Il magnetron

 

Dal radar al forno a microonde: il mito di un tubo elettronico oscillante di alta potenza

 

 

 

La mattina ti svegli, metti il caffellatte nel fornetto a microonde, aspetti qualche minuto e via!

Questo ingegnoso elettrodomestico è usato da tante famiglie ma molti ignorano cosa sia realmente e come esso funzioni. Nel suo interno c'è un dispositivo chiamato magnetron: si tratta di un tubo elettronico (una valvola, tanto per usare un termine più "italianizzato" di altri) per altissime frequenze, ovvero per le microonde (sono classificate per microonde quelle da 300MHz a 3GHz). Questo aggeggio nacque, però, parallelamente ad uno strumento per scopi bellici come il radar. Ancora oggi il magnetron costituisce uno dei più validi dispositivi per generare onde elettriche di alta potenza e frequenza. II primo modello di magnetron risale al 1921 per opera di Albert Wallace Hull che, col suo rudimentale dispositivo, riusciva ad ottenere oscillazioni elettriche di lunghezza metrica (frequenze ancora basse nell'ordine delle centinaia di megaHertz). Marconi, in quel periodo, cercò di perfezionarlo ma, poco dopo, abbandonò il progetto. Solo quando l'industria militare cominciò a spingere con veemenza la ricerca sui dispositivi in grado di produrre oscillazioni di microonde ad alta potenza per munire le forze armate di radar sempre più efficaci, il progetto di Hull fu ripreso e migliorato integralmente. Non è un caso, perciò, se proprio nel 1940, quando le industrie belliche inglesi (e non solo) lavoravano freneticamente, viene costruito il primo moderno modello di magnetron. L'opera fu del professore John Randall e del fisico Mark Laurence Elwin Oliphant e diretti dal professor Bott, presso i laboratori di ricerca di Birmingham. Fu perfezionato, poi, dai tedeschi e dagli americani per i loro nuovi radar.

II "boom" lo si ebbe durante il secondo conflitto mondiale, quando i vari corpi militari iniziarono a richiedere alle case costruttrici particolari magnetron dietro specifiche richieste tecniche. Allora, anche la Regia Marina italiana chiese alla società Fivre di Pavia la costruzione di un particolare tubo oscillante di alta frequenza per i radar da installare sulle proprie navi (ma a dire il vero non un vero e proprio magnetron).

I motivi che spiegano la ricerca di un dispositivo nuovo ed opportunamente studiato per le oscillazioni di alta frequenza si concretizzavano nell'impossibilità di utilizzare i normali tubi elettronici (triodi, tetrodi, pentodi) a frequenze prossime al gigaHertz e con alte potenze in gioco.

Infatti, i normali tubi elettronici presentano due problemi alle altissime frequenze di cui il primo consiste nelle capacità parassite tra i propri elettrodi.

Quella più critica è la capacità tra la placca (anodo) e la griglia ma alle alte frequenze diventano parassite anche quella tra griglia e catodo e tra placca

e catodo. Con l'aumentare della frequenza queste capacità parassite, benché di piccolo valore, non possono essere considerate trascurabili, anzi influiscono sul funzionamento del tubo, abbassandone vertiginosamente il rendimento. Questo vale anche per gli effetti induttivi degli elettrodi e dei relativi reofori che alle frequenze alte presentano delle reattanze considerevoli. Il risultato è un circuito più complesso, composto non solo dal semplice tubo ma anche da capacità interelettrodiche ed induttanze elettrodiche (vedi figura 1). Alle alte frequenze, gli effetti parassiti capacitivi ed induttivi hanno un peso tanto determinante da ridurre drasticamente l'efficienza del tubo elettronico e, quindi, la potenza di amplificazione.

Un radar deve usare segnali impulsivi a frequenza molto elevata ma anche di grande potenza: più è alta la potenza che il radar è in grado di "sparare"

nell'etere, più ampio diventa il suo "campo visivo", anche in termini di altezza dal suolo. La necessità di ottenere oscillazioni di alta frequenza e di alta potenza è qualcosa di irraggiungibile con i normali tubi, poiché la frequenza delle oscillazioni, come detto, è inversamente proporzionale alla potenza delle stesse. Inoltre, non c'è da considerare solo il basso rendimento in termini di potenza, cui va incontro un normale tubo per questi usi, ma c'è anche un limite operativo in termini di frequenza di oscillazione. Ciò a causa della limitata velocità degli elettroni nello spostarsi tra gli elettrodi: per oscillazioni di diversi gigaHertz la velocità degli elettroni deve essere molto più alta. Nei tubi classici, invece, questa velocità è insufficiente, poiché il tempo impiegato dall'elettrone per spostarsi tra due o più elettrodi è superiore al periodo dell'oscillazione di alta frequenza desiderata. Per esempio, un segnale a 10 GHz compie un'oscillazione in un periodo di cento picosecondi (100 x 10-12 ) e, magari, un elettrone per spostarsi tra due elettrodi, anche abbastanza vicini, impiega un tempo nell'ordine dell'unità di nanosecondo (1 x 10-9) o molto di più. Per diminuire il tempo di transizione degli elettroni negli spazi interelettrodici e, quindi, aumentare la frequenza di operatività della valvola, si produssero tubi di piccole dimensioni detti "a ghianda" (il primo modello risale al 1934, si chiamava "955" e fu costruito dalla RCA) e lighthouse per le loro caratteristiche forme: il primo per la tipica forma a ghianda, mentre il secondo perché somigliante ad un faro marittimo. Però, per diminuire le dimensioni della valvola si avvicinano, inevitabilmente, gli elettrodi e si incrementano, di conseguenza, le capacità parassite. Insomma, i fenomeni parassiti induttivi e capacitivi ed il tempo di transizione sono due problemi differenti (il primo causa abbassamento di rendimento ed il secondo limita l'uso del tubo alle frequenze troppo alte) ma strettamente legati tra loro, tanto che se si agisce per risolverne uno, si finisce per peggiorare l'altro e viceversa.

Proprio per questo motivo, agli inizi del secolo, l'unica alternativa fu quella di “virare” definitivamente dai vecchi esperimenti sui normali tubi per

convogliare l'interesse scientifico verso nuovi dispositivi. L'attenzione finì per concentrarsi sui metodi per aumentare la velocità degli elettroni: nascevano i primi esperimenti sulla modulazione di velocità elettronica, consistente nell'accelerare il moto degli elettroni tra gli spazi interelettrodici.

Poco dopo, nascono i primi tubi a modulazione di velocità elettronica per altissime frequenze: i klystron, i magnetron ed i tubi ad onda progressiva (T.W.T = Traveling Wave tube) ed ad onda retroattiva (B.W.T. = Backward Wave Tube di tipo "a greca" e di tipo "carcitron").

 

 

 

LE CAVITÀ RISONANTI

 

Prima di analizzare il funzionamento del magnetron è necessario fare un breve "excursus" sulle cavità risonanti, per chi ne fosse completamente a digiuno. Le cavità risonanti sono, sostanzialmente, dei pezzi di ferro con forme e dimensioni ben determinate e vuoti all'interno (ecco perché si chiamano cavità). Sono l'equivalente di un circuito elettrico con induttanza e capacità in parallelo o anti-risonatore. Le forma più consueta delle cavità è quella toroidale, cioè simile ad una ciambella ma senza il buco al centro o, molto più spesso, di forma semplicemente cilindrica ( figura 2).

La parte centrale delle cavità risonanti, laddove c'è lo spazio più stretto, realizza un vero e proprio capacitore, per cui le due superfici planari, poste

ad una certa distanza, fungono da armature di un condensatore ad aria. Se una cavità viene sollecitata elettricamente, avviene che tra le virtuali armature del suo capacitore, e quindi nella sua parte centrale, si stabilirà un campo elettrico. Alle due armature è collegato tutto il resto del telaio della struttura. II telaio metallico che si sviluppa attorno alle armature del capacitore centrale può essere immaginato come l'unione serrata di tantissime spire metalliche e collegate in parallelo tra loro attraverso le due armature. La figura 2 cerca di chiarire in modo esaustivo, meglio di tante parole, il concetto di cavità risonante. Sempre nella figura 2, per esemplificazione, sono state rappresentate solo sei spire collegate in circolo attorno alle armature del condensatore centrale ma se immaginassimo una moltitudine di spire di ferro rigide e serrate, una strettamente vicina all'altra, capiremmo quale funzione implicita ricopre la struttura circolare esterna periferica: quella dell'induttanza.

Il flusso magnetico generato da ogni singola spira virtuale si trova come imprigionato in un condotto circolare chiuso su se stesso e che si sviluppa per

tutta la lunghezza di circonferenza attorno alle armature del condensatore virtuale centrale. Mentre tra le due superfici planari (cioè le armature) si produce un effetto capacitivo con relativo campo elettrico, nel condotto circostante scorre il flusso magnetico. Variando la spaziatura tra le due superfici planari al centro della cavità, si varia anche la capacità del circuito risonante a cui equivale la cavità, modificandone, quindi, la frequenza di risonanza. Di solito, una sola armatura è mobile, mentre l'altra è fissa; il movimento per determinare la spaziatura delle superfici viene realizzato collegando la superficie superiore ad un perno filettato che può, quindi, scorrere verticalmente attraverso le banali operazioni di avvitamento e svitamento. La cavità risonante è, pertanto, equivalente ad un circuito LC parallelo ma a differenza di un circuito composto da induttore e condensatore, in cui i parametri elettrici di induttanza e capacità sono concentrati nei rispettivi componenti (induttore e condensatore, appunto), nelle cavità, questi parametri elettrici, sono distribuiti uniformemente in ogni parte di spazio costituente la struttura stessa. Il dimensionamento geometrico di una cavità risonante è dipesa dalla seguente equazione matematica:

 

 

in cui “fo” è la frequenza di risonanza della cavità, “d” è la distanza tra le due superfici centrali del capacitore virtuale, “D” è la circonferenza media del toroide, “A” è l'area interna descritta dal toroide (o, se vogliamo, l'area interna alle spire virtuali che costituiscono il toroide), “S” è l'area delle

superfici centrali (oppure, diremmo, l'area delle due armature del capacitore virtuale), eo è la costante dielettrica del capacitore (ovvero la costante dielettrica dell'aria), mo è la permeabilità del circuito magnetico toroidale (cioè la permeabilità magnetica dell'aria) ed, infine, 2p, come tutti sanno, è una costante pari a 6,28. I valori di mo ed eo del vuoto valgono rispettivamente:

 

12,56 x 10-7     e    8,85 x 10-12

 

 

per cui il moltiplicatore dell'equazione, cioè il secondo fattore, equivale ad un valore costante pari a 47750264.

 

 

 

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

 

Un magnetron può presentarsi esternamente come nel disegno di figura 3. Esso si compone di due parti: il magnete esterno ed il magnetron vero e proprio. Il magnete esterno consta di due blocchi di materiale magnetico di opposta polarità (Nord e Sud) che creano un campo magnetico statico nel quale è immerso il tubo elettronico. Il magnetron interno, posto parallelamente alle linee di forza del campo magnetico (cioè con il suo asse nella stessa direzione delle linee di forza magnetiche), presenta, in genere, delle feritoie esterne che fungono da radiatore di calore per la dissipazione di energia termica.

Passiamo alla figura 4 che mostra uno "spaccato" di un classico magnetron.

Si nota che esso è composto da un unico grande blocco che costituisce la placca (cioè l'anodo) del tubo. Nell'anodo sono ricavate delle cavità cilindriche di numero sempre pari (molto spesso le cavità sono otto). In una delle otto cavità viene posta una piccola spirale conduttiva o cappio, grazie a cui è possibile prelevare le oscillazioni di alta frequenza e portarle all'esterno sotto forma di segnale elettrico. Il cappio è sospeso nel vuoto di una cavità ed essendo quest'ultima, durante il funzionamento del dispositivo, sede di un campo magnetico variabile di alta frequenza (come del resto anche tutte le altre cavità), per la nota legge di Lentz, il cappio, diviene sede di corrente indotta proporzionale alla variazione del campo magnetico stesso. Ecco, quindi, che il cappio costituisce il conduttore di uscita che porta all'esterno le oscillazioni elettromagnetiche generatesi all'interno del magnetron stesso.

Nella regione centrale dell'anodo c'è un altro spazio cavo di forma cilindrica che viene chiamato spazio d'interazione, poiché è qui che interagiscono i

diversi campi energetici di natura magnetica ed elettrica.

Al centro dello spazio d'interazione vi è una piccola bacchetta cilindrica sottile che funziona da catodo del dispositivo. All'interno del catodo c'è un sottile filamento conduttore avvolto a spirale che costituisce il riscaldatore del magnetron per consentirne l'emissione termoelettronica. Tra catodo ed anodo, naturalmente, deve esserci una differenza di potenziale elettrico, ottenibile con una batteria in corrente continua.

Sulla placca è collegato il polo positivo della batteria, mentre sul catodo il polo negativo.

Se non ci fosse il campo magnetico statico, prodotto dal magnete esterno, per effetto della sola batteria, il magnetron si comporterebbe come un normalissimo diodo con il catodo che emette elettroni per effetto termoionico e l'anodo, di polarità positiva, che li raccoglie. In tal caso, la traiettoria degli elettroni "sparati" dal catodo è rettilinea (vedi tratto A di figura 5). Ma, in realtà, il magnetron come già affermato, funziona immerso in un campo magnetico statico e questo campo influenza notevolmente la traiettoria degli elettroni emessi. A studiare il fenomeno di deviazione delle cariche elettriche vaganti in un campo magnetico fu il fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz, vissuto a cavallo tra il XIX e XX secolo e premio Nobel per la fisica nel 1902. Dei suoi studi è nota la legge di Lorentz. Con la regola della mano sinistra, Lorentz, individuava la direzione della deviazione di traiettoria che una carica elettrica negativa subiva se immersa in un campo magnetico le cui linee fossero ortogonali al suo moto naturale di spostamento. La direzione della deviazione è dipesa, quindi, da una forza naturale, risultante dall'azione contemporanea di un moto meccanico su cui interagisce una forza magnetica: questa forza di deviazione è detta forza deviante o forza di Lorentz. Il verso della forza di Lorentz dipende dal verso delle linee di forza dell'induzione magnetica, dal verso del moto della carica vagante ed, infine, dalla carica elettrica stessa che può essere positiva o negativa (la particella che ha carica elettrica negativa è l'elettrone). La figura 6 evidenzia come si devono porre le tre dita della mano sinistra per individuare la forza di Lorentz su una carica elettrica negativa (elettrone): innanzitutto, il pollice, l'indice ed il dito medio devono essere ortogonali tra loro (cioè devono formare un angolo retto); con il medio si deve indicare il verso dell'induzione magnetica dal polo Nord al polo Sud del magnete esterno, con l'indice il verso del moto dell'elettrone (moto rettilineo che va dal catodo verso l'anodo) ed il pollice ci indicherà il verso risultante della forza di Lorentz. Osservando la figura 5 e supponendo che il campo magnetico statico che attraversa il magnetron abbia le linee di forza entranti nel foglio, la forza deviante tende a spostare l'elettrone verso destra (traiettorie B, C e D). La differenza tra le tre traiettorie risiede nella supposizione di campi magnetici di intensità differente, per cui la traiettoria C è riferita, sicuramente, ad un campo magnetico più forte di quello relativo alla traiettoria B; ancora di più per D. Ciò perché la forza di Lorentz è tanto maggiore quanto più forte è il valore d'induzione magnetica agente sulla carica e quanto più alta è la velocità del moto della carica vagante:

 

 

dove "FL" è la forza di Lorentz, "B" è l'induzione magnetica, "q" la carica dell'elettrone e "v" la sua velocità. Tra le tre traiettorie (B, C, D) quella corretta per il funzionamento del magnetron è la C. Quindi, l'intensità della forza magnetica deve assumere un preciso valore di induzione critica, il cui complesso calcolo è legato al raggio del catodo, al raggio dello spazio d'interazione, alla tensione della batteria anodica, al valore della carica elettronica ed alla sua massa. L'intensità dell'induzione magnetica non deve essere più bassa del valore critico, altrimenti l'elettrone, seppur deviato, verrà catturato dall'anodo, né, tantomeno, più alta del valore critico, pena una traiettoria cicloidale come quella di D a raggio troppo piccolo.

L'aumento dell'intensità del campo magnetico è direttamente proporzionale all'intensità della forza di Lorentz, cosicché il moto dell'elettrone, oltre ad

essere deviato, viene anche accelerato. Ora resta da capire come si possano innescare e mantenere le oscillazioni all'interno del dispositivo.

 

L'innesco oscillatorio

Appena viene collegata la batteria tra l'anodo ed il catodo, gli elettroni emessi vengono tutti deviati dalla forza di Lorentz, descrivendo delle traiettorie

simili a quella di C. Percorrendo questa traiettoria, l'elettrone si avvicina alle feritoie delle cavità risonanti anodiche, sfiorandole ( figura 7-casi B e C).

Poiché ogni feritoia realizza un condensatore virtuale (le cui armature sono gli stessi bordi metallici della placca che delimitano ogni feritoia), quando

l'elettrone si avvicina ad un bordo della feritoia, quest'ultimo si polarizza come una normale armatura di un condensatore (caso B). Poi, l'elettrone, continuando la sua traiettoria cicloidale che lo porterà a ricadere di nuovo sul catodo, si allontana dal bordo della feritoia, precedentemente polarizzato, e si avvicina all'altro bordo, polarizzando quest'ultimo (caso C). Nel frattempo, il bordo polarizzato precedentemente, a causa dell'allontanamento della carica, perde gradualmente la polarizzazione (diventa, cioè, positivo rispetto all'altro). Quindi, durante la traiettoria cicloidale, l'elettrone polarizza prima un bordo e poi l'altro, creando un'inversione di polarizzazione nel condensatore virtuale di ogni feritoia anodica.

Ora, se teniamo in considerazione la grande velocità con cui questo elettrone accelerato dalla forza di Lorentz percorre la traiettoria C, ci rendiamo conto con quale altissima velocità viene prodotto il cambiamento di polarizzazione dei condensatori virtuali di ciascuna feritoia. Questa variazione di campo elettrico rappresenta uno spunto oscillatorio. Proprio così: il condensatore virtuale, con l'iniziale spostamento elettronico, diviene sede di una variazione di differenza di potenziale ai suoi capi, cioè di una variazione di campo elettrico nel suo dielettrico (ovvero il vuoto nell'interstizio di ogni feritoia), cioè di un'oscillazione. Questa iniziale oscillazione di spunto basta, poi, a produrre un perenne fenomeno auto-oscillatorio. Infatti, il condensatore virtuale di ogni feritoia è collegato ad una cavità anodica che ne realizza la parte induttiva di un circuito risonante (vedi sopra). Ciò significa che, nel magnetron preso d'esempio, ci sono ben otto circuiti risonanti LC che iniziano ad oscillare alla loro frequenza di risonanza nel

momento in cui viene collegata la batteria di corrente continua ai due elettrodi del tubo. Quindi, nelle cavità anodiche si stabilirà un'oscillazione di campo magnetico, mentre tra le feritoie un'oscillazione di campo elettrico che chiameremo "campo elettrico a radiofrequenza" o, semplicemente "campo a R.F.".

 

La conservazione dell'auto-oscillazione e le nubi elettroniche

Finché non viene scollegata la batteria tra anodo e catodo, l'auto-oscillazione non cesserà mai. Il mantenimento a regime del fenomeno auto-oscillatorio è dovuto alla presenza del campo elettrico R.F. che, una volta innescato, provvederà ad autosostenersi fino a quando non scollegheremo la batteria ed interromperemo, di conseguenza, l'emissione degli elettroni dal catodo. Poiché il campo elettrico a R.F. innescato è variabile nel tempo, gli elettroni emessi in continuazione dal catodo possono essere "sparati" in momenti e in aree dello spazio d'interazione in cui il campo elettrico risultante è frenante o accelerante. Il campo elettrico risultante si dice accelerante quando e dove quello a R.F. possiede lo stesso verso del campo elettrostatico prodotto dalla batteria ( figura 7/bis). In tal caso, la forza elettrica risultante è la somma aritmetica della forza elettrostatica e del valore istantaneo della forza elettrica del campo a R.F.. Il campo elettrico risultante è frenante allorché il verso del campo a R.F. è opposto a quello del campo statico ( figura 7/bis). Gli elettroni che fuoriescono sotto l'azione di un campo elettrico accelerante assorbono energia da questo; tale energia viene convertita dalla natura elettrica a quella meccanica e l'elettrone accelera il suo moto notevolmente. L'accelerazione del moto dell'elettrone produce, per riflesso su se stesso, un incremento della forza deviante, con il risultato che oltre ad accelerare in velocità esso è anche sottoposto ad un incremento della forza di Lorentz che lo virerà bruscamente a destra nella traiettoria (vedi sopra l'equazione della forza di Lorentz). Questi elettroni che fuoriescono sotto l'azione di un campo accelerante, acquisendo energia ed accelerando il loro moto, costituiscono particelle elettriche particolarmente "pericolose".

Ma, data la fortissima velocità e la forte deviazione, che le fa descrivere una traiettoria a breve raggio (vedi, ad esempio, la traiettoria D di figura 5),

permangono per tempi brevissimi nel vuoto dello spazio d'interazione, dopodiché verranno assorbiti dal catodo. Ciò che, invece, interessa analizzare per comprendere il funzionamento del magnetron è la fuoriuscita di elettroni nel momento e negli spazi in cui il campo elettrico risultante è frenante: questi elettroni vengono chiamati cariche utili, a sottolineare che proprio essi sono responsabili del corretto funzionamento del dispositivo e del sostentamento perpetuo delle sue oscillazioni. Le cariche utili, cioè quelle emesse sotto il campo elettrico frenante, essendo frenate nel loro normale moto, diminuiscono notevolmente la velocità ed anche la loro traiettoria cambia. Infatti, se diminuisce la velocità, diminuisce anche la forza deviante di Lorentz (vedi sopra la relazione matematica della, forza di Lorentz), per cui la nuova traiettoria diviene quasi rettilinea (simile a quella di B in figura 5), dirigendo l' elettrone verso l'anodo. Il rallentamento del moto, a sua volta, fa in modo che la carica utile, per percorrere la nuova traiettoria quasi rettilinea verso l'anodo, impieghi più tempo di quanto ne avesse impiegato sotto l'azione del campo elettrico accelerante o sotto l'azione del singolo campo elettrostatico della batteria. Inoltre, le cariche utili, frenate dal campo, hanno ceduto la loro energia cinetica ed, ora, continuano il loro lento moto per la sola inerzia meccanica. Avvicinandosi, però, all'elettrodo di anodo si ricaricano, man mano, di nuova energia.

Quale energia ?

L'energia del campo elettrostatico della batteria anodica.

Ma la velocità del loro moto è ancora notevolmente debole ed, intanto, il tempo scorre, per cui il "frenetico" campo elettrico a R.F. compie una completa oscillazione e ritorna di nuovo a stabilire un campo frenante quando essi sono ancora nello spazio d'interazione. Quindi, cedono nuovamente l'energia meccanica propria che avevano riguadagnato avvicinandosi all'anodo. Questo loro tormentato viaggio durerà per diversi cicli oscillatori del campo elettrico a R.F., finché non toccheranno, finalmente, l'anodo. Ma altre cariche utili, dietro di esse, ripercorrono, come in un "treno senza fine", lo stesso viaggio tormentato. A tal punto, possiamo trarre tre considerazioni sul funzionamento del magnetron, di seguito enumerate:

 

1. Gli elettroni uscenti dal catodo sotto il campo accelerante (elettroni pericolosi) assorbono energia dal campo R.F. ma essi, subito dopo, scompaiono

dallo spazio d'interazione, ricadendo sul catodo.Gli elettroni utili, invece, ogni qualvolta vengono frenati, cedono energia cinetica al campo a R.F., alimentando quest'ultimo ed evitando, perciò, che si smorzi. Ecco il segreto del magnetron: le oscillazioni permangono dopo l'innesco perché il campo elettrico a R.F. assorbe ripetutamente energia dagli elettroni utili. E ne assorbe anche in quantità maggiore rispetto a quella che deve cedere agli elettroni pericolosi. Infatti, questi ultimi svaniscono subito, mentre gli utili, con i continui rallentamenti, vengono fatti permanere per molto tempo nello spazio d'interazione e, per tutto questo tempo, verranno letteralmente "sfruttati" dal campo R.F. per farsi trasferire quanta più energia possibile dal campo elettrostatico soggiacente della batteria. È possibile affermare, quindi, che gli elettroni utili, nel loro lento e tormentato tragitto verso l'anodo, fungono da semplice mezzo di trasferimento energetico; trasferimento che avviene dal campo elettrostatico soggiacente a quello oscillatorio a R.F., attraverso le trasformazioni: energia elettrica (quella della batteria)àenergia meccanica (quella cinetica della cariche utili) àenergia elettrica (quella assorbita dal campo R.F. per sostenersi). Concludendo su questa prima considerazione, le oscillazioni innescate si preserveranno perché il campo elettrico R.F. assorbe, ripetutamente, energia dalle cariche utili ed in quantità complessivamente maggiore rispetto a quella ceduta alle più effimere cariche pericolose.

 

2. Il lento progredire delle cariche utili produce un loro addensamento in varie zone dello spazio d'interazione. Quel "treno senza fine", di cui si scriveva sopra, rende bene l'idea di veri e propri flussi elettronici diretti dal catodo verso l'anodo. Si tratta, in sostanza, di nubi elettroniche a forma di raggi (vedi figura 8). Il numero dei raggi è sempre pari al numero delle cavità presenti nel blocco anodico perché, osservando la figura 8, i bordi dell'anodo si polarizzano elettricamente o con il polo positivo o con quello negativo e le nubi elettroniche verranno attirate solo dai bordi anodici che, in una determinato momento, hanno assunto polarità elettrica positiva. Nel caso più frequente, con otto cavità anodiche, le nubi elettroniche costituiscono quattro raggi. Inoltre, i raggi elettronici, durante il funzionamento del magnetron, girano continuamente intorno al catodo (che ne costituisce, quindi, l'asse centrale) ad una velocità detta velocità di sincronismo. La rotazione dei raggi elettronici avviene perché la velocità dell'oscillazione del campo elettrico a R.F. è maggiore di quella media degli elettroni utili, ovvero il periodo dell'oscillazione di campo elettrico è molto inferiore al tempo che le cariche utili impiegano per percorrere il tragitto dal catodo all'anodo. Per questo motivo, la rotazione di polarità dei bordi anodici (rotazione che segue, naturalmente, il campo elettrico a R.F.), essendo più repentina, costringe i raggi elettronici a ruotare angolarmente. In figura 8 si nota anche una nube elettronica nell'area strettamente circostante il catodo: si tratta, come facilmente intuibile, dell'addensamento delle cariche pericolose che, emesse dal catodo sotto l'azione di un campo elettrico accelerante, vi ricadono subito dopo.

 

3. Il magnetron può essere considerato, semplificando di molto, come l'equivalente di un triodo in cui la funzione di controllo dell'elettrodo di griglia è sostituita dal campo magnetico.

 

 

 

PROBLEMI PRATICI DEI MAGNETRON A CAVITÀ

 

Uno dei principali problemi dei magnetron a cavità risonanti consiste nella produzione di oscillazioni armoniche indesiderate. Queste devono essere eliminate, mentre solo l'oscillazione fondamentale costituisce quella utile da prelevare al cappio d'uscita. L'oscillazione fondamentale rappresenta quella per cui i bordi adiacenti del blocco anodico si polarizzano elettricamente in perfetta opposizione di fase, cioè come visibile nelle figure 7 (caso B e C) e 8. Del resto, l'accoppiamento della feritoia (che costituisce un condensatore virtuale) con la cavità (che costituisce il circuito magnetico), realizzando un normale circuito risonante, produce, come in tutti i risonatori reali, dei segnali spuri di frequenze armoniche alla fondamentale.

Queste oscillazioni indesiderate si sviluppano e permangono durante tutto il funzionamento del dispositivo, coesistendo con l'oscillazione fondamentale. Le oscillazioni indesiderate che si generano in un magnetron a cavità sono in quantità pari alla metà del numero delle cavità risonanti meno uno. Facciamo un esempio: se le cavità sono otto, si generano tre oscillazioni armoniche di frequenza inferiore alla fondamentale; la quarta oscillazione rappresenta quella fondamentale. Chiameremo o1, o2 ed o3 le tre oscillazioni armoniche ed of quella fondamentale. Chiameremo, inoltre, “modo fondamentale” il corretto funzionamento del magnetron per cui si ottiene l'oscillazione fondamentale of e modi armonici quelli relativi alle oscillazioni armoniche indesiderate. L'oscillazione fondamentale of equivale alla quarta oscillazione ed è quella normale in un dispositivo ad otto cavità. La terza oscillazione armonica o3, cioè quella con frequenza subito inferiore alla fondamentale, è quella corrispondente ad un magnetron a sei cavità; la seconda o2 e la prima armonica o1 coincidono ad oscillazioni, rispettivamente, per quattro e due cavità. Nella figura 9 è mostrato un tipico campo elettrico, nello spazio interelettrodico, che si genera a causa della prima oscillazione al di sotto della fondamentale cioè la terza oscillazione armonica o3. Si nota che il campo elettrico generatosi è disforme e ciò è dovuto al fatto che i poli elettrici che lo generano non sono ben corrispondenti ai bordi anodici tra le feritoie ma si sono stabiliti come se nel blocco anodico ci fossero sei cavità e non otto. Infatti, rispetto al corretto modo di funzionamento (ovvero quello fondamentale), i poli sono più distanti tra loro lungo la circonferenza e le linee di forza del campo elettrico sono più lunghe.

Come eliminare queste oscillazioni armoniche indesiderate ?

I metodi, sostanzialmente, sono due: la “cortocircuitazione” e la “tecnologia a sole”.

La “cortocircuitazione” consiste nel cortocircuitare, con delle sottili barre, i bordi anodici che, durante il funzionamento, hanno sempre la stessa polarità elettrica nel “modo fondamentale”. Ciò significa cortocircuitare i poli elettrici che, nel modo corretto di funzionamento (fondamentale), sono in fase elettrica tra di loro. È semplice intuire perché con la “cortocircuitazione” si risolve l'eliminazione delle oscillazioni indesiderate: si agisce forzando il campo elettrico per il funzionamento del solo “modo fondamentale”. Per chiarire meglio, si osservi di nuovo la figura 9 e si noti che i poli elettrici instauratisi corrispondono a zone che, secondo il “modo fondamentale”, dovrebbero essere altrove; se cortocircuitiamo, come in figura 10, i poli elettrici in alternanza (uno si, uno no), non diamo la possibilità che si generino poli elettrici intermedi a quelli del “modo fondamentale” e, quindi, forziamo le polarizzazioni lì dove ci sono i punti di saldatura delle barre di cortocircuitazione. Naturalmente, i punti di saldatura vengono effettuati al centro di ogni bordo anodico, tenendo presente, in tal modo, quale deve essere la giusta polarizzazione durante il funzionamento del magnetron, ovvero la polarizzazione del “modo fondamentale”. La “tecnologia a sole” risolve il problema dell'eliminazione armonica attraverso la costruzione di un blocco anodico dalla caratteristica forma di un sole circondato da raggi (vedi figura 11). La profondità delle cavità, a forma di raggi, determina la frequenza delle oscillazioni. II rapporto tra la profondità della cavità più grande e la profondità della più piccola determina, invece, il disaccoppiamento tra il modo fondamentale e i modi armonici: questo rapporto deve essere pari a due (la cavità più grande ha una profondità doppia a quella della più piccola). Le frequenze armoniche sono pari alla metà del numero delle cavità presenti nel blocco anodico meno uno. Nell'esempio di figura 11, essendoci dieci cavità, le frequenze armoniche sono quattro, mentre la quinta oscillazione coincide con quella del modo fondamentale.

Delle quattro frequenze armoniche le prime due (o1 e o2) sono determinate dalle cavità più profonde, le altre due (o3 e o4) dalle cavità meno profonde. La frequenza fondamentale of, invece, è determinata da entrambi i tipi di cavità, per cui dipende dal rapporto di profondità di queste.

Per finire, ecco qualche informazione costruttiva. Le aziende che costruiscono magnetron sono, grosso modo, le stesse che producono normali valvole elettroniche (per quel poco d'uso che se ne fa ancora oggi, seppur indispensabile) o aggeggi elettronici di ogni genere: particolarmente famose sono quelle della statunitense Raytheon, da sempre impegnata nelle costruzioni militari (tra cui i radar) e nella produzione di elettrodomestici (tra cui i forni a microonde) e la Varian Associates Inc. Ma ce ne sono altre di aziende che producono questo genere di tubo come, ad esempio, Siemens, Philips ecc.. Per i forni a microonde si usano molto anche i klystron e comunque le potenze richieste sono basse (da poche centinaia di Watt a poco oltre il il kiloWatt) e la frequenza intorno ai 2,5 gigaHertz (pensate, le molecole delle parti liquide degli alimenti si riscaldano perché si polarizzano nei due versi due miliardi e mezzo di volte al secondo). Per i radar la produzione di magnetron spazia su di una più vasta scelta di modelli in base a potenza di emissione e frequenza di lavoro: i più potenti "sparano" in etere oltre un gigaWatt (cioè più di 1000 kiloWatt), mentre i meno potenti devono essere, perlomeno, da 20-30 kiloWatt. È possibile raggiungere queste alte potenze dato che, nei radar, il funzionamento è a regime impulsivo (impulsi di pochi kiloHertz) e non a regime continuo come nei forni a microonde o nei forni industriali di essiccamento. Le frequenze, per le applicazioni radar, vanno da oltre il gigaHertz ad oltre 50 GHz (il modello 4J47, ad esempio, può lavorare intorno ai 3,5 GHz).