Magnetrón de cavidad - Cavity magnetron

Magnetrón con sección extraída para exhibir las cavidades. El cátodo en el centro no es visible. La antena que emite microondas está a la izquierda. No se muestran los imanes que producen un campo paralelo al eje largo del dispositivo.
Un magnetrón similar con una sección diferente eliminada. El cátodo central es visible; antena conductora de microondas en la parte superior; los imanes no se muestran.
Magnetrón de 9 GHz obsoleto e imanes de un radar de avión soviético. El tubo está abrazado entre los polos de dos imanes de álnico en forma de herradura (arriba, abajo) , que crean un campo magnético a lo largo del eje del tubo. Las microondas se emiten desde la apertura de la guía de ondas (superior) que, en uso, está unida a una guía de ondas que conduce las microondas a la antena del radar. Los tubos modernos utilizan imanes de tierras raras , electroimanes o imanes de ferrita que son mucho menos voluminosos.

El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío de alta potencia que genera microondas mediante la interacción de una corriente de electrones con un campo magnético mientras pasa por una serie de resonadores de cavidad que son cavidades pequeñas y abiertas en un bloque de metal. Los electrones pasan por las cavidades y hacen que las microondas oscilen en su interior, similar al funcionamiento de un silbato que produce un tono cuando se excita con una corriente de aire que pasa por su abertura. La frecuencia de resonancia de la disposición está determinada por las dimensiones físicas de las cavidades. A diferencia de otros tubos de vacío, como un klistrón o un tubo de onda viajera (TWT), el magnetrón no puede funcionar como un amplificador para aumentar la intensidad de una señal de microondas aplicada; el magnetrón sirve únicamente como oscilador , generando una señal de microondas a partir de la electricidad de corriente continua suministrada al tubo de vacío.

El uso de campos magnéticos como medio para controlar el flujo de una corriente eléctrica fue impulsado por la invención del Audion por Lee de Forest en 1906. Albert Hull del Laboratorio de Investigación de General Electric comenzó el desarrollo de magnetrones para evitar las patentes de De Forest, pero estos nunca fueron completamente exitosos. Otros experimentadores se percataron del trabajo de Hull y un avance clave, el uso de dos cátodos, fue introducido por Habann en Alemania en 1924. La investigación adicional fue limitada hasta el artículo japonés de Okabe de 1929 que señalaba la producción de señales de longitud de onda centimétrica, lo que generó interés en todo el mundo. . El desarrollo de magnetrones con múltiples cátodos fue propuesto por AL Samuel de Bell Telephone Laboratories en 1934, lo que dio lugar a diseños bien conocidos de Postumus en 1934 y Hans Hollmann en 1935. La producción fue asumida por Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken y otros, limitados a una salida de quizás 10 W. En ese momento, el klystron estaba produciendo más energía y el magnetrón no se usaba ampliamente, aunque Aleksereff y Malearoff construyeron un dispositivo de 300W en la URSS en 1936 (publicado en 1940).

El magnetrón de cavidad fue una mejora radical introducida por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham , Inglaterra en 1940. Su primer ejemplo de trabajo produjo cientos de vatios en una longitud de onda de 10 cm, un logro sin precedentes. En semanas, los ingenieros de GEC habían mejorado esto a más de un kilovatio, y en meses, 25 kilovatios, más de 100 en 1941 y empujando hacia un megavatio en 1943. Los pulsos de alta potencia se generaron a partir de un dispositivo del tamaño de un libro pequeño y emitido desde una antena de sólo centímetros de largo, reduciendo el tamaño de los sistemas de radar prácticos en órdenes de magnitud. Aparecieron nuevos radares para cazas nocturnos , aviones antisubmarinos e incluso los barcos de escolta más pequeños, y desde ese momento los Aliados de la Segunda Guerra Mundial mantuvieron una ventaja en el radar que sus contrapartes en Alemania y Japón nunca pudieron cerrar. Al final de la guerra, prácticamente todos los radares aliados se basaban en un magnetrón.

El magnetrón vio un uso continuo en el radar en el período de posguerra, pero cayó en desgracia en la década de 1960 cuando surgieron klistrones de alta potencia y tubos de ondas viajeras . Una característica clave del magnetrón es que su señal de salida cambia de pulso a pulso, tanto en frecuencia como en fase. Esto lo hace menos adecuado para las comparaciones de pulso a pulso para realizar la indicación de objetivos en movimiento y eliminar el " desorden " de la pantalla del radar. El magnetrón sigue utilizándose en algunos sistemas de radar, pero se ha vuelto mucho más común como fuente de bajo costo para hornos microondas . De esta forma, en la actualidad se utilizan más de mil millones de magnetrones.

Construcción y operación

Diseño de tubo convencional

En un tubo de electrones convencional (tubo de vacío ), los electrones se emiten desde un componente calentado con carga negativa llamado cátodo y son atraídos por un componente con carga positiva llamado ánodo . Los componentes normalmente están dispuestos de forma concéntrica, colocados dentro de un recipiente de forma tubular del que se ha evacuado todo el aire, de modo que los electrones puedan moverse libremente (de ahí el nombre de tubos de "vacío", llamados "válvulas" en inglés británico).

Si se inserta un tercer electrodo (llamado rejilla de control ) entre el cátodo y el ánodo, el flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo se puede regular variando el voltaje en este tercer electrodo. Esto permite que el tubo de electrones resultante (llamado " triodo " porque ahora tiene tres electrodos) funcione como un amplificador porque pequeñas variaciones en la carga eléctrica aplicada a la rejilla de control darán como resultado variaciones idénticas en la corriente mucho mayor de electrones que fluye entre el cátodo y el ánodo.

Magnetrón de casco o de ánodo único

La idea de usar una rejilla para el control fue patentada por Lee de Forest , lo que resultó en una investigación considerable sobre diseños de tubos alternativos que evitarían sus patentes. Un concepto utilizó un campo magnético en lugar de una carga eléctrica para controlar el flujo de corriente, lo que llevó al desarrollo del tubo de magnetrón. En este diseño, el tubo se hizo con dos electrodos, típicamente con el cátodo en forma de varilla de metal en el centro y el ánodo como un cilindro a su alrededor. El tubo se colocó entre los polos de un imán de herradura dispuesto de manera que el campo magnético se alineara paralelo al eje de los electrodos.

Sin campo magnético presente, el tubo funciona como un diodo, con electrones que fluyen directamente desde el cátodo al ánodo. En presencia del campo magnético, los electrones experimentarán una fuerza en ángulo recto con su dirección de movimiento, de acuerdo con la regla de la mano izquierda . En este caso, los electrones siguen una trayectoria curva entre el cátodo y el ánodo. La curvatura de la trayectoria se puede controlar variando el campo magnético, utilizando un electroimán o cambiando el potencial eléctrico entre los electrodos.

En configuraciones de campo magnético muy alto, los electrones son forzados a regresar al cátodo, evitando el flujo de corriente. En el extremo opuesto, sin campo, los electrones pueden fluir libremente desde el cátodo al ánodo. Hay un punto entre los dos extremos, el valor crítico o campo magnético de corte de Hull (y voltaje de corte), donde los electrones apenas llegan al ánodo. En los campos alrededor de este punto, el dispositivo funciona de manera similar a un triodo. Sin embargo, el control magnético, debido a la histéresis y otros efectos, da como resultado una respuesta más lenta y menos fiel a la corriente de control que el control electrostático usando una rejilla de control en un triodo convencional (sin mencionar un mayor peso y complejidad), por lo que los magnetrones vieron un uso limitado en diseños electrónicos convencionales.

Se notó que cuando el magnetrón operaba en el valor crítico, emitiría energía en el espectro de radiofrecuencia . Esto ocurre porque algunos de los electrones, en lugar de alcanzar el ánodo, continúan dando vueltas en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Debido a un efecto ahora conocido como radiación ciclotrónica , estos electrones irradian energía de radiofrecuencia. El efecto no es muy eficaz. Finalmente, los electrones golpean uno de los electrodos, por lo que el número en el estado circulante en un momento dado es un pequeño porcentaje de la corriente total. También se notó que la frecuencia de la radiación depende del tamaño del tubo, e incluso se construyeron ejemplos tempranos que producían señales en la región de microondas.

Los primeros sistemas de tubos convencionales se limitaban a las bandas de alta frecuencia y, aunque los sistemas de muy alta frecuencia se hicieron ampliamente disponibles a fines de la década de 1930, las regiones de ultra alta frecuencia y microondas estaban mucho más allá de la capacidad de los circuitos convencionales. El magnetrón fue uno de los pocos dispositivos capaces de generar señales en la banda de microondas y fue el único capaz de producir alta potencia en longitudes de onda de centímetros.

Magnetrón de ánodo dividido

Magnetrón de ánodo dividido (c. 1935). (izquierda) El tubo desnudo, de unos 11 cm de altura. (derecha) Instalado para su uso entre los polos de un imán permanente potente

El magnetrón original era muy difícil de mantener funcionando al valor crítico, e incluso entonces el número de electrones en el estado circular en cualquier momento era bastante bajo. Esto significaba que producía señales de muy baja potencia. Sin embargo, como uno de los pocos dispositivos conocidos por crear microondas, el interés en el dispositivo y las posibles mejoras fue generalizado.

La primera mejora importante fue el magnetrón de ánodo dividido , también conocido como magnetrón de resistencia negativa . Como su nombre lo indica, este diseño utilizó un ánodo que se dividió en dos, uno en cada extremo del tubo, creando dos semicilindros. Cuando ambos se cargaron al mismo voltaje, el sistema funcionó como el modelo original. Pero al alterar ligeramente el voltaje de las dos placas , la trayectoria del electrón podría modificarse para que viajen naturalmente hacia el lado de voltaje más bajo. Las placas se conectaron a un oscilador que invirtió el voltaje relativo de las dos placas a una frecuencia determinada.

En cualquier instante dado, el electrón se empujará naturalmente hacia el lado de voltaje más bajo del tubo. Luego, el electrón oscilará hacia adelante y hacia atrás a medida que cambia el voltaje. Al mismo tiempo, se aplica un fuerte campo magnético, más fuerte que el valor crítico en el diseño original. Esto normalmente haría que el electrón volviera a circular en círculo hacia el cátodo, pero debido al campo eléctrico oscilante, el electrón sigue una trayectoria circular que continúa hacia los ánodos.

Dado que todos los electrones en el flujo experimentaron este movimiento en bucle, la cantidad de energía de RF que se irradia mejoró enormemente. Y como el movimiento se produjo en cualquier nivel de campo más allá del valor crítico, ya no fue necesario sintonizar cuidadosamente los campos y voltajes, y la estabilidad general del dispositivo mejoró enormemente. Desafortunadamente, el campo más alto también significaba que los electrones a menudo volvían en círculos al cátodo, depositando su energía en él y haciendo que se calentara. Como esto normalmente hace que se liberen más electrones, a veces podría provocar un efecto descontrolado, dañando el dispositivo.

Magnetrón de cavidad

El gran avance en el diseño de magnetrones fue el magnetrón de cavidad resonante o magnetrón de resonancia de electrones , que funciona con principios completamente diferentes. En este diseño, la oscilación es creada por la forma física del ánodo, en lugar de circuitos o campos externos.

Un diagrama de sección transversal de un magnetrón de cavidad resonante . Las líneas magnéticas de fuerza son paralelas al eje geométrico de esta estructura.

Mecánicamente, el magnetrón de la cavidad consiste en un cilindro grande y sólido de metal con un agujero perforado en el centro de la cara circular. Un cable que actúa como cátodo pasa por el centro de este orificio y el bloque de metal forma el ánodo. Alrededor de este agujero, conocido como el "espacio de interacción", hay una serie de agujeros similares ("resonadores") perforados paralelos al espacio de interacción, conectados al espacio de interacción por un canal corto. El bloque resultante se parece al cilindro de un revólver , con un orificio central algo más grande. En realidad, los primeros modelos se cortaron utilizando plantillas de pistola Colt . Recordando que en un circuito de CA los electrones viajan a lo largo de la superficie , no el núcleo, del conductor, los lados paralelos de la ranura actúan como un capacitor mientras que los orificios redondos forman un inductor : un circuito LC hecho de cobre sólido, con el resonante frecuencia definida enteramente por sus dimensiones.

El campo magnético se establece en un valor muy por debajo del crítico, por lo que los electrones siguen trayectorias de arco hacia el ánodo. Cuando golpean el ánodo, hacen que se cargue negativamente en esa región. Como este proceso es aleatorio, algunas áreas se cargarán más o menos que las áreas que las rodean. El ánodo está construido de un material altamente conductor, casi siempre de cobre, por lo que estas diferencias de voltaje hacen que aparezcan corrientes que las nivelan. Dado que la corriente tiene que fluir alrededor del exterior de la cavidad, este proceso lleva tiempo. Durante ese tiempo, los electrones adicionales evitarán los puntos calientes y se depositarán más a lo largo del ánodo, ya que la corriente adicional que fluye a su alrededor también llega. Esto hace que se forme una corriente oscilante cuando la corriente intenta igualar un punto y luego otro.

Las corrientes oscilantes que fluyen alrededor de las cavidades, y su efecto sobre el flujo de electrones dentro del tubo, hacen que se generen grandes cantidades de energía de radiofrecuencia de microondas en las cavidades. Las cavidades están abiertas en un extremo, por lo que todo el mecanismo forma un solo oscilador de microondas más grande. Un "grifo", normalmente un cable con forma de bucle, extrae energía de microondas de una de las cavidades. En algunos sistemas, el cable del grifo se reemplaza por un orificio abierto, que permite que las microondas fluyan hacia una guía de ondas .

Dado que la oscilación tarda algún tiempo en configurarse y es inherentemente aleatoria al principio, los arranques posteriores tendrán diferentes parámetros de salida. La fase casi nunca se conserva, lo que dificulta el uso del magnetrón en sistemas de matriz en fase . La frecuencia también se desplaza de pulso a pulso, un problema más difícil para una gama más amplia de sistemas de radar. Ninguno de estos presenta un problema para los radares de onda continua ni para los hornos microondas.

Características comunes

Dibujo en corte de un magnetrón de cavidad de 1984. Parte del imán derecho y el bloque del ánodo de cobre están cortados para mostrar el cátodo y las cavidades. Este magnetrón más antiguo usa dos imanes de álnico en forma de herradura , los tubos modernos usan imanes de tierras raras .

Todos los magnetrones de cavidad consisten en un cátodo cilíndrico calentado a un potencial negativo alto (continuo o pulsado) creado por una fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje. El cátodo se coloca en el centro de una cámara de metal circular lobulada y evacuada . Las paredes de la cámara son el ánodo del tubo. Un campo magnético paralelo al eje de la cavidad es impuesto por un imán permanente . Los electrones inicialmente se mueven radialmente hacia afuera desde el cátodo atraídos por el campo eléctrico de las paredes del ánodo. El campo magnético hace que los electrones se muevan en espiral hacia afuera en una trayectoria circular, una consecuencia de la fuerza de Lorentz . Espaciados alrededor del borde de la cámara hay cavidades cilíndricas. Se cortan ranuras a lo largo de las cavidades que se abren al espacio central común de la cavidad. A medida que los electrones pasan por estas ranuras, inducen un campo de radio de alta frecuencia en cada cavidad resonante, lo que a su vez hace que los electrones se agrupen en grupos. Una parte de la energía de radiofrecuencia se extrae mediante un bucle de acoplamiento corto que está conectado a una guía de ondas (un tubo de metal, generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de RF extraída a la carga, que puede ser una cámara de cocción en un horno microondas o una antena de alta ganancia en el caso de un radar.

Los tamaños de las cavidades determinan la frecuencia de resonancia y, por lo tanto, la frecuencia de las microondas emitidas. Sin embargo, la frecuencia no se puede controlar con precisión. La frecuencia de operación varía con los cambios en la impedancia de carga , con los cambios en la corriente de suministro y con la temperatura del tubo. Esto no es un problema en usos como la calefacción o en algunas formas de radar donde el receptor se puede sincronizar con una frecuencia de magnetrón imprecisa. Cuando se necesitan frecuencias precisas, se utilizan otros dispositivos, como el klystron .

El magnetrón es un dispositivo auto-oscilante que no requiere ningún elemento externo más que una fuente de alimentación. Se debe aplicar un voltaje de ánodo de umbral bien definido antes de que se acumule la oscilación; este voltaje es función de las dimensiones de la cavidad resonante y del campo magnético aplicado. En aplicaciones pulsadas hay un retraso de varios ciclos antes de que el oscilador alcance la potencia máxima máxima, y ​​la acumulación de voltaje del ánodo debe coordinarse con la acumulación de salida del oscilador.

Donde hay un número par de cavidades, dos anillos concéntricos pueden conectar paredes de cavidades alternas para evitar modos ineficientes de oscilación. Esto se llama flejado pi porque las dos correas bloquean la diferencia de fase entre cavidades adyacentes en radianes pi (180 °).

El magnetrón moderno es un dispositivo bastante eficiente. En un horno de microondas, por ejemplo, una entrada de 1,1 kilovatios generará generalmente alrededor de 700 vatios de potencia de microondas, una eficiencia de alrededor del 65%. (El alto voltaje y las propiedades del cátodo determinan la potencia de un magnetrón). Los magnetrones de banda S grandes pueden producir hasta 2.5 megavatios de potencia pico con una potencia promedio de 3.75 kW. Algunos magnetrones grandes se enfrían con agua. El magnetrón sigue siendo de uso generalizado en funciones que requieren alta potencia, pero donde el control preciso sobre la frecuencia y la fase no es importante.

Aplicaciones

Radar

Ensamblaje de magnetrón de 9.375 GHz 20 kW (pico) para un radar de aeropuerto comercial temprano en 1947. Además del magnetrón (derecha), contiene un tubo de interruptor TR (transmisión / recepción) y el extremo frontal del receptor superheterodino , un tubo de klistrón reflex 2K25 oscilador local y un mezclador de diodos de germanio 1N21 . La apertura de la guía de ondas (izquierda) está conectada a la guía de ondas que va a la antena.

En un equipo de radar , la guía de ondas del magnetrón está conectada a una antena . El magnetrón se opera con pulsos muy cortos de voltaje aplicado, lo que resulta en la irradiación de un pulso corto de energía de microondas de alta potencia. Como en todos los sistemas de radar primarios, la radiación reflejada de un objetivo se analiza para producir un mapa de radar en una pantalla.

Varias características de la salida del magnetrón hacen que el uso de radar del dispositivo sea algo problemático. El primero de estos factores es la inestabilidad inherente del magnetrón en la frecuencia de su transmisor. Esta inestabilidad da como resultado no solo cambios de frecuencia de un pulso al siguiente, sino también un cambio de frecuencia dentro de un pulso transmitido individual. El segundo factor es que la energía del pulso transmitido se distribuye en un espectro de frecuencia relativamente amplio, lo que requiere que el receptor tenga un ancho de banda correspondientemente amplio. Este ancho de banda amplio permite que el ruido eléctrico ambiental sea aceptado en el receptor, oscureciendo un poco los ecos débiles del radar, reduciendo así la relación señal / ruido general del receptor y, por lo tanto, el rendimiento. El tercer factor, según la aplicación, es el peligro de radiación causado por el uso de radiación electromagnética de alta potencia. En algunas aplicaciones, por ejemplo, un radar marino montado en una embarcación de recreo, a menudo se encuentra un radar con una potencia de magnetrón de 2 a 4 kilovatios montado muy cerca de un área ocupada por la tripulación o los pasajeros. En el uso práctico, estos factores se han superado, o simplemente se han aceptado, y en la actualidad hay miles de unidades de radar de aviación y marinas de magnetrón en servicio. Los avances recientes en el radar para evitar el clima de la aviación y en el radar marino han reemplazado con éxito el magnetrón con osciladores semiconductores de microondas , que tienen un rango de frecuencia de salida más estrecho. Estos permiten utilizar un ancho de banda de receptor más estrecho y, a su vez, la relación señal / ruido más alta permite una potencia de transmisión más baja, lo que reduce la exposición a EMR.

Calefacción

Magnetrón de un horno de microondas con imán en su caja de montaje. Las placas horizontales forman un disipador de calor , enfriado por el flujo de aire de un ventilador. El campo magnético es producido por dos potentes imanes anulares, el inferior de los cuales es apenas visible. Casi todos los magnetrones de horno modernos tienen un diseño y apariencia similares.

En los hornos de microondas , la guía de ondas conduce a un puerto transparente a la radiofrecuencia en la cámara de cocción. Como las dimensiones fijas de la cámara y su proximidad física al magnetrón normalmente crearían patrones de ondas estacionarias en la cámara, el patrón se aleatoriza mediante un agitador motorizado en modo ventilador en la guía de ondas (más a menudo en hornos comerciales), o por un plato giratorio que hace girar la comida (más común en los hornos de consumo). Un ejemplo temprano de esta aplicación fue cuando científicos británicos en 1954 usaron un horno de microondas temprano para resucitar hámsteres congelados criogénicamente .

Encendiendo

En los sistemas de iluminación excitados por microondas, como una lámpara de azufre , un magnetrón proporciona el campo de microondas que pasa a través de una guía de ondas a la cavidad de iluminación que contiene la sustancia emisora ​​de luz (p. Ej., Azufre , haluros metálicos , etc.). Aunque eficientes, estas lámparas son mucho más complejas que otros métodos de iluminación y, por lo tanto, no se usan comúnmente. Las variantes más modernas utilizan HEMT o dispositivos semiconductores de potencia GaN-on-SiC para generar las microondas, que son sustancialmente menos complejas y se pueden ajustar para maximizar la salida de luz mediante un controlador PID .

Historia

En 1910 Hans Gerdien (1877-1951) de Siemens Corporation inventó un magnetrón. En 1912, el físico suizo Heinrich Greinacher buscaba nuevas formas de calcular la masa del electrón . Se decidió por un sistema que consiste en un diodo con un ánodo cilíndrico que rodea un cátodo en forma de varilla, colocado en el medio de un imán. El intento de medir la masa del electrón fracasó porque no pudo lograr un buen vacío en el tubo. Sin embargo, como parte de este trabajo, Greinacher desarrolló modelos matemáticos del movimiento de los electrones en los campos eléctricos y magnéticos cruzados.

En los EE. UU., Albert Hull utilizó este trabajo en un intento de eludir las patentes de Western Electric sobre el triodo. Western Electric había ganado el control de este diseño al comprar las patentes de Lee De Forest sobre el control del flujo de corriente utilizando campos eléctricos a través de la "red". Hull pretendía utilizar un campo magnético variable, en lugar de uno electrostático, para controlar el flujo de electrones desde el cátodo al ánodo. Trabajando en los Laboratorios de Investigación de General Electric en Schenectady, Nueva York , Hull construyó tubos que proporcionaban conmutación a través del control de la relación de las intensidades de campo magnético y eléctrico. Publicó varios artículos y patentes sobre el concepto en 1921.

El magnetrón de Hull no estaba destinado originalmente a generar ondas electromagnéticas VHF (muy alta frecuencia). Sin embargo, en 1924, el físico checo August Žáček (1886-1961) y el físico alemán Erich Habann (1892-1968) descubrieron de forma independiente que el magnetrón podía generar ondas de 100 megahercios a 1 gigahercio. Žáček, profesor de la Universidad Charles de Praga , publicó primero; sin embargo, publicó en una revista de poca circulación y, por lo tanto, atrajo poca atención. Habann, un estudiante de la Universidad de Jena , investigó el magnetrón para su tesis doctoral de 1924. A lo largo de la década de 1920, Hull y otros investigadores de todo el mundo trabajaron para desarrollar el magnetrón. La mayoría de estos primeros magnetrones eran tubos de vacío de vidrio con múltiples ánodos. Sin embargo, el magnetrón de dos polos, también conocido como magnetrón de ánodo dividido, tenía una eficiencia relativamente baja.

Mientras se desarrollaba el radar durante la Segunda Guerra Mundial , surgió una necesidad urgente de un generador de microondas de alta potencia que funcionara en longitudes de onda más cortas , alrededor de 10 cm (3 GHz), en lugar de los 50 a 150 cm (200 MHz) que estaban disponibles. de los generadores de tubo de la época. Se sabía que un magnetrón resonante de múltiples cavidades había sido desarrollado y patentado en 1935 por Hans Hollmann en Berlín . Sin embargo, el ejército alemán consideró que la deriva de frecuencia del dispositivo de Hollman era indeseable y, en cambio, basó sus sistemas de radar en el klystron . Pero los klistrones no pudieron en ese momento alcanzar la salida de alta potencia que finalmente alcanzaron los magnetrones. Esta fue una de las razones por las que los radares de combate nocturno alemanes , que para empezar nunca se desviaron más allá de la banda de UHF baja para los aviones de primera línea, no eran rival para sus homólogos británicos. Asimismo, en el Reino Unido, Albert Beaumont Wood detalló un sistema con "seis u ocho agujeros pequeños" perforados en un bloque de metal, idéntico a los diseños de producción posteriores. Sin embargo, su idea fue rechazada por la Marina, que dijo que su departamento de válvulas estaba demasiado ocupado para considerarlo.

El magnetrón de cavidad original de Sir John Randall y Harry Boot desarrollado en 1940 en la Universidad de Birmingham , Inglaterra
El electroimán utilizado junto con el magnetrón original de Randall y Boot.
El bloque de ánodo que forma parte del magnetrón de cavidad desarrollado por Randall y Boot

En 1940, en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, John Randall y Harry Boot produjeron un prototipo funcional de un magnetrón de cavidad que producía alrededor de 400 W. En una semana esto había mejorado a 1 kW, y en los meses siguientes, con el Además de refrigeración por agua y muchos cambios en los detalles, esto había mejorado a 10 y luego a 25 kW. Para lidiar con su frecuencia de deriva, muestrearon la señal de salida y sincronizaron su receptor con la frecuencia que realmente se estaba generando. En 1941, el problema de la inestabilidad de frecuencia fue resuelto por James Sayers acoplando ("flejado") cavidades alternas dentro del magnetrón, lo que redujo la inestabilidad en un factor de 5-6. (Para obtener una descripción general de los primeros diseños de magnetrones, incluido el de Boot y Randall, consulte) Según Andy Manning del RAF Air Defense Radar Museum , el descubrimiento de Randall y Boot fue "un gran avance" y "considerado por muchos, incluso ahora , para ser el invento más importante que surgió de la Segunda Guerra Mundial ", mientras que el profesor de historia militar de la Universidad de Victoria en Columbia Británica, David Zimmerman, afirma:

El magnetrón sigue siendo el tubo de radio esencial para señales de radio de onda corta de todo tipo. No solo cambió el curso de la guerra al permitirnos desarrollar sistemas de radar aerotransportados, sino que sigue siendo la pieza clave de la tecnología que se encuentra en el corazón de su horno de microondas en la actualidad. La invención del magnetrón de cavidad cambió el mundo.

Debido a que Francia acababa de caer en manos de los nazis y Gran Bretaña no tenía dinero para desarrollar el magnetrón a gran escala, Winston Churchill acordó que Sir Henry Tizard debería ofrecer el magnetrón a los estadounidenses a cambio de su ayuda financiera e industrial. Una primera versión de 10 kW , construida en Inglaterra por los Laboratorios de Investigación de la Compañía General Electric , Wembley , Londres (que no debe confundirse con la compañía estadounidense de nombre similar General Electric), se incorporó a la Misión Tizard en septiembre de 1940. Cuando la discusión se centró en radar, los representantes de la Marina de los EE. UU. comenzaron a detallar los problemas con sus sistemas de longitud de onda corta, quejándose de que sus klistrones solo podían producir 10 W. Con una floritura, "Taffy" Bowen sacó un magnetrón y explicó que producía 1000 veces más.

Bell Telephone Laboratories tomó el ejemplo y rápidamente comenzó a hacer copias, y antes de finales de 1940, el Laboratorio de Radiación se había establecido en el campus del Instituto de Tecnología de Massachusetts para desarrollar varios tipos de radar utilizando el magnetrón. A principios de 1941, se estaban probando radares aerotransportados centimétricos portátiles en aviones estadounidenses y británicos. A finales de 1941, el Centro de Investigación de Telecomunicaciones del Reino Unido utilizó el magnetrón para desarrollar un revolucionario radar aerotransportado de cartografía terrestre con nombre en código H2S. El radar H2S fue desarrollado en parte por Alan Blumlein y Bernard Lovell .

El magnetrón de cavidad se utilizó ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial en equipos de radar de microondas y, a menudo, se le atribuye el mérito de dar al radar aliado una ventaja de rendimiento considerable sobre los radares alemanes y japoneses , lo que influye directamente en el resultado de la guerra. Más tarde fue descrito por el historiador estadounidense James Phinney Baxter III como "el cargamento más valioso jamás traído a nuestras costas".

El radar centimétrico, hecho posible por el magnetrón de la cavidad, permitió la detección de objetos mucho más pequeños y el uso de antenas mucho más pequeñas. La combinación de magnetrones de cavidad pequeña, antenas pequeñas y alta resolución permitió instalar radares pequeños de alta calidad en aviones. Podían ser utilizados por aviones de patrulla marítima para detectar objetos tan pequeños como un periscopio submarino, lo que permitía a los aviones atacar y destruir submarinos sumergidos que antes eran indetectables desde el aire. Los radares de mapas de contorno centimétricos como el H2S mejoraron la precisión de los bombarderos aliados utilizados en la campaña de bombardeo estratégico , a pesar de la existencia del dispositivo alemán FuG 350 Naxos para detectarlo específicamente. Los radares centimétricos de colocación de armas también eran mucho más precisos que la tecnología anterior. Hicieron que los acorazados aliados de grandes cañones fueran más mortíferos y, junto con la espoleta de proximidad recientemente desarrollada , hicieron que los cañones antiaéreos fueran mucho más peligrosos para los aviones atacantes. A los dos acoplados y utilizados por baterías antiaéreas, colocadas a lo largo de la trayectoria de vuelo de las bombas voladoras V-1 alemanas en su camino a Londres , se les atribuye la destrucción de muchas de las bombas voladoras antes de que alcanzaran su objetivo.

Desde entonces, se han fabricado muchos millones de magnetrones de cavidad; mientras que algunos han sido para radares, la gran mayoría han sido para hornos microondas . El uso del radar en sí ha disminuido hasta cierto punto, ya que en general se han necesitado señales más precisas y los desarrolladores se han trasladado al klystron y los sistemas de tubos de ondas viajeras para estas necesidades.

Riesgos para la salud

Precaución: peligro de ondas de radio
Precaución: partículas venenosas para los pulmones.

Al menos un peligro en particular es bien conocido y está documentado. Como el cristalino del ojo no tiene un flujo sanguíneo refrigerante, es particularmente propenso a sobrecalentarse cuando se expone a la radiación de microondas. Este calentamiento, a su vez, puede conducir a una mayor incidencia de cataratas en la vejez.

También existe un riesgo eléctrico considerable alrededor de los magnetrones, ya que requieren una fuente de alimentación de alto voltaje.

La mayoría de los magnetrones tienen aislantes cerámicos de óxido de berilio (berilio), que son peligrosos si se trituran, se inhalan o se ingieren de otro modo. La exposición única o crónica puede provocar beriliosis , una enfermedad pulmonar incurable. Además, la berilio está catalogada como carcinógeno humano confirmado por la IARC ; por lo tanto, los magnetrones o aisladores cerámicos rotos no deben manipularse directamente.

Todos los magnetrones contienen una pequeña cantidad de torio mezclado con tungsteno en su filamento . Si bien se trata de un metal radiactivo, el riesgo de cáncer es bajo, ya que nunca se transmite por el aire con el uso normal. Solo si el filamento se saca del magnetrón, se tritura finamente y se inhala, puede representar un peligro para la salud.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Información
Patentes
  • US 2123728  Hans Erich Hollmann / Telefunken GmbH: „Magnetron“ presentado el 27 de noviembre de 1935
  • US 2315313  Buchholz, H. (1943). Resonador de cavidad
  • US 2357313  Carter, PS (1944). Resonador de alta frecuencia y circuito para el mismo
  • US 2357314  Carter, PS (1944). Circuito resonador de cavidad
  • US 2408236  Spencer, PL (1946). Carcasa de magnetrón
  • US 2444152  Carter, PS (1948). Circuito resonador de cavidad
  • US 2611094  Rex, HB (1952). Circuito de resonancia de inductancia-capacitancia
  • GB 879677  Dexter, SA (1959). Circuitos de oscilador de válvulas; acoplamientos de salida de radiofrecuencia