AUTOPSIE D’UN FOUR A MICRO-ONDE

 

   Bien avant d’avoir appris que F3WM avait déjà parlé dans son site du même sujet, j’avais entrepris avec mon gendre la même opération. Mon but était d’essayer de répondre à une question que je me posais : quel pouvait être la nature de la cathode des magnétrons utilisés dans nos fours à micro-onde.

   Lorsque je côtoyais les radars d’aviation, les magnétrons utilisés avaient des cathodes à oxydes à chauffage indirect demandant un temps de préchauffage. Or nos fours à micro-onde actuels démarrent instantanément. J’avais donc envie de voir la cathode de leurs magnétrons.

   Un vieux four à micro-onde acheté chez le ferrailleur du coin fut la victime du dépeçage. En réalité c’est mon gendre qui a assuré tout le travail.

   La structure générale du four à micro-onde a été bien décrite par F3WM et nous renvoyons à son site, très diversifié et très intéressant : http://f3wm.free.fr/sciences/mo.html pour cette structure générale ; signalons toutefois que les impulsions négatives appliquées à la cathode du magnétron (l’anode étant à la masse par construction) ne sont pas de 2500 volts mais plutôt de 5000 V, en raison de la présence de la diode et du condensateur.

   Nous nous intéressions particulièrement au magnétron ; celui-ci et ses aimants sont enclos dans une boîte en tôle comportant de nombreuses cloisons internes en aluminium en étroit contact thermique et électrique avec l’extérieur de la cavité du magnétron. A ce stade, nous n’avons pas fait de photographie ; nous renvoyons donc à celle figurant dans l’article de F3WM, sur laquelle ces cloisons sont bien visibles. Elles servent de refroidisseur. La boîte en fer referme le flux magnétique des aimants.

   Deux passages à haut isolement donnent accès à la cathode à travers un filtre limitant les fuites de haute fréquence dans le circuit cathode. Une courte antenne cylindro-cônique assure la sortie de la haute fréquence.

   Nous avons poussé l’autopsie beaucoup plus loin que F3WM, celui-ci s’étant arrêté à la boîte contenant le magnétron.

Nous avons extrait le magnétron lui-même et ses deux aimants (photographie ci-dessous).

   A gauche le double accès à la cathode. A droite la sortie haute fréquence ; la coiffe métallique protège en même temps le queusot de pompage, car il ne faut pas oublier qu'il s'agit d'un tube à vide.Ce queusot est un tube de cuivre fermé par écrasement ; la lèvre très mince qui en résulte est fragile et doit être protégée.

   Les aimants annulaires en ferrite sont très puissants.

Une fois le magnétron séparé de ses aimants (photographie ci-dessous),

il nous fallait aller regarder à l’intérieur pour voir la cathode. Mon gendre avec patience et minutie a entrepris de scier par le milieu l’anode (c’est-à-dire le gros cylindre central en cuivre dans lequel sont taillées les cavités résonantes). Il y avait beaucoup de cuivre à scier et il fallait y aller très prudemment pour ne pas risquer d’endommager la cathode, objet final de cette autopsie.

   Finalement l'anode s'ouvrit en deux (Photo ci-dessus ) . On voit très bien les dix cavités résonantes ( fréquence 2,45 GHz ) qui interagissent avec le flux d’électrons s’écoulant de la cathode (dont on voit le chapeau sur la moitié droite ) vers les languettes terminant les cavités, en suivant des trajectoires enroulées par le champ magnétique des aimants.

   Cette disposition permet de convertir une partie ( importante ) de la puissance des impulsions à récurrence 50 Hz, puissance empruntée au secteur via le transformateur, en énergie très haute fréquence, prélevée dans une des cavités par une petite tige métallique (peu visible sur la photo ) aboutissant à l’antenne déjà mentionnée. C'est le queusot lui-même qui sert d'antenne : la petite tige en question est en effet pincée et écrasée dans le queusot au moment de la fermeture du tube. A travers un rudimentaire "cornet" adaptateur et une fenêtre en matière plastique, l'antenne rayonne l'énergie sous forme de micro-ondes dans le four proprement dit.

   Ces ondes, d’une longueur d’environ 12 centimètres, se réfléchissent sur les parois métalliques du four et cèdent leur énergie aux substances absorbantes qu’elles rencontrent sur leur trajet.
   La fréquence de 2,45 GHz a été choisie parce qu’elle correspond à une bande d’absorption de l’eau liquide, constituant essentiel de la plupart des aliments. L’énergie absorbée se retrouve en chaleur : les aliments s’échauffent de l’intérieur dans un four qui reste froid ou ne s’échauffe que peu et indirectement.
   Il est important de ne pas faire fonctionner le four sans matière absorbante à l’intérieur : l’énergie réfléchie peut endommager le magnétron.

Nous avons ensuite extrait la cathode (photos ci-dessous).

 

 

   C’est, comme je m’y attendais, une cathode à chauffage direct. C'est une hélice de neuf spires, de diamètre extérieur 4 mm. Le fil est assez gros ; mais quelle est sa nature ? Je dois avouer que je ne suis pas beaucoup plus avancé.

   Si je disposais toujours des moyens de faire un bon vide, j’alimenterais cette cathode par l’enroulement adéquat du transformateur après l’avoir bien entendu placée dans une enceinte vidée. La température de fonctionnement me renseignerait sur la nature de la cathode.

   Il est probable que cette température est élevée ; en effet il est indispensable que la température de régime s'établisse rapidement. La puissance du four est contrôlée en faisant varier le rapport travail / repos. Un séquenceur spécial est affecté à cette fonction. Pour simplifier la construction, les concepteurs ont prévu un transfo unique et le chauffage est coupé et rétabli en même temps que la haute tension. Or la température de régime est atteinte d'autant plus vite qu'elle est plus élevée, l'énergie rayonnée croissant beaucoup plus vite en fonction de la température que l'énergie stockée.

   La cathode gardera donc pour moi en partie son mystère.

   Mais cette "autopsie" a confirmé quelque chose que je soupçonnais : c'est un appareil de haute technologie que la production en série a introduit, pour un prix étonamment modeste, dans nos cuisines !

 

          COMPLEMENT

                                                                              

   Un internaute sympathique et passionné, Monsieur Christian Chazottes, m'a écrit pour me dire qu'il était équipé d'une pompe à palettes suivie d'une pompe moléculaire et qu'il se proposait de faire la manip' que je ne pouvais réaliser et m'envoyer la photographie de l'expérience. Cela me fit grand plaisir.

   Il démonta plusieurs fours pour prélever les magniétrons et en extraire les cathodes ; certaines se brisèrent, le métal du filament étant visiblement cassant. Il logea une des survivantes dans un bulbe, qu'il munit d'une fermeture aussi étanche que possible.

   Après obtention d'un vide suffisant il alimenta la cathode en régime normal par le transformateur d'origine et m'adressa plusieurs photographies. Ci-dessous, celle que je considère comme étant la plus démonstrative :

   Comme je m'y attendais la température de la cathode est très élevée ; sur la photographie on a une impression de blanc, mais Monsieur Chazottes me dit que ce n'est pas tout à fait le blanc éblouissant, mais plutôt un jaune très lumineux.

   A l'époque où je cotoyais les tubes à vide, ce qui correspondait le mieux à cette température était le tungstène thorié carburé, ce qui serait d'ailleurs en bon accord avec la fragilité constatée au démontage. Mais j'ignore les progrès ayant pu être faits dans ce domaine et il peut s'agir de tout autre chose. Toutefois, la température constatée exclut les cathodes genre cathodes à oxydes. Seule une analyse spectrographique pourrait nous indiquer la nature exacte.

    L'expérience fut fort intéressante et instructive et je remercie vivement Monsieur Chazottes.

 

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