Резонаторный магнетрон — это мощная вакуумная лампа , используемая в ранних радиолокационных системах, а затем в микроволновых печах и линейных ускорителях частиц . Резонаторный магнетрон генерирует микроволны , используя взаимодействие потока электронов с магнитным полем , проходя через ряд резонаторов , которые представляют собой небольшие открытые полости в металлическом блоке. Электроны проходят через полости и заставляют микроволны колебаться внутри, подобно тому, как работает свисток, издавая тон при возбуждении потоком воздуха, проходящим мимо его отверстия. Резонансная частота устройства определяется физическими размерами полостей. В отличие от других вакуумных ламп, таких как клистрон или лампа бегущей волны (ЛБВ), магнетрон не может функционировать как усилитель для увеличения интенсивности подаваемого микроволнового сигнала; магнетрон служит исключительно как электронный генератор, генерирующий микроволновый сигнал от постоянного тока, подаваемого на вакуумную трубку.
Использование магнитных полей в качестве средства управления потоком электрического тока было стимулировано изобретением Ли де Фореста Аудиона в 1906 году. Альберт Халл из исследовательской лаборатории General Electric , США, начал разработку магнетронов, чтобы обойти патенты де Фореста, [1] , но они так и не были полностью успешными. Другие экспериментаторы подхватили работу Халла, и ключевое достижение, использование двух катодов, было представлено Хабанном в Германии в 1924 году. Дальнейшие исследования были ограничены до японской статьи Окабе 1929 года, в которой отмечалось производство сигналов сантиметровой длины волны, что привело к всемирному интересу. Разработка магнетронов с несколькими катодами была предложена А. Л. Сэмюэлем из Bell Telephone Laboratories в 1934 году, что привело к разработкам Постумуса в 1934 году и Ганса Холлмана в 1935 году. Производство было взято на вооружение Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken и другими, ограничено, возможно, выходной мощностью 10 Вт. К этому времени клистрон производил большую мощность, а магнетрон не получил широкого распространения, хотя в 1936 году в СССР Алексереевым и Маляровым было построено устройство мощностью 300 Вт (опубликовано в 1940 году). [1]
Резонаторный магнетрон был радикальным усовершенствованием, представленным Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Университете Бирмингема , Англия, в 1940 году. [2] : 24–26 [3] Их первый рабочий образец производил сотни ватт на длине волны 10 см, что было беспрецедентным достижением. [4] [5] В течение нескольких недель инженеры GEC улучшили его до более чем киловатта, а в течение месяцев — до 25 киловатт, более 100 кВт к 1941 году и приблизились к мегаватту к 1943 году. Импульсы высокой мощности генерировались устройством размером с небольшую книгу и передавались с антенны длиной всего лишь сантиметры, что на порядки уменьшило размер практических радиолокационных систем. [6] Появились новые радары для ночных истребителей , противолодочных самолетов и даже самых маленьких эскортных кораблей, [6] и с этого момента союзники во Второй мировой войне удерживали лидерство в области радаров, которое их коллеги в Германии и Японии так и не смогли сократить. К концу войны практически все радары союзников были основаны на магнетроне.
Магнетрон продолжал использоваться в радарах в послевоенный период, но в 1960-х годах он вышел из употребления, поскольку появились мощные клистроны и лампы бегущей волны . Ключевой характеристикой магнетрона является то, что его выходной сигнал изменяется от импульса к импульсу, как по частоте, так и по фазе. Это делает его менее подходящим для сравнения импульсов для выполнения индикации движущихся целей и удаления « помех » с дисплея радара. [7] Магнетрон по-прежнему используется в некоторых радиолокационных системах, но стал гораздо более распространенным в качестве недорогого источника для микроволновых печей. В таком виде сегодня используется более миллиарда магнетронов. [7] [8]
В обычной электронной лампе ( вакуумной лампе ) электроны испускаются из отрицательно заряженного, нагретого компонента, называемого катодом , и притягиваются к положительно заряженному компоненту, называемому анодом . Компоненты обычно располагаются концентрически, помещенные в трубчатый контейнер, из которого откачан весь воздух, так что электроны могут свободно перемещаться (отсюда и название «вакуумные» трубки, называемые «клапанами» в британском английском).
Если третий электрод (называемый управляющей сеткой ) вставлен между катодом и анодом, поток электронов между катодом и анодом можно регулировать, изменяя напряжение на этом третьем электроде. Это позволяет полученной электронной трубке (называемой « триодом », потому что теперь у нее три электрода) функционировать как усилитель, поскольку небольшие изменения в электрическом заряде, приложенном к управляющей сетке, приведут к идентичным изменениям в гораздо большем токе электронов, протекающем между катодом и анодом. [9]
Идея использования сетки для управления была изобретена Филиппом Ленардом , который получил Нобелевскую премию по физике в 1905 году. В США она была позже запатентована Ли де Форестом , что привело к значительному исследованию альтернативных конструкций трубок, которые могли бы обойти его патенты. Одна концепция использовала магнитное поле вместо электрического заряда для управления потоком тока, что привело к разработке магнетронной трубки. В этой конструкции трубка была сделана с двумя электродами, как правило, с катодом в форме металлического стержня в центре и анодом в виде цилиндра вокруг него. Трубка была помещена между полюсами подковообразного магнита [10] [ нужен лучший источник ] расположенного таким образом, чтобы магнитное поле было выровнено параллельно оси электродов.
При отсутствии магнитного поля трубка работает как диод, при этом электроны текут напрямую от катода к аноду. При наличии магнитного поля электроны будут испытывать силу, действующую под прямым углом к направлению их движения ( сила Лоренца ). В этом случае электроны следуют по изогнутой траектории между катодом и анодом. Кривизну траектории можно контролировать, изменяя либо магнитное поле с помощью электромагнита , либо изменяя электрический потенциал между электродами.
При очень высоких настройках магнитного поля электроны принудительно возвращаются на катод, предотвращая протекание тока. В противоположном крайнем случае, при отсутствии поля, электроны могут свободно течь прямо от катода к аноду. Между двумя крайностями есть точка, критическое значение или магнитное поле отсечки Халла (и напряжение отсечки), где электроны как раз достигают анода. В полях около этой точки устройство работает подобно триоду. Однако магнитное управление из-за гистерезиса и других эффектов приводит к более медленному и менее точному отклику на управляющий ток, чем электростатическое управление с использованием управляющей сетки в обычном триоде (не говоря уже о большем весе и сложности), поэтому магнетроны нашли ограниченное применение в обычных электронных конструкциях.
Было замечено, что когда магнетрон работал на критическом значении, он излучал энергию в радиочастотном спектре. Это происходило потому, что некоторые электроны, вместо того чтобы достичь анода, продолжали кружиться в пространстве между катодом и анодом. Из-за эффекта, который теперь известен как циклотронное излучение , эти электроны излучали радиочастотную энергию. Эффект был не очень эффективным. В конце концов электроны поражали один из электродов, поэтому число в циркулирующем состоянии в любой момент времени составляло небольшой процент от общего тока. Было также замечено, что частота излучения зависит от размера трубки, и даже были построены ранние образцы, которые выдавали сигналы в микроволновом режиме.
Ранние обычные трубчатые системы были ограничены высокочастотными диапазонами , и хотя очень высокочастотные системы стали широко доступны в конце 1930-х годов, сверхвысокочастотные и микроволновые диапазоны были далеко за пределами возможностей обычных схем. Магнетрон был одним из немногих устройств, способных генерировать сигналы в микроволновом диапазоне, и он был единственным, способным производить высокую мощность на сантиметровых длинах волн.
Первоначальный магнетрон было очень трудно поддерживать в рабочем состоянии на критическом значении, и даже тогда число электронов в состоянии вращения в любой момент времени было довольно низким. Это означало, что он производил очень маломощные сигналы. Тем не менее, как одно из немногих известных устройств, создающих микроволны, интерес к устройству и потенциальным улучшениям был широко распространен.
Первым крупным усовершенствованием был магнетрон с разделенным анодом , также известный как магнетрон с отрицательным сопротивлением . Как следует из названия, эта конструкция использовала анод, который был разделен на две части — по одному на каждом конце трубки — создавая два полуцилиндра. Когда оба были заряжены до одинакового напряжения, система работала как исходная модель. Но, слегка изменив напряжение двух пластин , траекторию электронов можно было изменить так, чтобы они естественным образом двигались в сторону с более низким напряжением. Пластины были подключены к генератору, который менял относительное напряжение двух пластин на заданной частоте. [10]
В любой момент времени электрон естественным образом будет подталкиваться к стороне трубки с более низким напряжением. Затем электрон будет колебаться вперед и назад по мере изменения напряжения. В то же время применяется сильное магнитное поле, сильнее критического значения в оригинальной конструкции. Обычно это заставляет электрон возвращаться к катоду, но из-за осциллирующего электрического поля электрон вместо этого следует по петлеобразному пути, который продолжается к анодам. [10]
Поскольку все электроны в потоке испытывали это петлевое движение, количество излучаемой РЧ-энергии значительно увеличивалось. И поскольку движение происходило на любом уровне поля за пределами критического значения, больше не было необходимости тщательно настраивать поля и напряжения, и общая стабильность устройства значительно увеличивалась. К сожалению, более сильное поле также означало, что электроны часто возвращались к катоду, отдавая ему свою энергию и заставляя его нагреваться. Поскольку это обычно приводит к высвобождению большего количества электронов, иногда это может приводить к эффекту разгона, повреждающему устройство. [10]
Большим достижением в разработке магнетронов стал резонансный магнетрон или электронно-резонансный магнетрон , работающий на совершенно иных принципах. В этой конструкции колебания создаются физической формой анода, а не внешними цепями или полями.
Механически, полостной магнетрон состоит из большого, сплошного цилиндра из металла с отверстием, просверленным через центр круглой поверхности. Провод, действующий как катод, пропускается по центру этого отверстия, а сам металлический блок образует анод. Вокруг этого отверстия, известного как «пространство взаимодействия», расположено несколько подобных отверстий («резонаторов»), просверленных параллельно пространству взаимодействия, соединенных с пространством взаимодействия коротким каналом. Полученный блок выглядит как цилиндр на револьвере , с несколько большим центральным отверстием. Ранние модели были вырезаны с помощью пистолетных кондукторов Кольта . [11] Помня, что в цепи переменного тока электроны движутся вдоль поверхности , а не сердечника проводника, параллельные стороны щели действуют как конденсатор, в то время как круглые отверстия образуют индуктор : LC-контур, сделанный из сплошной меди, с резонансной частотой, полностью определяемой его размерами.
Магнитное поле установлено на значение значительно ниже критического, поэтому электроны следуют по изогнутым траекториям к аноду. Когда они ударяются об анод, они заставляют его стать отрицательно заряженным в этой области. Поскольку этот процесс является случайным, некоторые области станут более или менее заряженными, чем области вокруг них. Анод изготовлен из высокопроводящего материала, почти всегда меди, поэтому эти различия в напряжении заставляют токи казаться выравнивающими их. Поскольку ток должен течь вокруг внешней части полости, этот процесс занимает время. В течение этого времени дополнительные электроны будут избегать горячих точек и осаждаться дальше вдоль анода, поскольку дополнительный ток, текущий вокруг него, также поступает. Это вызывает формирование осциллирующего тока, поскольку ток пытается выровнять одну точку, затем другую. [12]
Колеблющиеся токи, текущие вокруг полостей, и их влияние на поток электронов внутри трубки вызывают генерацию большого количества микроволновой радиочастотной энергии в полостях. Полости открыты с одного конца, поэтому весь механизм образует один, более крупный микроволновый генератор. «Отвод», обычно провод, сформированный в петлю, извлекает микроволновую энергию из одной из полостей. В некоторых системах провод отвода заменяется открытым отверстием, которое позволяет микроволнам течь в волновод .
Поскольку осцилляция занимает некоторое время для настройки и изначально является случайной, последующие запуски будут иметь другие выходные параметры. Фаза почти никогда не сохраняется, что затрудняет использование магнетрона в системах с фазированной решеткой . Частота также дрейфует от импульса к импульсу, что является более сложной проблемой для более широкого спектра радиолокационных систем. Ни один из них не представляет проблемы для радаров непрерывного излучения или для микроволновых печей.
Все резонаторные магнетроны состоят из нагретого цилиндрического катода с высоким (непрерывным или импульсным) отрицательным потенциалом, создаваемым высоковольтным источником питания постоянного тока. Катод помещается в центр вакуумированной дольчатой круглой металлической камеры. Стенки камеры являются анодом трубки. Магнитное поле , параллельное оси полости, накладывается постоянным магнитом . Электроны изначально движутся радиально наружу от катода, притягиваемые электрическим полем стенок анода. Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спирали наружу по круговой траектории, что является следствием силы Лоренца . По краю камеры расположены цилиндрические полости. По длине полостей прорезаны щели, которые открываются в центральное общее пространство полости. Когда электроны проносятся мимо этих щелей, они индуцируют высокочастотное радиополе в каждой резонансной полости, что, в свою очередь, заставляет электроны группироваться в группы. Часть радиочастотной энергии извлекается короткой петлей связи, которая соединена с волноводом (металлической трубкой, обычно прямоугольного сечения). Волновод направляет извлеченную радиочастотную энергию на нагрузку, которой может быть варочная камера в микроволновой печи или антенна с высоким коэффициентом усиления в случае радара.
Размер полостей определяет резонансную частоту и, следовательно, частоту излучаемых микроволн. Однако частота не поддается точному контролю. Рабочая частота изменяется в зависимости от изменений сопротивления нагрузки , тока питания и температуры трубки. [13] Это не является проблемой при использовании в таких целях, как нагрев, или в некоторых видах радаров , где приемник может быть синхронизирован с неточной частотой магнетрона. Там, где требуются точные частоты, используются другие устройства, такие как клистрон .
Магнетрон — это самоколебательное устройство, не требующее никаких внешних элементов, кроме источника питания. Четко определенное пороговое анодное напряжение должно быть приложено до того, как начнется осцилляция; это напряжение является функцией размеров резонансной полости и приложенного магнитного поля. В импульсных приложениях существует задержка в несколько циклов, прежде чем генератор достигнет полной пиковой мощности, и нарастание анодного напряжения должно быть скоординировано с нарастанием выходного сигнала генератора. [13]
При наличии четного числа полостей два концентрических кольца могут соединять чередующиеся стенки полостей, чтобы предотвратить неэффективные моды колебаний. Это называется pi-обвязка, поскольку две обвязки фиксируют разность фаз между соседними полостями на π радиан (180°).
Современный магнетрон — довольно эффективное устройство. Например, в микроволновой печи входная мощность в 1,1 киловатта обычно создает около 700 ватт микроволновой мощности, эффективность около 65%. (Высокое напряжение и свойства катода определяют мощность магнетрона.) Большие магнетроны S-диапазона могут выдавать пиковую мощность до 2,5 мегаватт при средней мощности 3,75 кВт. [13] Некоторые большие магнетроны охлаждаются водой. Магнетрон по-прежнему широко используется в ролях, требующих высокой мощности, но где точный контроль частоты и фазы не важен.
В радиолокационной установке волновод магнетрона подключен к антенне . Магнетрон работает с очень короткими импульсами приложенного напряжения, в результате чего излучается короткий импульс мощной микроволновой энергии. Как и во всех первичных радиолокационных системах, излучение, отраженное от цели, анализируется для создания радиолокационной карты на экране.
Несколько характеристик выходного сигнала магнетрона делают использование устройства радаром несколько проблематичным. Первым из этих факторов является присущая магнетрону нестабильность частоты передатчика. Эта нестабильность приводит не только к сдвигам частоты от одного импульса к другому, но и к сдвигу частоты в пределах отдельного переданного импульса. Вторым фактором является то, что энергия переданного импульса распространяется по относительно широкому спектру частот, что требует от приемника соответствующей широкой полосы пропускания. Эта широкая полоса пропускания позволяет приемнику принимать окружающий электрический шум, таким образом несколько затемняя слабые эхо-сигналы радара, тем самым снижая общее отношение сигнал/шум приемника и, следовательно, производительность. Третьим фактором, в зависимости от применения, является опасность излучения, вызванная использованием мощного электромагнитного излучения. В некоторых применениях, например, морской радар, установленный на прогулочном судне, радар с выходной мощностью магнетрона от 2 до 4 киловатт часто устанавливается очень близко к области, занимаемой экипажем или пассажирами. На практике эти факторы были преодолены или просто приняты, и сегодня в эксплуатации находятся тысячи магнетронных авиационных и морских радарных установок. Недавние достижения в области авиационных метеорологических радаров и морских радаров успешно заменили магнетрон на микроволновые полупроводниковые генераторы , которые имеют более узкий диапазон выходной частоты. Они позволяют использовать более узкую полосу пропускания приемника, а более высокое отношение сигнал/шум, в свою очередь, позволяет использовать более низкую мощность передатчика, снижая воздействие ЭМИ.
В микроволновых печах волновод ведет к радиочастотно-прозрачному порту в варочной камере. Поскольку фиксированные размеры камеры и ее физическая близость к магнетрону обычно создают стоячие волновые узоры в камере, узор рандомизируется моторизованным веерообразным перемешивателем в волноводе (чаще в коммерческих печах) или поворотным столом, который вращает пищу (чаще всего в потребительских печах). Ранним примером такого применения было использование британскими учеными в 1954 году микроволновой печи для воскрешения криогенно замороженных хомяков . [14]
В системах освещения с микроволновым возбуждением, таких как серная лампа , магнетрон обеспечивает микроволновое поле, которое передается через волновод в осветительную полость, содержащую светоизлучающее вещество (например, серу , галогениды металлов и т. д.). Несмотря на эффективность, эти лампы намного сложнее других методов освещения и поэтому нечасто используются. Более современные варианты используют HEMT или силовые полупроводниковые приборы GaN-on-SiC для генерации микроволн, которые существенно менее сложны и могут быть настроены для максимизации светового выхода с помощью ПИД-регулятора .
В 1910 году Ганс Гердиен (1877–1951) из Siemens Corporation изобрел магнетрон. [15] [16] В 1912 году швейцарский физик Генрих Грайнахер искал новые способы расчета массы электрона . Он остановился на системе, состоящей из диода с цилиндрическим анодом, окружающим стержневой катод, помещенный в середину магнита. Попытка измерить массу электрона не удалась, поскольку ему не удалось достичь хорошего вакуума в трубке. Однако в рамках этой работы Грайнахер разработал математические модели движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях. [17] [18]
В США Альберт Халл использовал эту работу, пытаясь обойти патенты Western Electric на триод. Western Electric получила контроль над этой конструкцией, купив патенты Ли Де Фореста на управление потоком тока с помощью электрических полей через «сетку». Халл намеревался использовать переменное магнитное поле вместо электростатического для управления потоком электронов от катода к аноду. Работая в научно-исследовательских лабораториях General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк , Халл построил трубки, которые обеспечивали переключение посредством управления соотношением напряженностей магнитного и электрического полей. Он опубликовал несколько статей и патентов по этой концепции в 1921 году. [19]
Магнетрон Халла изначально не предназначался для генерации электромагнитных волн ОВЧ (сверхвысокой частоты). Однако в 1924 году чешский физик Август Жачек [20] (1886–1961) и немецкий физик Эрих Хабанн [21] (1892–1968) независимо друг от друга открыли, что магнетрон может генерировать волны от 100 мегагерц до 1 гигагерца. Жачек, профессор Карлова университета в Праге , опубликовал свою работу первым; однако она была опубликована в журнале с небольшим тиражом и, таким образом, привлекла мало внимания. [22] Хабанн, студент Йенского университета , исследовал магнетрон для своей докторской диссертации 1924 года. [23] На протяжении 1920-х годов Халл и другие исследователи по всему миру работали над разработкой магнетрона. [24] [25] [26] Большинство этих ранних магнетронов представляли собой стеклянные вакуумные трубки с несколькими анодами. Однако двухполюсный магнетрон, также известный как магнетрон с разделенным анодом, имел относительно низкую эффективность.
В то время как радары разрабатывались во время Второй мировой войны , возникла острая необходимость в мощном микроволновом генераторе, который работал бы на более коротких длинах волн , около 10 см (3 ГГц), а не от 50 до 150 см (200 МГц), которые были доступны в генераторах на основе ламп того времени. Было известно, что многорезонаторный резонансный магнетрон был разработан и запатентован в 1935 году Гансом Холлманном в Берлине . [27] Однако немецкие военные посчитали дрейф частоты устройства Холлмана нежелательным и вместо этого основали свои радиолокационные системы на клистроне . Но клистроны в то время не могли достичь высокой выходной мощности, которой в конечном итоге достигли магнетроны. Это было одной из причин того, что немецкие радары ночных истребителей , которые никогда не выходили за пределы нижнего диапазона УВЧ для самолетов фронтовой авиации, не могли сравниться со своими британскими аналогами. [24] : 229 Аналогичным образом, в Великобритании Альберт Бомонт Вуд предложил в 1937 году систему с «шестью или восемью маленькими отверстиями», просверленными в металлическом блоке, отличающуюся от более поздних производственных конструкций только аспектами вакуумной герметизации. Однако его идея была отвергнута ВМС, которые заявили, что их отдел клапанов был слишком занят, чтобы рассмотреть ее. [28]
.jpg/1280px-Original_cavity_magnetron,_1940_(9663811280).jpg)
В 1940 году в Университете Бирмингема в Великобритании Джон Рэндалл и Гарри Бут создали рабочий прототип резонаторного магнетрона, который производил около 400 Вт. [5] В течение недели эта мощность была увеличена до 1 кВт, а в течение следующих нескольких месяцев, с добавлением водяного охлаждения и многими изменениями деталей, она была увеличена до 10, а затем до 25 кВт. [5] Чтобы справиться с его дрейфующей частотой, они дискретизировали выходной сигнал и синхронизировали свой приемник с любой частотой, которая фактически генерировалась. В 1941 году проблема нестабильности частоты была решена Джеймсом Сэйерсом , который связал («обвязал») альтернативные резонаторы внутри магнетрона, что уменьшило нестабильность в 5–6 раз. [29] (Обзор ранних конструкций магнетрона, включая конструкцию Бута и Рэндалла, см. в [30] .)
GEC в Уэмбли изготовила 12 прототипов резонаторных магнетронов в августе 1940 года, и № 12 был отправлен в Америку с Боуэном в миссии Тизарда , где он был показан 19 сентября 1940 года в квартире Альфреда Лумиса. Американский комитет по микроволновым излучению NDRC был ошеломлен уровнем произведенной мощности. Однако директор Bell Labs был расстроен, когда его просвечивали рентгеном и обнаружили восемь отверстий вместо шести, показанных на планах GEC. После контакта (по трансатлантическому кабелю) с доктором Эриком Мегау, экспертом GEC по электронным лампам Мегау, вспомнил, что когда он запросил 12 прототипов, он сказал сделать 10 с 6 отверстиями, один с 7 и один с 8; времени на исправление чертежей не было. И № 12 с 8 отверстиями был выбран для миссии Тизарда. Поэтому Bell Labs решила скопировать образец; и в то время как ранние британские магнетроны имели шесть полостей, американские имели восемь полостей. [31]
По словам Энди Мэннинга из Музея радаров ПВО Королевских ВВС , открытие Рэндалла и Бута было «огромным, огромным прорывом» и «многие, даже сейчас [2007], считают его самым важным изобретением, появившимся во время Второй мировой войны», в то время как профессор военной истории в Университете Виктории в Британской Колумбии Дэвид Циммерман утверждает:
Магнетрон остается основной радиолампой для коротковолновых радиосигналов всех типов. Он не только изменил ход войны, позволив нам разработать бортовые радиолокационные системы, он остается ключевой частью технологии, которая лежит в основе вашей микроволновой печи сегодня. Изобретение резонаторного магнетрона изменило мир. [5]
Поскольку Франция только что пала под нацистами , а у Британии не было денег на разработку магнетрона в больших масштабах, Уинстон Черчилль согласился, что сэр Генри Тизард должен предложить магнетрон американцам в обмен на их финансовую и промышленную помощь. [5] Ранняя версия мощностью 10 кВт , построенная в Англии исследовательскими лабораториями компании General Electric в Уэмбли , Лондон , была взята в миссию Тизарда в сентябре 1940 года. Когда обсуждение перешло к радару, представители ВМС США начали подробно описывать проблемы с их коротковолновыми системами, жалуясь, что их клистроны могут выдавать только 10 Вт. С размахом «Тэффи» Боуэн вытащил магнетрон и объяснил, что он выдает в 1000 раз больше. [5] [32]
Bell Telephone Laboratories взяли пример и быстро начали делать копии, и до конца 1940 года в кампусе Массачусетского технологического института была создана Радиационная лаборатория для разработки различных типов радаров с использованием магнетрона. К началу 1941 года портативные сантиметровые бортовые радары испытывались на американских и британских самолетах. [5] В конце 1941 года Исследовательский институт телекоммуникаций в Соединенном Королевстве использовал магнетрон для разработки революционного бортового радара для картографирования земли под кодовым названием H2S. Радар H2S был частично разработан Аланом Блюмлейном и Бернардом Ловеллом .
Резонаторный магнетрон широко использовался во время Второй мировой войны в микроволновом радиолокационном оборудовании и часто считается, что он дал радарам союзников значительное преимущество в производительности по сравнению с немецкими и японскими радарами, тем самым напрямую повлияв на исход войны. Позднее американский историк Джеймс Финни Бакстер III описал его как «самый ценный груз, когда-либо доставленный к нашим берегам». [33]
Сантиметровый радар, ставший возможным благодаря резонаторному магнетрону, позволил обнаруживать гораздо меньшие объекты и использовать гораздо меньшие антенны. Сочетание малоразмерных резонаторных магнетронов, малых антенн и высокого разрешения позволило устанавливать на самолетах небольшие высококачественные радары. Их могли использовать морские патрульные самолеты для обнаружения объектов размером с перископ подводной лодки, что позволяло самолетам атаковать и уничтожать подводные лодки, которые ранее были необнаружимы с воздуха. Сантиметровые контурные радары, такие как H2S, повысили точность бомбардировщиков союзников, используемых в стратегической бомбардировочной кампании , несмотря на существование немецкого устройства FuG 350 Naxos для его специфического обнаружения. Сантиметровые радары наведения орудий также были намного точнее, чем старая технология. Они сделали крупнокалиберные линкоры союзников более смертоносными и, наряду с недавно разработанным неконтактным взрывателем , сделали зенитные орудия гораздо более опасными для атакующих самолетов. Эти два орудия, соединенные вместе и используемые зенитными батареями, размещенными на пути немецких самолетов -снарядов V-1, направлявшихся в Лондон , как считается, уничтожили множество самолетов-снарядов до того, как они достигли цели.
С тех пор было произведено много миллионов магнетронов с полостью; хотя некоторые из них предназначались для радаров, подавляющее большинство — для микроволновых печей . Использование в самих радарах в некоторой степени сократилось, поскольку в целом требовались более точные сигналы, и разработчики перешли на клистронные системы и системы с бегущей волной для этих нужд.
По крайней мере , одна опасность в частности хорошо известна и задокументирована. Поскольку хрусталик глаза не имеет охлаждающего кровотока, он особенно подвержен перегреву при воздействии микроволнового излучения. Этот нагрев может в свою очередь привести к более высокой частоте катаракты в пожилом возрасте. [34]
Магнетроны также представляют значительную электрическую опасность, поскольку им требуется источник питания высокого напряжения.
Большинство магнетронов содержат небольшое количество оксида бериллия [ требуется ссылка ] и тория, смешанного с вольфрамом, в их нити накала . Исключением являются магнетроны большей мощности, которые работают выше примерно 10 000 вольт, где положительная ионная бомбардировка становится разрушительной для металлического тория, поэтому используется чистый вольфрам (легированный калием). Хотя торий является радиоактивным металлом, риск возникновения рака низок, поскольку он никогда не попадает в воздух при обычном использовании. Только если нить накала вынуть из магнетрона, мелко измельчить и вдохнуть, она может представлять опасность для здоровья. [35] [36] [37]
ошеломил американцев. Их исследования отставали от темпа на годы.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )