Magnetron je visokozmogljiva vakuumska cev, ki se je uporabljala v zgodnjih radarskih sistemih in nato v mikrovalovnih pečicah in linearnih pospeševalnikih delcev. Magnetron z votlino ustvarja mikrovalove z uporabo interakcije toka elektronov z magnetnim poljem, medtem ko se premika mimo niza votlin resonatorjev, ki so majhne, odprte votline v kovinskem bloku. Elektroni prehajajo mimo votlin in povzročijo nihanje mikrovalov v notranjosti, podobno delovanju piščalke, ki proizvaja ton, ko ga vzbudi zračni tok, ki piha mimo njene odprtine. Resonančna frekvenca razporeditve je določena s fizičnimi dimenzijami votlin. V nasprotju z drugimi vakuumskimi elektronkami, kot sta klistron ali elektronka s potujočim valom (TWT), magnetron ne more delovati kot ojačevalnik za povečanje intenzivnosti uporabljenega mikrovalovnega signala; magnetron služi izključno kot elektronski oscilator, ki ustvarja mikrovalovni signal iz enosmernega električnega toka, ki je doveden v vakuumsko cev.

Vsi magnetroni z votlino so sestavljeni iz ogrevane cilindrične katode z visokim (zveznim ali impulznim) negativnim potencialom, ki ga ustvari visokonapetostni napajalnik z enosmernim tokom. Katoda je postavljena v sredino izpraznjene, rebraste, okrogle kovinske komore. Stene komore so anoda cevi. Magnetno polje vzporedno z osjo votline ustvarja trajni magnet. Elektroni se sprva radialno premikajo navzven od katode, ki jih privlači električno polje sten anode. Magnetno polje povzroči, da se elektroni spiralno vrtijo navzven po krožni poti, kar je posledica Lorentzove sile. Okoli roba komore so valjaste votline. Po dolžini votlin so izrezane reže, ki se odpirajo v osrednji, skupni votlinski prostor. Ko elektroni potujejo mimo teh rež, inducirajo visokofrekvenčno radijsko polje v vsaki resonančni votlini, kar povzroči, da se elektroni združijo v skupine. Del radiofrekvenčne energije se pridobi s kratko sklopno zanko, ki je povezana z valovodom (kovinsko cevjo, običajno s pravokotnim prerezom). Valovod usmerja ekstrahirano radiofrekvenčno energijo na breme, ki je lahko kuhalna komora v mikrovalovni pečici ali antena z visokim ojačenjem v primeru radarja.

Velikosti votlin določajo resonančno frekvenco in s tem frekvenco oddanih mikrovalov. Vendar frekvence ni mogoče natančno nadzorovati. Delovna frekvenca se spreminja s spremembami impedance bremena, s spremembami napajalnega toka in s temperaturo cevi. To ni problem pri uporabah, kot je ogrevanje, ali pri nekaterih oblikah radarjev, kjer je sprejemnik mogoče sinhronizirati z nenatančno frekvenco magnetrona. Kjer so potrebne natančne frekvence, se uporabljajo druge naprave, kot je npr. klistron.

Magnetron je samonihajna naprava, ki ne potrebuje nobenih zunanjih elementov razen napajanja. Preden se pojavi nihanje, je treba uporabiti natančno določeno mejno anodno napetost. Ta napetost je funkcija dimenzij resonančne votline in uporabljenega magnetnega polja. Pri impulznih aplikacijah pride do zakasnitve več ciklov, preden oscilator doseže polno največjo moč.

Sodobni magnetron je dokaj učinkovita naprava. V mikrovalovni pečici bo na primer vhodna moč 1,1 kW na splošno ustvarila približno 700 W mikrovalovne moči, kar je približno 65-odstotna učinkovitost. Nekateri veliki magnetroni so vodno hlajeni. Magnetron je še vedno v široki uporabi v vlogah, ki zahtevajo visoko moč, kjer pa natančen nadzor nad frekvenco in fazo ni pomemben.

https://en.wikipedia.org/wiki/Cavity_magnetron

Magnetron je izumil Hans Gerdien (1877–1951) iz korporacije Siemens leta 1910. Leta 1924 sta češki fizik August Žáček (1886–1961) in nemški fizik Erich Habann (1892–1968) neodvisno odkrila, da lahko magnetron ustvarja valove od 100 MHz do 1 GHz. Habann, študent Univerze v Jeni, je raziskoval magnetron za svojo doktorsko disertacijo leta 1924. Skozi leta 1920 so Hull in drugi raziskovalci po vsem svetu delali na razvoju magnetrona. Večina teh zgodnjih magnetronov je bila steklenih vakuumskih cevi z več anodami. Vendar je imel dvopolni magnetron, znan tudi kot magnetron z deljeno anodo, razmeroma nizko učinkovitost.

Medtem ko so med drugo svetovno vojno razvijali radar, je obstajala nujna potreba po zmogljivem mikrovalovnem generatorju, ki bi deloval na krajših valovnih dolžinah, okoli 10 cm (3 GHz). Znano je bilo, da je Hans Hollmann v Berlinu leta 1935 razvil in patentiral resonančni magnetron z več votlinami. Vendar pa je nemška vojska menila, da je frekvenčno območje Hollmanove naprave neustrezno in je svoje radarske sisteme namesto tega zasnovala na klistronu. Toda klistroni takrat niso mogli doseči tako visoke izhodne moči, kot so jo dosegli magnetroni. To je bil eden od razlogov, da nemški nočni lovski radarji, ki nikoli niso presegli nizkega pasu UHF, sprva niso bili kos svojim britanskim sorodnikom.

Leta 1940 sta John Randall in Harry Boot na Univerzi v Birminghamu v Veliki Britaniji izdelala delujoč prototip magnetrona z votlino, ki je proizvedel približno 400 W. V enem tednu so moč izboljšali na 1 kW, v naslednjih nekaj mesecih pa se je moč z dodatkom vodnega hlajenja in številnimi drobnimi spremembami dvignila na 10 in nato na 25 kW. Leta 1941 je bil rešen še problem frekvenčne nestabilnosti, in sicer tako, da je James Sayers povezal izmenične votline znotraj magnetrona, kar je zmanjšalo nestabilnost za faktor 5–6. Odkritje Randalla in Boota je bil velik preboj in so ga mnogi ocenili za najpomembnejši izum, ki je izšel iz druge svetovne vojne.

Magnetron z votlino se je med drugo svetovno vojno pogosto uporabljal v mikrovalovni radarski opremi in se mu pogosto pripisuje, da je zavezniškemu radarju dal znatno prednost v zmogljivosti pred nemškimi in japonskimi radarji, kar je neposredno vplivalo na izid vojne. Centimetrski radar, ki ga je omogočil magnetron z votlino, je omogočil zaznavanje veliko manjših predmetov in uporabo veliko manjših anten. Kombinacija magnetronov z majhno votlino, majhnimi antenami in visoko ločljivostjo je omogočila namestitev majhnih visokokakovostnih radarjev v letala.

Do danes se je uporaba magnetronov v radarjih zaradi potrebe po natančnejših signalih zmanjšala. Razvijalci so prešli na klistron in na cevi s potujočimi valovi.