Magnetrón de cavidad

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Dispositivo para la generación de microondas
Magnetron con sección removida para exhibir las cavidades. La cátodo en el centro no es visible. La antena que emite microondas está a la izquierda. Los imanes que producen un campo paralelo al eje largo del dispositivo no se muestran.
Un magnetrón similar con una sección diferente. La cacaota central es visible; la antena que conduce microondas en la parte superior; los imanes no se muestran.
Obsoleto 9 GHz tubo de magnetrón e imanes de un radar aéreo soviético. El tubo se abraza entre los polos de dos imanes alnicos en forma de herradura (top, bottom), que crea un campo magnético a lo largo del eje del tubo. Los microondas son emitidos por la abertura de la guía de onda (top) que en uso se adjunta a una guía de onda que conduce las microondas a la antena de radar. Los tubos modernos usan imanes de tierra rara, electromagnetes o imanes ferrosos que son mucho menos voluminosos.

El magnetrón de cavidad es un tubo de vacío de alta potencia utilizado en los primeros sistemas de radar y actualmente en hornos de microondas y aceleradores de partículas lineales. Genera microondas utilizando la interacción de una corriente de electrones con un campo magnético mientras pasa por 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 dentro, 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 arreglo está determinada por las cavidades' dimensiones físicas. A diferencia de otros tubos de vacío, como un klystron 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 oscilador, generando 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 de General Electric, EE. UU., comenzó el desarrollo de magnetrones para evitar las patentes de de Forest, pero estas nunca fueron completamente exitosas. Otros experimentadores retomaron el trabajo de Hull y Habann introdujo en Alemania en 1924 un avance clave, el uso de dos cátodos. señales de longitud de onda, lo que generó interés en todo el mundo. El desarrollo de magnetrones con cátodos múltiples fue propuesto por A. L. 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. limitado a quizás 10 W de salida. En ese momento, el klystron estaba produciendo más energía y el magnetrón no se usaba mucho, aunque Aleksereff y Malearoff construyeron un dispositivo de 300 W en la URSS en 1936 (publicado en 1940).

El magnetrón de cavidad fue una mejora radical introducida por John Randall y Harry Boot en la Universidad de Birmingham, Inglaterra, en 1940. Su primer ejemplo funcional produjo cientos de vatios a una longitud de onda de 10 cm, un logro sin precedentes.. En cuestión de semanas, los ingenieros de GEC habían mejorado esto a más de un kilovatio, y en meses 25 kilovatios, más de 100 kW en 1941 y avanzando hacia un megavatio en 1943. Los pulsos de alta potencia se generaron desde un dispositivo del tamaño de un libro pequeño y transmitido desde una antena de solo centímetros de largo, reduciendo el tamaño de los sistemas de radar prácticos en órdenes de magnitud. Aparecieron nuevos radares para cazas nocturnos, aviones antisubmarinos e incluso los barcos de escolta más pequeños, y desde ese momento los Aliados de la Segunda Guerra Mundial mantuvieron una ventaja en radares que sus homólogos en Alemania y Japón nunca pudieron cerrar. Hacia el final de la guerra, prácticamente todos los radares aliados se basaban en un magnetrón.

El magnetrón siguió usándose en el radar en el período de la posguerra, pero cayó en desgracia en la década de 1960 cuando surgieron los klystrons 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 de pulso a pulso para realizar indicaciones de objetivos en movimiento y eliminar "desorden" de la pantalla del radar. El magnetrón sigue en uso en algunos sistemas de radar, pero se ha vuelto mucho más común como fuente de bajo costo para hornos de microondas. De esta forma, hoy en día se utilizan más de mil millones de magnetrones.

Construcción y operación

Diseño de tubo convencional

En un tubo de electrones convencional (tubo de vacío), los electrones se emiten desde un componente calentado con carga negativa llamado cátodo y son atraídos por un componente con carga positiva llamado ánodo. Los componentes normalmente están dispuestos de forma concéntrica, colocados dentro de un recipiente de forma tubular del que se ha evacuado todo el aire, para que los electrones puedan moverse libremente (de ahí el nombre de tubos de "vacío", llamados "válvulas" 34; 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 "triodo" porque ahora tiene tres electrodos) funcione como un amplificador porque las pequeñas variaciones en la carga eléctrica aplicada a la rejilla de control darán como resultado variaciones idénticas en la mucho más grande. corriente de electrones que fluye entre el cátodo y el ánodo.

Casco o magnetrón monoánodo

La idea de usar una rejilla para el control fue inventada por Philipp Lenard, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1905. Más tarde, Lee de Forest la patentó en los EE. sus patentes. Un concepto utilizó un campo magnético en lugar de una carga eléctrica para controlar el flujo de corriente, lo que condujo al desarrollo del tubo de magnetrón. En este diseño, el tubo estaba hecho con dos electrodos, normalmente con el cátodo en forma de varilla de metal en el centro y el ánodo como un cilindro alrededor. El tubo se colocó entre los polos de un imán de herradura dispuesto de manera que el campo magnético se alineara paralelo al eje de los electrodos.

Sin campo magnético presente, el tubo funciona como un diodo, con electrones fluyendo directamente desde el cátodo al ánodo. En presencia del campo magnético, los electrones experimentarán una fuerza en ángulo recto con respecto a su dirección de movimiento, de acuerdo con la regla de la mano izquierda. En este caso, los electrones siguen un camino curvo entre el cátodo y el ánodo. La curvatura de la trayectoria se puede controlar variando el campo magnético usando un electroimán o cambiando el potencial eléctrico entre los electrodos.

Con configuraciones de campo magnético muy altas, los electrones son forzados a regresar al cátodo, evitando el flujo de corriente. En el extremo opuesto, sin campo, los electrones pueden fluir libremente directamente desde el cátodo al ánodo. Hay un punto entre los dos extremos, el valor crítico o campo magnético de corte del casco (y voltaje de corte), donde los electrones llegan justo al ánodo. En los 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 el mayor peso y complejidad), por lo que los magnetrones vieron un uso limitado en diseños electrónicos convencionales.

Se notó que cuando el magnetrón operaba en el valor crítico, emitía energía en el espectro de radiofrecuencia. Esto ocurre porque algunos de los electrones, en lugar de llegar al ánodo, continúan dando vueltas en el espacio entre el cátodo y el ánodo. Debido a un efecto que ahora se conoce como radiación de 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 el estado de circulación en un momento dado es un pequeño porcentaje de la corriente total. También se notó 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 válvulas convencionales estaban limitados a las bandas de alta frecuencia y, aunque los sistemas de muy alta frecuencia estuvieron ampliamente disponibles a fines de la década de 1930, las bandas de ultra alta frecuencia y microondas estaban mucho más allá de la capacidad de los circuitos convencionales. El magnetrón fue uno de los pocos dispositivos capaces de generar señales en la banda de microondas y fue el único capaz de producir alta potencia en longitudes de onda centimétricas.

Magnetrón de ánodo dividido

magnetrón de anclaje (c. 1935). (izquierda) El tubo desnudo, de unos 11 cm de altura. (derecho) Instalado para uso entre los polos de un imán permanente fuerte

El magnetrón original era muy difícil de mantener funcionando en el valor crítico, e incluso entonces, la cantidad de electrones en el estado circular en cualquier momento era bastante baja. Esto significaba que producía señales de muy baja potencia. Sin embargo, como uno de los pocos dispositivos conocidos por crear microondas, el interés en el dispositivo y las posibles mejoras fue generalizado.

La primera gran mejora fue el magnetrón de ánodo dividido, también conocido como magnetrón de resistencia negativa. Como su nombre lo indica, este diseño usó un ánodo que se dividió en dos, uno en cada extremo del tubo, creando dos medios cilindros. Cuando ambos se cargaron al mismo voltaje, el sistema funcionó como el modelo original. Pero al alterar ligeramente el voltaje de las dos placas, los electrones' la trayectoria podría modificarse para que viajaran naturalmente hacia el lado de voltaje más bajo. Las placas estaban conectadas a un oscilador que invertía el voltaje relativo de las dos placas a una frecuencia dada.

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

Dado que todos los electrones en el flujo experimentaron este movimiento circular, la cantidad de energía de radiofrecuencia que se radiaba mejoró considerablemente. Y como el movimiento ocurría en cualquier nivel de campo más allá del valor crítico, ya no era 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 causando que se calentara. Como esto normalmente hace que se liberen más electrones, a veces podría provocar un efecto desbocado, dañando el dispositivo.

Magnetrón de cavidad

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

Un diagrama transversal de un magnetrón de cavidad resonante. Las líneas magnéticas de fuerza son paralelas al eje geométrico de esta estructura.

Mecánicamente, el magnetrón de cavidad consta de un gran cilindro sólido de metal con un orificio perforado en el centro de la cara circular. Un cable que actúa como cátodo se pasa por el centro de este orificio, y el bloque de metal forma el ánodo. Alrededor de este orificio, conocido como "espacio de interacción", hay una serie de orificios 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 cortaron con plantillas de pistola Colt. Recordando que en un circuito CA los electrones viajan a lo largo de la superficie, no del núcleo, del conductor, los lados paralelos de la ranura actúan como un capacitor mientras que los orificios redondos forman un inductor: un circuito LC hecho de cobre sólido, con la resonancia frecuencia definida enteramente por sus dimensiones.

El campo magnético se establece en un valor muy por debajo del crítico, por lo que los electrones siguen caminos de arco hacia el ánodo. Cuando golpean 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 con un material altamente conductor, casi siempre cobre, por lo que estas diferencias de voltaje hacen que las corrientes parezcan igualarlos. Dado que 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, ya que también llega la corriente adicional que fluye a su alrededor. Esto hace que se forme una corriente oscilante a medida que la corriente trata de igualar un punto, luego otro.

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 solo oscilador de microondas más grande. Un 'golpe', normalmente un cable en forma de bucle, extrae energía de microondas de una de las cavidades. En algunos sistemas, el cable del grifo se reemplaza por un orificio abierto, lo 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 cambia 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 de microondas.

Características comunes

Dibujo cortado de un magnetrón de cavidad de 1984. Parte del bloque de ánodo de cobre y imán derecho se corta para mostrar la cátodo y las cavidades. Este magnetrón antiguo utiliza dos imanes alnico de forma herradura, tubos modernos usan imanes de tierra rara.

Todos los magnetrones de cavidad constan de un cátodo cilíndrico calentado con un potencial negativo alto (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 de metal circular, lobulada y al vacío. 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 del cátodo atraídos por el campo eléctrico de las paredes del ánodo. El campo magnético hace que los electrones giren en espiral hacia afuera en una trayectoria circular, como consecuencia de la fuerza de Lorentz. Espaciadas alrededor del borde de la cámara hay cavidades cilíndricas. Se cortan ranuras a lo largo de las cavidades que se abren hacia el espacio central de la cavidad común. 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 en grupos. 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 RF extraída a la carga, que puede ser una cámara de cocción en un horno de microondas o una antena de alta ganancia en el caso de un radar.

Los tamaños de las cavidades determinan 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 operación varía con los cambios en la impedancia de carga, con los cambios en la corriente de suministro y con la temperatura del tubo. 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 klystron.

El magnetrón es un dispositivo auto-oscilante que no requiere elementos externos más que una fuente de alimentación. Se debe aplicar un voltaje de ánodo de umbral bien definido antes de que se acumule la oscilación; este voltaje es función de las dimensiones de la cavidad resonante y del campo magnético aplicado. En las aplicaciones pulsadas, hay un retraso de varios ciclos antes de que el oscilador alcance la máxima potencia máxima, y la acumulación de voltaje del ánodo debe coordinarse con la acumulación de la salida del oscilador.

Donde hay un número par de cavidades, dos anillos concéntricos pueden conectar paredes de cavidades alternas para evitar modos de oscilación ineficientes. Esto se llama pi-strapping porque las dos correas bloquean la diferencia de fase entre las cavidades adyacentes en π radianes (180°).

El magnetrón moderno es un dispositivo bastante eficiente. En un horno de microondas, por ejemplo, una entrada de 1,1 kilovatios generará generalmente 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 grandes de banda S pueden producir hasta 2,5 megavatios de potencia máxima con una potencia media de 3,75 kW. Algunos magnetrones grandes se enfrían con 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.

Aplicaciones

Radar

9.375 GHz 20 kW (peak) magnetron assembly for an early commercial airport radar in 1947. Además del magnetrón (derecha), contiene un tubo de conmutación TR (transmitir/recibir) y el extremo frontal del receptor de superheterodina, un oscilador local de tubo klystron de 2K25 y un mezclador de diodos de germanio 1N21. La abertura de la guía de onda (izquierda) está conectada con la guía de onda que va a la antena.

En un equipo de 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 que se irradie un pulso corto de energía de microondas de alta potencia. Como en todos los sistemas de radar primarios, la radiación reflejada por 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 da como resultado no solo cambios de frecuencia de un pulso al siguiente, sino también un cambio de frecuencia dentro de un pulso individual transmitido. 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 amplio ancho de banda permite que el receptor acepte el ruido eléctrico ambiental, lo que oscurece un poco los ecos débiles del radar y, por lo tanto, reduce 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, un radar con una salida de magnetrón de 2 a 4 kilovatios suele encontrarse montado muy cerca de un área ocupada por la tripulación o los pasajeros. En el uso práctico, estos factores han sido superados, o simplemente aceptados, y hoy en día hay miles de unidades de radar marino y de aviación de magnetrón en servicio. Los avances recientes en el radar de aviación para evitar el clima y en el radar marino han reemplazado con éxito el magnetrón con osciladores semiconductores de microondas, que tienen un rango de frecuencia de salida más estrecho. Esto permite utilizar un ancho de banda de receptor más estrecho y, a su vez, la relación señal-ruido más alta permite una potencia de transmisor más baja, lo que reduce la exposición a EMR.

Calefacción

Magnetron desde un horno microondas con imán en su caja de montaje. Las placas horizontales forman un fregadero de calor, refrigerado por flujo de aire de un ventilador. El campo magnético es producido por dos potentes imanes de anillo, el inferior de los cuales es sólo visible. Casi todos los modernos magnetrones de horno son de diseño y apariencia similar.

En los hornos de microondas, la guía de ondas conduce a un puerto transparente de 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 modo agitador motorizado en forma de ventilador en la guía de ondas (más a menudo en hornos comerciales), o por un plato giratorio que gira la comida (más común en los hornos de consumo). Un ejemplo temprano de esta aplicación fue cuando los científicos británicos en 1954 usaron un horno de microondas para resucitar hámsters congelados criogénicamente.

Iluminación

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 a la cavidad de iluminación que contiene la sustancia emisora de luz (p. ej., azufre, haluros metálicos, etc.). Aunque eficientes, estas lámparas son mucho más complejas que otros métodos de iluminación y, por lo tanto, no se usan comúnmente. Las variantes más modernas utilizan dispositivos semiconductores de potencia HEMT o GaN-on-SiC para generar microondas, que son sustancialmente menos complejos y se pueden ajustar para maximizar la salida de luz mediante un controlador PID.

Historia

En 1910, Hans Gerdien (1877–1951), de Siemens Corporation, inventó un magnetrón. En 1912, el físico suizo Heinrich Greinacher buscaba nuevas formas de calcular la masa del electrón. Se decidió por un sistema que consiste en un diodo con un ánodo cilíndrico que rodea un cátodo en forma de barra, colocado en el 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.

En los EE. UU., 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 usando campos eléctricos a través de la 'red'. Casco destinado a utilizar un campo magnético variable, en lugar de uno electrostático, para controlar el flujo de electrones del cátodo al ánodo. Trabajando en los Laboratorios de Investigación de General Electric en Schenectady, Nueva York, Hull construyó tubos que proporcionaban conmutación a través del control de la proporción de las intensidades de los campos magnético y eléctrico. Publicó varios artículos y patentes sobre el concepto en 1921.

Originalmente, el magnetrón del casco no estaba destinado a generar ondas electromagnéticas VHF (muy alta frecuencia). Sin embargo, en 1924, el físico checo August Žáček (1886–1961) y el físico alemán Erich Habann (1892–1968) descubrieron de forma independiente que el magnetrón podía generar ondas de 100 megahercios a 1 gigahercio. Žáček, profesor de la Universidad Charles de Praga, publicó primero; sin embargo, publicó en una revista de poca circulación y, por lo tanto, atrajo poca atención. Habann, estudiante de la Universidad de Jena, investigó el magnetrón para su tesis doctoral de 1924. A lo largo de la década de 1920, Hull y otros investigadores de todo el mundo trabajaron para desarrollar el magnetrón. 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 la 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 estaba disponible en los generadores de válvulas de la época. Se sabía que un magnetrón resonante de múltiples cavidades había sido desarrollado y patentado en 1935 por Hans Hollmann en Berlín. Sin embargo, el ejército alemán consideró que la deriva de frecuencia del dispositivo de Hollman no era deseable y, en cambio, basó sus sistemas de radar en el klystron. Pero los klystrons no pudieron en ese momento alcanzar la salida de alta potencia que finalmente alcanzaron los magnetrones. Esta fue una de las razones por las que los radares de los cazas nocturnos alemanes, que nunca se desviaron más allá de la banda UHF baja para los aviones de primera línea, no estaban a la altura de sus homólogos británicos. Asimismo, en el Reino Unido, Albert Beaumont Wood propuso en 1937 un sistema con "seis u ocho agujeros pequeños" perforado en un bloque de metal, que difiere de los diseños de producción posteriores solo en los aspectos del sellado al vacío. Sin embargo, su idea fue rechazada por la Marina, quien dijo que su departamento de válvulas estaba demasiado ocupado para considerarlo.

El original magnetrón de cavidad de Sir John Randall y Harry Boot se desarrolló en 1940 en la Universidad de Birmingham, Inglaterra, ahora en el Museo de Ciencias, Londres.
El electromagnet utilizado en conjunto con el magnetrón original de Randall y Boot, en el Museo de Ciencias, Londres.
El bloque de ánodo que forma parte del magnetrón de cavidad desarrollado por Randall y Boot

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. En una semana había mejorado a 1 kW, y en los meses siguientes, con la adición de refrigeración por agua y muchos cambios en los detalles, esto mejoró a 10 y luego a 25 kW. Para lidiar con su frecuencia de deriva, muestrearon la señal de salida y sincronizaron su receptor con cualquier frecuencia que realmente se estuviera generando. En 1941, el problema de la inestabilidad de frecuencia se resolvió mediante el acoplamiento de James Sayers ('flejado') de cavidades alternas dentro del magnetrón, lo que redujo la inestabilidad en un factor de 5 a 6. (Para obtener una descripción general de los primeros diseños de magnetrones, incluido el de Boot y Randall, consulte.) Según Andy Manning del Museo de Radar de Defensa Aérea de la RAF, el descubrimiento de Randall y Boot fue "un avance masivo, masivo". 34; y "considerado por muchos, incluso ahora, como el invento más importante que surgió de la Segunda Guerra Mundial", mientras que el profesor de historia militar en la Universidad de Victoria en la 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 aéreos, sigue siendo la pieza clave de tecnología que se encuentra en el corazón de su horno de microondas hoy. La invención del magnetrón de la cavidad cambió el mundo.

Como Francia acababa de caer ante los nazis y Gran Bretaña no tenía dinero para desarrollar el magnetrón a gran escala, Winston Churchill acordó que Sir Henry Tizard debería ofrecer el magnetrón a los estadounidenses a cambio de su ayuda financiera e industrial. Una versión temprana de 10 kW, construida en Inglaterra por los Laboratorios de Investigación de la Compañía General Electric, Wembley, Londres (que no debe confundirse con la compañía estadounidense de nombre similar General Electric), se llevó a la Misión Tizard en septiembre de 1940. A medida que la discusión se convirtió en 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 klystrons solo podían producir 10 W. Con una floritura, 'Taffy' Bowen sacó un magnetrón y explicó que producía 1000 veces más.

Bell Telephone Laboratories tomó el ejemplo y rápidamente comenzó a hacer copias, y antes de finales de 1940, el Laboratorio de Radiación se estableció en el campus del Instituto de Tecnología de Massachusetts para desarrollar varios tipos de radar utilizando el magnetrón. A principios de 1941, se estaban probando radares aerotransportados centimétricos portátiles en aviones estadounidenses y británicos. A fines de 1941, el Establecimiento de Investigación de Telecomunicaciones 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 usó ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial en equipos de radar de microondas y, a menudo, se le atribuye una ventaja considerable en el rendimiento de los radares aliados sobre los radares alemanes y japoneses, lo que influye directamente en el resultado de la guerra. Más tarde, el historiador estadounidense James Phinney Baxter III lo describió como "[l]a carga más valiosa jamás traída a nuestras costas".

El radar centimétrico, que fue 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 las aeronaves. Podrían ser utilizados por aviones de patrulla marítima para detectar objetos tan pequeños como un periscopio submarino, lo que permitía a los aviones atacar y destruir submarinos sumergidos que anteriormente eran indetectables desde el aire. Los radares de mapeo de contornos 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 armas también eran mucho más precisos que la tecnología anterior. Hicieron que los acorazados aliados con grandes cañones fueran más mortíferos y, junto con la espoleta de proximidad recientemente desarrollada, hicieron que los cañones antiaéreos fueran mucho más peligrosos para los aviones atacantes. A los dos acoplados y utilizados por baterías antiaéreas, colocados a lo largo de la ruta de vuelo de las bombas voladoras alemanas V-1 en su camino a Londres, se les atribuye 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; mientras que algunos han sido para radar, la gran mayoría ha sido para hornos de microondas. El uso en el radar en sí ha disminuido hasta cierto punto, ya que generalmente se necesitaban señales más precisas y los desarrolladores se han trasladado a klystron y sistemas de tubos de ondas viajeras para estas necesidades.

Peligros para la salud

ISO 7010 Signo de alerta: Radiación no ionizante

Al menos un peligro en particular es bien conocido y está documentado. Como el cristalino del ojo no tiene un flujo sanguíneo refrescante, 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 la vejez.

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

Todos los magnetrones contienen una pequeña cantidad de torio mezclado con tungsteno en su filamento. Si bien este es un metal radiactivo, el riesgo de cáncer es bajo ya que nunca se transporta por el aire con el uso normal. Solo si el filamento se saca del magnetrón, se tritura finamente y se inhala, puede representar un peligro para la salud.