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Magnetron


Das Magnetron ist eine Laufzeitröhre, d. h. die Verstärkung erfolgt durch eine gezielte Geschwindigkeits-beeinflussung des Elektronenstroms innerhalb der Röhre. Magnetrons werden zur Schwingungserzeugung im Hoch- und Höchstfrequenzbereich von rund 1...250 GHz, in vielen Bereichen wie der Radartechnik, industriellen Elektronik aber auch in Küchengeräten wie der Mikrowellen eingesetzt.

Der Aufbau besteht aus einem ringförmigen Anodeblock und einer direkt oder indirekt geheizte Katode, die im Zentrum des Anodenblocks, dem sogenannten Wechselwirkraum, angebracht ist. In die ringförmige Anode sind die zur Schwingungserzeugung benötigten Hohlraumresonatoren eingebaut. Beim Schlitzmagnetron sind die Hohlraumresonatoren in Form von Schlitzen in der durch Blechstreifen aufgebauten Anoden realisiert.
Weiterhin wird zum Betrieb des Magnetron ein äusseres Magnetfeld angelegt werden, dessen Richtung 90° zur Anode verlaufen muss. Die erforderlichen Magneten können aussen angebaut aber auch fest in den Magnetronaufbau integriert werden.

Die Funktion beruht auf dem gleichzeitigen Einwirken eines elektrischen und eines magnetischen Feldes auf die Elektronen im sogenannten Wechselwirkungsraum.
Beim Vielschlitz- oder auch Block-Magentron ist der massive, zylinderförmige Anodenblock meist aus Kupfer gefertigt und aussen mit Kühlrippen versehen, um eine effektive Ableitung der Wärme durch Luft oder Wasserkühlung zu erreichen. In seine Wandung sind die frequenzbestimmenden Hohlraumresonatoren eingearbeitet, die durch strahlenförmig angeordnete Schlitze mit der zentralen Bohrung des Anodenblocks, dem Wechselwirkungsraum, verbunden sind. Einer der Hohlraumresonatoren enthält zur Energieabnahme eine Auskopplungsschleife oder ist mit einem Hohlleiter verbunden.


Die Funktion

Liegt am Anodenblock eine gegenüber der Katode positive Spannung, so fliest der Anodenstrom (Rote Pfeile). Die Feldlinien eines Magneten (Blaue Pfeile) durchsetzen den Wechselwirkungsraum parallel zur Katodenachse. Im Zentrum befindet sich die Katode.

Die Schlitze der einzelnen Hohlraumresonatoren bilden eine ringförmig geschlossene Verzögerungsleitung, auf der unter dem Einfluss der des Magnetfelds ein HF-Feld umläuft, in dem die Elektronen mit den Hohlraumresonatoren in Wechselwirkung tretren.
Die Elektronen erreichen den Anodenblock jedoch nicht auf dem kürzesten Weg, sondern durchlaufen unter dem Einfluss des elektromagnetischen Feldes (Abbildung links), welches durch die Polarisierung der Stege zwischen den Hohlraumresonatoren erzeugt wird, wellen- bzw. und spiralförmige Flugbahnen (Abbildung rechts).
Sie treffen daher meist nicht senkrecht auf die Anode, sondern streifen diese nur. In den Resonatoren werden hierdurch elektromagnetische Schwingungen erregt, die sich über die Schlitze und den Wechselwirkungs-raum gleichmässig auf die anderen Hohlraumresonatoren verteilen.

Eine Veränderungen des Hohlraumresonators und damit dessen Resonanzfrequenz führt zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz des Mangentrons und ermöglicht so den Bau von in gewissen Grenzen abstimmbaren Magnetronröhren.

Zwischen den Schlitzwänden einerseits und zwischen den Oberflächen der Anodensegmente andererseits treten Wechselspannungen auf, die sich in Größe und Richtung mit der Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes ändern.
Vor augenblicklich positiven Segmenten befindliche Elektronen werden zusätzlich beschleunigt und Elektronen vor negativen Segmenten abgebremst.


Durch diese Vorgänge bildet sich eine Elektronenverteilung von speichenförmiger Gestalt, die synchron mit dem HF-Feld auf der ringförmig geschlossenen Verzögerungsleitung umläuft.
Wenn die Speichen des Elektronenstrons den Schlitz eines Hohlraumresonators passieren werden diese abgebremt und geben dabei Energie ab, welche in den Hohlraumresonatoren verstärkt wird.

Über eine Koppelschleife oder einen Hohlleiter wird die erzeugte HF-Leistung an einem der Resonatoren abgenommen und aus dem Magnetron herausgeführt.
Durch den Energieaustausch zu langsam gewordene Elektronen treten in den Anodeblock ein und werden durch die aus der Katode austretenden Elektronen ersetzt.

Der Wirkungsgrad des Magnetrons ist mit bis zu 80% höher als der aller übrigen Elektronenröhren für den Höchstfrequenzbereich.
Seine Leistung erreicht, je nach Konstruktion und Frequenzbereich, bis zu einigen Kilowatt im Dauerstrichbetrieb und bis über 10MW im Impulsbetrieb.
Dauerstrich-Magnetrons werden hauptsächlich in der industriellen Erwärmung (HF-Heizung) und Sterilisation sowie Mikrowellengeräten eingesetzt. Impuls-Magnetrons finden ihre Verwendung in der Radartechnik. In den 60er Jahren wurde in Russland auch der Einsatz von Hochleistungs-Impulsmagnetrons im Bergbau erprobt.

Die Auskopplung
Hochfrequente Energien speziell bei höheren Leistungen werden aus technischen Gründen meist durch einen Hohlleiter an die Einsatzstelle geführten. Magnetrons als Generatoren für hohe Leistungen sind deshalb häufig mit direkten Hohlleiteranschlussflanschen ausgestatet.
Abhängig von der Frequenz und Ausgangsleistung des Magnetrons stehen für die Auskopplung aus einem Hohlraumresonator und die Speisung des Hohlleiters verschiedene Techniken zur Verfügung.
Magnetrons sind Vakuumröhren - die Durchführung durch den Anodenblock muss deshalb luftdicht ausgeführt werden. Die Auskopplungsmethoden aus einem Resonatorsteg, durch einen Kurzschlussring und die direkte Hohlleiterauskopplung sind hierbei sehr vorteilhaft, da diese leichter luftdicht ausgeführt werden können als Kopplungen in Koaxialleitungen.
 
Bei Magnetrons geringer Leistung und bei den Ausgangsfrequenzen unterhalb 10 GHz kann die Koppelschleife direkt aus dem Mittelleiter des Koaxialkabelabschnitts geformt und innerhalb eines beliebigen Resonators platziert werden.
Das Koaxialkabel speist wiederum den Hohlleiter

Mit steigender Frequenz ist die Anordnung der Koppelschleife außerhalb des Resonators notwendig, da deren Eigenresonanz die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators beeinflussen kann.

Alternativ dazu ist die Speisung der Auskopplung durch die HF- Spannung eines Segmentes möglich. Bei dieser Art der Auskopplung wird neben dem elektrischen auch das zwischen den Resonatoren auftretende magnetische Feld von der Koppelleitung erfasst und dem Hohlleiter zugeführt.

Die Auskopplung über einen Kurzschlussring ist ebenfalls möglich. Diese führt der Auskopplung die Energie einiger oder auch aller Hohlraumresonatoren zu und kann direkt einen Hohlleiter speisen.
Bei Magnetrons sehr hoher Frequenzen ist die direkte Auskopplung der HF-Energie über einen Schlitz in einer Hohlraumresonatorwand möglich. Hierfür sind geeignete Abmessungen des Hohlraumresonators nötig.

Die Hohlleiteröffnung wird am Flansch durch eine Metall-Glas-Verschmelzung luftdicht verschlossen. Diese Art der Auskopplung ist bei Magnetrons sehr hoher Ausgangsfrequenzen weit verbrietet.

Der Hohlraumresonator

Ebenso wie die Auskopplung aus dem Hohlraumresonator sind auch für den Resonator selbst verschiedene Bauarten verbreitet.
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Lochresonator mit runden Hohlraumresonatoren

Segmentresonator, wird auch als "Kreistyp" bzw. als Kreistyp-Magnetron bezeichnet.

Schlitzresonator

Mehrfrequenzresonator (Rising-Sun Typ)

Abstimmbares Magnetron
Durch eine Beeinflussung der Resonanzfrequenz der Hohlraumresonatoren kann die Ausgangsfrequenz des Magnetrons in gewissen Grenzen variiert werden.
Abstimmbare Magnetrone erlauben eine präzisere Sendefrequenz innerhalb eines konstruktiv vorgegebenen Frequenzbandes. Die Resonanzfrequenz wird durch kapazitiv oder induktiv wirkende mechanische Änderungen der Resonatoren bewirkt.
Ein abstimmbares Magnetron ist beispielsweise das M5114B welches im ASR-910 verwendet wird. Die Abstimmung wird bei diesem durch das Einscheiben von Stiften in die Hohlraumresonatoren erreicht. Die Stifte wirken als zusätzliche Induktivität und beeinflussen damit die Resonatorfrequenz.
Den Aufbau zeigt die nachfolgende Skizze:
Abstimmrahmen

Anodenblock
Abstimmstifte
(werden in der Höhe verschoben)


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Die Entwicklung des Magnetrons