Буквально на днях появилась интересная новость, что Китай разработал микроволновое оружие для уничтожения низкоорбитальных спутников. Быстрая перезаряжаемость, дальнобойность, а также «трудная доказуемость» — видимо, именно эти факторы стали ключевыми стимулами для разработки подобного устройства.
В связи с этим мне кажется достаточно интересным разобраться глубже: а что, собственно говоря, представляют собой излучатели микроволн в целом?
Для рассмотрения возьмём наиболее близкий для нас пример — обычную бытовую микроволновку :-)
В рассказе ниже мы более подробно остановимся на технических моментах, чем на общеизвестных фактах появления, развития и распространения микроволновых устройств, — так как именно техническая сторона, на мой взгляд, представляет значительный интерес, поскольку реализует на практике достаточно любопытные принципы функционирования…
Итак, микроволновка… Сам принцип, будучи открытым ещё в 1945 году американским инженером Перси Спенсером, привёл сначала к появлению первых достаточно габаритных прототипов (весом 340 кг), которые устанавливались в госпиталях и столовых — то есть применялись в армейских целях (и не только).
В дальнейшем, видя перспективность принципа, заложенного в основу устройства, ряд компаний начали разрабатывать на его основе свои аппараты, что со временем и привело к широкому распространению микроволновых нагревателей, которые мы знаем как микроволновые печи.
Принцип действия подобных бытовых микроволновых печей основан на идее раскачивания дипольных молекул воды, где одна часть молекулы, содержащая кислород, отрицательно заряжена, в то время как часть с атомами водорода заряжена положительно:
В результате это приводит к высокочастотному циклическому развороту молекулы в соответствии с фазой конкретной полуволны, вследствие чего из-за межмолекулярного взаимодействия разных молекул (грубо говоря, трения, хотя процесс несколько тоньше) происходит выделение большого количества тепла.
Частота излучения на этапе разработки была подобрана таким образом, чтобы она была достаточно низкой для проникновения в вещество на глубину порядка одного–двух сантиметров, но и не слишком низкой; то же касается и чрезмерно высокой частоты (чтобы не была слишком высокой):
-
если будет слишком низкой, то излучение может проходить насквозь, и особенно эта проблема будет существенна для малых объёмов разогреваемого продукта;
-
если слишком высокой, то излучение не сможет проникнуть достаточно глубоко, что приведёт к поджариванию корочки вместо прогрева на глубину.
Таким образом, текущая частота (2450 МГц) большинства бытовых микроволновых печей является компромиссом между этими двумя границами и была выбрана осознанно.
При этом, что интересно, частота может быть произвольным образом изменена (при желании) всего лишь изменением конструкции магнетрона (об этом мы ещё поговорим ниже).
Ну и, как многие уже, наверное, знают, сердцем любой микроволновки является так называемый «магнетрон», представляющий собой своего рода вариацию электронной лампы:*
*Почему электронной лампы? Здесь так же, как и в электронных лампах, в основе принципа работы устройства лежит термоэлектронная эмиссия — то есть явление испускания электронов нагретым металлом.
Центральным элементом магнетрона является анодно-катодный блок, представляющий собой вакуумированный объём, в центре которого находится спираль накаливания (катод, излучатель электронов), окружённая массивным анодным блоком (приёмник электронов), в котором по кругу идёт ряд камор (называемых резонаторами), связанных с центральным каналом узкими прорезями. В этом центральном канале и установлена спираль накаливания:
Кстати, любопытный исторический факт: если вам внешний вид анодного блока ничего не напоминает, то подскажу, что один из первых прототипов имел анодный блок, изготовленный тем же способом и на том же оборудовании, что и револьверы одной из известных марок. Таким образом, можно сказать, что анодный блок представляет собой по сути адаптированный под радиоэлектронные цели барабан револьвера! Выглядело оно примерно так:
А теперь посмотрим, как оно всё-таки работает…
Как уже было выше сказано, в центральном канале анодного блока находится катод, представленный нагревательной спиралью, которая подогревается обычно достаточно низким напряжением 3-4 В (для безопасности), но достаточно большим током — до 15А:
Нагрев производится до температур в районе 2000°С (чтобы выдержать такую температуру, спираль катода специально изготавливается из тугоплавких материалов, например, вольфрама).
Так как спираль находится в вакууме, нагрев до таких температур приводит к интенсивному вылету электронов с её поверхности, которые стремятся прилететь по самой короткой траектории к поверхности анодного блока — что не привело бы ни к чему, кроме интенсивного перегрева и повреждения анода:
Во избежание этого и максимального извлечения энергии из электронов, выше и ниже анодного блока устанавливаются постоянные магниты:
Установка магнитов приводит к тому, что электроны начинают лететь не по прямой от анода к катоду, а по спиральной траектории, следуя силовым линиям магнитного поля.
В результате этого они постепенно отдают свою энергию и, только потеряв её, в самом конце сталкиваются с анодом, лишь незначительно нагревая его — где тепло как от спирали катода, так и от этих соударений отводится массивным радиатором снаружи, который мы могли видеть на самой первой картинке, где показан магнетрон в сборе. Торможение движения электронов происходит под воздействием поля из щелей.
Кстати, об этих щелях и резонаторах вообще: каждая конструкция из такой щели (правильнее будет сказать «из стенок щели») и цилиндрической окружности резонатора работает в качестве колебательного контура!
А именно: стенки щели выступают как обкладки конденсатора, а окружность работает в роли катушки индуктивности, где вся конструкция в сборе образует колебательный контур.
Если кто забыл, что это такое, «в двух словах»: простейший колебательный контур представляет собой конденсатор, катушку индуктивности и провода, соединяющие это всё воедино.
Когда конденсатор заряжен, он стремится разрядиться, при этом ток, протекающий через катушку индуктивности, вызывает возникновение электромагнитного поля.
Далее, когда ничто уже не может поддерживать это поле (то есть конденсатор разряжен и питание пропало), поле стремится исчезнуть, но оно не пропадает моментально, и этот процесс занимает некоторое время, в ходе которого возникает явление самоиндукции: спадающее поле вызывает возникновение тока, который заряжает конденсатор снова, только уже с обратной полярностью, после чего процесс повторяется.
Таким образом, мы здесь видим, что, по сути, происходит перетекание заряда из конденсатора в энергию поля и обратно, а количество циклов зависит от того, насколько быстро энергия будет растрачена сопротивлением проводников.
Попутно — любопытный познавательный факт: явление самоиндукции наблюдается практически везде, где присутствуют катушки, и зачастую представляет собой негативный фактор. Одним из довольно ярких примеров являются электромагниты для подъёма железного лома на специализированных свалках.
Видели, наверное, такую конструкцию: на груду лома сверху опускается специальный подъёмник, в котором включается электромагнитное поле, притягивающее лом, после чего подъёмник поднимается, относит этот лом в нужное место, где затем поле отключается, и лом падает.
И… да — как вы могли уже догадаться, именно в этот момент начинается генерация мощного импульса электрического тока, который идёт в обратную сторону — к управляющим схемам, и, если на этапе проектирования подобного подъёмника это не предусмотреть, управляющие схемы будут сожжены!
Насколько велик этот импульс? Начнём с того, что для срабатывания катушки в таких подъёмниках требуется преодолеть её изначальное индуктивное сопротивление (электромагнитное поле катушки мешает быстрому нарастанию тока). Чтобы это преодолеть, на неё подают ток высокого напряжения — вплоть до 20 кВ.
Возвращаясь к силе импульса, можно сказать, что ток и напряжение импульса, генерируемого катушкой, могут быть близки к рабочим (например, 80 А и 20 кВ) — таким образом, борьба с ними является весьма важной и обычно с этим справляются, направляя импульс в специальное сопротивление для перевода его в тепло.
В рассматриваемом нами случае наблюдается всё то же самое (т.е. работа колебательного контура): как только электрон подлетает к сегменту стенки, он индуцирует в ней заряд противоположного знака (грубо говоря, отталкивает в материале электроны таким образом, что в зоне, наиболее близкой к летящему электрону, образуется недостаток электронов, то есть стенка заряжается положительно).
Так как стенка поделена на сегменты, разделённые прорезями, то такой заряд стенки мгновенно приводит к индуцированию противоположных зарядов на противоположных стенках и, в более общем смысле, можно сказать, что происходит мгновенное перераспределение зарядов между стенками всех сегментов:
После того как электрон покинул зону около стенки, начинается разряд конденсатора, образованного стенками щели, в колебательный контур, сформированный периметром кольцевой прорези резонатора, при этом расположенные рядом резонаторы колеблются в противофазе:
Интересным моментом здесь является то, что конденсаторы в процессе этого не разряжаются полностью, так как они все взаимосвязаны и, по сути, в любой момент времени около множества стенок находится множество электронов. Таким образом, можно говорить лишь о некотором колебании уровня заряда/разряда конденсаторов, а не об их полном разряде.
Явление торможения электронов, когда они пролетают мимо щелей, полем, воздействующим на них из этих щелей, со временем приводит к образованию своеобразных «спиц» из электронов, и таким образом общая картина начинает сильно походить на настоящее колесо со спицами:
Учитывая то, что мы выше уже видели колебания рядом расположенных резонаторов в противофазе, нетрудно догадаться, что от количества резонаторов зависит длина волны!
Собственно говоря, так и проектируют магнетроны, меняя количество резонаторов (большинство типовых магнетронов имеют 8 резонаторов).
Таким образом, мы здесь видим, условно говоря, своеобразный «многоцилиндровый двигатель», где всё связано со всем, и теперь остаётся только каким-то образом организовать отбор полезной мощности для использования — для чего кусочек проводника связывают с одним из резонаторов и выводят наружу: здесь он выступает в роли антенны, излучающей радиоволны микроволнового диапазона.
Несмотря на то что антенна связана только с одним из резонаторов, нам приходит на помощь наша аналогия выше с многоцилиндровым двигателем — здесь наблюдается аналогичный процесс, где «множество цилиндров крутят единый вал», только в нашем случае множество резонаторов поддерживают амплитуду в одной-единственной антенне.
Для лучшего понимания того, как происходит излучение радиоволн проводником, приведу мою любимую картинку, где показан приём радиоволны: только в нашем случае представьте, что мы имеем лишь один «усик» антенны и не принимаем радиоволны, а подаём питание в антенну, и она является излучателем.
Для придания электронам нужной скорости между анодным блоком и катодом создаётся разность потенциалов в 4000 В, что обеспечивается повышающим трансформатором на 2000 В, на выходе которого установлен дополнительно умножитель Вилларда, который удваивает напряжение до 4000 В:
Говоря про магнетрон, нельзя не упомянуть и о фильтре на дросселях, который стоит на катоде и препятствует выходу СВЧ-излучения наружу, за счёт индуктивности катушек создавая непроходимое препятствие для высокочастотных колебаний тока; этим же целям служит и конденсатор, встроенный в разъём питания. Разбор этого блока с массой фотографий можно найти вот здесь.
Таким образом, если говорить в общем, то мы здесь видим на примере магнетрона ещё одну любопытную реализацию принципа манипулирования потоком электронов, что вновь дало интересные возможности…
Однако, что касается меня, то, на мой взгляд, самым поразительным вариантом манипулирования потоком электронов остаётся лазер на свободных электронах, позволяющий излучать лазерный луч произвольной длины волны без какого-либо источника света в составе самой лазерной установки!
Беглый анализ показывает, что, несмотря на некоторое варьирование окружающей инфраструктуры (систем питания, управления), а также материалов, из которых изготавливаются магнетроны, в своей сути они остались теми же устройствами той же конструкции, которые были разработаны много десятков лет назад (по крайней мере, что касается бытовых устройств). То есть можно сказать, что «устройство сразу получилось хорошо», и развивать его особо никто не спешит :-)
Однако, если взять ситуацию в целом, то она выглядит уже не так однозначно, так как развиваются как минимум твердотельные источники СВЧ-излучения и не только (правда, для мощностей, сравнимых с микроволновками, они пока совершенно неподъёмны по стоимости для бытового применения, но не для промышленного или военного).
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: DAN_SEA
