Magnetrón de cavidad

El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío de alta potencia utilizado en los primeros sistemas de radar y posteriormente en hornos microondas y en aceleradores lineales de partículas . Un magnetrón de cavidad genera microondas utilizando la interacción de una corriente de electrones con un campo magnético , mientras se mueve más allá 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 cuando es excitado por una corriente de aire que pasa por su abertura. La frecuencia de resonancia del dispositivo está determinada por las dimensiones físicas de las cavidades. A diferencia de otros tubos de vacío, como un klistrón o un tubo de ondas viajeras (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 electricidad de corriente continua suministrada al tubo de vacío.

El uso de campos magnéticos como un 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 General Electric , EE. UU., comenzó el desarrollo de magnetrones para evitar las patentes de de Forest, ^[1] pero estos nunca fueron completamente exitosos. 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 de centímetros, lo que generó interés mundial. El desarrollo de magnetrones con múltiples cátodos fue propuesto por AL Samuel de Bell Telephone Laboratories en 1934, lo que llevó a los diseños de Postumus en 1934 y Hans Hollmann en 1935. La producción fue asumida por Philips , General Electric Company (GEC), Telefunken y otros, limitada a quizás 10 W de salida. En esa época el klistrón producía más potencia y el magnetrón no se utilizaba ampliamente, aunque Aleksereff y Malearoff construyeron un dispositivo de 300 W en la URSS en 1936 (publicado en 1940). ^[1]

El magnetrón de cavidad fue una mejora radical introducida por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham , Inglaterra en 1940. ^{[2] : 24–26  [3]} Su primer ejemplo funcional produjo cientos de vatios a una longitud de onda de 10 cm, un logro sin precedentes. ^{[4] [5]} En cuestión de semanas, los ingenieros de GEC habían mejorado esto a más de un kilovatio, y en meses a 25 kilovatios, más de 100 kW en 1941 y avanzando hacia un megavatio en 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. ^[6] Aparecieron nuevos radares para cazas nocturnos , aviones antisubmarinos e incluso los barcos de escolta más pequeños, ^[6] y desde ese momento los Aliados de la Segunda Guerra Mundial mantuvieron una ventaja en radar que sus homólogos en Alemania y Japón nunca pudieron cerrar. Al final de la guerra, prácticamente todos los radares aliados estaban basados ​​en el magnetrón.

El magnetrón siguió utilizándose en radares en el período de posguerra, pero perdió popularidad en la década de 1960, cuando aparecieron los klistrones de alta potencia y los tubos de ondas viajeras . Una característica clave del magnetrón es que su señal de salida cambia de pulso a pulso, tanto en frecuencia como en fase. Esto lo hace menos adecuado para comparaciones pulso a pulso para realizar indicaciones de objetivos en movimiento y eliminar el " desorden " de la pantalla del radar. ^[7] El magnetrón sigue utilizándose en algunos sistemas de radar, pero se ha vuelto mucho más común como fuente de bajo costo para hornos microondas. En esta forma, hoy en día se utilizan más de mil millones de magnetrones. ^{[7] [8]}

En un tubo de electrones convencional ( tubo de vacío ), los electrones se emiten desde un componente calentado y cargado negativamente llamado cátodo y son atraídos por un componente cargado positivamente llamado ánodo . Los componentes normalmente están dispuestos de forma concéntrica, colocados dentro de un recipiente con forma tubular del que se ha evacuado todo el aire, de modo que los electrones puedan moverse libremente (de ahí el nombre de tubos de "vacío", llamados "válvulas" en inglés británico).

Si se inserta un tercer electrodo (llamado rejilla de control ) entre el cátodo y el ánodo, el flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo se puede regular variando el voltaje en este tercer electrodo. Esto permite que el tubo de electrones resultante (llamado " tríodo " porque ahora tiene tres electrodos) funcione como un amplificador porque pequeñas variaciones en la carga eléctrica aplicada a la rejilla de control darán como resultado variaciones idénticas en la corriente mucho mayor de electrones que fluye entre el cátodo y el ánodo. ^[9]

La idea de utilizar una rejilla para el control fue inventada por Philipp Lenard , quien recibió el Premio Nobel de Física en 1905. En los EE. UU., fue patentada más tarde por Lee de Forest , lo que resultó en una considerable investigación sobre diseños de tubos alternativos que evitarían sus patentes. Un concepto utilizó un campo magnético en lugar de una carga eléctrica para controlar el flujo de corriente, lo que llevó al desarrollo del tubo magnetrón. En este diseño, el tubo se hizo con dos electrodos, típicamente con el cátodo en forma de una varilla de metal en el centro y el ánodo como un cilindro a su alrededor. El tubo se colocó entre los polos de un imán de herradura ^{[10] [ se necesita una mejor fuente ]} dispuesto de tal manera que el campo magnético estuviera alineado en paralelo al eje de los electrodos.

Sin un campo magnético presente, el tubo funciona como un diodo, con electrones fluyendo directamente del cátodo al ánodo. En presencia del campo magnético, los electrones experimentarán una fuerza en ángulo recto con respecto 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 la trayectoria se puede controlar variando el campo magnético utilizando un electroimán o cambiando el potencial eléctrico entre los electrodos.

En configuraciones de campo magnético muy altas, los electrones son forzados a volver al cátodo, impidiendo el flujo de corriente. En el extremo opuesto, sin campo, los electrones son libres de fluir directamente del cátodo al ánodo. Hay un punto entre los dos extremos, el valor crítico o campo magnético de corte de Hull (y voltaje de corte), donde los electrones alcanzan el ánodo. En campos alrededor de este punto, el dispositivo funciona de manera similar a un triodo. Sin embargo, el control magnético, debido a la histéresis y otros efectos, da como resultado una respuesta más lenta y menos fiel a la corriente de control que el control electrostático utilizando una rejilla de control en un triodo convencional (sin mencionar un mayor peso y complejidad), por lo que los magnetrones vieron un uso limitado en los diseños electrónicos convencionales.

Se observó que cuando el magnetrón funcionaba en el valor crítico, emitía energía en el espectro de radiofrecuencia . Esto ocurre porque algunos de los electrones, en lugar de alcanzar el ánodo, continúan girando en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Debido a un efecto ahora conocido como radiación ciclotrón , estos electrones irradian energía de radiofrecuencia. El efecto no es muy eficiente. Finalmente, los electrones golpean uno de los electrodos, por lo que el número en estado circulante en un momento dado es un pequeño porcentaje de la corriente total. También se observó que la frecuencia de la radiación depende del tamaño del tubo, e incluso se construyeron ejemplos tempranos que producían señales en el régimen de microondas.

Los primeros sistemas de tubos convencionales se limitaban a las bandas de alta frecuencia y, aunque los sistemas de muy alta frecuencia se hicieron ampliamente disponibles a fines de la década de 1930, las bandas de ultraalta frecuencia y microondas estaban muy fuera de la capacidad de los circuitos convencionales. El magnetrón era uno de los pocos dispositivos capaces de generar señales en la banda de microondas y era el único capaz de producir alta potencia en longitudes de onda de centímetros.

El magnetrón original era muy difícil de mantener en funcionamiento en el valor crítico, e incluso entonces el número de electrones en estado de giro en cualquier momento era bastante bajo. Esto significaba que producía señales de muy baja potencia. Sin embargo, como uno de los pocos dispositivos conocidos para crear microondas, el interés en el dispositivo y sus posibles mejoras fue generalizado.

La primera mejora importante fue el magnetrón de ánodo dividido , también conocido como magnetrón de resistencia negativa . Como su nombre lo indica, este diseño utilizaba un ánodo que se dividía 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. Pero al alterar ligeramente el voltaje de las dos placas , se podía modificar la trayectoria de los electrones para que viajaran naturalmente hacia el lado de menor voltaje. Las placas estaban conectadas a un oscilador que invertía el voltaje relativo de las dos placas a una frecuencia dada. ^[10]

En cualquier momento dado, el electrón será empujado naturalmente hacia el lado de menor voltaje del tubo. El electrón oscilará entonces de un lado a otro a medida que cambia el voltaje. Al mismo tiempo, se aplica un campo magnético fuerte, más fuerte que el valor crítico en el diseño original. Esto normalmente haría que el electrón regresara al cátodo, pero debido al campo eléctrico oscilante, el electrón sigue un camino en bucle que continúa hacia los ánodos. ^[10]

Como todos los electrones del flujo experimentaron este movimiento circular, la cantidad de energía de RF que se irradiaba mejoró considerablemente. Y como el movimiento se produjo en cualquier nivel de campo más allá del valor crítico, ya no fue necesario ajustar cuidadosamente los campos y voltajes, y la estabilidad general del dispositivo mejoró considerablemente. Desafortunadamente, el campo más alto también significaba que los electrones a menudo regresaban al cátodo, depositando su energía en él y provocando que se calentara. Como esto normalmente hace que se liberen más electrones, a veces podría provocar un efecto de descontrol, dañando el dispositivo. ^[10]

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

Mecánicamente, el magnetrón de cavidad consiste en un gran cilindro sólido de metal con un agujero perforado en el centro de la cara circular. Un alambre que actúa como cátodo se extiende por el centro de este agujero, y el bloque de metal en sí forma el ánodo. Alrededor de este agujero, conocido como el "espacio de interacción", hay una serie de agujeros similares ("resonadores") perforados en paralelo al espacio de interacción, conectados al espacio de interacción por un canal corto. El bloque resultante se parece al cilindro de un revólver , con un agujero central algo más grande. Los primeros modelos se cortaban utilizando plantillas de pistola Colt . ^[11] 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 condensador mientras que los agujeros 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 establece en un valor muy por debajo del crítico, por lo que los electrones siguen trayectorias curvas hacia el ánodo. Cuando chocan con el ánodo, hacen que se cargue negativamente en esa región. Como este proceso es aleatorio, algunas áreas se cargarán más o menos que las áreas que las rodean. El ánodo está construido de un material altamente conductor, casi siempre cobre, por lo que estas diferencias de voltaje hacen que las corrientes parezcan equilibrarse. Como la corriente tiene que fluir alrededor del exterior de la cavidad, este proceso lleva tiempo. Durante ese tiempo, los electrones adicionales evitarán los puntos calientes y se depositarán más a lo largo del ánodo, a medida que llegue también la corriente adicional que fluye a su alrededor. Esto hace que se forme una corriente oscilante a medida que la corriente intenta igualar un punto, luego otro. ^[12]

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

Como la oscilación tarda un tiempo en configurarse y es inherentemente aleatoria al principio, los arranques posteriores tendrán diferentes parámetros de salida. La fase casi nunca se conserva, lo que hace que el magnetrón sea difícil de usar en sistemas de matriz en fase . La frecuencia también varía de pulso a pulso, un problema más difícil para una gama más amplia de sistemas de radar. Ninguno de estos presenta un problema para los radares de onda continua ni para los hornos microondas.

Todos los magnetrones de cavidad constan de un cátodo cilíndrico calentado a un alto potencial negativo (continuo o pulsado) creado por una fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje. El cátodo se coloca en el centro de una cámara metálica circular, lobulada y evacuada . Las paredes de la cámara son el ánodo del tubo. Un imán permanente impone un campo magnético paralelo al eje de la cavidad . Los electrones inicialmente se mueven radialmente hacia afuera desde el cátodo atraídos por el campo eléctrico de las paredes del ánodo. El campo magnético hace que los electrones se desplacen en espiral hacia afuera en una trayectoria circular, una consecuencia de la fuerza de Lorentz . Espaciadas alrededor del borde de la cámara hay cavidades cilíndricas. Se cortan ranuras a lo largo de la longitud de las cavidades que se abren hacia el espacio de cavidad común central. 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 hace que los electrones se agrupen. Una parte de la energía de radiofrecuencia se extrae mediante un bucle de acoplamiento corto que está conectado a una guía de ondas (un tubo de metal, generalmente de sección transversal rectangular). La guía de ondas dirige la energía de RF extraída a 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 funcionamiento varía con los cambios en la impedancia de carga , con los cambios en la corriente de suministro y con la temperatura del tubo. ^[13] Esto no es un problema en usos como la calefacción o en algunas formas de radar donde el receptor se puede sincronizar con una frecuencia de magnetrón imprecisa. Cuando se necesitan 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 un voltaje de ánodo umbral bien definido antes de que se genere la oscilación; este voltaje es una función de las dimensiones de la cavidad resonante y del campo magnético aplicado. En aplicaciones pulsadas, hay un retraso de varios ciclos antes de que el oscilador alcance la potencia máxima, y ​​la acumulación de voltaje de ánodo debe coordinarse con la acumulación de la salida del oscilador. ^[13]

Cuando hay un número par de cavidades, dos anillos concéntricos pueden conectar paredes de cavidades alternadas para evitar modos ineficientes de oscilación. Esto se denomina "pi-strepping" porque las dos correas bloquean 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 creará alrededor de 700 vatios de potencia de microondas, una eficiencia de alrededor del 65%. (El alto voltaje y las propiedades del cátodo determinan la potencia de un magnetrón). Los magnetrones de banda S grandes pueden producir hasta 2,5 megavatios de potencia pico con una potencia promedio de 3,75 kW. ^[13] Algunos magnetrones grandes están refrigerados por agua. El magnetrón sigue siendo de uso generalizado en funciones que requieren alta potencia, pero donde el control preciso sobre la frecuencia y la fase no es importante.

En esta sección falta información sobre la pulverización catódica con magnetrón . Amplíe la sección para incluir esta información. Puede que existan más detalles en la página de discusión . ( Marzo de 2023 )

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 da como resultado la radiación de un pulso corto de energía de microondas de alta potencia. Como en todos los sistemas de radar primarios, la radiación reflejada desde un objetivo se analiza para producir un mapa de radar en una pantalla.

Varias características de la salida del magnetrón hacen que el uso del dispositivo por radar sea algo problemático. El primero de estos factores es la inestabilidad inherente del magnetrón en su frecuencia de transmisión. Esta inestabilidad produce no sólo cambios de frecuencia de un pulso al siguiente, sino también un cambio de frecuencia dentro de un pulso transmitido individual. El segundo factor es que la energía del pulso transmitido se distribuye en un espectro de frecuencia relativamente amplio, lo que requiere que el receptor tenga un ancho de banda correspondientemente amplio. Este ancho de banda amplio permite que el receptor acepte el ruido eléctrico ambiental, oscureciendo así un poco los ecos débiles del radar, reduciendo así la relación señal/ruido general del receptor y, por lo tanto, el rendimiento. El tercer factor, dependiendo de la aplicación, es el riesgo de radiación causado por el uso de radiación electromagnética de alta potencia. En algunas aplicaciones, por ejemplo, un radar marino montado en una embarcación de recreo, a menudo se encuentra un radar con una salida de magnetrón de 2 a 4 kilovatios montado muy cerca de un área ocupada por la tripulación o los pasajeros. En el uso práctico, estos factores se han superado, o simplemente se han aceptado, y hoy en día hay miles de unidades de radar de magnetrón para aviación y marinos en servicio. Los recientes avances en los radares de prevención meteorológica para aviación y en los radares marinos han logrado reemplazar con éxito el magnetrón por osciladores semiconductores de microondas , que tienen un rango de frecuencia de salida más estrecho. Estos permiten utilizar un ancho de banda de receptor más estrecho y, a su vez, la mayor relación señal/ruido permite una menor potencia de transmisión, lo que reduce la exposición a la radiación electromagnética.

En los hornos microondas , la guía de ondas conduce a un puerto transparente a la radiofrecuencia en la cámara de cocción. Como las dimensiones fijas de la cámara y su proximidad física al magnetrón normalmente crearían patrones de ondas estacionarias en la cámara, el patrón se aleatoriza mediante un agitador motorizado en modo ventilador en la guía de ondas (más a menudo en hornos comerciales), o mediante un plato giratorio que hace girar la comida (más común en hornos de consumo). Un ejemplo temprano de esta aplicación fue cuando los científicos británicos en 1954 utilizaron un horno microondas para resucitar hámsteres congelados criogénicamente . ^[14]

En los sistemas de iluminación excitados por microondas, como una lámpara de azufre , un magnetrón proporciona el campo de microondas que pasa 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.). Aunque eficientes, estas lámparas son mucho más complejas que otros métodos de iluminación y, por lo tanto, no se utilizan comúnmente. Las variantes más modernas utilizan HEMT o dispositivos semiconductores de potencia GaN-on-SiC en lugar de magnetrones para generar las microondas, que son sustancialmente menos complejos y se pueden ajustar para maximizar la salida de luz utilizando un controlador PID .

En 1910, Hans Gerdien (1877-1951), de la Siemens Corporation, 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 medio 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 los campos magnéticos y eléctricos cruzados. ^{[17] [18]}

En Estados Unidos, Albert Hull utilizó este trabajo en un intento de 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 utilizando 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 desde el cátodo al ánodo. Trabajando en los Laboratorios de Investigación de General Electric en Schenectady, Nueva York , Hull construyó tubos que proporcionaban 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 pensado originalmente para generar ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (VHF). Sin embargo, en 1924, el físico checo August Žáček ^[20] (1886-1961) y el físico alemán Erich Habann ^[21] (1892-1968) descubrieron de forma independiente que el magnetrón podía generar ondas de entre 100 megahercios y 1 gigahercio. Žáček, profesor de la Universidad Charles de Praga , fue el primero en publicar; sin embargo, lo hizo en una revista de pequeña circulación y, por lo tanto, atrajo poca atención. ^[22] Habann, un 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 una necesidad urgente de un generador de microondas de alta potencia que funcionara en longitudes de onda más cortas, alrededor de 10 cm (3 GHz), en lugar de los 50 a 150 cm (200 MHz) que estaban disponibles en los generadores basados ​​en tubos de la época. Se sabía que Hans Hollmann había desarrollado y patentado un magnetrón resonante de múltiples cavidades en 1935 en Berlín . ^[27] Sin embargo, el ejército alemán consideró que la deriva de frecuencia del dispositivo de Hollman era indeseable y basó sus sistemas de radar en el klistrón . Pero los klistrones no podían en ese momento lograr la alta potencia de salida que finalmente alcanzaron los magnetrones. Esta fue una de las razones por las que los radares de caza nocturnos alemanes , que nunca se alejaron más allá de la banda baja de UHF para los aviones de primera línea, no estaban a la altura de sus contrapartes británicas. ^{[24] : 229} Asimismo, en el Reino Unido, Albert Beaumont Wood propuso en 1937 un sistema con "seis u ocho pequeños agujeros" perforados en un bloque de metal, que se diferenciaba de los diseños de producción posteriores sólo en los aspectos del sellado al vacío. Sin embargo, su idea fue rechazada por la Marina, que dijo que su departamento de válvulas estaba demasiado ocupado para considerarla. ^[28]

En 1940, en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, John Randall y Harry Boot produjeron un prototipo funcional de un magnetrón de cavidad que producía alrededor de 400 W. ^[5] En una semana, esto había mejorado a 1 kW, y en los siguientes meses, con la adición de refrigeración por agua y muchos cambios de detalles, esto había mejorado a 10 y luego a 25 kW. ^[5] Para lidiar con su frecuencia de deriva, muestrearon la señal de salida y sincronizaron su receptor con la frecuencia que realmente se estaba generando. En 1941, el problema de la inestabilidad de frecuencia fue resuelto por James Sayers acoplando ("atando") cavidades alternas dentro del magnetrón, lo que redujo la inestabilidad en un factor de 5-6. ^[29] (Para una descripción general de los primeros diseños de magnetrones, incluido el de Boot y Randall, consulte ^[30] .)

En agosto de 1940, GEC fabricó en Wembley 12 prototipos de magnetrones de cavidad, 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 atónito por el nivel de potencia producido. Sin embargo, el director de Bell Labs se enojó cuando lo radiografió y encontró que tenía ocho agujeros en lugar de los seis que se mostraban en los planos de GEC. Después de ponerse en contacto (a través del cable transatlántico) con el Dr. Eric Megaw, el experto en tubos de vacío de GEC, Megaw recordó que cuando pidió 12 prototipos, dijo que hiciera 10 con 6 agujeros, uno con 7 y otro con 8; no había tiempo para corregir los dibujos. Y el número 12 con 8 agujeros fue elegido para la Misión Tizard. Entonces Bell Labs decidió copiar la muestra; y mientras que los primeros magnetrones británicos tenían seis cavidades, los estadounidenses tenían ocho cavidades. ^[31]

Según Andy Manning, del Museo del Radar de Defensa Aérea de la RAF , el descubrimiento de Randall y Boot fue "un avance enorme" y "considerado por muchos, incluso ahora [2007], como el invento más importante surgimiento de la Segunda Guerra Mundial", mientras que el profesor de historia militar de la Universidad de Victoria en 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 sólo cambió el curso de la guerra al permitirnos desarrollar sistemas de radar aerotransportados, sino que sigue siendo la pieza clave de la tecnología que se encuentra en el corazón de los hornos de microondas actuales. La invención del magnetrón de cavidad cambió el mundo. ^[5]

Como Francia acababa de caer ante los nazis y Gran Bretaña no tenía dinero para desarrollar el magnetrón a gran escala, Winston Churchill aceptó que Sir Henry Tizard ofreciera el magnetrón a los estadounidenses a cambio de su ayuda financiera e industrial. ^[5] Una versión temprana de 10 kW , construida en Inglaterra por los Laboratorios de Investigación de la General Electric Company en Wembley , Londres , fue llevada en 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 elegante, "Taffy" Bowen sacó un magnetrón y explicó que producía 1000 veces eso. ^{[5] [32]}

Los Laboratorios Bell Telephone tomaron el ejemplo y rápidamente comenzaron 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 aéreos centimétricos portátiles en aviones estadounidenses y británicos. ^[5] A fines de 1941, el Telecommunications Research Establishment en el Reino Unido utilizó el magnetrón para desarrollar un revolucionario radar aerotransportado de mapeo terrestre con nombre en código 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 "el cargamento más valioso 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 instalar radares pequeños y de alta calidad en aeronaves. Podían ser utilizados por aviones de patrulla marítima para detectar objetos tan pequeños como un periscopio submarino, lo que permitía a las aeronaves atacar y destruir submarinos sumergidos que anteriormente habían sido indetectables desde el aire. Los radares de mapeo de contorno centimétricos 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 para detectarlo específicamente. Los radares centimétricos de colocación de cañones también eran mucho más precisos que la tecnología anterior. Hicieron que los acorazados aliados con grandes cañones fueran más letales y, junto con la espoleta de proximidad recientemente desarrollada , hicieron que los cañones antiaéreos fueran mucho más peligrosos para los aviones atacantes. Se atribuye a los dos acoplados y utilizados por baterías antiaéreas, colocadas a lo largo de la trayectoria de vuelo de las bombas voladoras V-1 alemanas en su camino a Londres , la destrucción de muchas de las bombas voladoras antes de que alcanzaran su objetivo.

Desde entonces, se han fabricado muchos millones de magnetrones de cavidad; aunque algunos han sido para radares, la gran mayoría han sido para hornos microondas . El uso en el radar en sí ha disminuido en cierta medida, ya que generalmente se han necesitado señales más precisas y los desarrolladores han pasado a sistemas de klistrones y tubos de ondas viajeras para estas necesidades.

Hay al menos un riesgo en particular que es bien conocido y está documentado. Como el cristalino del ojo no tiene flujo sanguíneo que lo enfríe, es particularmente propenso a sobrecalentarse cuando se expone a la radiación de microondas. Este calentamiento puede, a su vez, conducir a una mayor incidencia de cataratas en etapas posteriores de la vida. ^[34]

También existe un riesgo eléctrico considerable alrededor de los magnetrones, ya que requieren una fuente de alimentación de alto voltaje.

La mayoría de los magnetrones contienen una pequeña cantidad de óxido de berilio ^{[ cita requerida ]} y torio mezclado con tungsteno en su filamento . Las excepciones a esto son los magnetrones de mayor potencia que operan por encima de aproximadamente 10.000 voltios donde el bombardeo de iones positivos resulta perjudicial para el metal torio, por lo que se utiliza tungsteno puro (dopado con potasio). Si bien el torio es un metal radiactivo, el riesgo de cáncer es bajo ya que nunca se transmite por el aire en el uso normal. Solo si el filamento se saca del magnetrón, se tritura finamente y se inhala puede representar un peligro para la salud. ^{[35] [36] [37]}

• Amplificador de campo cruzado
• Yoji Ito , un experto en electrónica militar japonés que ayudó a crear los primeros dispositivos de magnetrón de cavidad de Japón en 1939. ^[38]
• Klistrón
• Máser
• Rifle EMP de microondas
• Laboratorio de Radiación
• Tubo de ondas viajeras
• Misión Tizard

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Información

• Magnetrones
• El magnetrón ( video de YouTube sobre cómo funciona un magnetrón)
• Colección de magnetrones en el Museo Virtual de Válvulas Archivado el 16 de julio de 2011 en Wayback Machine
• MicrowaveCam.com Vídeos de plasmoides creados en un horno microondas
• Magnetrones TMD Archivado el 19 de junio de 2023 en Wayback Machine. Información y hojas de datos en formato PDF
• (El título es algo críptico) Artículo conciso y especialmente excelente sobre magnetrones; la figura 13 es representativa de un magnetrón de radar moderno.

Patentes

• US 2123728  Hans Erich Hollmann/Telefunken GmbH: „Magnetron“ presentado el 27 de noviembre de 1935
• US 2315313  Buchholz, H. (1943). Resonador de cavidad
• US 2357313  Carter, PS (1944). Resonador de alta frecuencia y circuito para el mismo.
• US 2357314  Carter, PS (1944). Circuito resonador de cavidad
• US 2408236  Spencer, PL (1946). Carcasa de magnetrón
• US 2444152  Carter, PS (1948). Circuito resonador de cavidad
• US 2611094  Rex, HB (1952). Circuito de resonancia de inductancia-capacitancia
• GB 879677  Dexter, SA (1959). Circuitos osciladores de válvulas; acoplamientos de salida de radiofrecuencia