Micro-ondes magnétron | Construction et applications | C'est plus de 4 phases importantes

Micro-ondes micro-ondes

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Points de discussion: micro-ondes magnétron

Introduction aux micro-ondes magnétiques | Qu'est-ce que le magnétron?

Un magnétron est une sorte de tube à micro-ondes. Avant de discuter du magnétron et de ses sujets connexes, découvrons quelques-unes des définitions de base.

Tubes à micro-ondes: Les tubes à micro-ondes sont des appareils qui génèrent des micro-ondes. Ce sont les canons à électrons qui produisent des tubes à faisceau linéaire.

Maintenant, la définition du magnétron est donnée comme -

Micro-ondes: Le magnétron est un type de tube à vide qui génère des signaux de la gamme de fréquences micro-ondes, à l'aide d'interactions d'un champ magnétique et de faisceaux d'électrons.

Le tube magnétron consomme une puissance élevée et sa fréquence dépend de la dimension physique des cavités des tubes. Il existe une différence principale entre un magnétron et d'autres types de tubes à micro-ondes. Un magnétron fonctionne uniquement comme un oscillateur mais pas comme un amplificateur, mais un Klystron (un tube à micro-ondes) peut fonctionner comme un amplificateur et comme un oscillateur.

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Un micro-ondes magnétron typique, crédit d'image: page d'accueil du travail du HCRS, Magnétron1CC BY-SA 2.0 À

Une brève histoire des micro-ondes magnétron

La Siemens Corporation a développé le tout premier magnétron en 1910 avec les conseils du scientifique Hans Gerdien. Le physicien suisse Heinrich Greinacher découvre l'idée du mouvement des électrons dans le champ électrique et magnétique croisé à partir de ses propres expériences ratées de calcul de la masse des électrons. Il a développé le modèle mathématique vers 1912.

Aux États-Unis, Albert Hull a commencé à travailler pour contrôler les mouvements d'électrons en utilisant un champ magnétique plutôt qu'en utilisant le champ électrostatique conventionnel. L'expérience a été lancée pour contourner le brevet de «triode» de Western's Electric.

Hull a développé un appareil presque semblable à un magnétron, mais il n'avait aucune intention de générer des signaux de fréquences micro-ondes. Le physicien tchèque August Žáček et le physicien allemand Erich Habann ont découvert indépendamment que le magnétron pouvait générer des signaux ayant des fréquences de gamme micro-ondes.

L'invention et la popularité croissante du RADAR ont augmenté la demande de dispositifs capables de produire des micro-ondes à des longueurs d'onde plus courtes.

En 1940, Sir John Randall et Harry Boot de l'Université de Birmingham ont développé un prototype fonctionnel d'un magnétron à cavité. Au début, l'appareil produisait environ 400 watts de puissance. Des développements ultérieurs comme le refroidissement par eau et plusieurs autres améliorations ont fait passer la puissance produite de 400 W à 1 kW, puis jusqu'à 25 kW.

Il y avait un problème lié à l'instabilité de fréquence dans le magnétron développé par des scientifiques britanniques. En 1941, James Sayers a résolu ce problème.

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Le magnétron à cavité développé par Sir John Randall et Harry Boot de l'Université de Birmingham, Magnetron Microwave, Crédit d'image: Elektrik FanneMagnétron R&BCC BY-SA 4.0

Applications du magnétron

Un magnétron est un appareil bénéfique, a plusieurs applications dans divers domaines. Parlons de certains d'entre eux.

  • Magnétrons dans le radar: L'utilisation du magnétron pour un radar utilisé pour générer de courtes impulsions de fréquences micro-ondes de haute puissance. Le guide d'ondes d'un magnétron est attaché à l'une des antennes à l'intérieur d'un radar.
    • Il existe plusieurs facteurs du magnétron qui compliquent le radar. L'un d'eux est le problème lié à l'instabilité de fréquence. Ce facteur génère le problème des décalages de fréquence.
    • La deuxième caractéristique est qu'un magnétron produit des signaux avec la puissance d'une bande passante plus large. Ainsi, le récepteur doit avoir une bande passante plus large pour les accepter. Maintenant, ayant une bande passante plus large, le récepteur reçoit également une sorte de bruit qui n'est pas souhaité.
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Un radar commercial précoce pour l'aéroport, Magnetron Microwave, Image par: Auteur inconnu Auteur inconnu, Ensemble radar magnétron 1947, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons
  • Chauffage au magnétron | Fours à micro-ondes magnétron: Les magnétrons sont utilisés pour générer des micro-ondes qui sont ensuite utilisées pour le chauffage. Dans un four à micro-ondes, dans un premier temps, le magnétron produit les signaux micro-ondes. Ensuite, le guide d'ondes transmet les signaux à un port transparent RF dans la chambre alimentaire. La chambre est de dimension fixe, et également proche du magnétron. C'est pourquoi les modèles d'ondes stationnaires sont randomisés par le moteur rotatif, qui fait tourner les aliments à l'intérieur de la chambre.
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Four à micro-ondes, applications magnétron micro-ondes, crédit d'image: le téléchargeur d'origine était 吉恩 at Wikipédia chinois., WeiboluCC BY-SA 3.0
  • Éclairage magnétron: Il existe de nombreux appareils disponibles qui s'allument en utilisant l'excitation Magnétron. Des dispositifs comme la lampe au soufre sont un excellent exemple d'une telle lumière. À l'intérieur des appareils, le magnétron génère le champ micro-onde, qui est réalisé par un guide d'ondes. Ensuite, le signal traverse la cavité électroluminescente. Ces types d'appareils sont complexes. De nos jours, ils ne sont pas utilisés à la place d'éléments plus superficiels comme le nitrure de gallium (GaN) ou les HEMT.

Construction du magnétron

Dans cette section, nous discuterons de la construction physique et des composants d'un magnétron.

Le magnétron est regroupé sous forme de diode lorsqu'il est déployé sur la grille. L'anode du magnétron est placée dans un bloc de forme cylindrique qui est composé de cuivre. Il y a des filaments avec filament et la cathode au centre du tube - les filaments-conducteurs aident à maintenir la cathode et le filament attachés avec elle au centre. La cathode est constituée d'un matériau à haute émission et elle est chauffée pour l'opération.

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Un magnétron avec ses pièces, micro-ondes magnétron, crédit d'image: Page d'accueil du travail du HCRS, Magnétron2CC BY-SA 2.0 À

Le tube comporte 8 à 20 cavités résonnantes qui sont des trous cylindriques autour de sa circonférence. La structure interne est divisée en plusieurs parties: le nombre de cavités présentes dans le tube. La division du tube se fait par les fentes étroites reliant les cavités au centre.

Chaque cavité fonctionne comme un circuit résonnant parallèle où la paroi éloignée du bloc de cuivre anodique fonctionne comme un inducteur. La région de l'extrémité de l'aube est considérée comme le condensateur. Or, la fréquence de résonance du circuit dépend des dimensions physiques du circuit résonateur.  

Il est évident que si une cavité résonnante commence l'oscillation, elle excite d'autres cavités résonnantes et elles commencent aussi l'oscillation. Mais il y a une propriété que chaque cavité suit. Si une cavité commence l'oscillation, la cavité suivante commence l'oscillation avec un retard de phase de 180 degrés. Cela s'applique à chaque cavité. Désormais, la série d'oscillations crée une structure à ondes lentes qui est autonome. C'est pourquoi ce type de construction de magnétron est également connu sous le nom de «magnétron à ondes progressives multi-cavités».

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Cathode centrale au milieu du micro-ondes du magnétron, crédit d'image: Pingu est sumérienCoupe du magnétron transversalement à l'axeCC BY-SA 3.0

La cathode fournit les électrons nécessaires au mécanisme de transfert d'énergie. Comme mentionné précédemment, la cathode est au centre du tube, en outre mis en place par les conducteurs de filament. Il existe un espace ouvert particulier entre la cathode et l'anode qui doit être maintenu; sinon, cela entraînera un dysfonctionnement de l'appareil.

Il existe quatre types d'agencement de cavités disponibles. Elles sont -

  • Type de fente
  • Type de palette
  • Type de soleil levant
  • Type de trou et de fente

Fonctionnement d'un micro-ondes magnétron

Le magnétron passe sous certaines phases pour générer des signaux de gammes de fréquences micro-ondes. Les phases sont énumérées ci-dessous.

Bien que le nom des phases soit suffisamment indicatif pour nous permettre de discuter des incidents, ceux-ci se produisent dans chaque phase.

Phase 1: Génération et accélération du faisceau d'électrons

La cathode à l'intérieur de la cavité possède la polarité négative de la tension. L'anode est maintenue dans une direction radiale à partir de la cathode. Or, le chauffage indirect de la cathode provoque le flux d'électrons vers l'anode. Au moment de la génération, il n'y a pas de champ magnétique présent dans la cavité. Mais après la génération de l'électron, un champ magnétique faible courbe le chemin des électrons. Le trajet de l'électron se courbe brusquement si la force du champ magnétique augmente encore. Maintenant, si la vitesse des électrons augmente, le virage redevient plus net.

Phase 2: Contrôle de la vitesse et changements de faisceau d'électrons

Cette phase se produit à l'intérieur du champ alternatif de la cavité. Le champ AC est situé à partir de segments d'anode adjacents vers la région de cathode. Ce champ accélère le flux du faisceau d'électrons, qui s'écoule vers les segments d'anode. Les électrons qui circulent vers les segments sont ralentis.

Phase 3: Génération de la «roue de charge spatiale»

Les flux d'électrons dans deux directions différentes avec des vitesses séparées provoquent un mouvement appelé «roue de charge d'espace». Cela aide à augmenter la concentration des électrons, ce qui fournit en outre suffisamment de puissance pour les oscillations de radiofréquence.

Phase 4: Transformation de l'énergie

Or, après la génération du faisceau d'électrons et son accélération, le champ acquiert des énergies. Les électrons fournissent également de l'énergie au champ. Tout en voyageant à partir d'électrons de la cathode, il distribue de l'énergie à chaque cavité traversée. La perte d'énergie entraîne une diminution de la vitesse et éventuellement une décélération. Maintenant, cela se produit plusieurs fois. L'énergie libérée est utilisée efficacement et jusqu'à 80% d'efficacité est atteinte.

Préoccupations liées à la santé liées aux micro-ondes magnétron

Un micro-ondes magnétron produit des signaux micro-ondes qui peuvent causer des problèmes au corps humain. Certains magnétrons sont constitués de thorium dans leur filament, qui est un élément radioactif et mauvais pour l'homme. Des éléments comme les oxydes de béryllium et les isolants en céramique sont également dangereux s'ils sont écrasés et inhalés. Cela peut affecter les poumons.

Il existe également des risques de dommages dus à la surchauffe des fours à micro-ondes à magnétron. Les magnétrons nécessitent des alimentations haute tension. Il y a donc aussi un risque de danger électrique.

À propos de Sudipta Roy

Je suis un passionné d'électronique et je me consacre actuellement au domaine de l'électronique et des communications.
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