Magnetron (elektronenbuis)

Dwarsdoorsnede door magnetron met in het midden de twee strap-ringen, vastgesoldeerd aan respectievelijk even en oneven segmenten

Een magnetron is een elektronenbuis die door middel van trilholtes en een magneetveld hoogfrequente elektromagnetische velden kan opwekken. Het heeft zijn naam gegeven aan de magnetronoven, waarin deze buis wordt toegepast. Ook in radarinstallaties, die in de Tweede Wereldoorlog mogelijk werden dankzij het magnetron, wordt het nog toegepast. Daarnaast hebben magnetrons industriële toepassingen, zoals drogen van materialen, en voor de aansturing van elektrodeloze lampen. Met dit type buis kunnen zeer grote vermogens opgewekt worden, vele kW continu tot 5 MW gepulst bij radar, met een zeer hoog rendement tot 80%. De opgewekte frequenties liggen in het frequentiegebied tussen 0,5 en 100 GHz.

Een bijzondere eigenschap van deze buis is dat het, in tegenstelling tot andere zendbuizen, zelf een oscillerend systeem vormt. Er is dus geen externe sturing nodig, zoals bij een zendbuis. Daar staat tegenover dat de frequentiestabiliteit van het magnetron matig is, maar dat is voor de meeste moderne toepassingen geen bezwaar.

Constructie en werking

De magnetronbuis in een magnetron oven bestaat uit een staafvormige kathode, met daar omheen een cilindrische metalen anode met 10 holtes die resoneren bij 2,45 GHz. Een DC spanning van 2,2 kilovolt wordt aangebracht op de anode (plus). In de richting van de as is een magneetveld met veldsterkte 0,017 Tesla aangebracht, door middel van twee ringmagneten. In de ruimte in het inwendige van het magnetron heerst hoog vacuüm, zoals gebruikelijk bij elektronenbuizen. Eén holte in de anode bevat een koperen strip die de EM golf afvoert naar de antenne, een kleine samengeknepen koperbuis.
Elektron emissie

De kathode krijgt een elektrische spanning van 2,2 kilovolt negatief ten opzichte van de anode. Daardoor zendt de kathode elektronen uit volgens de vergelijking van Child-Langmuir^[1].

Interactie tussen elektronenbundel en magneetveld

Door het magneetveld worden de elektronen afgebogen, als gevolg van de Lorenzkracht, beter bekend door de rechterhandregel. Het B-veld in de dwarsdoorsnede (schematisch) staat loodrecht op het vlak van de tekening en wijst naar de kijker. De elektronen gaan een spiraalvormige baan beschrijven, met bijbehorende elektron cyclotron frequentie 490 MHz. Dit is een vijfde van 2,45 GHz, de RF-frequentie van resonantiemodus $\pi$ .

Interactie tussen elektronenbundel en holtes

De elektronen gaan langs de koperen schotjes tussen de holtes. Daarbij worden ze beurtelings versneld en afgeremd. Ze geven hun energie af aan de elektrische resonantie in de holtes, en nemen die weer op. De elektronenwolk neemt daarom een vorm aan van vijf spaken in een wiel dat in de magnetronbuis ronddraait, in een volume van enkele mm³. Elke magnetronbuis werkt op slechts éen frequentie en is niet afstembaar vanwege de mechanisch vaste constructie. Er bestaan wel een aantal zogenaamde resonantiemodes. De gebruikte mode is die, waarin naast elkaar liggende resonantieholtes 180° in fase verschoven zijn. Er worden zogenaamde straps gebruikt, die de even en de oneven anodesegmenten met elkaar verbinden om zo ongewenste resonantiemodes te onderdrukken. De elektrische resonanties in de holtes hangen alleen af van de afmeting daarvan. De frequentie van de resonantie wordt bepaald door middel van een finite element methode. Een holte wordt bij die berekening^[2] opgedeeld in duizenden kleine blokjes. De vergelijkingen van Maxwell worden numeriek opgelost voor ieder blokje.

Elektromagnetische golven gaan naar de antenne

In een van de resonantieholtes bevindt zich een extra elektrode waarmee de microgolfenergie afgetapt wordt. Deze koperen strip wordt waveguide genoemd, en heeft de functie om de hoogfrequente straling af te voeren naar de antenne.

Bij het demonteren van een magnetronbuis kan beryllium uit de isolatoren vrijkomen, wat net als asbest gevaarlijk is voor de longen.

Geschiedenis

In 1912 experimenteerde de Zwitserse fysicus Heinrich Greinacher met een elektronenbuis waarbij ook een magneetveld werd gebruikt. De term magnetron werd voor het eerst gebruikt door de Amerikaanse fysicus Albert Hull, die vanaf 1921 in de laboratoria van General Electric theoretisch en empirisch onderzoek deed aan een elektronenbuis met centrale kathodedraad en een ringvormige anode, in eerste instantie bedoeld om de mogelijkheden van beïnvloeding van de elektronen in de buis door een variabel magneetveld te bepalen.

In de jaren twintig van de twintigste eeuw werkten ook de Tsjechische fysicus August Žáčcek en de Duitse fysicus Habann aan magnetronbuizen. In deze tijd kwamen gesplitste anodes, cilindervormige anodes die in meerdere secties verdeeld waren, in zwang. Daarbij waren vier diagonaal tegenover elkaar liggende anodesecties met elkaar verbonden en afzonderlijk van een externe aansluiting voorzien. Rond 1928 werkte ook de Japanse doctoraalstudent Okabe, onder leiding van Yagi, aan een magnetron met gesplitste anode, om elektromagnetische golven op te wekken met frequenties groter dan 1 GHz, die gebruikt werden bij het testen van de Yagi-antenne. Yagi had kort daarvoor nog een bezoek aan General Electric in New York gebracht.

De Duitse fysicus Hollmann, werkzaam bij Telefunken, vroeg in 1935 een patent aan voor een buis waarbij de segmenten van de anode in de buis zelf verbonden werden door gekromde platen – in wezen de basis voor de huidige trilholtemagnetrons. In de jaren 1936 tot 1938 ontwikkelden de Russische ingenieurs Alekseev en Malairov een magnetron met een als massief koperblok uitgevoerde anode met trilholtes, die een vermogen van 300 watt kon leveren. In Groot-Brittannië ontwikkelden Eric Stanley Megaw, John Randall en Harry Boot op basis van hetzelfde principe lucht- en watergekoelde magnetrons, die vrijwel direct daarna in productie genomen werden voor radartoepassingen in gevechtsvliegtuigen en raketwaarschuwingsinstallaties.

De Amerikaan Percy Spencer, werkzaam bij Raytheon, ontdekte in 1945 dat een chocoladereep smolt in de door een magnetron uitgezonden straling. Dit leidde tot de magnetronoven. Vanaf 1947 werden deze geproduceerd, maar het duurde nog decennia voor deze tegen een acceptabele prijs voor een groot publiek beschikbaar kwamen.

Publicaties

Heinrich Greinacher: In: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Heft 14 (1912), S. 856.
Albert W. Hull: The Measurement of Magnetic Fields of Medium Strength by Means of a Magnetron. In: Physical Review. Heft 22 (1923), S. 279–292 DOI:10.1103/PhysRev.22.279.
Erich Habann: Eine neue Generatorröhre. In: Zeitschrift für Hochfrequenztechnik. Jahrbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie, Band 24. Krayn, Berlin 1924, S. 115ff. (zugleich Dissertation der Universität Jena, 1924).
August Žáček: In: Časopis pro pěstování matematiky a fysiky, Heft 53 (1924), S. 378.
Hans Erich Hollmann: Physik und Technik der ultrakurzen Wellen. Band 1. Erzeugung ultrakurzwelliger Schwingungen. Springer, Berlin 1936, Kapitel 4.

Voetnoten

↑ Vergelijking van Child-Langmuir (1911), De stroomdichtheid J (ampere per vierkante meter) is: $J={\frac {I}{S}}={\frac {4\varepsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m_{\mathrm {e} }}}}{\frac {V^{3/2}}{d^{2}}}.$ met $I$ de anodestroom en S het oppervlak van de anode; $e$ is de elektronlading en $m_{\mathrm {e} }$ de elektronmassa, afstand $d$ tussen kathode en anode, en anodespanning $V$ . De vergelijking staat ook bekend als de Child–Langmuir wet, een vergelijking die de elektrische stroom beschrijft tussen twee platen van een vacuumbuis.
↑ Methode van Kane Yee, finite difference time domain, FDTD door Kane S. Yee, geboren 26 maart 1934

Externe links

(en) Uitgebreide beschrijving van de werking
Patent Hans Erich Hollmann US2123728, ingediend in Duitsland op 29 november 1935^{[dode link]}

[1] Vergelijking van Child-Langmuir (1911), De stroomdichtheid J (ampere per vierkante meter) is: $J={\frac {I}{S}}={\frac {4\varepsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m_{\mathrm {e} }}}}{\frac {V^{3/2}}{d^{2}}}.$ met $I$ de anodestroom en S het oppervlak van de anode; $e$ is de elektronlading en $m_{\mathrm {e} }$ de elektronmassa, afstand $d$ tussen kathode en anode, en anodespanning $V$ . De vergelijking staat ook bekend als de Child–Langmuir wet, een vergelijking die de elektrische stroom beschrijft tussen twee platen van een vacuumbuis.

[2] Methode van Kane Yee, finite difference time domain, FDTD door Kane S. Yee, geboren 26 maart 1934

[1]

[2]