. справа) – его контактам нужно коммутировать большой ток. Магнетрон при этом не включается и печь не греет, хотя остальное все исправно. Для проверки выводы обмотки RY подключают к регулируемому источнику питания, а к выводам замыкающихся контактов – мультиметр, включенный в режим омметра. Если при повышении напряжения на обмотке от 3 до 24В тестер не показал короткого замыкания, RY нужно менять, независимо, был слышен щелчок сработавших контактов или нет.

Другая характерная неисправность – печка греет слабее, чем задано ручкой регулятора. Развивается постепенно: для получения того же нагрева ручку нужно крутить все дальше и дальше. Возможная причина – потеря емкости C4, его меняют на заведомо исправный такой же.

Примечание: другая возможная причина падения мощности микроволновки – выработка магнетроном своего ресурса. Характерные признаки – печи более 5 лет, пользовались ею интенсивно, и падение мощности развивается гораздо медленнее, не за дни и недели, как при потере емкости времязадающим конденсатором, а в течение месяцев. Точная диагностика – в сервисном центре или производственной лаборатории, располагающей соотв. оборудованием.

Наконец, изредка внезапно раздается хлопок, и печь перестает греть. При вскрытии оказывается, что корпус C4 вспух и треснул. Причина – пробит D1 или вышел из строя D2. Кроме замены их обоих сразу и C4, нужно обязательно проверить RY, как описано выше – его обмотка очень даже могла перегореть.

Высоковольтный стенд

В ходе ремонта высоковольтной части (ИП магнетрона) нужно будет прозванивать ее компоненты. Обычный тестер их «не берет», не хватает напряжения его батарейки. В рунете советуют проверять высоковольтные (ВВ) компоненты с помощью контрольной лампочки накаливания на 15-25 Вт 220В. «Звонить» цепи с помощью «контрольки», во-первых, прямо запрещено ПТБ. Во-вторых, метод это очень грубый и 100% достоверного результата не дает.

Самодельный стенд для прозвонки ВВ компонент (см. рис. справа) прежде всего совершенно безопасен: входное сопротивление мультитестера на пределе измерения 750V AC несколько мегом. Если случайно прикоснуться с синему, по схеме, концу провода, ощущений будет не больше, чем при пользовании индикатором-фазоуказателем. Нужно только пометить на корпусе розетки, где фаза (определяется тем же фазоуказателем), на вилке – к какому штырьку подходит красный по схеме провод, и вставлять вилку в розетку так, чтобы отметки совпадали.

Кроме того, данный стенд намного чувствительнее и позволяет находит даже потенциально неисправные элементы, вызывающие перемежающиеся сбои в работе печи:

• Тестер показывает почти полное напряжение сети – компонент пробит накоротко.
• Напряжение неполное, но достаточно высокое (десятки вольт) – пробой под рабочим напряжением; контролька «ловит» его неуверенно.
• Напряжение малое, несколько вольт – утечка под рабочим напряжением. Компонент еще полужив, но скоро пробьется. Контролька на такой отреагирует как на исправный.

Примечание: тем не менее, помните – любые манипуляции с проверяемым компонентом (подключение, отключение, переключение) можно производить, только вынув вилку из розетки!

Питание магнетрона

ВВ ИП магнетрона благодаря импульсному режиму его работы делают по однополупериодной схеме с удвоением напряжения. Не пытайтесь соорудить подобный для своих нужд – его трансформатор должен быть рассчитан на работу в режиме КЗ вторичной обмотки в течение 5 мин.

Положительная полуволна с вторичной обмотки трансформатора, замыкаясь через высоковольтный диод D, заряжает высоковольтный конденсатор C до своего амплитудного напряжения 2000 В. Отрицательная полуволна через тот же диод дозаряжает его до 4 кВ, как в вольтодобавке старых телевизоров. Магнетрон под таким эмиттерным напряжением (отрицательным относительно общего провода) начинает генерировать СВЧ, C разряжается и все повторяется сначала.

Высоковольтный предохранитель F и разрядный резистор R – защитные. Первый отключает магнетрон при его мгновенной перегрузке до перегрева (напр. при пустой либо перегруженной камере, нахождении в ней металлических предметов или неподходящих продуктов, при пробое высоковольтного диода). Через R конденсатор быстро разряжается, что спасает от «выплескивания» СВЧ наружу при внезапном открывании дверцы на ходу печи.

В данной схеме при перегорании F возможен выплеск СВЧ наружу в случае некачественного экранирования и/или заземления, т.к. в перегорающем предохранителе несколько мс горит электрическая дуга. Поэтому в ряде моделей микроволновок применяется схема питания магнетрона с защитным диодом (см. рис. справа). В ней всплески СВЧ исключены, но плохо то, что защитный диод такой же одноразовый, как предохранитель, пробивается чаще, а стоит столько же, как высоковольтный конденсатор. Проверяется защитный диод на описанном выше стенде, как и высоковольтный: при включении его и в прямом, и в обратном направлении тестер должен показать прим. половину напряжения сети. При разности более чем в 20% – неисправен, хотя «прокрутка» индукционным мегомметром и тест контролькой пройдут нормально.

Любая неисправность ВВ ИП приводит к тому, что печь не греет, хотя все остальные ее функции действуют. При этом обязательно сгорает F. Это в общем тот же плавкий предохранитель, только с подпружиненной нитью для быстрейшего размыкания. Прозванивается обычным тестером. Высоковольтный конденсатор проверяется на описанном выше стенде; тестер в обе стороны должен показать 10-70 В, смотря по емкости данного образца (обозначается на корпусе).

Трансформатор

После проверки аж 4-х ВВ компонент нужно проверить трансформатор питания магнетрона. Микроволновка может не греть из-за межвиткового короткого замыкания в его обмотках (виткового КЗ). Прозвонкой тестером оно не определяется, т.к. почти не влияет на активное сопротивление обмоток. Лучше всего отдать подозрительный трансформатор на проверку в фирму, специализирующуюся на электроизмерениях (не на электромонтажных работах!) или в электроизмерительную лабораторию РЭС либо потребнадзора. Цены на такую услугу везде божеские.

Если же добраться до лаборатории нет возможности, то с большой долей уверенности проверить трансформатор можно и дома. Методика основана на том, что при наличии виткового КЗ ток холостого хода трансформатора возрастает в несколько раз. Тут уж придется пойти на нарушение, воспользовавшись той самой лампочкой-контролькой на 220В 15-25 Вт. На стенде не определишь: ток через тестер в режиме вольтметра слишком мал, а мерять в режиме амперметра очень опасно.

Контрольку включают последовательно с высоковольтной обмоткой. Именно с высоковольтной, с другой – крайне опасно! Найти высоковольтную обмотку несложно, она усиленно изолирована и вместе с обмоткой накала обернута дополнительной изоляцией, см. рис. справа. Собранную цепь кратковременно, не более чем на 5-10 с, включают в сеть. Если трансформатор исправен, лампочка или вовсе не засветится, или ее нить разогреется до тускло-красного. Если же есть заметное свечение, есть и витковое КЗ.

Без опыта бывает трудно определить: а что значит «тускло-красное» и «заметное свечение»? Для уверенности устроим искусственное витковое. Отключим цепь от сети (!!!), замкнем накоротко накальную обмотку и снова кратковременно включим в сеть. Лампочка должна вспыхнуть гораздо ярче, чем в первом случае. Если же свечение не изменилось или изменилось ненамного – трансформатор «виткует» и негоден.

Магнетрон

Если все ВВ компоненты проверены, а генерации СВЧ все равно нет, то, вероятно, дело в магнетроне. Не снимая его и не разбирая СВЧ тракт, обычным тестером можно проверить магнетрон на внутреннее КЗ. Возникает оно вследствие отслоения покрытия катода, замыкающего промежуток между ним и анодом.

Почти так же часто, как и внутреннее КЗ, в магнетроне случается пробой катодного фильтра (показан красной стрелкой слева на рис.). Это не просто разъем, а пара высоковольтных проходных конденсаторов. Расковыривать заливку конденсаторов (в центре на рис.) нельзя, это, во-первых, вряд ли что покажет; во-вторых, ее крошки и, особенно, пыль, токсичны. Прежде всего нужно замерить обычным тестером сопротивление между выводами. Оно должно быть близким к нулю: выводы подключены к нити накала, а его ток ок. 10А при напряжении 6,3В.

Нужно аккуратно отвинтить обойму с проходными конденсаторами; во многих случаях это можно сделать, не снимая магнетрон и не трогая СВЧ тракт. Скорее всего, пробой будет виден сразу (справа на рис.); если нет – обойму аккуратно откусываем от индуктивностей фильтра и на стенде прозваниваем каждый вывод на фланец. Если «проходники» исправны, тестер покажет ноль в каждом случае. Если есть хоть пара вольт – есть скрытый пробой или утечка под напряжением. Если же все вроде в порядке, но печь все равно не греет – катод внезапно полностью потерял эмиссию и магнетрон не годен. С магнетронами, мощными генераторными клистронами и лампами бегущей волны (ЛБВ) это бывает; причина – разгерметизация корпуса, в котором должен быть глубокий вакуум. Что еще возможно именно с магнетроном – от перегрева размагнитились магниты. В таком случае при включении будет сразу сгорать высоковольтный предохранитель.

Камера

Камера микроволновки по логике изложения последняя, но поломок из-за нее и в ней бывает больше всего. Катастрофа вроде той, что на поз. 1 рис., может оказаться не такой страшной, как глаза видят: покрытие камеры в общем-то рассчитано на такие случаи. Если только в микроволновке не пытались варить яйца – вскипевший денатурированный белок намертво въедается в покрытие, что означает новую печку. Из камеры нужно аккуратно удалить мусор, вымыть ее рекомендованным изготовителем моющим и осмотреть, нет ли там царапин глубже, на-глаз, 0,1 мм. После этого проверяем от руки плавность вращения стола и делаем тест на экранирование и «сифон». Вероятность того, что печь окажется пригодной для дальнейшего использования, не мала. Если же покрытие прогорело насквозь (поз. 2), дело швах – нужна новая печка. Как ни ремонтируй, сифонить будет «прямой наводкой навылет».

Самая, пожалуй, частая неисправность бытовых СВЧ печей – все работает как надо, загружено тоже что положено и что раньше грелось без проблем, но в камере искрит. Тогда чистыми руками в чистом сухом помещении осторожно снимаем защитную крышку выходного окна волновода – если она снимается извне, без разборки СВЧ тракта. Крышка делается из слюды-мусковита или слюдяной ткани и довольно хрупка. Внешняя сторона крышки может быть на вид чистой или с малозаметными повреждениями, но со стороны волновода обнаруживается совсем другая картина, поз. 3 и 4. Это поработали испарения жира и жировой чад.

Крышку нужно менять на точно такую же. Домашние кулибины наперебой предлагают: вырезаю из материала 1,5 мм! Ресурс вчетверо больше – фирменная 0,4 мм! На самом деле слюда не идеально прозрачна для СВЧ, толстая крышка будет греться, сильно поглощать пары жира и прослужит меньше оригинальной. Но главное – печь собьется с режима и пойдет сифонить «аж бегом».

Если микроволновка с коротким трактом, то под крышкой будет видна внутренность волновода (точнее – выходного резонатора) и антенна (излучатель) магнетрона. Резонатор, если его покрытие не вздулось, не потрескалось и не пошло цветами побежалости, можно почистить спиртом, как описано выше. Потемневший излучатель нужно заменить на новый фирменный, он просто вынимается из магнетрона. Старый прикипевший в гнезде излучатель для этого очень осторожно раскачивают маленькими пассатижами, а новый нужно ставить рукой в латексной перчатке, чтобы не испачкать и не поцарапать.

Здесь есть три тонкости. Первое, никогда не снимайте сами магнетрон. Второе, не пытайтесь продлить жизнь пробитого (прогоревшего) излучателя, перевернув его. В том и другом случае печь сбивается с режима и от «сифона» не избавиться. Третье, после любого ремонта, в ходе которого вы хоть пальцем касались СВЧ тракта, обязательно проверяйте микроволновку на экранирование и утечку СВЧ, как описано выше.

В заключение

Вполне законный по прочтении вопрос: а стоит ли держать дома устройство, столь опасное? Абсолютного зла не бывает, как и абсолютного добра. В темпе современной жизни без микроволновой печи иногда очень трудно обойтись, а отсутствие гидролиза жиров – весомый аргумент в ее пользу.

Автор много лет профессионально работал с СВЧ. Последствий для здоровья никаких: всегда был предельно осторожен, а индивидуальная чувствительность оказалась низкой. Микроволновка на хозяйстве есть, недорогая. Стоит в основном с вынутой вилкой; включается очень редко и нерегулярно, когда без нее никак невозможно.

Вот так и следует относиться к бытовым СВЧ печам: как к неизбежному, но иногда полезному злу. Вроде баллончика с дихлофосом или пропановой горелки – бывает, нужны и замены нет, но это не вещи для баловства и дилетантских экспериментов. И главное – не реже раза в полгода проверять микроволновку на качество экранирования и утечку СВЧ.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ ✅Самодельная МАГНЕТРОННАЯ ПУШКА из микроволновки и электрошокера

✪ ✅На что способна микроволновка! Высоковольтная дуга

✪ Магнетрон

✪ Что такое магнетрон?

✪ Emp Jammer / Как сделать карманный EMP излучатель своими руками!

Субтитры

хочу предоставить вам наше новое изобретени електро-магнитная пушка и показать на что она способна против мопеда громкой музыки и шпионской техники источником СВЧ излучения являются магнитроны который я вынел из миковолновок питаются высоковольтным иппульсом с электрошокера секрет большой дальности в правильном согласовании магнитронов и рупорной антены чего было трудно добиться используется мошный шокер с усилиннымм питанием и боевыми конденсаторами настало время показать её в действии предварительно мы убрали все ценную электронику а сами надели зашитные экранирующие костюмы из фольги проверить наличие мощного электромагнитного поля можно с помощью лампочек. Так как под воздествием излучения они начинают светиться вкючаем накал на наших магнитронах и что там происходит сейчас я зумом наведу давай давай еще лампочки моргают теперь проверим насколько эффективна эта пушка против шпионского оборудования как мы видим жучок работает, его чувствительный микрофона прекрасно улавливает речь соседей и передает мне на телефон попробуем облучить его с 15 метрового расстояния слышны сильные помехи но он всё равно продолжает работать подходи ближе, где-то в два раза, в три даже, может быть становись сигнал пропал жучок обезврежен ну что же, настало время испытать нашу пушку на чём-то более серьезном и мы отправились за город, чтобы облучить скутер - ни фига себе - что случилось? - не знаю, я, я, я, его... ....этот... заглох? что-то коротнуло, походу смотри сколько дыма блин, что же произошло-то? там аккумулятор смотри может лемку надо снять. Воняет как палёной проводкой домой-то так как на нем ехать? а ну, дай я попробую завести ножка не возвращается доигрались мы с магнетроном и теперь нам в таком виде придется идти толкать! Толкать скутер домой через город что же происходит почему магнетронная пушка так легко выводит из строя электронику весь секрет в мощных импульсах высоковольтные разряды шокером питают магнитроны, которые генерируют короткие, но мощные электромагнитные импульсы. электрические схемы в технике улавливает эти импульсы превращая их в электричество которое пробивает и разрушает в них полупроводники но зато меньше вредит живым организмам так как нагрев от коротких импульсов меньше чем в микроволновке поэтому костюма из фольги вполне достаточно чтобы защититься от вредного излучения а сейчас я испытаю этот магнетронный бластер против громкой музыки ну что, врубаем? - у меня шапочка дрожит! - ладно, сейчас будем испытывать! чтобы было по-честному, мы попробоуем через эту стену включаю накал снимаю шокер с предохранителя всё готово ну, поехали гудел страшно всё работает - ты просто громкость прикрутил, да? - да в общем, эта пушка не разрушила, но мы попробуем с ближнего через одну стену. Посмотрим как будет эффект поехали - ой! блин, что случилось? не знаю!@#% ! а вот технике пришлось несладко после долгих проверок выяснилось, что в скутере сгорело электронное зажигание, проводка и как ни странно аккумулятор я заменил реле зажигания, ремень вариатора и почистил глушитель и скутер стал ехать еще лучше чем до магнетрона хочешь еще безумных изобретений тогда поддержи канал подпиской ай-ай-ай! спасён!

История

В 1912 году швейцарский физик Генрих Грейнахер изучал способы вычисления массы электрона . Он собрал установку, в которой внутрь магнита был помещен электровакуумный диод с цилиндрическим анодом вокруг стержневидного катода. Ему не удалось измерить массу электрона из-за проблем с получением достаточного уровня вакуума в лампе, однако в ходе работы были разработаны математические модели движения электронов в электрических и магнитных полях.

Французский учёный Морис Понт с сотрудниками из парижской фирмы «КСФ» в 1935 году создали электронную лампу с вольфрамовым катодом, окружённым резонаторными анодными сегментами. Она была предшественницей магнетронов с резонаторными камерами.

Конструкция многорезонаторного магнетрона Алексеева - Малярова, обеспечивающего 300-ваттное излучение на волне 10 сантиметров, созданного в 1936-39 гг., стала известна мировому сообществу благодаря публикации 1940 г. (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.)

Своим появлением на свет многорезонаторный магнетрон Алексеева - Малярова обязан радиолокации. Работы по радиолокации были развернуты в СССР почти одновременно с началом радиолокационных работ в Англии и США. По признанию зарубежных авторов, к началу 1934 года СССР продвинулся в этих работах более, чем США и Англия. (Brown, Louis. A Radar History of World War II . Technical and Military Imperatives. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1999. ISBN 0-7503-0659-9 .)

В 1940 британские физики Джон Рэндалл (англ. John Randall ) и Гарри Бут (англ. Harry Boot ) изобрели резонансный магнетрон . Новый магнетрон давал импульсы высокой мощности, что позволило разработать радар сантиметрового диапазона. Радар с короткой длиной волны позволял обнаруживать более мелкие объекты . Кроме того, компактный размер магнетрона привёл к резкому уменьшению размеров радарной аппаратуры , что позволило устанавливать её на самолетах .

В 1949 году в США инженерами Д. Уилбуром и Ф. Питерсом были разработаны методы изменения частоты магнетрона с помощью управления напряжением (прибор "митрон" - mitron ).

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 главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) - ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике (хотя их начинают вытеснять активные фазированные антенные решётки) и в микроволновых печах. Фактически магнетрон по состоянию на 2017 год последний тип массово производимого электровакуумного прибора после свёртывания производства кинескопов в начале 2010 годов.

Конструкция

Резонансный магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющими роль объёмных резонаторов . Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему . К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод . Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле , параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона образуют кольцевую колебательную систему, около них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π -вид. 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 π-вид колебаний, при котором фазы в смежных резонаторах различаются на π . При наличии рядом с рабочей частотой (ближе 10%) других резонансных частот возможны перескоки частоты и нестабильная работа прибора. Для предотвращения подобных эффектов в магнетронах с одинаковыми резонаторами в них могут вводиться различные связки либо применяться магнетроны с разными размерами резонаторов (четные 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 и т. д.

Принцип работы

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае - по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), 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, эти колебания усиливаются резонаторами. 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 получает возможность 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, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

Применение

В радарных 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 микроволновой энергии . 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 электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты А1.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки). Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение. Искрение, продолжающееся достаточно долго, может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи, лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.

Примечания

1. , с. 353.
2. H. Greinacher (1912) "Über eine Anordnung zur Bestimmung von e/m" (Об аппарате для определения e/m), Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft , 14 : 856-864. (нем.)