Magnetron Buizen

Voor extreem hoogfrequente toepassingen (boven 1 GHz) worden de interelektrodecapaciteiten en transittijdvertragingen van de standaard elektronenbuisconstructie onbetaalbaar. Er lijkt echter geen einde te komen aan de creatieve manieren waarop buizen kunnen worden geconstrueerd, en er zijn verschillende ontwerpen voor hoogfrequente elektronenbuizen gemaakt om deze uitdagingen te overwinnen.

In 1939 werd ontdekt dat een ringkernholte gemaakt van geleidend materiaal een holteresonator wordt genoemd. rond een elektronenstraal van oscillerende intensiteit zou vermogen uit de straal kunnen halen zonder de straal zelf te onderscheppen. De oscillerende elektrische en magnetische velden die verband houden met de straal "echoerden" in de holte, op een manier die vergelijkbaar is met de geluiden van rijdende auto's die weergalmen in een ravijn langs de weg, waardoor radiofrequentie-energie van de straal naar een golfgeleider of coaxkabel kan worden overgebracht verbonden met de resonator met een koppellus. De buis heette een inductieve uitgangsbuis , of IOT :

Twee van de onderzoekers die betrokken waren bij de initiële ontwikkeling van de IOT, een paar broers genaamd Sigurd en Russell Varian, voegden een tweede holteresonator toe voor signaalinvoer naar de inductieve uitgangsbuis. Deze ingangsresonator fungeerde als een paar inductieve roosters om afwisselend pakketjes elektronen door de driftruimte van de buis te "bundelen" en vrij te geven, zodat de elektronenstraal zou bestaan ​​uit elektronen die met verschillende snelheden reizen. Deze "snelheidsmodulatie" van de bundel vertaalde zich in dezelfde soort amplitudevariatie bij de uitgangsresonator, waar energie uit de bundel werd gehaald. De broers Varian noemden hun uitvinding een klystron .

Een andere uitvinding van de gebroeders Varian was de reflex klystron buis. In deze buis reizen elektronen die door de verwarmde kathode worden uitgezonden door de holteroosters naar de afweerplaat, worden vervolgens afgestoten en teruggestuurd zoals ze kwamen (vandaar de naam reflex ) door de spouwroosters. In deze buis zouden zich zelfvoorzienende oscillaties ontwikkelen, waarvan de frequentie kan worden gewijzigd door de repeller-spanning aan te passen. Daarom werkte deze buis als een spanningsgestuurde oscillator.

Als spanningsgestuurde oscillator dienden reflex-klystron-buizen vaak als "lokale oscillatoren" voor radarapparatuur en microgolfontvangers:

Aanvankelijk ontwikkeld als apparaten met een laag vermogen waarvan de output verdere versterking vereiste voor gebruik met radiozenders, werd het ontwerp van reflex klystron zo verfijnd dat de buizen konden dienen als op zichzelf staande stroomapparaten. Reflex-klystrons zijn sindsdien vervangen door halfgeleiderapparaten bij de toepassing van lokale oscillatoren, maar versterkingsklystrons worden nog steeds gebruikt in krachtige, hoogfrequente radiozenders en in wetenschappelijke onderzoekstoepassingen.

Eén microgolfbuis vervult zijn taak zo goed en zo kosteneffectief dat hij nog steeds de boventoon voert in het competitieve domein van de consumentenelektronica:de magnetronbuis. Dit apparaat vormt het hart van elke magnetronoven en genereert honderden watt RF-microgolfenergie die wordt gebruikt om voedsel en dranken te verwarmen, en dit onder de meest slopende omstandigheden voor een buis:op willekeurige tijdstippen en voor willekeurige duur in- en uitgeschakeld.

Magnetronbuizen zijn representatief voor een heel ander soort buis dan de IOT en klystron. Terwijl de laatstgenoemde buizen een lineaire elektronenbundel gebruiken, richt de magnetron zijn elektronenbundel in een cirkelvormig patroon door middel van een sterk magnetisch veld:

Nogmaals, holteresonatoren worden gebruikt als microgolffrequentie "tankcircuits", die inductief energie uit de passerende elektronenstraal halen. Zoals alle microgolffrequentie-apparaten die een holteresonator gebruiken, wordt ten minste één van de resonatorholten getapt met een koppelingslus :een draadlus die de coaxkabel magnetisch koppelt aan de resonantiestructuur van de holte, waardoor RF-vermogen uit de buis naar een belasting kan worden geleid. In het geval van de magnetron wordt het uitgangsvermogen via een golfgeleider naar het te verwarmen eten of drinken geleid, waarbij de watermoleculen binnenin fungeren als kleine belastingsweerstanden en de elektrische energie in de vorm van warmte afvoeren.

De magneet die nodig is voor magnetronwerking is niet weergegeven in het diagram. Magnetische flux loopt loodrecht op het vlak van het cirkelvormige elektronenpad. Met andere woorden, vanuit het aanzicht van de buis in het diagram kijkt u recht naar een van de magnetische polen.