Magnetroni
Wikipedia
Magnetroni on suurtehotyhjiöputki jota käytetään suuritaajuuksisten radioaaltojen eli mikroaaltojen tuottamiseen. Tehokkaana mikroaaltojen lähteenä sitä käytetään monenlaisissa mikroaaltosovelluksissa, tunnetuimpina tutkat ja mikroaaltouunit. Käytössä on sekä jatkuvatoimisia että pulssimagnetroneja, ja erilaisista rakenteista ontelomagnetroni on käyttökelpoisin. Tyypillinen ontelomagnetroni on säädetty rakenteellisesti tuottamaan tietyn taajuista mikroaaltosäteilyä, joka voi vaihdella muutamasta sadasta megahertsistä muutamaan kymmeneen gigahertsiin.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Toiminta
Magnetroni on tyypillisesti poikkileikkaukseltaan ympyränmuotoinen tyhjiöputki. Sen ulkoreuna on anodi ja keskellä on katodi. Nämä ovat tavallisesti kuparisia. Tämä hehkukatodi on sähkövaraukseltaan negatiivinen, siitä huolehtii korkeajännitteinen tasavirtalähde. Koska anodissa on tällöin positiivinen varaus, kulkisivat katodilta lähtevät elektronit pelkän sähkökentän läsnä ollessa säteittäisesti suoraan anodille. Magnetronissa on kuitenkin myös kestomagneetti, joka luo siihen akselin suuntaisen ja siis sähkökenttään nähden kohtisuoran magneettikentän. Kohtisuoraan sähkövirran suuntaan vaikuttava magneettivuo muuttaa elektronien radat käyriksi (niin sanotun nyrkkisäännön mukaisesti) ja ne alkavat kiertää katodia spiraalimaisesti. Elektronien rata riippuu magneettikentälle annetusta voimakkuudesta, sopivalla kentällä elektroni kiertää useita kierroksia.
Tällä tavoin spiraalimaiseen kiertoon saadut elektronit voidaan saada luovuttamaan energiaa erilaisin menetelmin. Alkuaikojen magnetroneissa oli esimerkiksi anodin ja katodin väliin kytketty värähtelypiiri, johon osuvat elektronit synnyttivät suuritaajuisen värähtelyn, ja muitakin ratkaisuja kokeiltiin. Näiden tilalle tuli myös nykyään käytettävä onteloresonaattorimagnetroni eli ontelomagnetroni (engl. cavity magnetron), jossa anodiin on porattu tasaisin välein koloja, jotka sitten on yhdistetty anodin ja katodin väliseen tilaan kapein käytävin. Ontelomagnetronissa elektronit ohittaessaan onteloiden suuaukot luovuttavat energiaa kuhunkin onteloon, joissa tällöin syntyy suuritaajuista värähtelyä. Ontelon ympärille syntyvät kentät toimivat näin värähtelypiirinä ja ontelon resonaattorissa antama resonanssi muistuttaa rinnankytketyn resonanssipiirin vastaavaa. Magnetronin tuottama energia kerätään ontelosta mikroaaltojen muodossa koaksiaalikaapelin kuparisilmukan avulla. Aaltoputki tai aaltojohto vie tämän radioaaltoenergian kohteeseensa.
[muokkaa] Historia
Ensimmäisen magnetronin kehitti Albert Hull 1921. Hänen laitteensa olivat yksinkertaisia kaksinapaisia magnetroneja, ja myöhemmin kehitetty onteloresonaattorimagnetroni osoittautui paljon hyödyllisemmäksi. Samana vuonna myös Erich Habann kehitti Jenassa oman magnetroninsa, joka hyödynsi pysyvänsuuruista magneettikenttää. Toisen maailmansodan alettua ja tutkan tultua tärkeäksi oli suurvaltojen armeijoilla valtava tarve suuritehoiselle mikroaaltokehittimelle joka toimisi lyhyemmillä aallonpituuksilla, eli siis korkeammilla taajuuksilla, kuin silloiset putkikehittimet. Saksassa Hans Hollmann oli kehittänyt onteloresonaattorimagnetronin jo 1935 ja saanut sille patentin, mutta armeija ei ollut siihen tyytyväinen. Saksalaisilla olikin toisen maailmansodan tutkissaan käytössä klystroni, joka oli tehottomampi.
Liittoutuneet voittivat tutkakilvan, sillä 1940 Birminghamin yliopistossa Englannissa tekivät John Randall ja Harry Boot oman parannellun versionsa Hollmannin ontelomagnetronista. Pian he saivat kasvatettua sen antotehon satakertaiseksi. Britit jakoivat magnetroniosaamisensa amerikkalaisten kanssa, ja keksintö hyödytti liittoutuneita suuresti sodassa Saksaa ja Japania vastaan.
Koska tutkan tarkkuus riippuu toisaalta antennin koosta ja toisaalta taajuuden suuruudesta, joutuivat magnetronittomat tutkankäyttäjät, joiden tutkien aallonpituus oli luokkaa 1,5 m (taajuus 200 MHz), turvautumaan suuriin antenneihin ja silti kärsimään epätarkkuuksista. Magnetronilla kyettiin laskemaan aallonpituus tasolle 10 cm (3000 MHz eli 3 GHz) mikä mahdollisti senttimetriluokan tutkan ja suuren tarkkuuden pienelläkin antennilla. Tällaisia tutkia voitiin nyt asentaa vaikkapa lentokoneisiin. Usein mainitaan nimenomaan tämä kehittyneempi tutkateknologia yhdeksi avaintekijäksi liittoutuneiden voittoon sodassa.
Toisen maailmansodan päätyttyä nykyaikainen ontelomagnetroni oli yleisessä käytössä tutkatekniikassa, ja sille löytyi myös muita käyttökohteita. Magnetronin yhtenä etuna on sen korkea hyötysuhde, yleensä noin 70 % ja joskus niinkin suuri kuin 80 %. Kun magnetronin käyttöä tutkissa kehitettiin edelleen, keksittiin puolivahingossa sen hyödyntäminen ruoka-aineiden lämmitykseen pian sodan jälkeen. Ensimmäiset kuluttajille tarkoitetut kalliit ja kömpelöt mikroaaltouunit tulivat myyntiin Yhdysvalloissa 1954, mutta yleiseen käyttöön ne tulivat vasta 1970- ja 1980-luvulla. Magnetronin käyttö erityisesti suurta tehoa vaativissa sovelluksissa on itsestäänselvyys, mutta myös klystronilla ja muilla putkitekniikoilla on käyttökohteensa.
[muokkaa] Käyttökohteita
[muokkaa] Tutka
Tutkissa magnetronista lähtevä aaltojohto on yhteydessä tutkan antenniin. Magnetroni antaa lyhyissä pulsseissa hyvin voimakkaita pulssitehoja (useita megawatteja) ja lähettää näin lyhyitä mikroaaltoenergian pulsseja. Osa tästä energiasta heijastuu takaisin ja se ohjataan vastaanottimeen (vastaanotin voi olla myös eri paikassa kuin lähetin). Signaalinkäsittelyn jälkeen vastaanotettu signaali esitetään tutkakuvana.
[muokkaa] Kuumennus
Mikroaaltouuneissa aaltojohto vie radioaaltoja läpäisevän materiaalin kautta uuniin, jonne syntyy ulkopuolelta metallikuorella eristetty voimakas mikroaaltokenttä. Normaalisti mikrojen magnetronit synnyttävät 2 450 MHz eli 2,45 GHz taajuisia mikroaaltoja, jotka saavat erityisesti vesimolekyylit värähtelemään voimakkaasti, ja tästä aiheutuva kitka kuumentaa uunissa olevan vettä sisältävän aineen nopeasti. Mikroaaltouunit ovatkin nopein keino ruoan kuumennukseen. Koska 2,45 GHz taajuisen mikroaaltosäteilyn aallonpituus on noin 12,2 cm, tulee uunin ovessa yleensä olevassa lasi-ikkunassa olla tarpeeksi tiheä metalliverkko estämässä säteilyn vuotamisen ulos. Mikäli mikroaaltouunissa ei ole ruokaa tai vettä sitä käytettäessä, vaan se käy tyhjänä, eivät mikroaallot pääse imeytymään mihinkään vaan heijastuvat metalliseinämistä ja voivat osua takaisin magnetroniin. Tämä saattaa aiheuttaa magnetronissa kipinöintiä ja lopulta jopa hajottaa sen.
[muokkaa] Aiheesta muualla
- Magnetronin toiminta (englanniksi)
- Magnetronin rakenne, toiminta ja käyttö tutkassa (englanniksi)
- Magnetronin rakenne, toiminta ja käyttö tutkassa (saksaksi)
- Mikroaaltouunin magnetroni purettuna (englanniksi)
- Paljon erilaisia magnetroneja (englanniksi)
