Магнетрон (от греч. magnetis - магнит и (элек)трон) - в первоначальном и широком смысле слова - коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин "магнетрон" был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. В 30-е гг. исследования магнетрона как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-37 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича. Они увеличили мощность магнетрона на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. Магнетрон такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция магнетрон оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные магнетроны.

Коаксиальный магнетрон - многорезонаторный магнетрон, в котором вокруг анодного блока расположен коаксиальный резонатор, соединённый щелями с резонаторами анодного блока. Щели, соединяющие коаксиальный резонатор с анодным блоком, прорезаются параллельно оси магнетрона в задних стенках не всех резонаторов, а через один. Коаксиальный магнетрон был предложен французским инженером И. Азема в 1950 и более совершенной конструкции – американскими учёными Р. Колье и И. Фейнштейном в 1955.

Коаксиальный резонатор в коаксиальном магнетроне: а) повышает стабильность его работы (у коаксиального магнетрона уход частоты, вызванный отражением волн от нагрузки, ширина спектра частот и интенсивность боковых лепестков спектра примерно в 5 раз меньше, а уход частоты от изменения силы тока и пропуск импульсов примерно в 10 раз меньше, чем у обычного магнетрона); б) разделяет частоты равнорезонаторного анодного блока настолько, что отпадает необходимость применения связок; в) позволяет увеличить рабочую поверхность катода и анодного блока и за счёт этого снизить плотность электронного потока, увеличить долговечность коаксиального магнетрона в 3 – 4 раза по сравнению с обычным магнетроном; г) обеспечивает механическую перестройку частоты на 6 – 13% перемещением поршня в коаксиальном резонаторе без существенного изменения выходной мощности.

 

 

В 40-70-е гг. в многорезонаторный магнетрон инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и др.) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных магнетронов, в основном для радиолокации. С конца 60-х гг. резко увеличился выпуск магнетронов непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт). В 1950- 1970-е гг. на основе многорезонаторного магнетрона был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ.

Распространение магнетронов вызвано высоким кпд (до 80% ), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х гг. промышленно развитыми странами выпускаются магнетроны для работы на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов от долей до десятков мкс. Магнетроны выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) - ротационные и вибрационные механизмы.

Коаксиальные магнетроны применяются в наземных и бортовых радиолокационных станциях различного назначения. Коаксиальные магнетроны выпускаются для работы только в импульсном режиме как с механизмами медленной и быстрой перестройки частоты, так и на фиксированных частотах от 2 до 70 ГГц с выходными мощностями от 1 кВт до 2 МВт (в импульсе).

Для нанесения покрытий на поверхность обрабатывающего инструмента, деталей и узлов используются потоки ионов и плазмы, генерируемые в условиях вакуума или при атмосферном давлении. Наиболее интенсивному воздействию подвергаются поверхностные слои деталей, контактирующие между собой (пары трения, подшипники). Широкими возможностями для нанесения покрытий обладают вакуумные установки, содержащие дуговые испарители и распылительные магнетронные источники [1]. Скорость нанесения защитных покрытий дуговым методом выше, чем магнетронным. Однако микрокапельный режим дугового испарения металла на катоде приводит к образованию микрокапель размером в единицы – десятки микрометров на поверхности обрабатываемых изделий. При этом шероховатость поверхности возрастает. Магнетронный метод нанесения покрытий применяется для получения пленок толщиной до 10 мкм. Дуговые и магнетронные источники имеют различные конструкции магнитных систем для управления дуговым и магнетронным разрядами [2]. Общим является форма катода. Обычно используются цилиндрические и плоские катоды прямоугольной формы. Для магнетронных и дуговых установок промышленного применения используются также длинные вращающиеся цилиндрические катоды для увеличения степени использования материала катода. В источниках с цилиндрическими катодами она составляет 70-80%, в магнетронных источниках с цилиндрическими и прямоугольными катодами используется только 25-30% материала катода.

Традиционная конструкция вакуумной установки для нанесения покрытий включает в себя один или несколько плазменных источников дугового и магнетронного типов, расположенных на боковой поверхности цилиндрической вакуумной камеры. Внутри вакуумной камеры находится карусельно-планетарный механизм вращения обрабатываемых образцов для получения однородного покрытия. Вакуумная камера может оснащаться ионным источником и нагревательным элементом для предварительной очистки и подготовки обрабатываемой поверхности.