Il magnetron è un tipo di valvola termoionica (tubo a vuoto) ad alta potenza destinata alla produzione di microonde non coerenti. Il magnetron è anche un sistema in grado di accoppiare un campo magnetostatico ed una radiofrequenza ai fini di depositare film sottili di dielettrici o metalli non magnetici, impiegato industrialmente e per scopi di ricerca negli apparati di deposizione fisica detti sputtering.
Magnetron sezionato.
Struttura e funzionamento.
Il magnetron è costituito da una camera con sezione circolare circondata da lobi, in cui è stato effettuato il vuoto. Al centro è collocato un filo mantenuto incandescente, il catodo, e ad un potenziale elettrico negativo molto elevato, costante o impulsivo. Nella direzione normale al campo elettrico, costituito tra catodo ed anodo, è mantenuto un campo magnetico prodotto da un magnete permanente. Il filamento e il catodo sono costituiti da un unico elettrodo realizzato in filo di tungsteno a forma elicoidale, con un numero di spire variabile fra 8 e 12, di raggio circa pari alla lunghezza. Il catodo è rivestito di un materiale idoneo ad emettere elettroni. Gli elettroni emessi per effetto termoionico dal filamento tendono a muoversi verso le pareti della camera, mantenute a potenziale zero, che corrispondono all'anodo, positivo rispetto al catodo. La presenza del campo magnetico però causa una curvatura nella loro traiettoria per effetto della forza di Lorentz, portandoli a seguire un percorso a cicloide (cioè un punto appartenente ad una circonferenza che si muove lungo un retta). Sul perimetro della camera sono ricavate delle aperture opportunamente spaziate e comunicanti con delle cavità. Gli elettroni, raggiungendo il bordo delle cavità, si uniscono in fasci che oscillano a Radar frequenza, dipendente dalle dimensioni del Magnetron, per effetto dei campi incrociati (campo magnetico e campo elettrico). Una parte di questo campo è prelevato da una spira, detta di prelievo, connessa ad una guida d'onda (un tubo metallico in grado di convogliare le microonde), e da questa inviato al carico utilizzatore, che sia una antenna trasmittente, oppure la camera del forno a microonde.. Nell'immagine a destra è rappresentato il moto che un elettrone uscente dal filo centrale avrebbe in assenza di campo magnetico (blu) e quello che assume all'interno del magnetron (rosso). I punti gialli rappresentano le linee del campo magnetico viste in sezione. In marrone è rappresentata la spira di prelievo. Le frecce verdi rappresentano i campi elettrico (freccia corta) e magnetico (freccia circolare) che si instaurano nel circuito RLC equivalente alla cavità. La dimensione delle cavità determina la frequenza di risonanza e quindi la frequenza delle onde radio prodotte. Questa frequenza non è molto precisa né modificabile. Questo non è un problema nelle applicazioni tipiche del magnetron, quali il radar e la cottura dei cibi. Ove sia richiesta precisione si usano altri dispositivi, per esempio il Klystron o i TWT (Travelling Wave Tube). La potenza irradiata dipende dalla tensione applicata e dalle caratteristiche costruttive del tubo.
Sezione schematica di magnetron.
Radar.
Nei sistemi radar la guida d'onda è connessa con una antenna, che può essere una scanalatura nella guida oppure un allargamento a cono puntante su un riflettore parabolico. Il magnetron è alimentato con brevi impulsi di alta tensione, in modo da emettere rapidi impulsi di microonde, che vengono irradiati dall'antenna. Parte di questa energia è riflessa all'indietro dagli ostacoli incontrati e ritorna all'antenna con un ritardo proporzionale alla distanza in cui si forma l'eco o meglio la riflessione dell'onda elettromagnetica. Qui un dispositivo (di solito un circolatore) indirizza il segnale verso un sensibile ricevitore radio e quindi visualizzato su uno schermo a raggi catodici oppure elaborato digitalmente.
Riscaldamento e cottura.
Nel forno a microonde la guida d'onda si collega con la camera di cottura attraverso una finestra chiusa da un materiale trasparente alle microonde, che ha la funzione di proteggere il magnetron dalla sporcizia. Le microonde vengono quindi assorbite da diversi materiali tra cui l'acqua contenuta nei cibi, trasformandosi in calore. Se le onde non vengono assorbite subiscono una riflessione. Le onde stazionarie che si creano, dissipano la loro energia innescando un arco di plasma in prossimità dell'antenna del magnetron, distruggendola. Per questo motivo è importante non fare funzionare il forno a vuoto, e se si devono scaldare piccole quantità di materiale è opportuno collocare all'interno della camera anche un bicchiere contenente acqua. La frequenza tipica dei magnetron per forni a microonde è di 2450 MHz.
Un magnetron di un forno a microonde.
Storia.
Un primo modello di magnetron a due poli fu sviluppato intorno al 1920, ma la potenza prodotta era molto limitata rispetto alle versioni con cavità. La ricerca ebbe una ripresa durante la seconda guerra mondiale per la necessità di sviluppare rapidamente un generatore di microonde nella banda di 10 cm (prima erano impiegati 150 cm) adatto per il radar. Nel 1940, all'università inglese di Birmingham, John Randall e Harry Boot realizzarono un prototipo funzionante di magnetron a cavità risonanti, riuscendo successivamente ad aumentarne di un fattore 100 la potenza emessa. Una prima versione da 4 kW fu costruita dalla britannica General Electric Company e consegnata al governo statunitense nell'agosto del 1940. All'epoca il più potente generatore disponibile negli Stati Uniti, il Klystron, aveva una potenza dell'ordine di decine di watt. Fu definita "Il carico più prezioso mai consegnato sulle nostre coste". Per non destare attenzione, la preziosa merce non fu trasportata da scorte armate, ma spedita con i consueti mezzi postali. Questo tipo di magnetron fu largamente utilizzato durante la seconda guerra mondiale dando agli Alleati una notevole superiorità sui mezzi equivalenti in dotazione agli eserciti nazisti e giapponesi, influendo così sul decorso degli eventi bellici. In particolare i tedeschi non riuscivano a capire come facessero gli inglesi (grazie ai nuovi radar) a prevedere con largo anticipo l'arrivo dei loro aerei e portare in cielo i caccia della RAF in tempo. Da allora sono stati costruiti milioni di magnetron, alcuni per i radar ma la maggior parte per una applicazione insospettata agli inizi: il forno a microonde.
Segnale di pericolo: microonde ad alta potenza.
Sicurezza.
I rischi dovuti all'utilizzo del magnetron sono quelli legati all'esposizione alle microonde dette anche N.I.R. (No Ionizing Radiation), cioè ustioni, danni ai tessuti molli (Testicoli), opacizzazione del cristallino oltre a disordini nella calcificazione ossea. La sperimentazione su apparati impieganti il magnetron richiede particolari attenzioni e preparazione, poiché i fasci di microonde sono invisibili e possono riflettersi in modo insidioso. Un altro pericolo associato al magnetron è costituito dalla elevata tensione di funzionamento.
Fonte: http://it.wikipedia.org
Il Travelling Wave Tube (Tubo ad onda viaggiante), abbreviato in TWT, è un dispositivo elettronico usato per generare onde radio o microonde di elevata potenza.
Schema di TWT.
Più propriamente si tratta di un amplificatore, per cui il nome completo dovrebbe essere Travelling Wave Tube Amplifier, TWTA. Un segnale pilota a bassa potenza viene introdotto nel dispositivo, il quale ne incrementa la potenza. La banda passante può essere ampia, ma esistono anche dispositivi accordati (o a banda stretta). Le frequenze operative spaziano da 300 MHz a 50 GHz ed il guadagno in potenza è dell'ordine di 40 decibel. Il dispositivo è costituito da un lungo tubo a vuoto (7 in figura) con un cannone elettronico (un catodo incandescente che emette elettroni) ad una estremità (1). Un solenoide avvolto intorno al tubo (3) focalizza gli elettroni in un raggio, che è inviato lungo l'asse del dispositivo, all'interno di un filo avvolto a spirale nel lume interno del tubo (5), fino a colpire un collettore all'altra estremità (8). Un sistema di accoppiamento direzionale (2) (una guida d'onda o un elettromagnete) introduce il segnale radio di bassa potenza da amplificare in prossimità del catodo. La spirale interna, in cui si induce una corrente, agisce ritardando la propagazione del segnale radio, che viaggia così alla stessa velocità del raggio di elettroni. Il campo elettromagnetico prodotto dalla corrente indotta nella spirale interagisce con gli elettroni causandone una oscillazione avanti ed indietro (modulazione di velocità), e questa oscillazione a sua volta induce altra corrente nella spirale. Un secondo accoppiatore (6) posto vicino al collettore riceve il segnale amplificato. Un attenuatore (4) impedisce che parte del segnale possa tornare indietro verso il catodo.
TWTA a cavità accoppiata.
Nei TWTA la potenza di picco è limitata dalla corrente sopportabile dal filo interno a spirale. Per potenze eccessive il filo può surriscaldarsi e deformarsi. Lo spessore del filo può essere incrementato per sopportare maggiore corrente, rendendo però più difficoltosa la formazione della spirale con il passo adatto per le frequenze di lavoro. I TWTA a spirale hanno potenze massime inferiori a 2,5 KW. Nei TWTA a cavità accoppiata questo limite è superato sostituendo la spirale con una serie di cavità disposte intorno all'asse del raggio elettronico. Concettualmente si ottiene una guida d'onda a spirale, in grado di generare la modulazione per velocità. La potenza massima ottenibile è nell'ordine di 15 KW. Il funzionamento è simile al Klystron eccetto per l'attenuazione
Impieghi.
Prima dell'evoluzione dei dispositivi a semiconduttore di potenza, la tecnologia dei tubi ad onda progressiva TWTA, è stata utilizzata nei ponti radio analogici, per poter ottenere potenze elevate a microonde. L'utilizzo più comune del TWTA è nei ripetitori radio (transponder) a bordo di satelliti. Alcuni modelli sono impiegati anche nei radar, con l'aggiunta di una griglia di controllo di fronte al cannone elettronico per ottenere un funzionamento ad impulsi.
Fonte: http://it.wikipedia.org