Das Magnetron ist eine Vakuum-Laufzeitröhre zur Schwingungserzeugung im Mikrowellenbereich überwiegend bei 1...20 GHz.
Einsatzgebiete
Kontinuierlich arbeitende sog. Dauerstrich-Magnetrons werden hauptsächlich zur industriellen Erwärmung/Trocknung (HF-Heizung) und im Mikrowellenherd eingesetzt. Dabei spielt die gute Absorption der hierfür freigegebenen Frequenz von 2,45GHz in Wasser die ausschlaggebende Rolle. Eine weitere Anwendung von Dauerstrich-Magnetrons ist die Plasmaerzeugung für Beschichtungs-, chem. Reaktions- und Beleuchtungszwecke. Impuls-Magnetrons werden in Radargeräten zur Sendeimpulserzeugung und auch in EMP-Waffen verwendet.
Typische Daten
Magnetrons zählen mit Wirkungsgraden von bis zu 80% zu den effizientesten HF-Leistungsgeneratoren.
Die maximale HF-Leistung, die ein Magnetron abgeben kann, wird maßgeblich durch den vorgesehenen Frequenzbereich und die Konstruktion beeinflusst. Im Dauerstrichbetrieb können einige kW und im Impulsbetrieb mehr als 10 MW erzielt werden.
Die typische Anodenspannung des Magnetrons eines Haushalt-Mikrowellenofens beträgt 5 Kilovolt, die Heizspannung ist 3,3 Volt. Die abgegebene Leistung ist 600...900 Watt bei 2,45 GHz (12cm Wellenlänge).
Impulsmagnetrons in Rundsicht-Radargeräten werden mit gepulster Anodenspannung meist im zweistelligen kV-Bereich und Strömen oft im zweistelligen Ampere-Bereich betrieben. Die Impulsdauern liegen meist um oder unter 1 µs. Die Folgefrequenzen sind direkt aus der Reichweite ableitbar und liegen zwischen einigen 100 Hz und einigen kHz.
Aufbau und Funktion
Das Schlitz-Magnetron besteht aus einer walzenförmigen Kathode im Zentrum (Oxid- oder Vorratskathode), die mit einem Heizdraht erwärmt wird oder direkt aus einem solchen besteht. Sie ist von einem massiven, zylinderförmigen Anodenblock (meist Kupfer) umschlossen . In der Innenseite des Zylinders befinden sich die frequenzbestimmenden Hohlraumresonatoren. Es handelt sich meist um strahlenförmige, zum Heizdraht parallel verlaufende Schlitze, die zur zentralen Bohrung des Anodenblocks, dem sogenannten Wechselwirkungsraum, hin offen sind. Im Wechselwirkungsraum wirken elektrische und magnetische Felder gleichzeitig. Die Magnetfeldlinien verlaufen parallel zur Kathodenachse und durchsetzen den Wechselwirkungsraum. Das elektrische Feld bildet mit dem Magnetfeld einen rechten Winkel. Die von diesem beschleunigten Elektronen werden jedoch aufgrund der Lorentzkraft auf ihrem Weg zur Anode spiralförmig abgelenkt. Liegt ausreichend Spannung zwischen Anode und Kathode an, so fließt aufgrund des starken elektrischen Feldes dennoch Strom - die Elektronen haben nun einen ausreiched großen Bahnradius, um zur Anode zu gelangen. Dadurch wird die Anode von den Elektronen gestreift. Die meisten Elektronen laufen jedoch in speichenartigen Wolken auf einer Kreisbahn um.
Ausführungsformen von Hohlraumresonatoren sind: Lochresonator, Segmentresonator (Kreistyp), Schlitzresonator u. Mehrfrequenzresonator (Rising-Sun-Typ). Die Schlitze bilden eine ringförmig geschlossene Verzögerungsleitung. Das HF-Feld in dieser Leitung tritt mit den Elektronen in Wechselwirkung. Elektromagnetische Schwingungen in einem Hohlraumresonator breiten sich über den Wechselwirkungsraum und die Schlitze in den andern Hohlraumresonatoren aus. Es entsteht ein elektromagnetischer Schwingkreis der synchron zum HF-Feld schwingt. Folglich fließen auch Wechselströme entlang der Oberflächen der Schlitzwände. Die elektrischen Felder beeinflussen Bahn und Geschwindigkeit der umlaufenden Elektronen. Folge ist, dass die an den Schlitzen vorbeilaufenden Elektronen gebremst oder beschleunigt werden. Durch diese Geschwindigkeitsmodulation entsteht beim Umlaufen eine Dichtemodulation, welche durch ihre Raumladung seinerseits das HF-Feld der Resonatoren verstärkt. Wird die kinetische Energie eines Elektrons zu klein, so tritt es in den Anodenblock ein und ein anderes tritt aus der Kathode aus.
Ein mit einer Kopplungsschleife oder einem Schlitz mit einem der Hohlraumresonatoren verbundener Hohlleiter dient der Leistungsentnahme.
Kühlrippen am Außenblock (im Längsschnitt oben sind sie entfernt) ermöglichen Kühlung durch freie Konvektion oder einen Ventilator.
Geschichte
Der Physiker Heinrich Greinacher entwickelte vor 1912 eine Röhre, um das Verhältnis zu messen und stellte die Grundlegenden mathematischen Gleichungen auf. Die Röhre funktionierte aufgrund unzureichendem Vakuum in der Röhre und ungenügender Elektronenemission nicht. Der Physiker Albert W. Hull aus den U.S.A. 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 als Patent 2.123.728 ihm am 12. Juli 1938 gewährt wurde.
Mikrowellenherde gab es lange Zeit vor ihrem Haushalt-Einsatz nur in Flugzeugen zur effizienten Speisenerwärmung. Offensichtlich war dies für die an der Flugzeug-Entwicklung beteiligten Radartechniker ein naheliegendes Verfahren.
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