http___radartutorial.de_08.transmitters_Magnetron.tr.html_2.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 11.4 12.1 13.1 14.1 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 15.13 15.14 15.15 15.16 16.1 17.1 18.1 19.1 19.2 19.3 19.4 20.1 20.2 20.3 21.1 22.1 23.1 23.2 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 39.6 39.7 39.8 40.1 40.2 41.1 42.1 43.1 44.1 44.2 44.3 45.1 45.2 45.3 46.1 46.2 46.3 46.4 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 52.2 52.3 53.1 53.2 53.3 53.4 54.1 55.1 55.2 55.3 55.4 55.5 55.6 55.7 56.1 57.1 57.2 57.3 57.4 57.5 57.6 57.7 57.8 58.1 58.2 58.3 59.1 60.1 61.1 62.1 63.1 64.1 65.1 65.2 65.3 65.4 65.5 66.1 67.1 68.1 68.2 68.3 69.1 70.1 71.1 72.1 72.2 72.3 72.4 73.1 73.2 73.3 73.4 73.5 73.6 73.7 74.1 75.1 76.1 76.2 77.1 78.1 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 86.1 87.1 88.1 88.2 88.3 88.4 89.1 89.2 90.1 91.1 92.1 93.1 94.1
- Physical construction of a magnetron - Magnetron Basic Operation - Transient oscillation - Modes of Oscillation - Magnetron coupling methods - Magnetron frequency tuning - History of the invention of the magnetron What is a magnetron? Magnetron Figure 1: Magnetron MI 29G (MИ 29Г) of the old Russian Radar “Bar Lock” The magnetron is a high-powered vacuum tube, that works as self-excited microwave oscillator. Crossed electron and magnetic fields are used in the magnetron to produce the high-power output required in radar equipment. These multi-cavity devices may be used in radar transmitters as either pulsed or cw oscillators at frequencies ranging from approximately 600 to 30,000 megahertz. The relatively simple construction has the disadvantage that the Magnetron usually can work only on a constructively fixed frequency. Physical construction of a magnetron Figure 2: Cutaway view of a magnetron Figure 2: Cutaway view of a magnetron The magnetron is classed as a diode because it has no grid. The anode of a magnetron is fabricated into a cylindrical solid copper block. The cathode and filament are at the centre of the tube and are supported by the filament leads. The filament leads are large and rigid enough to keep the cathode and filament structure fixed in position. The cathode is indirectly heated and is constructed of a high-emission material. The 8 up to 20 cylindrical holes around its circumference are resonant cavities. A narrow slot runs from each cavity into the central portion of the tube dividing the inner structure into as many segments as there are cavities. Each cavitiy work like a parallel resonant circuit. As depicted in figure 3 by the low frequency analogue, the rear wall of the structure of the anode bloc may be considered to as the inductive portion (a coil with a single turn). The vane tip region may be considered as the capacitor portion of the equivalent parallel resonant circuit. The resonant frequency of a microwave cavity is thereby determined by the physical dimension of the resonator. If a single resonant cavity oscillates, then it excites the next one to oscillate too. This one oscillates at a phase delay of 180 degrees and excites the next resonant cavity, and so on. From a resonant cavity to the next always occurs this delay of 180 degrees. The chain of resonators thus form a slow-wave structure which is closed in itself. Because of this slow-wave structure, this design is also called “Multi-cavity Travelling Wave Magnetron” in some publications. Figure 2: Cutaway view of a magnetron Figure 3: Each cavitiy work like a parallel resonant circuit. Figure 3: Each cavitiy work like a parallel resonant circuit. The cathode of a magnetron provides the electrons through which the mechanism of energy transfer is accomplished. The cathode is located in the centre of the anode and is made up of a hollow cylinder of emissive material (mostly Barium Oxide) surrounding a heater. The feeding wires of the filament must centre the whole cathode. Any eccentricity between anode and cathode can cause serious internal arcing or malfunction. The open space between the anode bloc and the cathode is called the interaction space. In this space the electric and magnetic fields interact to exert force upon the electrons. The magnetic field is usually provided by a strong, permanent magnet mounted around the magnetron so that the magnetic field is parallel with the axis of the cathode. Figure 4: Forms of the anode block in a magnetron Figure 4: Forms of the anode block in a magnetron It generally consists of an even number of microwave cavities arranged in radial fashion. The form of the cavities varies, shown in the Figure 4. - slot- type - vane- type - rising sun- type - hole-and-slot- type The slot type, hole-and slot type and the rising sun type are usually machined by hobbing methods out of solid copper stock. But it can be difficult to cut softly metal (such as copper) in a lathe. The vane type is generally made up of individual vanes assembled and brazed into a support ring therefore. The resonance behaviour can be already tested and calibrated in the laboratory before the anode is installed in the tube. The output lead is usually a probe or loop extending into one of the tuned cavities and coupled into a wave-guide or coaxial line. How does a magnetron work? Magnetron Basic Operation As when all velocity-modulated tubes the electronic events at the production microwave frequencies at a magnetron can be subdivided into four phases too: - phase: Production and acceleration of an electron beam in a dc field - phase: Velocity-modulation of the electron beam - phase: Formation of electron bunches by velocity modulation (here in form of a “Space-Charge Wheel”) - phase: Dispense energy to the ac field Phase: Production and acceleration of an electron beam Figure 5: The electron path under the influence of different strength of the magnetic field. Figure 5: The electron path under the influence of different strength of the magnetic field. Since the cathode is kept at negative voltage, the static electric field is in radial direction from (grounded) anode block to the cathode. When no magnetic field exists, heating the cathode results in a uniform and direct movement of the electron from the cathode to the anode block (the blue path in figure 5). A weak permanent magnetic field B perpendicular to the electric field bends the electron path as shown with the green path in figure 5. If the electron flow reaches the anode, so a large amount of plate current is flowing. If the strength of the magnetic field is increased, the path of the electron will have a sharper bend. Likewise, if the velocity of the electron increases, the field around it increases and the path will bend more sharply. However, when the critical field value is reached, as shown in the figure 5 as a red path, the electrons are deflected away from the plate and the plate current then drops quickly to a very small value. When the field strength is made still greater, the plate current drops to zero. These values of the anode voltage and magnetic field strength that prevent an anode current are called Hull cut-off magnetic field and cut-off voltage. When the magnetron is adjusted to the cut-off, or critical value of the plate current and the electrons just fail to reach the plate in their circular motion, it can produce oscillations at microwave frequencies. Phase: Velocity-modulation of the electron beam Figure 6: The high-frequency electrical field Figure 6: The high-frequency electrical field The electric field in the magnetron oscillator is a product of AC and DC fields. The DC field extends radially from adjacent anode segments to the cathode. The AC fields, extending between adjacent segments, are shown at an instant of maximum magnitude of one alternation of the RF oscillations occurring in the cavities. In the figure 6 is shown only the assumed high-frequency electrical AC field. This AC field work in addition to the to the permanently available DC field. The AC field of each individual cavity increases or decreases the DC field like shown in the figure. Well, the electrons which fly toward the anode segments loaded at the moment more positively are accelerated in addition. These get a higher tangential speed. On the other hand the electrons which fly toward the segments loaded at the moment more negatively are slow down. These get consequently a smaller tangential speed. Phase: Forming of a “Space-Charge Wheel” Figure 7: Rotating space-charge wheel in an twelve-cavity magnetron Figure 7: Rotating space-charge wheel in an twelve-cavity magnetron Figure 7: Rotating space-charge wheel in an twelve-cavity magnetron On reason the different speeds of the electron groups the velocity modulation leds to a density modulation therefore. The cumulative action of many electrons returning to the cathode while others are moving toward the anode forms a pattern resembling the moving spokes of a wheel known as a “Space-Charge Wheel”, as indicated in figure 7. The space-charge wheel rotates about the cathode at an angular velocity of 2 poles (anode segments) per cycle of the AC field. This phase relationship enables the concentration of electrons to continuously deliver energy to sustain the RF oscillations. One of the spokes just is near an anode segment which is loaded a little more negatively. The electrons are slowed down and pass her energy on to the AC field. This state isn't static, because both the AC- field and the wire wheel permanently circulate. The tangential speed of the electron spokes and the cycle speed of the wave must be brought in agreement so. Phase: Dispense energy to the AC field Recall that an electron moving against an E field is accelerated by the field and takes energy from the field. Also, an electron dispenses energy to a field and slows down if it is moving in the same direction as the field (positive to negative). The electron spends energy to each cavity as it passes and eventually reaches the anode when its energy is expended. Thus, the electron has helped sustain oscillations because it has taken energy from the DC field and given it to the ac field. This electron describes the path shown in figure 5 over a longer time period looked. By the multiple breaking of the electron the energy of the electron is used optimally. The effectiveness reaches values up to 80%. Transient oscillation After switching the anode voltage, there is still no RF field. The single electron moves under the influence of the static electric field of the anode voltage and the effect of the magnetic field as shown in Figure 5 by the red electron path. Electrons are charge carriers: during the flyby at a gap, they give off a small part of energy to the cavities. (Similar to a flute: A flute produces sound when a stream of air is flowing past an edge of a hole.) The cavity resonator begins to oscillate at its natural resonant frequency. Immediately begins the interaction between this RF field (with an initial low power) and the electron beam. The electrons are additionally influenced by the alternating field. It begins the process described in sequence of phase 1 to 4 of the interaction between RF field and the now velocity-modulated electrons. Unfortunately, the transient oscillation doesn't begin with a predictable phase. Each transient oscillation occurs with a random phase. The transmitting pulses that are generated by a magnetron are therefore not coherent. However, it is possible to get phase coherence, if the magnetron is feeded with a continuous priming signal from a coherent oscillator.[1] Modes of Oscillation Figure 8: Modes of the magnetron (Anode segments are represented “unwound”) Figure 9: cutaway view of a magnetron (vane-type) showing the strapping rings and the slots. Figure 9: cutaway view of a magnetron (vane-type) showing the strapping rings and the slots. The operation frequency depends on the sizes of the cavities and the interaction space between anode and cathode. But the single cavities are coupled over the interaction space with each other. Therefore several resonant frequencies exist for the complete system. Two of the four possible waveforms of a magnetron with 12 cavities are in the figure 9 represented. Several other modes of oscillation are possible (¾π mode, ½π mode, ¼π mode), but a magnetron operating in the π mode has greater power and output and is the most commonly used. So that a stable operational condition adapts in the optimal πmode, two constructive measures are possible: - Strapping rings: The frequency of the π mode is separated from the frequency of the other modes by strapping to ensure that the alternate segments have identical polarities. For the π mode, all parts of each strapping ring are at the same potential; but the two rings have alternately opposing potentials. For other modes, however, a phase difference exists between the successive segments connected to a given strapping ring which causes current to flow in the straps. - Use of cavities of different resonance frequency e.g. such a variant is the anode form “Rising Sun”. Magnetron coupling methods Energy (rf) can be removed from a magnetron by means of a coupling loop as shown in Figure 9 into the bottom one resonator. At frequencies lower than 10,000 megahertz, the coupling loop is made by bending the inner conductor of a coaxial line into a loop. The loop is then soldered to the end of the outer conductor so that it projects into the cavity, as shown in Figure 10 also. Locating the loop at the end of the cavity, as shown in Figure 11, causes the magnetron to obtain sufficient pickup at higher frequencies. The segment-fed loop method is shown in Figure 12. The loop intercepts the magnetic lines passing between cavities. The strap-fed loop method Figure 13, intercepts the energy between the strap and the segment. On the output side, the coaxial line feeds another coaxial line directly or feeds a wave-guide through a choke joint. The vacuum seal at the inner conductor helps to support the line. Aperture, or slot, coupling is illustrated in Figure 14. Energy is coupled directly to a wave-guide through an iris (made from either glass or ceramic). different methods of magnetron coupling Magnetron tuning A tunable magnetron permits the system to be operated at a precise frequency anywhere within a band of frequencies, as determined by magnetron characteristics. The resonant frequency of a magnetron may be changed by varying the inductance or capacitance of the resonant cavities. inductive tuning elements Figure 12: Inductive magnetron tuning inductive tuning elements Figure 12: Inductive magnetron tuning Figure 13: resonant cavities of an hole-and-slot- type magnetron with inductive tuning elements loop Figure 13: resonant cavities of an hole-and-slot- type magnetron with inductive tuning elements An example of a tunable magnetron is the M5114B used by the ATC- Radar ASR-910. To reduce mutual interferences, the ASR-910 can work on different assigned frequencies. The frequency of the transmitter must be tunable therefore. This magnetron is provided with a mechanism to adjust the Tx- frequency of the ASR-910 exactly. Figure 13 shows the inductive tuning elements of the TH3123 Magnetron used in ATC-radar Thomson ER713S. Note that the adjacent the filament supply lines resonant cavity and the coupling loop cavity are not tunable! Figure 14: Magnetron M5114B of the ATC-radar ASR-910 Figure 15: Magnetron VMX1090 of the ATC-radar PAR-80 This magnetron is even equipped with the permanent magnets necessary for the work. Footnotes: - David J. Greenslade: “The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection”, University of Essex, (online) - More pictures of magnetrons and various cut models of magnetrons are available at www.ostron.de.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1 57.1 58.1 59.1 60.1 61.1 62.1 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 69.1 70.1 71.1 72.1 73.1 74.1 75.1 76.1 77.1 78.1 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 86.1 87.1 88.1 89.1 90.1 91.1 92.1 93.1 94.1 95.1 96.1 97.1 98.1 99.1 100.1 101.1 102.1 103.1 104.1 105.1 106.1 107.1
- Magnetronun yapısı - Magnetronun çalışma şekli - Geçiş süreci - Magnetron çalışma modları - Magnetrondan enerjinin sağılması - Magnetronda frekans ayarının yapılması - Magnetronun tarihine bir bakış Magnetron nedir? Magnetron Resim 1: P-37 “Bar Lock” Rus radarının MI 29G (MИ 29Г) tipi magnetronu Magnetron yüksek frekanslı salınımlar üreten ve genellikle radarlarda gerekli yüksek darbe gücünü elde etmekte kullanılan bir vakum tüptür. Bu süreç, anot ile katot arasındaki „etkileşim bölgesi“ (interaction space) denilen bir hacimde elektronların hız modülasyonu ile gerçekleşir. Bu bakımdan magnetronlar Hız Modülasyonlu Tüpler (velocity-modulated tubes) sınıfında yer alır. Magnetron, kendiliğinden uyartımlı bir osilatör gibidir, doğrusal ışınım yapan Yürüyen Dalga Tüpleri (Traveling Wave Tubes) ya da Klistrondan farklı çalışır. Magnetronun, nispeten basit yapısından kaynaklanan, genellikle yalnızca bir sabit frekansta çalışabilmesi gibi sakıncası vardır. Bu frekans 600 MHz ila 30 GHz arasında seçilebilir. Magnetronda, birbirine dik (haç biçimli) bir elektrik ve kuvvetli bir manyetik alan meydana gelir. Bu nedenle eski yayınlarda magnetron „Çapraz Alan Üreteci” veya „Çapraz Alan Osilatörü” olarakta adlandırılmaktadır. Magnetronun yapısı Magnetron aslında bir diyottur, çünkü kumanda için herhangi bir ızgara kullanmaz. Anodu kütlesel bir bakır bloktan meydana gelmiştir. Anot bloğunun orta deliğinde iki ucu ısıtıcı flaman iletkenlerle taşınan ve beslenen, dolaylı ısıtılan, salım (emission) yeteneği çok yüksek bir silindirik oksit-katot yer alır. Anodun genellikle toprağa bağlanmış olması nedeniyle katot geriliminin çok yüksek bir negatif değerde olması gerekir. Bu, aynı zamanda ısıtıcının da bu negatif gerilimde olması anlamına gelir. Bu, bir doğrudan ısıtmadır, yani ısıtıcı besleme hatları katoda doğrudan bağlıdır. Besleme iletkenlerinin katodu ve ısıtıcıyı yerlerinde sağlamca tutacak kadar büyük olması gerekir. Katoda paralel yönde bir sabit mıknatısın meydana getirdiği bir kuvvetli manyetik alan bulunur. Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 2: Magnetronun kesiti Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı, bir paralel salınım devresi gibi çalışır: Karşılıklı iki anot duvarı arasındaki yarık kondansatördür, oluğun çevresinde dolanan yol ise endüktanstır (tek turlu bir bobin gibi). Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı, bir paralel salınım devresi gibi çalışır: Karşılıklı iki anot duvarı arasındaki yarık kondansatördür, oluğun çevresinde dolanan yol ise endüktanstır (tek turlu bir bobin gibi). Resim 3: Anot bloğundaki bir çınlayıcı, bir paralel salınım devresi gibi çalışır: Karşılıklı iki anot duvarı arasındaki yarık kondansatördür, oluğun çevresinde dolanan yol ise endüktanstır (tek turlu bir bobin gibi). Anot bloğunda sayısı 8 ila 20 arasında değişen, kovuk çınlayıcı (cavity resonator) olarak adlandırılan, frekans değerini belirleyen oyuklar bulunur. Bir çınlayıcı salınıma geçince, ardından komşu çınlayıcı da salınıma başlar, ancak bu salınım 180° lik bir faz gecikmesi ile gerçekleşir. Çınlayıcıdan-çınlayıcıya meydana gelen bu gecikmelerle anot bloğu bir kapalı bir gecikme hattı gibi çalışır. Bu Gecikme Hattı nedeniyle, bazı yayınlarda bu yapı “Çok-kovuklu Yürüyen Dalga Magnetronu” (Multicavity Travelling Wave Magnetron) olarakta adlandırılmaktadır. Bu çınlayıcılar anot bloğu ile katot arasındaki bölüme dar bir yarık ile açılırlar. Anodun etken alanı, böylelikle sayısı çınlayıcılara karşılık gelen farklı bölümlere ayrılır. Anot ile katot arasındaki bu hacim, etkileşim bölgesi olarak adlandırılır. Bu çalışma alanı içinde bulunan elektrostatik ve manyetik alanlar elektronun hareket yörüngesini tayin ederler. Resim 4: Magnetronlarda kullanılan değişik tip anot blokları Resim 4: Magnetronlarda kullanılan değişik tip anot blokları Resim. 4 de bir dairenin her bir çeyreğinde farklı biçimde çınlayıcılar gösterilmiştir. - Yarık tipi - Daire sektörü tipi - Doğan güneş tipi - Delik tipi Klasik yapı, bakır anot bloğunun delindiği ve deliğin iç yüzeyinin freze ile işlenerek pürüzsüz hale getirildiği delikli tiptir. Seri üretilen ilk magnetronlar böyle delik tipi idi. Her iki delik tipinde de iç yüzeyler frezeyle işlenmiştir. Göreceli olarak yumuşak olan bakır malzemenin frezelenmesi çok karmaşık bir işlemdir, çünkü freze ağzı geride kalanı malzemeyi bükmeksizin çok az bir talaş alabilir. Bu frezeleme süresini kısaltmak için dairesel kovuklu tip magnetrona dönülmüştür. Bu yöntemde bakır çubuklar önceden hazırlanmış derinliği az yuvalara çakılır. Üretim sırasında bu kovukların çınlama frekansları test edilebilir ve gerekirse kovuk kenarlarını frezeleyerek hatalar giderilir. Günümüzde genellikle daha ucuz olan böyle çubuk-tipi magnetronlar üretilmektedir. Bir magnetron nasıl çalışır? Magnetronun çalışma şekli Tüm Hız Modülasyon Tüplerinde olduğu gibi, bir magnetronda da, yüksek frekanslı salınımların elde edilmesinde geçen elektronik olaylar dört evrede toplanabilir: - Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması; - Evre: Bir değişken elektrik alanı vasıtasıyla elektronların hızının kumandası; - Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu; - Evre: Frenleyen değişken elektrik alanına enerjinin bırakılması. 1. Evre: Elektron akımının elde edilmesi ve hızlandırılması Resim 5: Farklı manyetik akı yoğunlukları için manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altındaki bir elektronun yörüngesi. Resim 5: Farklı manyetik akı yoğunlukları için manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altındaki bir elektronun yörüngesi. Resim 5: Farklı manyetik akı yoğunlukları için manyetik alan ve elektrostatik alanların etkisi altındaki bir elektronun yörüngesi. Katot sıcakken magnetrona anot gerilimi uygulanırsa, katottan açığa çıkan elektronlar merkezden anoda doğru düzgün bir yörüngede hareket ederler. Elektronlar kuvvetli elektrik alanının etkisiyle ivmelenir ve dolayısıyla enerjiyi soğururlar. Resim. 5 de herhangi bir manyetik alanın etkisi altında kalmayan tek bir elektronun katottan anoda bir düz hattaki koyu mavi renkle çizilmiş yörüngesi gösterilmektedir. Anot ile katot arasındaki bölgeye (burada elektrik ve manyetik alanları birbirine dik yöndedir) eksenel yönde bir manyetik alan uygulanması durumunda, elektronlar bir yandan bir çember etrafında dönerken bir başka çember çizerek (epicycloidal) sapmaya uğrarlar. Manyetik alanın akısı ne kadar yüksekse, bu sapma da o kadar fazla olur. Yörüngesi anoda teğet geçen, kırmızı renkli elektronların akı yoğunluğu kritik akı yoğunluğu olarak adlandırılır. Pratikte bu kritik değerden (turuncu renkli) çok daha yüksek bir akı yoğunluğu seçilir. Elektronlar anoda ulaşamazlar. Bu durumda artık bir anot akımı oluşamayacaktır. Bununla beraber, eğer herhangi bir anot akımı akamazsa, o zaman güç kaybına rağmen elektronlar çınlayıcılarda salınıma geçmek ve sürdürmek için yeterli enerjiye sahip olamayacaktır. Anot gerilimi önemli miktarda artırılarak, elektronların, anoda doğru daha büyük bir ivmelenmesini başlatacak yeterli enerjiyi alması sağlanır. Anot gerilimi arttıkça daha fazla enerjiye kavuşan elektronların hızı da o kadar artar. Artık manyetik alanın gücü elektronları kritik yörüngenin dışında başka bir yörüngeye saptırmaya yetmeyecektir. Bu durumda bir anot akımı ölçülebilir. Elektronların yörüngesi, teorik olarak resimde mor renkle gösterilen yörünge gibi olacaktır. Megavat bölgesindeki darbe güçlerine rağmen, anot akımı sadece birkaç on mili amperde kalır. İbreli tip ölçü aletlerinin ataleti nedeniyle anot akımının yalnızca ortalama değeri ölçülebilir. Tepe değeri çok daha yüksektir. Bununla beraber, pratikte bu tür bir yörünge, anotta herhangi bir çınlayıcı yoksa (ya da Resim. 5 de görüldüğü gibi ağızları kapanarak kısa devre edilmişse) meydana gelir. 2. Evre: Bir değişken elektrik alanı vasıtasıyla elektronların hızının kumandası Resim 6: Dönen elektrik alanının yörüngesi Resim 6: Dönen elektrik alanının yörüngesi Kovuklu çınlayıcıların yarığının yanından geçen elektronlar kovuklu çınlayıcıları salınıma geçirirler. İlk salınıma geçen çınlayıcı, bitişik çınlayıcıyı da uyartarak salınıma geçmesini sağlar, ancak bu salınım 180° gecikmeyle gerçekleşir. Bu çınlayıcı da, ardından bitişik çınlayıcıyı harekete geçirir ve süreç böyle devam eder. Böylece bu çınlayıcı dizisi bir gecikme hattı meydana getirir. Geciktirme hatları boyunca bir dönen manyetik alan oluşur. Manyetik alan, çınlayıcıların iç bölümlerinde etkili olduğundan, sadece çınlayıcı yarığında yoğunlaşan elektrik alanı etkileşim hacminde etkin olur ve elektronların hareketlerini etkiler. Resim. 6 dönen dalganın yüksek frekanslı elektrik alanını ve anot bölümlerindeki ilgili yük dağılımını yalnızca bir belirli zaman noktasında göstermektedir. Yeşil renkli oklar anot blokları içerisinde yüksek frekanslı salınımlar sonucu meydana gelen elektron hareketlerini sembolize etmektedir. Çınlayıcı yarıklarında meydana gelen yüksek frekanslı alan ve anot bölümlerindeki yükler daima var olan elektrostatik alanı ilaveten etkiler. Sonuçta; dönen dalgalar, anot bölümlerinin gerilimini, anot DC gerilim değerinden bir miktar daha büyük (pozitif) ya da bir miktar daha küçük (negatif) bir değere değiştirir. Bu yük farkları, bu an için „+“ ve „-“ olarak işaretlenmiştir. Katottan o anki pozitif yüklü anot bölümlerine doğru yol alan elektronlar ilaveten hızlanırlar. Bu nedenle manyetik sağa sapma daha kuvvetlenir ve elektronların teğetsel hızları daha da artar. Diğer yandan, anodun o an için negatif yüklü bölümlerine yol alan elektronlar ise yavaşlarlar. Bunlar sağa öyle çok sapma yapmazlar ve bunun sonucu olarak daha düşük bir teğetsel hızda hareket ederler. 3. Evre: Elektron akımının yoğunluk modülasyonu Resim 7: Dönen „uzay bisiklet tekerleği” denilen yoğunluk modülasyonlu elektron akışı. Resim 7: Dönen „uzay bisiklet tekerleği” denilen yoğunluk modülasyonlu elektron akışı. Resim 7: Dönen „uzay bisiklet tekerleği” denilen yoğunluk modülasyonlu elektron akışı. Resim.5 de belirtilen yörüngede sadece bir elektron hareket etmez. Katottan salınan elektronların çoğu her yönde hareket ederler. Başlangıçtaki dağılım oldukça düzgündür. Yalnızca çınlayıcıların elektrik alanlarının etkisi elektronların hız modülasyona neden olur. Değişik elektron gruplarının farklı hızlara sahip olmaları nedeniyle, elektronların dolaşımı sırasında yürütme zamanı etkileri (run-time effects) meydana gelir. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalar ve elektronların demetleşmesi sonucu „jant telli bisiklet tekerinin” (Space-Charge-Wheel) dönmesi sırasında meydana gelen bir görüntüye benzer bir çark görüntüsü ortaya çıkar. Hem dalgalar (ve dolayısıyla çınlayıcılardaki alan dağılımı) hem de çark sürekli döndüğünden bu durum statik değildir ve elektron hatlarının teğetsel hızlarının ve dalgaların dönme hızlarının birbiriyle bağdaştırılması gerekir. Elektronların bu hız kontrolü radar operatörünün anot akımını magnetronun çalışma yönergesine uygun olarak belirlenmiş değere ayarlaması sırasında olur. 4. Evre: Frenleyen değişken elektrik alanına enerjinin aktarılması Bu çarkın bir kolu, anot DC geriliminin dönen yüksek frekanslı alana binişmesi sonucu bir miktar negatif yüklenmiş bir anot bölümünün tam üzerinde iken elektronlar frenlerler ve enerjilerini bu yüksek frekanslı alana bırakırlar. Katottan ilgili (daha negatif) anot bölümlerine doğru yola çıkan çarktaki elektronlar yolda birkaç kez frenlenirler. Her bir frenleme sırasında ve hem de anoda varışında elektronlar enerjilerini yüksek frekanslı salınıma bırakırlar. Elektronların bu çok sayıda frenlenmesi enerjinin en uygun şekilde kullanılması sağlar ve verimlilik % 80 gibi değere ulaşır. Resim 8: Geçici süreç: Tek bir elektronla sönümlü salınımların elde edilmesi. Geçiş süreci Anoda gerilim uygulanmasını takiben herhangi bir yüksek frekanslı alan meydana gelmez. Bir bireysel elektron, anot geriliminin statik elektrik alanı ve manyetik alanının etkileri altında Resim.5 de kırmızı renkle gösterilen yörüngede hareket eder. Elektronlar yük taşıyıcılardır: Çınlayıcılar arasındaki açıklığın yanından geçerken bir miktar enerjiyi buraya bırakırlar. Geçiş sürecini şöyle sıralayabiliriz: Anodun katoda göre daha yüksek bir pozitif gerilime sahip olmasına rağmen (ki bu serbest elektron sayısında bir kayıp olarak ortaya çıkar) metalde halâ yeterli sayıda serbest elektron bulunmaktadır. Bu elektronların, negatif yüklerine bağlı olarak birbirlerini itmeleri nedeniyle sükûnet durumunda da aralarında bir net açıklık bulunur. Şimdi yarığın yanından geçen bir yeni elektron ve yarık civarında sükûnet halindeki elektronları iter. Bu, anottaki deliğin etrafındaki bütün elektronları etkiler. Elektronların geçişinden sonra bile sükûnet durumuna dönüş bir zaman alır. Anottaki deliğin etrafında artık tınlaşım frekansında bir sönümlenen salınım meydana gelir. Bu sırada geçmekte olan elektron da yavaşlar: O elektron artık enerjisini kovuklu çınlayıcıya bırakmıştır. Kovuklu çınlayıcı ilk önce özgün frekansı ile çok yavaş salınmaya başlar. Bu yüksek frekanslı alan ile elektron demeti arasında (önce bir düşük güçle) derhal bir karşılıklı etkileşim başlar. Elektronlar bu değişken alanda ilaveten etkilenirler ve şimdi yüksek frekanslı alan ile hız modülasyonlu elektronlar arasında 1. ila 4. evrelerde bahsedilen süreç çalışmaya başlar. Çok kısa bir sürede salınımın en yüksek genliğine ulaşılır. Bu geçiş süreci içindeki salınımların faz açısı için bir tahmin yapmak mümkün değildir. Her bir süreç rasgele bir açıyla gerçekleşir. Magnetronla üretilen gönderim darbeleri bu nedenle birbirleriyle uyumlu değildir. Bununla birlikte bir magnetronu bir uyumlu osilatörün faz açısı vasıtasıyla salınıma zorlamak da mümkündür.[[1] Magnetron çalışma modları Resim 9: Magnetronun salınım modları (Burada bir çember üzerinde dizili anot bölümleri „bir noktada koparılarak” düz bir hatta gösterilmiştir.) Resim 9: Magnetronun salınım modları (Burada bir çember üzerinde dizili anot bölümleri „bir noktada koparılarak” düz bir hatta gösterilmiştir.) Resim 10: Magnetronun kesiti, kısa devre halkaları oldukça belirgin. Çalışma frekansı her şeyden önce çınlayıcıların boyutlarına ve anot ile katot arasındaki etkileşim hacminin büyüklüğüne bağlıdır. Bununla beraber çınlayıcılar, kendi aralarında da etkileşim hacmi üzerinden bağlaşırlar (coupled) ve tüm sistem (gecikme hattı) için birden daha fazla sayıda tınlama (resonance) frekansı meydana gelir. Resim. 9 da 12-çınlayıcılı bir magnetronun olası dört adet salınım biçiminden (modundan) üç adedi gösterilmektedir. Magnetron diğer modlardan (3/4π, 1/2π, 1/4π) birinde çalışırken bu modlardaki güç ve buna bağlı olarak verimliliği ve salınım frekansı da azalır. En uygun π-modunda bir kararlı çalışmayı sağlamak için, bu modda iki adet yapısal önlem almak mümkündür: - Anot bölümleri arasında kısa devre halkası: Hem tek ve hem de çift sayılı bölümler kendi aralarında bir kısa devre halkası ile bağlanırlar. Böylece π-modunda her bir kısa devre halkasına bağlı bütün anot bölümleri aynı gerilime sahip olurlar. Diğer modlar bu kısa devre halkalarında akan dengeleme akımlarıyla bastırılırlar. - Farklı özgün frekanslara sahip çınlayıcıların kullanımı: örneğin „Doğan Güneş” tipi anot. Doğan Güneş tipi anot farklı derinlikte kovuklara sahiptir. Verilen örnekte, her ikinci çınlayıcının çınlama frekansı, π-modunda istenen çalışma frekansının 3. harmoniği, yani temel frekansın üç katıdır. Normal olarak bu çınlama frekansı, çalışma frekansının tek sayılı bir katı olması nedeniyle π-modunda salınımın kenarlarını destekler. Örneğin, magnetron 1/2π modunda çalışıyorsa o zaman salınım sürecinin akım akışı birbirine sabit bağlaşık iki çınlayıcıyı kapsar. Bu durumda bir çınlayıcı 2. harmonikte, diğeri ise 6. harmonikte çalışacaktır. Bu daha küçük çınlayıcı, frekansın hâlâ bir çift katında çalışması ve sabit bağlaşım ile hâlâ 180° lik bir faz kaymasına sahip olması nedeniyle komşu çınlayıcılarla bir itme-çekme (push-pull) modunda çalışır. Böylece yanlış mod için zaten uygun olmayan var olan verimsizlik sürmeye devam edecek ve bu salınım π-moduna dönene kadar çalışma koşulları daha da kötüleşecektir. π-modundan başka herhangi bir modda bir salınım üretilecekse çınlayıcıların sayısının bu moda uyumlu olması gerekir. Örneğin, 3/4π-modunda, dönen dalgaların ortaya çıkabilmesi için çınlayıcıların sayısı 6 ya bölünebilmelidir. Bu nedenle olası mod sayısı çınlayıcıların sayısına bağlıdır. Magnetrondan enerjinin sağılması Yüksek frekanslı enerji magnetrondan bir halka vasıtasıyla sağılır. Bu halka, 10 GHz altındaki frekanslarda bir eşeksenel (coaxial) kablonun ortasındaki iletken bükülerek oluşturulur ve ardından kablonun dış iletkeni anoda lehimlenir. Bu şekilde oluşturulan halka (Resim.11) herhangi bir kovuğun içine yerleştirilir. Daha yüksek frekanslarda ise bu halka çınlayıcının dışına doğru alındığında (Resim.12) daha verimli olmaktadır. Resim.13 de bir bölümün yüksek frekanslı enerjisinin doğrudan sağılması görülmektedir. Buradaki bölüm aslında bir tınlaşım devresinin aktif ucudur ya da iki salınım devresinin tam ortasındadır. İletken, benzeri şekilde, çınlayıcılar arasında meydana gelen manyetik alanı algılar. Yine Resim.14 de görüldüğü gibi, kısa devre halkalarına bağlantı yapılan bir yöntem daha vardır. Enerjiyi bir eşeksenel kablo ile sağma yöntemi çok uygundur. Anoda, bir vakum tüp olması nedeniyle, geçiş noktasında bir hava kaçağı olmaması gerekir. Eşeksenel bir kablo ile yapılan geçişte bu sızdırmazlık kolayca sağlanabilir. Bu eşeksenel kablolar doğrudan dalga kılavuzunu da besleyebilir. Eğer, küçük boyutlu dalga kılavuzu kullanılıyorsa, enerji yüksek frekanslarda yarıktan doğrudan sağılabilir ve bu yöntem çok yaygın kullanılır (Resim.15). Dalga kılavuzu bağlantısı hava sızdırmazlığı sağlanmış bir kuvars cam penceresi içinden yapılmalıdır. Enerjinin magnetronda değişik yöntemlerle sağılması Magnetronda frekans ayarının yapılması Ayarlanabilir magnetronlarda frekansın, bir verilen frekans bandı içinde duyarlı ayarlanabilmesi mümkündür. Çınlayıcılarda yapılan mekanik değişikler çınlayıcının kapasitansı ya da endüktansını değiştirir ve bunun bir sonucu olarak tınlaşım frekansı da değişir. Kısa devre çubuklarının arasındaki açıklık değiştirilerek, örneğin bu kısa devre çabukları arasına bir halka yerleştirilerek, bir kapasitif ayar yapmak da mümkündür. Bu tür ayarlama yöntemi „kurabiye-kalıbı ayarlama“ (cookie-cutter tuning) olarak adlandırılır, ancak bu yöntem çok seyrek kullanılır. Genellikle kullanılan yöntemde ise bütün kovuklu çınlayıcılara endüktif ayar çubukları yerleştirilir, bunlar gövdeye monte edilir ve dışardan ayar yapılabilir. Bu yönteme „dikenli-taç ayarlama“ (crown-of-thorns tuning) denilir. Bu yöntemle 1,5 : 1 gibi bir ayar aralığı elde edilebilir. Tüm ayarlama yöntemlerinde ana sorun mekanik hareketin tüpün vakum hacmi içine aktarılmasıdır. etkili ilave ayar elemanları Resim 16: Endüktif ayar („Dikenli taç-ayarı“) etkili ilave ayar elemanları Resim 16: Endüktif ayar („Dikenli taç-ayarı“) ASR-910 radarının M5114B tip magnetronu ayarlanabilir magnetrona bir örnektir. ASR-910 radarında karşılıklı gürültülerin önlemesi için göndericinin değişik frekanslarda çalışabilmesi gerekir. Burada kullanılan magnetronun bir ayar mekanizması ile donatılmış olması gerekir. Resim 17: Endüktif ayar elemanlı bir magnetronun (kovuk- tipi) çınlayıcısı halkaları Resim 17: Endüktif ayar elemanlı bir magnetronun (kovuk- tipi) çınlayıcısı Resim. 17 de TH3123 tipi magnetronun endüktif ayarlama elemanı görülmektedir. Çınlayıcıların birinden ısıtma hattı geçmektedir. Bir başka kovukta ise sağma halkası bulunmaktadır. Bu iki kovukta ayar yapmanın zorluğu ortadadır. Bu iki çınlayıcı, diğer çınlayıcılara göre daha geniş bantlı olmalıdır. Sonuçta magnetronun verimi azalır ve frekans değişimi ancak çok dar bir bantta mümkün olur. Bu arada: Resim.17 de kovukları bir frezede açılmış bir magnetron görülmektedir. Anodun dairesel dış duvarında, bükülmüş sağma halkası yer almaktadır. Böyle bir yapıda frezeyle bakır gibi çok yumuşak bir malzemeyi bükmeden işlemek çok zordur. Resim 18: ASR-910 radarının M5114B tipi magnetronu Resim 19: PAR-80. radarına takılı VMX 109 tipi magnetron. Bu magnetron, çalışma için gerekli sabit mıknatısları da içerir. Notlar: - David J. Greenslade: “The Advantages of a Magnetron Source for Electron Spin Echo Detection”, University of Essex, (çevrim içi) - Magnetronlara ait daha fazla resim ve kesit türleri için: www.ostron.de.