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magnetrón de cavidad

Magnetrón con una sección retirada para mostrar las cavidades. El cátodo central no es visible. La antena emisora ​​de microondas se encuentra a la izquierda. Los imanes que gen...

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Magnetrón con una sección retirada para mostrar las cavidades. El cátodo central no es visible. La antena emisora ​​de microondas se encuentra a la izquierda. Los imanes que generan un campo paralelo al eje longitudinal del dispositivo no se muestran.
Un magnetrón similar con una sección diferente eliminada. Se observa el cátodo central; la antena conductora de microondas se encuentra en la parte superior; los imanes no se muestran.
Tubo magnetrón obsoleto de 9 GHz e imanes de un radar de avión soviético. El tubo está rodeado por los polos de dos imanes de alnico en forma de herradura (arriba y abajo) , que crean un campo magnético a lo largo del eje del tubo. Las microondas se emiten desde la abertura de la guía de ondas (arriba) , que en uso está conectada 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 [ 1 ] es un tubo de vacío de alta potencia utilizado en los primeros sistemas de radar y, posteriormente, en hornos de microondas y aceleradores lineales de partículas . Un magnetrón de cavidad genera microondas mediante la interacción de un flujo de electrones con un campo magnético , mientras se mueven a través de una serie de resonadores de cavidad , que son pequeñas cavidades abiertas en un bloque de metal. Los electrones pasan por las cavidades y hacen que las microondas oscilen en su interior, de forma similar al funcionamiento de un silbato que produce un tono al ser excitado por una corriente de aire que pasa por su abertura. La frecuencia de resonancia del sistema está determinada por las dimensiones físicas de las cavidades. A diferencia de otros tubos de vacío, como un klistrón o un tubo de onda progresiva (TWT), el magnetrón no puede funcionar como un amplificador para aumentar la intensidad de una señal de microondas aplicada; el magnetrón sirve únicamente como un oscilador electrónico que genera una señal de microondas a partir de la corriente continua eléctrica 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 , EE. UU., comenzó el desarrollo de magnetrones para evitar las patentes de de Forest, [ 2 ] pero estos nunca tuvieron un éxito completo. Otros experimentadores retomaron el trabajo de Hull y un avance clave, el uso de dos cátodos, fue introducido por Habann en Alemania en 1924. La investigación posterior 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 mundial. El desarrollo de magnetrones con cátodos múltiples fue propuesto por AL Samuel de Bell Telephone Laboratories en 1934, lo que llevó a los diseños de Klaas Posthumus en 1934 y Hans Hollmann en 1935. La producción fue asumida por Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken y otros, limitada a  una salida de quizás 10 W. Para entonces, el klistrón producía más energía y el magnetrón no se utilizaba ampliamente, aunque  NF Alekseev y DD Malairov construyeron un dispositivo de 300 W en la URSS en 1936 (publicado en 1940). [ 2 ]

Un magnetrón de cavidad que fue introducido por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham , Inglaterra en 1940 fue una mejora con respecto a versiones anteriores. [ 3 ] : 24–26 [ 4 ] Su primer ejemplo funcional produjo cientos de vatios a  una longitud de onda de 10 cm, un logro sin precedentes. [ 5 ] [ 6 ] En cuestión de semanas, los ingenieros de GEC habían mejorado esto a más de un kilovatio (kW), y en cuestión de meses a 25  kW, más de 100  kW para 1941 y acercándose a un megavatio para 1943. Los pulsos de alta potencia se generaban a partir de un dispositivo del tamaño de un libro pequeño y se transmitían desde una antena de solo centímetros de largo, reduciendo el tamaño de los sistemas de radar prácticos en órdenes de magnitud, y podían instalarse en aviones de combate. [ 7 ] Aparecieron nuevos radares para cazas nocturnos , aviones antisubmarinos e incluso los buques de escolta más pequeños, [ 7 ] y a partir de ese momento los Aliados de la Segunda Guerra Mundial mantuvieron una ventaja en radares que sus homólogos en Alemania y Japón nunca pudieron alcanzar. Al final de la guerra, prácticamente todos los radares aliados se basaban en el magnetrón.

El magnetrón continuó utilizándose en radares durante la posguerra, pero cayó en desuso en la década de 1960 con la aparición de klistrones de alta potencia y tubos de onda progresiva . Una característica clave del magnetrón es que su señal de salida varía de pulso a pulso, tanto en frecuencia como en fase. Esto lo hace menos adecuado para comparaciones pulso a pulso para la indicación de objetivos en movimiento y la eliminación de interferencias en la pantalla del radar. [ 8 ] El magnetrón aún se utiliza en algunos sistemas de radar, pero se ha vuelto mucho más común como fuente de bajo costo para hornos de microondas. En esta forma, se utilizan más de mil millones de magnetrones. [ 8 ] [ 9 ]

Construcción y operación

Diseño de tubo convencional

En un tubo electrónico 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 suelen estar dispuestos concéntricamente dentro de un recipiente tubular del que se ha extraído todo el aire, para que los electrones puedan moverse libremente (de ahí el nombre de "tubos de vacío", también llamados "válvulas" en inglés británico).

Si se inserta un tercer electrodo (denominado rejilla de control ) entre el cátodo y el ánodo, el flujo de electrones entre ambos puede regularse variando el voltaje aplicado a este tercer electrodo. Esto permite que el tubo electrónico resultante (denominado " triodo " por tener ahora tres electrodos) funcione como amplificador, ya que pequeñas variaciones en la carga eléctrica aplicada a la rejilla de control producirán variaciones idénticas en la corriente de electrones, mucho mayor, que fluye entre el cátodo y el ánodo. [ 10 ]

Magnetrón de casco o de ánodo único

La idea de utilizar una rejilla para el control fue inventada por Philipp Lenard , quien recibió el Premio Nobel de Física en 1905. En Estados Unidos , Lee de Forest la patentó posteriormente , lo que dio lugar a una considerable investigación sobre diseños de tubos alternativos que evitarían sus patentes. Un concepto utilizaba un campo magnético en lugar de una carga eléctrica para controlar el flujo de corriente, lo que condujo al desarrollo del tubo magnetrón. En este diseño, el tubo se construía con dos electrodos, típicamente con el cátodo en forma de varilla metálica en el centro y el ánodo como un cilindro a su alrededor. El tubo se colocaba entre los polos de un imán de herradura [ 11 ] dispuesto de tal manera que el campo magnético estuviera alineado paralelamente al eje de los electrodos.

En ausencia de un campo magnético, el tubo funciona como un diodo, con los electrones fluyendo directamente del cátodo al ánodo. En presencia de un campo magnético, los electrones experimentan una fuerza perpendicular a su dirección de movimiento (la fuerza de Lorentz ). En este caso, los electrones siguen una trayectoria curva entre el cátodo y el ánodo. La curvatura de esta trayectoria se puede controlar variando el campo magnético mediante un electroimán o modificando el potencial eléctrico entre los electrodos.

Con campos magnéticos muy intensos, los electrones son forzados a regresar al cátodo, impidiendo el flujo de corriente. En el extremo opuesto, sin campo magnético, los electrones fluyen libremente del cátodo al ánodo. Existe un punto intermedio, el valor crítico o campo magnético de corte de Hull (y voltaje de corte), donde los electrones alcanzan justo el ánodo. Con campos cercanos a este punto, el dispositivo funciona de forma similar a un triodo. Sin embargo, el control magnético, debido a la histéresis y otros efectos, produce una respuesta a la corriente de control más lenta y menos precisa que el control electrostático mediante una rejilla de control en un triodo convencional (sin mencionar su mayor peso y complejidad), por lo que los magnetrones tuvieron un uso limitado en los diseños electrónicos convencionales.

Se observó que, cuando el magnetrón operaba a su valor crítico, emitía energía en el espectro de radiofrecuencia . Esto ocurre porque algunos electrones, en lugar de alcanzar el ánodo, continúan circulando en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Debido a un efecto conocido como radiación ciclotrónica , estos electrones irradian energía de radiofrecuencia. El efecto no es muy eficiente. Finalmente, los electrones impactan en uno de los electrodos, por lo que la cantidad de electrones en circulación en un momento dado representa un pequeño porcentaje de la corriente total. También se observó que la frecuencia de la radiación depende del tamaño del tubo, e incluso los primeros ejemplares fabricados producían señales en el rango de las microondas.

Los primeros sistemas de tubos convencionales se limitaban a las bandas de alta frecuencia , y aunque los sistemas de muy alta frecuencia se generalizaron a finales de la década de 1930, las bandas de ultra alta frecuencia y microondas superaban con creces las capacidades de los circuitos convencionales. El magnetrón fue uno de los pocos dispositivos capaces de generar señales en la banda de microondas y el único que podía producir alta potencia en longitudes de onda centimétricas.

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 en funcionamiento a su valor crítico, e incluso así, el número de electrones en estado de rotación constante era bastante bajo. Esto significaba que producía señales de muy baja potencia. Sin embargo, al ser uno de los pocos dispositivos conocidos capaces de generar microondas, el interés por el dispositivo y sus posibles mejoras era generalizado.

La primera mejora importante fue el magnetrón de ánodo dividido , también conocido como magnetrón de resistencia negativa . Como su nombre indica, este diseño utilizaba un ánodo dividido en dos —uno en cada extremo del tubo— creando dos semicilindros. Cuando ambos se cargaban al mismo voltaje, el sistema funcionaba como el modelo original. Sin embargo, al modificar ligeramente el voltaje de las dos placas , se podía alterar la trayectoria de los electrones para que se desplazaran naturalmente hacia el lado de mayor voltaje. Las placas estaban conectadas a un oscilador que invertía el voltaje relativo de las dos placas a una frecuencia determinada. [ 11 ]

En cualquier instante dado, el electrón será empujado naturalmente hacia el lado de mayor voltaje del tubo. El electrón oscilará entonces de un lado a otro a medida que cambie el voltaje. Al mismo tiempo, se aplica un campo magnético intenso, más fuerte que el valor crítico del diseño original. Normalmente, esto provocaría que el electrón regresara al cátodo, pero debido al campo eléctrico oscilante, el electrón sigue una trayectoria circular que continúa hacia los ánodos. [ 11 ]

Dado que todos los electrones en el flujo experimentaban este movimiento circular, la cantidad de energía de radiofrecuencia radiada mejoró considerablemente. Y como el movimiento se producía a cualquier nivel de campo superior al valor crítico, ya no era necesario ajustar con precisión los campos y voltajes, y la estabilidad general del dispositivo mejoró notablemente. Desafortunadamente, el campo más alto también implicaba que los electrones a menudo regresaban al cátodo, depositando su energía en él y provocando su calentamiento. Como esto normalmente libera más electrones, a veces podía generar un efecto de fuga, dañando el dispositivo. [ 11 ]

magnetrón de cavidad

El gran avance en el diseño de magnetrones fue el magnetrón de cavidad resonante o magnetrón de resonancia electrónica , que funciona con principios totalmente diferentes. En este diseño, la oscilación se crea mediante la forma física del ánodo, en lugar de circuitos o campos externos.

Diagrama de sección transversal de un magnetrón de cavidad resonante . Las líneas de fuerza magnética son paralelas al eje geométrico de esta estructura.

Mecánicamente, el magnetrón de cavidad consiste en un gran cilindro sólido de metal con un orificio perforado en el centro de la cara circular. Un cable que actúa como cátodo se coloca en el centro de este orificio, y el propio bloque de metal forma el ánodo. Alrededor de este orificio, conocido como "espacio de interacción", hay varios orificios similares ("resonadores") perforados paralelamente al espacio de interacción, conectados a este por un canal corto. El bloque resultante se parece un poco al cilindro de un revólver , con un orificio central algo más grande. Los primeros modelos se cortaban usando plantillas de pistolas Colt . [ 12 ] Recordando que en un circuito de CA los electrones viajan a lo largo de la superficie , no del 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 la frecuencia de resonancia definida completamente por sus dimensiones.

El campo magnético se ajusta a un valor muy inferior al crítico, por lo que los electrones siguen trayectorias curvas hacia el ánodo. Al impactar contra el ánodo, provocan que este se cargue negativamente en esa región. Dado que este proceso es aleatorio, algunas áreas se cargarán más o menos que las circundantes. El ánodo está construido con un material altamente conductor, casi siempre cobre, por lo que estas diferencias de voltaje generan corrientes que parecen compensarlas. Como la corriente debe fluir alrededor del exterior de la cavidad, este proceso lleva tiempo. Durante ese tiempo, electrones adicionales evitarán los puntos calientes y se depositarán más adelante en el ánodo, a medida que la corriente adicional que fluye a su alrededor también llega. Esto provoca la formación de una corriente oscilante, ya que la corriente intenta igualar la carga en un punto y luego en otro. [ 13 ]

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

Dado que la oscilación tarda un tiempo en estabilizarse y es inherentemente aleatoria al inicio, los arranques posteriores presentarán parámetros de salida diferentes. La fase casi nunca se conserva, lo que dificulta el uso del magnetrón en sistemas de antenas en fase . La frecuencia también varía de pulso a pulso, un problema más complejo para sistemas de radar con una mayor cantidad de antenas. Ninguno de estos inconvenientes representa un problema para los radares de onda continua ni para los hornos de microondas.

Características comunes

Dibujo en sección transversal de un magnetrón de cavidad de 1984. Se ha recortado parte del imán derecho y del bloque del ánodo de cobre para mostrar el cátodo y las cavidades. Este magnetrón antiguo utiliza dos imanes de alnico en forma de herradura ; los tubos modernos utilizan imanes de tierras raras .

Todos los magnetrones de cavidad constan de un cátodo cilíndrico calentado a un potencial negativo alto (continuo o pulsado) generado por una fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje. El cátodo se encuentra en el centro de una cámara metálica circular, lobulada y al vacío . Las paredes de la cámara constituyen el ánodo del tubo. Un imán permanente impone un campo magnético paralelo al eje de la cavidad . Los electrones se mueven inicialmente radialmente hacia afuera desde el cátodo, atraídos por el campo eléctrico de las paredes del ánodo. El campo magnético provoca que los electrones se desplacen en espiral hacia afuera en una trayectoria circular, como consecuencia de la fuerza de Lorentz . Alrededor del borde de la cámara se encuentran cavidades cilíndricas. Se han practicado ranuras a lo largo de estas 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 provoca que los electrones se agrupen. Una parte de la energía de radiofrecuencia se extrae mediante un bucle de acoplamiento corto conectado a una guía de ondas (un tubo metálico, generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de radiofrecuencia extraída hacia 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.

El tamaño de las cavidades determina 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 alimentación y con la temperatura del tubo. [ 14 ] Esto no representa un problema en aplicaciones como la calefacción o en algunos tipos de radar donde el receptor puede sincronizarse con una frecuencia de magnetrón imprecisa. Cuando se requieren frecuencias precisas, se utilizan otros dispositivos, como el klistrón .

El magnetrón es un dispositivo autooscilante que no requiere elementos externos más que una fuente de alimentación. Se debe aplicar una tensión de ánodo umbral bien definida antes de que se genere la oscilación; esta tensión es función de las dimensiones de la cavidad resonante y del campo magnético aplicado. En aplicaciones pulsadas, existe un retardo de varios ciclos antes de que el oscilador alcance su potencia máxima, y ​​la generación de la tensión de ánodo debe coordinarse con la generación de la salida del oscilador. [ 14 ]

Cuando hay un número par de cavidades, dos anillos concéntricos pueden conectar paredes alternas de las cavidades para evitar modos de oscilación ineficientes. Esto se denomina acoplamiento en π porque los dos anillos fijan la diferencia de fase entre cavidades adyacentes en π radianes (180°).

El magnetrón moderno es un dispositivo bastante eficiente. En un horno microondas, por ejemplo, una entrada de 1,1 kilovatios generalmente genera unos 700 vatios de potencia de microondas, con una eficiencia de alrededor del 65 %. (La potencia de un magnetrón depende del alto voltaje y de las propiedades del cátodo). Los magnetrones grandes de banda S pueden producir hasta 2,5 megavatios de potencia pico con una potencia promedio de 3,75  kW. [ 14 ] Algunos magnetrones grandes se enfrían con agua. El magnetrón sigue utilizándose ampliamente en aplicaciones que requieren alta potencia, pero donde el control preciso de la frecuencia y la fase no es importante.

Aplicaciones

Radar

Conjunto de magnetrón de 9,375  GHz y 20  kW (pico) para un radar aeroportuario comercial de principios de 1947. Además del magnetrón (derecha), contiene un tubo conmutador TR (transmisión/recepción) y la etapa frontal del receptor superheterodino , un oscilador local con tubo klistrón 2K25 y un mezclador con diodo de germanio 1N21 . La abertura de la guía de ondas (izquierda) se conectaría a una guía de ondas que va a la antena.

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

Varias características de la salida del magnetrón dificultan su uso en radares. El primero es la inestabilidad inherente de la frecuencia de transmisión del magnetrón. Esta inestabilidad provoca no solo cambios de frecuencia entre pulsos, sino también dentro de un mismo pulso transmitido. El segundo factor es que la energía del pulso transmitido se distribuye en un espectro de frecuencias relativamente amplio, lo que requiere que el receptor tenga un ancho de banda igualmente amplio. Este ancho de banda permite la entrada de ruido eléctrico ambiental, lo que enmascara parcialmente los débiles ecos del radar y, por consiguiente, reduce la relación señal-ruido y el rendimiento del receptor. El tercer factor, según la aplicación, es el riesgo de radiación derivado del uso de radiación electromagnética de alta potencia. En algunas aplicaciones, como por ejemplo un radar marino instalado en una embarcación de recreo, un radar con una salida de magnetrón de 2 a 4 kilovatios suele encontrarse muy cerca de la zona ocupada por la tripulación o los pasajeros. En la práctica, estos factores se han superado o simplemente aceptado, y existen miles de radares de magnetrón para aviación y uso marítimo en servicio. Los recientes avances en radares de aviación para evitar condiciones meteorológicas adversas y en radares marinos han logrado reemplazar con éxito el magnetrón por osciladores semiconductores de microondas , que ofrecen un rango de frecuencia de salida más estrecho. Esto permite utilizar un ancho de banda de receptor más reducido, y la mayor relación señal-ruido, a su vez, permite una menor potencia de transmisión, reduciendo así la exposición a la radiación electromagnética.

Calefacción

Magnetrón de un horno microondas con imán en su caja de montaje. Las placas horizontales forman un disipador de calor , refrigerado por el flujo de aire de un ventilador. El campo magnético se produce mediante dos potentes imanes anulares, el inferior de los cuales es apenas visible. El extremo superior se inserta en una guía de ondas rectangular corta que actúa como línea de transmisión para propagar la energía electromagnética generada por el magnetrón a la cámara de cocción del microondas. Casi todos los magnetrones de hornos modernos tienen una disposición y apariencia similares.

En los hornos microondas , la guía de ondas conduce a un puerto transparente a las radiofrecuencias que da a la cámara de cocción. Dado que las dimensiones fijas de la cámara y su proximidad física al magnetrón normalmente crearían patrones de ondas estacionarias en la cámara, este patrón se aleatoriza mediante un agitador motorizado tipo ventilador en la guía de ondas (más común en hornos comerciales) o mediante un plato giratorio que rota los alimentos (lo más común en hornos domésticos).

Iluminación

En los sistemas de iluminación excitados por microondas, como las lámparas de azufre , un magnetrón genera el campo de microondas que se transmite a través de una guía de ondas hasta la cavidad de iluminación que contiene la sustancia emisora ​​de luz (por ejemplo, azufre , haluros metálicos , etc.). Si bien son eficientes, estas lámparas son mucho más complejas que otros métodos de iluminación y, por lo tanto, no se utilizan con frecuencia. Las variantes más modernas utilizan transistores HEMT o dispositivos semiconductores de potencia de GaN sobre SiC en lugar de magnetrones para generar las microondas, lo que reduce considerablemente la complejidad y permite ajustar la emisión de luz para maximizarla mediante un controlador PID .

Historia

En 1910, Hans Gerdien (1877–1951) de la Corporación Siemens inventó un magnetrón. [ 15 ] [ 16 ] En 1912, el físico suizo Heinrich Greinacher buscaba nuevas formas de calcular la masa del electrón . Se decidió por un sistema que consistía en un diodo con un ánodo cilíndrico que rodeaba un cátodo en forma de varilla, colocado en el centro 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 campos magnéticos y eléctricos cruzados. [ 17 ] [ 18 ]

En Estados Unidos, Albert Hull aplicó este trabajo en un intento por eludir las patentes de Western Electric sobre el triodo. Western Electric había obtenido el control de este diseño al comprar las patentes de Lee De Forest sobre el control del flujo de corriente mediante campos eléctricos a través de la "rejilla". Hull pretendía utilizar un campo magnético variable, en lugar de uno electrostático, para controlar el flujo de electrones del cátodo al ánodo. Trabajando en los Laboratorios de Investigación de General Electric en Schenectady, Nueva York , Hull construyó tubos que permitían la conmutación mediante el control de la relación entre las intensidades de los campos magnético y eléctrico. Publicó varios artículos y patentes sobre el concepto en 1921. [ 19 ]

El magnetrón de Hull no fue concebido originalmente para generar ondas electromagnéticas VHF (de muy alta frecuencia). Sin embargo, en 1924, el físico checo August Žáček [ 20 ] (1886-1961) y el físico alemán Erich Habann [ 21 ] (1892-1968) descubrieron independientemente que el magnetrón podía generar ondas de 100 megahercios a 1 gigahercio. Žáček, profesor de la Universidad Carolina de Praga , publicó primero; sin embargo, lo hizo en una revista de pequeña tirada y, por lo tanto, atrajo poca atención. [ 22 ] Habann, estudiante de la Universidad de Jena , investigó el magnetrón para su tesis doctoral de 1924. [ 23 ] A lo largo de la década de 1920, Hull y otros investigadores de todo el mundo trabajaron para desarrollar el magnetrón. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] 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 la necesidad urgente de un generador de microondas de alta potencia que funcionara a longitudes de onda más cortas , alrededor de 10  cm (3  GHz), en lugar de los 50 a 150  cm (200 MHz) que ofrecían los generadores de válvulas de la época. Se sabía que Hans Hollmann  había desarrollado y patentado en 1935 un magnetrón resonante multicavidad en Berlín . [ 27 ] Sin embargo, el ejército alemán consideró indeseable la deriva de frecuencia del dispositivo de Hollmann y basó sus sistemas de radar en el klistrón . Pero los klistrones no podían, en aquel entonces, alcanzar la alta potencia de salida que los magnetrones lograron posteriormente. Esta fue una de las razones por las que los radares de los cazas nocturnos alemanes , que inicialmente nunca se aventuraron más allá de la banda UHF baja para las aeronaves de primera línea, no estaban a la altura de sus homólogos británicos. [ 24 ] : 229 Asimismo, en el Reino Unido, Albert Beaumont Wood propuso en 1937 un sistema con "seis u ocho pequeños orificios" perforados en un bloque de metal, que se diferenciaba de los diseños de producción posteriores únicamente en los aspectos del sellado al vacío. Sin embargo, su idea fue rechazada por la Armada, que afirmó que su departamento de válvulas estaba demasiado ocupado para considerarla. [ 28 ]

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

En 1940, en la Universidad de Birmingham (Reino Unido), John Randall y Harry Boot produjeron un prototipo funcional de un magnetrón de cavidad que generaba unos 400  W. [ 6 ] En una semana, esta potencia mejoró a 1  kW, y en los meses siguientes, con la adición de refrigeración por agua y numerosas modificaciones, aumentó a 10 y luego a 25  kW. [ 6 ] Para solucionar la deriva de su frecuencia, muestrearon la señal de salida y sincronizaron su receptor con la frecuencia que se generaba en ese momento. En 1941, James Sayers resolvió el problema de la inestabilidad de la frecuencia acoplando ("encadenando") cavidades alternas dentro del magnetrón, lo que redujo la inestabilidad en un factor de 5 a 6. [ 29 ] (Para una visión general de los primeros diseños de magnetrones, incluido el de Boot y Randall, véase [ 30 ] ).

GEC en Wembley fabricó 12 prototipos de magnetrones de cavidad en agosto de 1940, y el número 12 fue enviado a Estados Unidos con Bowen en la Misión Tizard , donde se mostró el 19 de septiembre de 1940 en el apartamento de Alfred Loomis. El Comité de Microondas de la NDRC estadounidense quedó asombrado por el nivel de potencia producido. Sin embargo, el director de Bell Labs se molestó cuando, al ser radiografiado, se descubrió que tenía ocho orificios en lugar de los seis que figuraban en los planos de GEC. Tras contactar (a través del cable transatlántico) con el Dr. Eric Megaw, experto en tubos de vacío de GEC, Megaw recordó que cuando solicitó 12 prototipos, dijo que se fabricaran 10 con 6 orificios, uno con 7 y otro con 8; no había tiempo para modificar los planos. Y el número 12, con 8 orificios, fue elegido para la Misión Tizard. Así que Bell Labs optó por copiar la muestra; y mientras que los primeros magnetrones británicos tenían seis cavidades, los estadounidenses tenían ocho. [ 31 ]

Según Andy Manning, del Museo del Radar de Defensa Aérea de la RAF , el descubrimiento de Randall y Boot fue "un avance enorme, enorme" y "considerado por muchos, incluso ahora [2007], como el invento más importante surgido de la Segunda Guerra Mundial", mientras que el profesor de historia militar de la Universidad de Victoria en la Columbia Británica, David Zimmerman, afirma:

El magnetrón sigue siendo el tubo de radio esencial para las 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 constituye el núcleo de su horno microondas actual. La invención del magnetrón de cavidad cambió el mundo. [ 6 ]

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 ofreciera el magnetrón a los estadounidenses a cambio de su ayuda financiera e industrial. [ 6 ] Una versión temprana de 10  kW, construida en Inglaterra por los Laboratorios de Investigación de General Electric Company en Wembley , Londres , fue llevada a la Misión Tizard en septiembre de 1940. Cuando la discusión giró en torno al 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 un gesto teatral, "Taffy" Bowen sacó un magnetrón y explicó que producía 1000 veces esa potencia. [ 6 ] [ 32 ]

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 Tecnológico de Massachusetts para desarrollar varios tipos de radar utilizando el magnetrón. A principios de 1941, se estaban probando radares aerotransportados centimétricos portátiles en aeronaves estadounidenses y británicas. [ 6 ] A finales de 1941, el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones en el Reino Unido utilizó el magnetrón para desarrollar un revolucionario radar aerotransportado de mapeo terrestre con nombre en clave 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 haber proporcionado al radar aliado una considerable ventaja de rendimiento sobre los radares alemanes y japoneses , influyendo así directamente en el resultado de la guerra. Posteriormente, el historiador estadounidense James Phinney Baxter III lo describió como «la carga más valiosa que jamás haya llegado a nuestras costas». [ 33 ]

El radar centimétrico, posible gracias al magnetrón de 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 la instalación de radares pequeños y de alta calidad en aeronaves. Estos radares podían ser utilizados por aviones de patrulla marítima para detectar objetos tan pequeños como el periscopio de un submarino, lo que permitió a las aeronaves atacar y destruir submarinos sumergidos que antes eran indetectables desde el aire. Los radares centimétricos de mapeo de contornos, 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 diseñado específicamente para detectarlos. Los radares centimétricos de puntería también eran mucho más precisos que la tecnología anterior. Hicieron que los acorazados aliados de gran calibre fueran más letales y, junto con la espoleta de proximidad de reciente desarrollo , hicieron que los cañones antiaéreos fueran mucho más peligrosos para las aeronaves atacantes. Se considera que ambos sistemas, acoplados y utilizados por baterías antiaéreas situadas a lo largo de la trayectoria de vuelo de las bombas volantes alemanas V-1 en su camino hacia Londres , destruyeron muchas de las bombas antes de que alcanzaran su objetivo.

Desde entonces, se han fabricado millones de magnetrones de cavidad; si bien algunos se han utilizado para radares, la gran mayoría se han destinado a hornos de microondas . Su uso en radares ha disminuido en cierta medida, ya que generalmente se requieren señales más precisas y los desarrolladores han optado por sistemas de klistrones y tubos de onda progresiva para satisfacer estas necesidades.

Riesgos para la salud

Señal de advertencia ISO 7010 : Radiación no ionizante

Al menos un riesgo en particular es bien conocido y está documentado. Dado que el cristalino del ojo carece de flujo sanguíneo refrigerante, es especialmente propenso a sobrecalentarse al exponerse a la radiación de microondas. Este calentamiento, a su vez, puede provocar una mayor incidencia de cataratas en la edad adulta. [ 34 ]

Además, existe un considerable riesgo eléctrico en torno a los magnetrones, ya que requieren una fuente de alimentación de alto voltaje.

Contrariamente a la creencia popular, la mayoría de los magnetrones domésticos utilizan óxido de aluminio (alúmina) en lugar del mucho más peligroso óxido de berilio para los aislantes. [ 35 ] La alúmina es considerablemente más barata para los magnetrones domésticos y, en caso de rotura, no conlleva los mismos riesgos para la salud que la rotura del óxido de berilio. Algunos magnetrones de mayor potencia y hornos microondas muy antiguos sí utilizan óxido de berilio y, al menos en los magnetrones modernos, suele estar etiquetado con una advertencia sobre su uso.

Otro peligro de un magnetrón desmantelado es la mezcla de torio con tungsteno en el filamento . Una excepción son los magnetrones de alta potencia que operan por encima de aproximadamente 10 000 voltios, donde el bombardeo de iones positivos daña el torio metálico; por lo tanto, se utiliza tungsteno puro (dopado con potasio). Si bien el torio es un metal radiactivo, un mayor riesgo de cáncer es poco realista, ya que su radiactividad es muy baja, con una vida media del orden de miles de millones de años. Solo si el filamento se extrajera del magnetrón, se triturara finamente y se inhalara (lo cual es improbable) podría representar un riesgo para la salud. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

Véase también

Referencias

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Información
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  • El magnetrón ( vídeo de YouTube sobre cómo funciona un magnetrón)
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  • Información y hojas de datos en PDF sobre magnetrones TMD
  • (El título es algo críptico) Artículo conciso y notablemente excelente sobre magnetrones; la figura 13 es representativa de un magnetrón de radar moderno.
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