Magnetroni

Magnetroni on ristikenttäputkiin kuuluva elektroniputki, jota käytetään oskillaattorina suuritaajuisten radioaaltojen, yleensä mikroaaltojen tuottamiseen. Nimensä se saa siitä, että se hyödyntää voimakasta magneettia, joko kestomagneettia tai sähkömagneettia. Tehokkaana mikroaaltojen lähteenä sitä käytetään monenlaisissa mikroaaltosovelluksissa, tunnetuimpina tutkat ja mikroaaltouunit. Käytössä on jatkuvatoimisia ja pulssitoimisia magnetroneja. Tyypillinen rakenne on ontelomagnetroni, joka on säädetty rakenteellisesti tuottamaan tietyn taajuista mikroaaltoenergiaa. Tuotettu taajuus voi vaihdella muutamasta sadasta megahertsistä muutamaan kymmeneen gigahertsiin.
Toiminta.
Magnetroni on tyypillisesti poikkileikkaukseltaan lieriönmuotoinen tyhjiöputki. Sen ulkokuori on anodi ja keskellä on katodi. Nämä ovat tavallisesti kuparisia. Hehkutettu katodi on sähkövaraukseltaan negatiivinen anodiin nähden, mistä huolehtii korkeajännitelähde. Katodilta hehkutuksen ansiosta irronneet elektronit kulkevat sähkökentän vaikutuksesta anodille. Ne menisivät suorinta reittiä, mutta magnetronissa on myös magneetti, joka luo siihen akselin suuntaisen, ja siis sähkökenttään nähden kohtisuoran, ristikkäisen magneettikentän. Siitä tulee nimi ristikenttäputki. Muita ristikenttäputkia ovat mm. amplitron (vahvistin), platinotron (amplitronin toinen nimi) ja stabilitron (amplitron oskillaattorina). Kohtisuoraan sähkövirran suuntaan vaikuttava magneettivuo muuttaa elektronien radat kaartuviksi sähkömagnetismin lakien mukaisesti, ja ne alkavat kiertää katodia spiraalimaisesti. Elektronien rata riippuu magneettikentän ja sähkökentän voimakkuuksista. Sopivalla yhdistelmällä elektronit kiertävät useita kierroksia.
Tällä tavoin spiraalimaiseen kiertoon saadut elektronit voidaan saada luovuttamaan energiaa erilaisin menetelmin. Alkuaikojen magnetroneissa oli esimerkiksi anodin ja katodin väliin kytketty värähtelypiiri, johon osuvat elektronit synnyttivät suuritaajuisen värähtelyn, ja muitakin ratkaisuja kokeiltiin. Näiden tilalle tuli myös nykyään käytettävä onteloresonaattorimagnetroni eli ontelomagnetroni (), jossa anodin kupariin on tehty tasaisin välein onteloita, joissa jokaisessa on kapea rako tyhjiötilaan. Elektronin ohittaessa ontelon raon, ohitus saa ontelon ja sen raon muodostaman resonanssipiirin värähtelemään niiden mittojen määräämällä taajuudella. Resonanssi muistuttaa rinnankytketyn resonanssipiirin sähköistä toimintaa. Magnetronin tuottama energia kerätään ontelosta koaksiaalikaapeliin induktiivisen johdinsilmukan avulla tai aaltoputkeen kapasitiivisen ikkunan avulla. Siirtojohto vie tämän radiotaajuisen energian kohteeseensa.
Historia.
Ensimmäisen magnetronin kehitti Albert Hull 1921. Hänen laitteensa olivat yksinkertaisia kaksinapaisia magnetroneja, ja myöhemmin kehitetty onteloresonaattorimagnetroni osoittautui paljon hyödyllisemmäksi. Samana vuonna myös Erich Habann kehitti Jenassa oman magnetroninsa, joka hyödynsi pysyvänsuuruista magneettikenttää. Toisen maailmansodan alettua ja tutkan tultua tärkeäksi oli suurvaltojen armeijoilla valtava tarve suuritehoiselle mikroaaltokehittimelle, joka toimisi lyhyemmillä aallonpituuksilla, eli siis korkeammilla taajuuksilla, kuin silloiset putkikehittimet. Saksassa Hans Hollmann oli kehittänyt onteloresonaattorimagnetronin jo 1935 ja saanut sille patentin, mutta armeija ei ollut siihen tyytyväinen. Saksalaisilla olikin toisen maailmansodan tutkissaan käytössä klystroni, joka oli tehottomampi.
Liittoutuneet voittivat tutkakilvan, sillä 1940 Birminghamin yliopistossa Englannissa tekivät John Randall ja Harry Boot oman parannellun versionsa Hollmannin ontelomagnetronista. Pian he saivat kasvatettua sen antotehon satakertaiseksi. Britit jakoivat magnetroniosaamisensa amerikkalaisten kanssa, ja keksintö hyödytti liittoutuneita suuresti sodassa Saksaa ja Japania vastaan.
Koska tutkan tarkkuus riippuu toisaalta antennin koosta ja toisaalta taajuuden suuruudesta, joutuivat magnetronittomat tutkankäyttäjät, joiden tutkien aallonpituus oli luokkaa 1,5 m (taajuus 200 MHz), turvautumaan suuriin antenneihin ja silti kärsimään epätarkkuuksista. Magnetronilla kyettiin laskemaan aallonpituus tasolle 10 cm (3000 MHz eli 3 GHz) mikä mahdollisti senttimetriluokan tutkan ja suuren tarkkuuden pienelläkin antennilla. Tällaisia tutkia voitiin nyt asentaa vaikkapa lentokoneisiin. Usein mainitaan nimenomaan tämä kehittyneempi tutkateknologia yhdeksi avaintekijäksi liittoutuneiden voittoon sodassa.
Toisen maailmansodan päätyttyä nykyaikainen ontelomagnetroni oli yleisessä käytössä tutkatekniikassa, ja sille löytyi myös muita käyttökohteita. Magnetronin yhtenä etuna on sen korkea hyötysuhde, yleensä noin 70 % ja joskus niinkin suuri kuin 80 %. Kun magnetronin käyttöä tutkissa kehitettiin edelleen, keksittiin puolivahingossa sen hyödyntäminen ruoka-aineiden lämmitykseen pian sodan jälkeen. Ensimmäiset kuluttajille tarkoitetut kalliit ja kömpelöt mikroaaltouunit tulivat myyntiin Yhdysvalloissa 1954, mutta yleiseen käyttöön ne tulivat vasta 1970- ja 1980-luvulla. Magnetronin käyttö erityisesti mikroaaltouuneissa ja tutkissa on yleistä, mutta tutkissa myös klystronia ja kulkuaaltoputkea (TWT) on käytetty varsinkin sotilaslaitteissa.
Käyttökohteita.
Tutka.
Tutkassa magnetronista lähtevä aaltoputki on yhteydessä antenniin. Magnetroni antaa lyhyissä pulsseissa hyvin voimakkaita pulssitehoja, tavallisesti 3–300 kW, mutta jopa 5 MW on hyvin mahdollinen, ja lähettää ne suunta-antennin avulla ympäristöön. Osa tästä energiasta osuu ympäristön esineisiin ja heijastuu takaisin. Tämä kaiku ohjataan vastaanottimeen. Signaalinkäsittelyn jälkeen vastaanotettu signaali esitetään tutkakuvana.
Kuumennus.
Mikroaaltouuneissa mikroaallot johdetaan tyhjiön ja kuumuuden kestävän ikkunan uunin kammioon, jonne syntyy ulkopuolelta metallikuorella eristetty voimakas mikroaaltokenttä. Normaalisti mikrojen magnetronit synnyttävät 2 450 MHz eli 2,45 GHz taajuisia mikroaaltoja, jotka saavat erityisesti vesimolekyylit värähtelemään voimakkaasti. Näin syntyvä lämpöliike kuumentaa uunissa olevan vettä sisältävän aineen nopeasti. Mikroaaltouunit ovatkin nopein keino ruoan kuumennukseen. Koska 2,45 GHz taajuisen mikroaaltosäteilyn aallonpituus on noin 12,2 cm, tulee uunin ovessa yleensä olevassa lasi-ikkunassa olla tarpeeksi tiheä metalliverkko estämässä säteilyn vuotamisen ulos. Mikäli mikroaaltouunissa ei ole ruokaa tai vettä sitä käytettäessä, vaan se käy tyhjänä, eivät mikroaallot pääse imeytymään mihinkään ja syntyy ylikuormitustilanne. Tämä saattaa aiheuttaa magnetronissa kipinöintiä ja voi jopa rikkoa sen.