Magnétron

Magnétron

Magnétron

Magnétron de four à micro-ondes

Un magnétron est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique en énergie électromagnétique, sous forme de micro-onde.

Histoire

L'oscillation électromagnétique entre deux pôles a été développée durant les années 1920 par Albert W. Hull^[1] du laboratoire de recherche de la General Electric à Schenectady, New York, un système peu efficace. Ensuite, la première cavité résonnante a été créée par le tchèque Augustin Žáček, professeur de l'université Charles de Prague. Ce principe a été suivi à la fin des années 1930 pour créer le magnétron afin de fournir au radar naissant une source radio-électrique puissante (plusieurs centaines de watts) et de longueur d'onde centimétrique permettant une plus fine résolution de détection. Les oscillateurs à tubes utilisés auparavant étaient incapables de fournir de telles puissances (d'où une portée insuffisante des radars) et des fréquences élevées (d'où une discrimination angulaire faible).

Le magnétron permettait des fréquences élevées, de 250 MHz à 3 GHz (ondes décimétriques), et au-delà de 3 GHz (ondes centimétriques). L'usage des ondes centimétriques a permis la réduction de la taille des antennes et ainsi la construction de radars embarqués dans les bateaux d'abord, puis les avions. Jusqu'en 1940, les magnétrons étaient équipés d'une anode à segments multiples, et leur puissance qui ne dépassait pas la centaine de watts ne permettaient pas d'envisager la détection précise d'avions. Les premières applications visées était donc la détection d'icebergs et de navires. Le Normandie sera ainsi équipé d'un radar expérimental de la SFR en 1936^[2].

En février 1940, à l'université de Birmingham, dans le groupe de Marcus Oliphant qui travaillait intensivement sur le développement des radars militaires britanniques, Randall et Boot obtinrent des puissances accrues avec une nouvelle structure à six cavités cylindriques à la place de l'anode à segments multiples. Le développement de ces magnétrons à cavités multiples fur confié au groupe dirigé par E.C.S. Megaw, au laboratoire de Wembley de la GEC. Megaw était un spécialiste des magnétrons à segments multiples qu'il avait récemment équipé d'un refroidissement à eau. Megaw sortit en mai 1940 une première version scellée du magnétron de Randall et Boot, sous le nom de E1188. Mais le 8 et 9 mai, il reçut la visite de son collègue français de la CSF , Maurice Ponte accompagné du Commandant Labat qui lui apportèrent un prototype du M-16 développé par Henri Gutton dans les laboratoires de la SFR, filiale de la CSF. Le magnétron que Ponte avait apporté comportait une cathode à oxyde à la place de la cathode à fil de tungstène, ce qui résolvait les problèmes de durée de vie, tout en accroissant aussi la puissance. La deuxième version construite par Megaw, le E1189 incorporait une cathode à oxyde du magnétron de Gutton, ce qui permettait de supprimer le refroidissement à eau^[3],[4]. Les deux innovations, cavités multiples et cathode à oxyde, furent à la base des développements éffectués dans les laboratoires américains^[5].

L'envoyé de la Mission Tizard, Edward George Bowen, remit un exemplaire de magnétron à cavité aux Américains afin de pouvoir le fabriquer à grande échelle, la Grande-Bretagne n'ayant ni les moyens financiers, ni les infrastructures en cette période difficile. Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) créa donc le Radiation Lab pour l'étude et le développement de magnétrons plus perfectionnés. Les progrès technologiques apportés au magnétron (cavités) ont fourni aux Alliés une avance technologique qui a joué un rôle prépondérant dans l'issue de la Seconde Guerre mondiale. Les Allemands ont également poursuivi des recherches en ce domaine et Hans Hollmann de Berlin a pris un brevet en 1935 sur un magnétron à multiples cavités résonnantes que l'armée allemande délaissa au profit du klystron plus stable en fréquence.

Principe de fonctionnement

Le magnétron est un tube à vide sans grille d'arrêt, avec une cathode centrale, chauffée par un filament, et une anode massique et concentrique dans laquelle sont creusées plusieurs cavités résonnantes. Un champ magnétique axial, généralement créé par deux aimants permanents à chaque extrémité du tube. Le parcours en spirale (du fait du champ magnétique) des électrons se fait à une fréquence accordée aux cavités résonnantes.

Le magnétron étant auto-oscillant, il permet des montages simples, comme dans les fours à micro-ondes. Les puissances disponibles sont de l'ordre de quelques kW en continu (des MW crête) à 3 GHz et de centaines de watts (des centaines de kW crête) à 10 GHz. Des magnétrons sont disponibles jusqu'à 35 GHz (bande Ka). Pour obtenir ces puissances une tension électrique de plusieurs milliers de volts est nécessaire.

Par contre, les caractéristiques de l'onde produite (phase notamment) sont difficilement maîtrisables ce qui a longtemps limité son emploi. L'introduction du verrouillage par injection a permis une grande avancée dans ce domaine. Il est ainsi devenu possible d'étendre l'utilisation du magnétron, nettement moins onéreux que les autres dispositifs hyperfréquences.

Utilisation

De nos jours, le magnétron a deux usages principaux :

• Le radar où il est concurrencé par le klystron, le carcinotron, le TOP (tube à ondes progressives) et désormais les semi-conducteurs.
• Le four à micro-ondes. D'après la petite histoire, c'est un technicien radar ayant constaté que sa « gamelle » posée à côté de l'antenne émettrice était chaude, qui est à l'origine de l'invention du four à micro-ondes. On cite également les pigeons qui tombaient cuits après être passés à proximité des antennes des premiers radars anglais.

Références

• Portail de l’électricité et de l’électronique
• Portail de la physique