多腔磁控管

　　多腔磁控管是產(chǎn)生大功率超高頻振蕩的一種高效率微波電子管。

　　現(xiàn)代實(shí)用磁控管的陽(yáng)極是由整塊金屬制成的圓柱體開有很多個(gè)諧振腔，中心是圓柱形陰極電子發(fā)射極，在兩端安裝永磁磁極形成固定磁場(chǎng)；由圓柱形熱陰極發(fā)射的電子流受到陽(yáng)極與陰極間的電場(chǎng)和外加軸向恒定磁場(chǎng)的作用，形成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，激勵(lì)諧振腔產(chǎn)生超高頻振蕩；其振蕩的能量一般用置于諧振腔內(nèi)部的耦合環(huán)經(jīng)過(guò)同軸線引出；磁控管發(fā)生的脈沖功率可以高達(dá)10Mw。主要用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)、微波爐和其他大功率超高頻振蕩器。

研發(fā)

　　1920年，AlbertHull于美國(guó)“通用電氣”發(fā)明了一種由數(shù)支管型陽(yáng)極環(huán)繞一個(gè)中心陰極的分瓣電極式“磁”控管/split-anodemagnetron，只達(dá)到了30kHz。

　　1921年，東普魯士人ErichHabann發(fā)明了使用兩端磁極形成固定內(nèi)部磁場(chǎng)的磁控管，取代了Hull使用的電場(chǎng)電極，雖只有等效2腔的設(shè)計(jì)并缺乏實(shí)用價(jià)值，但這是磁控管的關(guān)鍵，首開了不依賴龐大的外加交變電磁場(chǎng)激勵(lì)裝置的自激振蕩，由此實(shí)現(xiàn)了“磁”控，使小體積高效率高頻率成為可能，這也是后來(lái)Hollmann和Randall設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

　　1935年：A.L.Samuel于“貝爾實(shí)驗(yàn)室”開發(fā)出多腔磁控管的模型。同年法國(guó)Gutton用磁控管產(chǎn)生16厘米波長(zhǎng)，

　　1935年11月29日德國(guó)人H.E.Hollmann注冊(cè)了一項(xiàng)多腔磁控管專利，具備兩端磁極，4腔結(jié)構(gòu)，與當(dāng)今磁控管已極為接近。但當(dāng)時(shí)德國(guó)在二戰(zhàn)前傾國(guó)家資源的10年雷達(dá)研究中，除常規(guī)的真空三極管震蕩器雷達(dá)外，于1934年選擇“調(diào)速管/Klystron”用于雷達(dá)，較前者功率密度更高，較后來(lái)的磁控管功率密度低卻更容易穩(wěn)定頻率。并于1939年制成實(shí)用的FuMG39“維爾茨堡/Würzburg”-A雷達(dá)，頻率560MHz，脈沖功率7-11千瓦，設(shè)備連天線全重1.5噸，初始設(shè)計(jì)配合88毫米高射炮使用，架在4輪拖車上一同機(jī)動(dòng)，亦需展開后固定使用，累計(jì)制造了約4000部；第三帝國(guó)總理希特勒當(dāng)即參觀了這種雷達(dá)（此時(shí)還沒(méi)有配套的火控系統(tǒng)，雷達(dá)員只是用電波發(fā)現(xiàn)敵方戰(zhàn)機(jī)方位，口述通知高炮兵后，后者仍需靠肉眼和光學(xué)測(cè)距鏡尋的并射擊）。而Hollmann的磁控管設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)未得到足夠的資源將其專利實(shí)用化，后于1938年將全部專利公開。同期德國(guó)空軍將調(diào)速管縮小后，于1942年在夜間戰(zhàn)斗機(jī)上列裝FuG202“夜光石/Lichtenstein”機(jī)載雷達(dá)，頻率約500MHz，功率只有450瓦，重約55公斤。當(dāng)1943年2月2日，德軍在荷蘭鹿特丹擊落一架英國(guó)空軍的斯特林轟炸機(jī)的殘骸中發(fā)現(xiàn)了磁控管雷達(dá)后，才意識(shí)到其作用，并開始緊急研制；雖然德國(guó)知道磁控管的原理，開發(fā)實(shí)用雷達(dá)仍有大量工作，F(xiàn)uG224“柏林”雷達(dá)終于1944年后期完成，頻率3.3GHz，脈沖功率10千瓦，來(lái)得太晚也太少。

　　1936年蘇聯(lián)的Aleksereff和Malearoff根據(jù)查到的資料制成一只能實(shí)際運(yùn)行的磁控管。達(dá)到了300瓦功率，3GHz頻率，10cm波長(zhǎng)。蘇聯(lián)的雷達(dá)主要參照德國(guó)雷達(dá)采用“反射式調(diào)速管/Reflex-Klystrons”也沒(méi)有將磁控管實(shí)用化，且頻率較低在200MHz；同樣首先用于陸軍，“縮小”后亦于1942年裝在PetljakowPe-2大型夜戰(zhàn)機(jī)上。蘇聯(lián)紅海軍在戰(zhàn)爭(zhēng)中缺乏施展的余地，處于次要地位，不過(guò)海軍士兵上岸步戰(zhàn)變?yōu)椤昂谒郎瘛卑l(fā)揮了出人意料的戰(zhàn)斗力。

　　1940年哈利·布特和約翰·藍(lán)道爾JohnRandall于英國(guó)“伯明翰大學(xué)”，在Hollmann的基礎(chǔ)上，將4腔改為6腔，并在外壁增加水冷設(shè)施，成功達(dá)到了數(shù)千瓦的脈沖功率，3GHz頻率，10cm波長(zhǎng)（蘭道爾此前已經(jīng)研究磁控管多年，但他本人最初的牛角形設(shè)計(jì)，仍采用沿軸分布的多個(gè)環(huán)形線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而非Habann首先采用的兩端永磁磁極誘發(fā)交變磁場(chǎng)，是另一種實(shí)用性不強(qiáng)的式樣）；功率的增強(qiáng)使其具備了用作雷達(dá)的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。而英國(guó)在二戰(zhàn)前傾國(guó)家資源的10年雷達(dá)研究中，選擇使用大量的傳統(tǒng)水冷真空雙三極管震蕩電路通過(guò)相陣天線疊加增強(qiáng)和掃描的“短波雷達(dá)”技術(shù)，振蕩器頻率30MHz，在全英構(gòu)筑了被稱為“鏈屋/ChainHome”的龐大天線陣，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)需依賴大型天線，不可移動(dòng)，在1940年的不列顛空戰(zhàn)時(shí)發(fā)揮了極大作用。同期的英國(guó)海軍的艦載雷達(dá)也使用真空三極管震蕩器，1938年Type79radar研制成功，1940年改良為Type279并立即裝上了“胡德號(hào)/HMShood”等英國(guó)大型戰(zhàn)列艦，頻率40MHz，疊加功率70千瓦。

　　美國(guó)自1936年10月開始研制雷達(dá)，主要參照英國(guó)短波雷達(dá)，使用水冷真空雙三極管振蕩器達(dá)到更高頻率約200MHz；1938年海軍試制了XAF雷達(dá)，并搬上戰(zhàn)列艦“紐約號(hào)”試用，XAF雷達(dá)不太可靠，后被更專業(yè)的美國(guó)無(wú)線電公司RCA研制的XCAM雷達(dá)取代；XCAM雷達(dá)在改良的同時(shí)也出了陸軍版本，1940年陸軍擁有了SCR-268radar，頻率205MHz，疊加功率50千瓦，1941年12月其改良型SCR-270在珍珠港的奧帕納山頭上發(fā)現(xiàn)了來(lái)襲的日機(jī)。1940年敦刻爾克大撤退，盟軍丟失了近乎所有的在歐洲的重型裝備，英國(guó)此時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)資源已捉襟見(jiàn)肘；大英帝國(guó)首相丘吉爾知道英國(guó)已無(wú)力再開發(fā)磁控管雷達(dá)，令亨利·蒂澤德HenryThomasTizard爵士實(shí)施“蒂澤德行動(dòng)/TizardMission”，將磁控管雷達(dá)技術(shù)交給美國(guó)繼續(xù)開發(fā)；由此“藍(lán)道爾”將其設(shè)計(jì)帶到美國(guó)，成為美國(guó)微波雷達(dá)之父，從而使得大戰(zhàn)中美國(guó)的分米波雷達(dá)技術(shù)突飛猛進(jìn)，雖然在最初講解時(shí)，沒(méi)有人能明白這位英國(guó)人在用英語(yǔ)說(shuō)什么。蘭道爾的設(shè)計(jì)于1年后在美國(guó)完成并小批量生產(chǎn)，由此脈沖功率10千瓦級(jí)別的雷達(dá)系統(tǒng)終于縮小并減輕至100公斤以下，比德國(guó)的同功率級(jí)FuMG39“維爾茨堡/Würzburg”-A雷達(dá)輕了1個(gè)數(shù)量級(jí)，不過(guò)因波長(zhǎng)過(guò)于接近水分子的諧振頻率2.45GHz會(huì)受雨、雪、霧的影響；2年后改良后開始大批量制造，又作為援助物資提供給盟軍各國(guó)包括英國(guó)。

　　同期曾在德國(guó)獲得博士學(xué)位的日本人“伊藤庸二”在地球另一端進(jìn)行對(duì)磁控管和雷達(dá)的研究，1941年10月制成了日本的第一支實(shí)用磁控管，水冷，頻率3GHz，最初脈沖功率500瓦，后逐步穩(wěn)定在2千瓦。但1941年日本從德國(guó)獲得了機(jī)載調(diào)速管雷達(dá)，少量裝在九六式陸上攻擊機(jī)上用于太平洋反潛；日本海、陸軍的雷達(dá)根據(jù)各種途徑獲得的資料參照英國(guó)短波雷達(dá)開發(fā)，起步更晚，頻率40MHz至100MHz，以致1944年10月的萊特灣海戰(zhàn)中還主要依賴探照燈夜戰(zhàn)；由此伊藤的磁控管也未實(shí)用化。

　　而McLaughlin聲稱“蘇聯(lián)卻于40年代出版的刊物上聲稱兩名蘇聯(lián)學(xué)者先于1936年制成了多腔磁控管，以將它的發(fā)明歸功于自己名下（其類似的主張?jiān)陲w機(jī)，無(wú)線電等多項(xiàng)榮譽(yù)中屢見(jiàn)不鮮），卻無(wú)法掩蓋大戰(zhàn)中蘇聯(lián)雷達(dá)與無(wú)線電技術(shù)落后，成為各交戰(zhàn)國(guó)中唯一在二戰(zhàn)時(shí)往夜間戰(zhàn)斗機(jī)上裝米波雷達(dá)國(guó)家以及其戰(zhàn)列艦還要裝英國(guó)的艦載雷達(dá)的事實(shí)?！?/span>

原理

　　借由相互垂直的磁場(chǎng)和電場(chǎng)形成的高頻電磁場(chǎng)，電子與高頻電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生微波能。電子從位于中心的陰極射出,被勞倫茲力誘導(dǎo)呈現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng),在其運(yùn)動(dòng)路徑被施加電場(chǎng)做震蕩,產(chǎn)生高頻輻射。

應(yīng)用

雷達(dá)

　　主條目：雷達(dá)

　　在一個(gè)雷達(dá)裝置中，磁控管的波導(dǎo)被連接到天線。磁控管被施加電壓的極短脈沖操作，導(dǎo)致高功率微波能量的短脈沖被輻射。如在所有主雷達(dá)系統(tǒng)中，輻射反射離開一個(gè)目標(biāo)被分析以產(chǎn)生一個(gè)屏幕上的雷達(dá)圖像yo。

加熱

　　在微波爐中，波導(dǎo)引出的射頻透明端口到烹飪室中。

照明

　　在微波激發(fā)照明系統(tǒng)，比如微波硫燈，一個(gè)磁控管提供一個(gè)微波場(chǎng)通過(guò)波導(dǎo)傳遞到包含有發(fā)光物質(zhì)（例如，硫，金屬鹵化物等）的照明腔。這些燈比照明的其它方法要復(fù)雜得多，雖然高效但不常用。

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