Magnetron

Das Magnetron ist eine Vakuum-Laufzeitröhre zur Schwingungserzeugung im Mikrowellenbereich (ca. 0,3 bis 300 GHz). Magnetrons haben einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % und sind somit sehr effiziente, preiswerte HF-Generatoren. Die Leistung und der Frequenzbereich werden maßgeblich durch die Konstruktion bestimmt. Man unterscheidet kontinuierlich arbeitende (Dauerstrich-)Magnetrons und Impulsmagnetrons. Im Dauerstrichbetrieb können einige kW und im Impulsbetrieb mehr als 10 MW erzielt werden.

Aufbau

Das Magnetron besteht aus einer walzenförmigen Glühkathode (Oxid- oder Vorratskathode) im Zentrum. Meist bildet der Heizdraht selbst die Kathode (sog. direkt beheizte Kathode). Sie ist von einem massiven, zylinderförmigen Anodenblock (meist Kupfer) umschlossen. Kühlrippen am Anodenblock ermöglichen Kühlung durch freie Konvektion oder ein Gebläse. In der Innenseite des Anodenblocks befinden sich frequenzbestimmende Hohlraumresonatoren. Es handelt sich meist um strahlenförmige, zum Heizdraht parallel verlaufende Schlitze (sog. Schlitzmagnetron), die in Richtung der zentralen Bohrung des Anodenblocks, dem sogenannten Wechselwirkungsraum, offen sind.

Andere Ausführungsformen der Hohlraumresonatoren sind: Lochresonator, Segmentresonator (Kreistyp), Mehrfrequenzresonator (Rising-Sun-Typ).

Das Magnetron benötigt zur Funktion ein axiales Magnetfeld, welches meist mit Dauermagneten erzeugt wird. Einer der Hohlraumresonatoren ist mit einer Kopplungsschleife oder mit einem Hohlleiter verbunden und dient der Leistungsentnahme.

Wirkungsweise

Im Wechselwirkungsraum wirken elektrische und magnetische Felder gleichzeitig. Die Magnetfeldlinien verlaufen parallel zur Kathodenachse und durchsetzen den Wechselwirkungsraum. Liegt Spannung zwischen Anode und Kathode an, werden aufgrund des elektrischen Feldes Elektronen hin zur Anode beschleunigt. Influence_Magnetron.jpg]] Das elektrische Feld bildet jedoch mit dem Magnetfeld einen rechten Winkel, daher werden die Elektronen aufgrund der Lorentzkraft von ihrer radialen Bahn spiralförmig abgelenkt. Dadurch bewegen sie sich im Wechselwirkungsraum um die Kathode herum. Erst ab einer recht hohen Anodenspannung kommt es zum Stromfluss.

MI-189W.jpg | MI-158.jpg Die Schlitze bilden eine ringförmig geschlossene Verzögerungsleitung: Elektromagnetische Schwingungen in einem Hohlraumresonator breiten sich über den Wechselwirkungsraum und die Schlitze in die anderen Hohlraumresonatoren aus. Es entsteht ein ringförmig geschlossener mehrpoliger elektromagnetischer Schwingkreis. In ihm treten Wechselspannungen zwischen den Enden der Anodensegmente und auch Wechselströme an den inneren Oberflächen der Schlitzwände auf. Das HF-Feld in diesem Ringresonator tritt mit den Elektronen in Wechselwirkung. Die resultierenden Felder beeinflussen Bahn und Geschwindigkeit der Elektronen. Die Folge ist, dass Elektronen gebremst oder beschleunigt werden und sich dadurch während ihres Umlaufes Bereiche höherer und niedrigerer Elektronendichte bilden. Diese Elektronenwolken verstärken ihrerseits die HF-Schwingungen des Ringresonators – es tritt Selbsterregung ein. Wird die kinetische Energie eines Elektrons zu klein, so tritt es in den Anodenblock ein und ein anderes tritt aus der Kathode aus.

Heizung der Kathode

Sobald das Magnetron durch Anlegen der Anodenspannung in Betrieb genommen wird, fällt ein kleiner Teil der Elektronen auf die Kathode zurück und wird in Wärmeenergie umgewandelt. Dann muss der Heizstrom für die Kathode reduziert werden um die Überhitzung zu vermeiden.

Anwendungen

Einsatzgebiete von Dauerstrich-Magnetrons sind hauptsächlich industrielle Erwärmung und Trocknung (HF-Heizung), Plasmaerzeugung und der Mikrowellenherd. Auch in Schwefellampen dient ein Magnetron zur Plasmaerzeugung. Impuls-Magnetrons werden in Impuls-Radargeräten zur Erzeugung der Sendeimpulse verwendet. In EMP-Waffen werden ebenfalls Impuls-Magnetrons verwendet: hierbei wird mittels gerichteter HF-Energie gegnerische Elektronik zerstört. Funkamateure verwenden Magnetrons zur Erde-Mond-Erde-Kommunikation.

Geschichte

Magnetron1.jpg Der Physiker Heinrich Greinacher entwickelte vor 1912 eine Röhre, um das Verhältnis

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zu messen und stellte die grundlegenden mathematischen Gleichungen auf. Die Röhre funktionierte aufgrund unzureichenden Vakuums in ihrem Inneren und ungenügender Elektronenemission nicht. Der Physiker Albert W. Hull aus den USA nutzte die Veröffentlichung von Greinacher, erweiterte die Theorie der Flugbahnen von Elektronen im Magnetron, verbesserte die Röhre und gab ihr den Namen. Hull entwickelte bei der Firma General Electric (GEC) 1921 das erste funktionierende Magnetron, welches aus mehreren koaxialen, zylinderförmig angeordneten Anodenwänden (engl. split-anode magnetron) und einer Kathode bestand. Durchsetzt wird die Anordnung von einem longitudinalen magnetischen Feld durch eine externe Spule. Ausgangsziel war es, ein magnetisch gesteuertes Relais bzw. Verstärker zu bauen mit der Möglichkeit, das Magnetron als HF-Generator zu nutzen. Sie sollten den Steuerelektroden der Firma Western Electric Co. Konkurrenz machen.

Eine davon unabhängige Entwicklung fand 1921 durch Erich Habann in Jena und August Žáček in Prag statt. Habann entwickelte ein Magnetron, das Frequenzen von 100 MHz erzeugte. Der wesentliche Unterschied zu dem Magnetron von Hull bestand darin, dass Habann (wie in heutigen Magnetrons) ein magnetisches Gleichfeld verwendete. Die Bedingungen, um die Dämpfung (durch Resonanz entstehende Schaltungsverluste) zu bewältigen, konnte Habann präzise vorausberechnen. Auf Grundlage der Berechnungen erzeugte Habann einen negativen differenziellen Widerstand. Žáček konnte durch die massive Zylinder-Anode Frequenzen von 1 GHz erreichen. Durch Schlitze in der Anode schaffte Kinjirō Okabe (岡部金治郎) an der Universität Tōhoku in Sendai (Japan) 1929 mit Frequenzen von 5,35 GHz den Durchbruch für Magnetrons im Zentimeter-Wellenbereich. Am 27. November 1935 meldete Hollmann ein Patent für das Vielschlitz-Magnetron an, welches ihm als Patent 2.123.728 am 12. Juli 1938 gewährt wurde.

Literatur

Heinrich Greinacher: ?, in: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Heft 14 (1912), S. 856
Albert W. Hull: The Measurement of Magnetic Fields of Medium Strength by Means of a Magnetron, in: Physical Review. Heft 22 (1923), S. 279–292 Physical Review Online Archive PROLA
Erich Habann: Eine neue Generatorröhre, in: Zeitschrift für Hochfrequenztechnik. Jahrbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie, Band 24. Krayn, Berlin 1924, S. 115ff. (zugleich Dissertation der Universität Jena, 1924)
August Žáček: ?, in: Časopis pro pěstování matematiky a fysiky, Heft 53 (1924), S. 378
Hans Erich Hollmann: Physik und Technik der ultrakurzen Wellen. Band 1. Erzeugung ultrakurzwelliger Schwingungen. Springer, Berlin 1936, Kapitel 4

Weblinks

Elektronenröhre