Magnetron
Das Hohlraummagnetron ist eine Hochleistungsvakuumröhre, die in frühen Radarsystemen und derzeit in Mikrowellenöfen und linearen Teilchenbeschleunigern eingesetzt wird. Es erzeugt Mikrowellen durch die Wechselwirkung eines Elektronenstroms mit einem Magnetfeld, während er sich an einer Reihe von Hohlraumresonatoren vorbeibewegt, bei denen es sich um kleine, offene Hohlräume in einem Metallblock handelt. Dabei handelt es sich um kleine, offene Hohlräume in einem Metallblock. Die Elektronen passieren die Hohlräume und bringen die Mikrowellen darin zum Schwingen, ähnlich wie eine Pfeife einen Ton erzeugt, wenn sie durch einen Luftstrom angeregt wird, der an ihrer Öffnung vorbeigeblasen wird. Die Resonanzfrequenz der Anordnung wird durch die physikalischen Abmessungen der Hohlräume bestimmt. Im Gegensatz zu anderen Vakuumröhren, wie z. B. einem Klystron oder einer Wanderfeldröhre (TWT), kann das Magnetron nicht als Verstärker zur Erhöhung der Intensität eines angelegten Mikrowellensignals fungieren; das Magnetron dient ausschließlich als Oszillator, der aus dem der Vakuumröhre zugeführten Gleichstrom ein Mikrowellensignal erzeugt. ⓘ
Die Verwendung von Magnetfeldern als Mittel zur Steuerung des elektrischen Stromflusses wurde durch die Erfindung des Audions von Lee de Forest im Jahr 1906 angeregt. Albert Hull vom General Electric Research Laboratory begann mit der Entwicklung von Magnetrons, um de Forests Patente zu umgehen, aber diese waren nie vollständig erfolgreich. Andere Experimentatoren griffen die Arbeit von Hull auf, und ein entscheidender Fortschritt, die Verwendung von zwei Kathoden, wurde 1924 von Habann in Deutschland eingeführt. Die weitere Forschung blieb begrenzt, bis Okabe 1929 in einem japanischen Aufsatz die Erzeugung von Signalen im Zentimeterwellenbereich beschrieb, was weltweites Interesse hervorrief. Die Entwicklung von Magnetrons mit Mehrfachkathoden wurde 1934 von A. L. Samuel von den Bell Telephone Laboratories vorgeschlagen und führte zu Entwürfen von Postumus (1934) und Hans Hollmann (1935). Die Produktion wurde von Philips, General Electric Company (GEC), Telefunken und anderen aufgenommen, wobei die Leistung auf etwa 10 W begrenzt war. Zu diesem Zeitpunkt erzeugte das Klystron bereits mehr Leistung, und das Magnetron war nicht mehr weit verbreitet, obwohl Aleksereff und Malearoff 1936 in der UdSSR ein 300-W-Gerät bauten (veröffentlicht 1940). ⓘ
Das Hohlraummagnetron war eine radikale Verbesserung, die 1940 von John Randall und Harry Boot an der Universität von Birmingham, England, eingeführt wurde. Ihr erstes funktionierendes Exemplar erzeugte Hunderte von Watt bei einer Wellenlänge von 10 cm, eine noch nie dagewesene Leistung. Innerhalb weniger Wochen steigerten die Ingenieure von GEC diese Leistung auf weit über ein Kilowatt, innerhalb weniger Monate auf 25 Kilowatt, 1941 auf über 100 kW und 1943 auf ein Megawatt. Die Hochleistungsimpulse wurden von einem Gerät von der Größe eines kleinen Buches erzeugt und von einer nur zentimeterlangen Antenne ausgestrahlt, wodurch die Größe praktischer Radarsysteme um Größenordnungen reduziert wurde. Es entstanden neue Radargeräte für Nachtjäger, U-Boot-Flugzeuge und selbst für die kleinsten Begleitschiffe, und von diesem Zeitpunkt an hatten die Alliierten im Zweiten Weltkrieg einen Vorsprung in Sachen Radar, den ihre Gegner in Deutschland und Japan nie wieder aufholen konnten. Gegen Ende des Krieges basierte praktisch jedes alliierte Radar auf einem Magnetron. ⓘ
Das Magnetron wurde in der Nachkriegszeit weiterhin für Radargeräte verwendet, fiel aber in den 1960er Jahren mit dem Aufkommen von Hochleistungs-Klystrons und Wanderfeldröhren in Ungnade. Ein Hauptmerkmal des Magnetrons ist, dass sich sein Ausgangssignal von Impuls zu Impuls ändert, sowohl in der Frequenz als auch in der Phase. Dadurch eignet es sich weniger für Impuls-zu-Impuls-Vergleiche zur Anzeige bewegter Ziele und zur Beseitigung von "Störungen" auf dem Radarbildschirm. Das Magnetron wird nach wie vor in einigen Radarsystemen eingesetzt, hat sich aber als kostengünstige Quelle für Mikrowellenöfen durchgesetzt. In dieser Form sind heute über eine Milliarde Magnetrons im Einsatz. ⓘ
Ein Magnetron ist eine Vakuum-Laufzeitröhre zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich (ca. 0,3 bis 95 GHz) mit einem Wirkungsgrad von bis zu 80 %. ⓘ
Magnetrone sind sehr effiziente, preiswerte Generatoren für Hochfrequenz. Leistung und Frequenz werden maßgeblich durch den mechanischen Aufbau bestimmt und sind meist nicht änderbar. ⓘ
Es wird in kontinuierlich arbeitende (Dauerstrich-) Magnetrone und Impulsmagnetrone unterschieden. Im Dauerstrichbetrieb können einige kW und im Impulsbetrieb mehr als 10 MW erzielt werden. Magnetrone zählen zu den Elektronenröhren. ⓘ
Links: HF-Ausgang als λ/4-Einspeisung in einen Hohlleitertrakt;
Rechts: Anschlüsse für Heizung und negative Hochspannung der Kathode. ⓘ
Aufbau und Betrieb
Zur Freisetzung von Elektronen durch Glühemission besitzen Magnetrone eine elektrisch geheizte Glühkathode. Diese ist oft direkt geheizt oder ein Heizanschluss ist mit der Kathode verbunden. Da Anodenblock, Magnet, Hohlleiterflansch bzw. Antennenstift Massepotential haben, muss die Heizspannungsversorgung des Magnetrons (mehrere Kilovolt) gegen Masse isoliert ausgeführt sein. An der Kathode liegt die gegenüber der Anode und somit Masse negative Betriebsspannung an. ⓘ
Die nebenstehende Abbildung zeigt die typische Schaltung eines Magnetron im Mikrowellenherd: Die 2000-V-Hochspannungswicklung ist einseitig geerdet und lädt, wenn ihr erdseitiges Ende den Minuspol bildet, über die Halbleiterdiode den Kondensator auf etwa 2800 V auf, während am Magnetron selbst nur die Flussspannung der Diode liegt. Kehrt sich dagegen in der nächsten Halbwelle die Spannung in der Hochspannungswicklung um, addiert sich die Spannung der Hochspannungswicklung und die des in Reihe geschalteten, geladenen Kondensators zur Anodenspannung von rund 5600 V. Es fließt kurzzeitig Strom durch das Magnetron. Die Kombination aus Kondensator und Diode ist ein Spannungsverdoppler. Das Magnetron arbeitet nur während einer Halbwelle im Rhythmus der Netzfrequenz. ⓘ
Im Bild des Impulsmagnetrons MI-189 (МИ-189А bis МИ-189Д) ist es der rotbraune Kunststoffkörper, der die Heizspannungs- und Kathodenanschlüsse gegen den Metallkörper des Magnetrons bzw. die Anode isoliert. Das МИ-189 hat eine Anodenspannung von etwa 13 kV, dementsprechend lang ist die Hülse. ⓘ
Sobald das Magnetron in Betrieb genommen wird, fällt ein kleiner Teil der Elektronen auf die Kathode zurück, und es wird Wärmeenergie frei. Daher muss besonders bei kontinuierlich arbeitenden Magnetronen die Heizspannung für die Kathode im Betrieb reduziert werden, um Übertemperatur zu vermeiden. In den technischen Daten von Magnetronen ist auch ein Maximalwert des Stehwellenverhältnises (VSWR) angegeben. Eine Fehlanpassung führt ebenfalls zu Überlastung. ⓘ
Konventionelle Röhrenkonstruktion
In einer herkömmlichen Elektronenröhre (Vakuumröhre) werden Elektronen aus einem negativ geladenen, beheizten Bauteil, der Kathode, emittiert und von einem positiv geladenen Bauteil, der Anode, angezogen. Die Komponenten sind in der Regel konzentrisch angeordnet und befinden sich in einem röhrenförmigen Behälter, aus dem die gesamte Luft evakuiert wurde, so dass sich die Elektronen frei bewegen können (daher der Name "Vakuum"-Röhren, im britischen Englisch "valves" genannt). ⓘ
Wenn zwischen Kathode und Anode eine dritte Elektrode (das so genannte Steuergitter) eingefügt wird, kann der Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode durch Veränderung der Spannung an dieser dritten Elektrode reguliert werden. Dadurch kann die so entstandene Elektronenröhre (die wegen ihrer drei Elektroden "Triode" genannt wird) als Verstärker fungieren, da kleine Schwankungen in der elektrischen Ladung, die an das Steuergitter angelegt wird, zu identischen Schwankungen im viel größeren Elektronenstrom führen, der zwischen Kathode und Anode fließt. ⓘ
Hüllenmagnetron oder Einzelanodenmagnetron
Die Idee, ein Gitter zur Steuerung zu verwenden, wurde von Philipp Lenard erfunden, der den Nobelpreis für Physik erhielt. In den USA wurde sie später von Lee de Forest patentiert, was zu umfangreichen Forschungen über alternative Röhrenkonstruktionen führte, die seine Patente umgehen würden. Ein Konzept sah vor, den Stromfluss durch ein Magnetfeld statt durch eine elektrische Ladung zu steuern, was zur Entwicklung der Magnetronröhre führte. Bei dieser Konstruktion bestand die Röhre aus zwei Elektroden, wobei die Kathode in der Regel die Form eines Metallstabs in der Mitte hatte und die Anode in Form eines Zylinders um sie herum. Die Röhre wurde zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten platziert, der so angeordnet war, dass das Magnetfeld parallel zur Achse der Elektroden ausgerichtet war. ⓘ
Ohne Magnetfeld arbeitet die Röhre wie eine Diode, wobei die Elektronen direkt von der Kathode zur Anode fließen. Bei Vorhandensein eines Magnetfeldes erfahren die Elektronen eine Kraft, die nach der Linken-Hand-Regel senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung steht. In diesem Fall folgen die Elektronen einem gekrümmten Weg zwischen Kathode und Anode. Die Krümmung des Weges kann entweder durch Veränderung des Magnetfeldes mit Hilfe eines Elektromagneten oder durch Veränderung des elektrischen Potentials zwischen den Elektroden gesteuert werden. ⓘ
Bei sehr hohen Magnetfeldeinstellungen werden die Elektronen auf die Kathode zurückgedrängt, was den Stromfluss verhindert. Im entgegengesetzten Extremfall, wenn kein Feld vorhanden ist, können die Elektronen direkt von der Kathode zur Anode fließen. Es gibt einen Punkt zwischen den beiden Extremen, den kritischen Wert oder das Hull-Cut-Off-Magnetfeld (und die Cut-Off-Spannung), an dem die Elektronen gerade die Anode erreichen. Bei Feldern um diesen Punkt herum arbeitet das Gerät ähnlich wie eine Triode. Die magnetische Steuerung führt jedoch aufgrund von Hysterese und anderen Effekten zu einer langsameren und weniger zuverlässigen Reaktion auf den Steuerstrom als die elektrostatische Steuerung mit einem Steuergitter in einer herkömmlichen Triode (ganz zu schweigen von dem höheren Gewicht und der größeren Komplexität), so dass Magnetrons in herkömmlichen elektronischen Konstruktionen nur begrenzt eingesetzt wurden. ⓘ
Es wurde festgestellt, dass das Magnetron, wenn es am kritischen Wert arbeitete, Energie im Radiofrequenzspektrum abgab. Dies liegt daran, dass einige der Elektronen nicht die Anode erreichen, sondern im Raum zwischen Kathode und Anode weiter kreisen. Aufgrund eines Effekts, der heute als Zyklotronstrahlung bekannt ist, strahlen diese Elektronen Hochfrequenzenergie ab. Der Effekt ist nicht sehr effizient. Irgendwann treffen die Elektronen auf eine der Elektroden, so dass die Anzahl der zirkulierenden Elektronen zu jedem Zeitpunkt nur einen kleinen Prozentsatz des Gesamtstroms ausmacht. Es wurde auch festgestellt, dass die Frequenz der Strahlung von der Größe der Röhre abhängt, und es wurden bereits frühe Beispiele gebaut, die Signale im Mikrowellenbereich erzeugten. ⓘ
Die frühen konventionellen Röhrensysteme waren auf den Hochfrequenzbereich beschränkt, und obwohl in den späten 1930er Jahren auch Systeme für sehr hohe Frequenzen auf den Markt kamen, lagen die Ultrahochfrequenz- und Mikrowellenbereiche weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Schaltungen. Das Magnetron war eines der wenigen Geräte, die in der Lage waren, Signale im Mikrowellenbereich zu erzeugen, und es war das einzige, das eine hohe Leistung bei Zentimeterwellenlängen erzeugen konnte. ⓘ
Spaltanoden-Magnetron
Das ursprüngliche Magnetron war nur sehr schwer auf dem kritischen Wert zu halten, und selbst dann war die Zahl der Elektronen im kreisenden Zustand zu jeder Zeit recht gering. Dies bedeutete, dass es nur Signale mit sehr geringer Leistung erzeugte. Da es sich jedoch um eines der wenigen bekannten Geräte zur Erzeugung von Mikrowellen handelte, war das Interesse an dem Gerät und möglichen Verbesserungen groß. ⓘ
Die erste große Verbesserung war das Split-Anode-Magnetron, auch bekannt als Magnetron mit negativem Widerstand. Wie der Name schon sagt, wurde bei dieser Konstruktion eine Anode verwendet, die in zwei Hälften geteilt war - eine an jedem Ende der Röhre - wodurch zwei Halbzylinder entstanden. Wenn beide auf dieselbe Spannung aufgeladen wurden, funktionierte das System wie das ursprüngliche Modell. Durch geringfügige Änderung der Spannung der beiden Platten konnte die Flugbahn der Elektronen jedoch so verändert werden, dass sie sich auf natürliche Weise in Richtung der Seite mit der niedrigeren Spannung bewegten. Die Platten waren an einen Oszillator angeschlossen, der die relative Spannung der beiden Platten mit einer bestimmten Frequenz umkehrte. ⓘ
Zu jedem beliebigen Zeitpunkt wird das Elektron auf natürliche Weise auf die Seite mit der niedrigeren Spannung der Röhre geschoben. Das Elektron schwingt dann hin und her, wenn sich die Spannung ändert. Gleichzeitig wird ein starkes Magnetfeld angelegt, das stärker ist als der kritische Wert in der ursprünglichen Konstruktion. Dies würde normalerweise dazu führen, dass das Elektron zurück zur Kathode kreist, aber aufgrund des oszillierenden elektrischen Feldes folgt das Elektron stattdessen einer Schleifenbahn, die zu den Anoden führt. ⓘ
Da alle Elektronen im Strom diese Schleifenbewegung erfahren, wurde die Menge der abgestrahlten HF-Energie erheblich verbessert. Und da die Bewegung bei jedem Feldwert jenseits des kritischen Wertes auftrat, war es nicht mehr notwendig, die Felder und Spannungen sorgfältig abzustimmen, und die Gesamtstabilität des Geräts wurde erheblich verbessert. Leider bedeutete das höhere Feld auch, dass die Elektronen häufig zur Kathode zurückkehrten, ihre Energie auf der Kathode ablagerten und diese aufheizten. Da dadurch normalerweise mehr Elektronen freigesetzt werden, konnte dies manchmal zu einem Runaway-Effekt führen und das Gerät beschädigen. ⓘ
Hohlraum-Magnetron
Der große Fortschritt bei der Entwicklung von Magnetrons war das Resonanzhohlraummagnetron oder Elektronenresonanzmagnetron, das nach einem völlig anderen Prinzip funktioniert. Bei diesem Design wird die Schwingung durch die physikalische Form der Anode und nicht durch externe Schaltungen oder Felder erzeugt. ⓘ
Mechanisch gesehen besteht das Hohlraummagnetron aus einem großen, massiven Metallzylinder mit einer Bohrung in der Mitte der kreisförmigen Fläche. In der Mitte dieses Lochs verläuft ein Draht, der als Kathode dient, während der Metallblock selbst die Anode bildet. Um dieses Loch herum, das als "Wechselwirkungsraum" bezeichnet wird, befinden sich eine Reihe ähnlicher Löcher ("Resonatoren"), die parallel zum Wechselwirkungsraum gebohrt und durch einen kurzen Kanal mit dem Wechselwirkungsraum verbunden sind. Der so entstandene Block sieht in etwa so aus wie der Zylinder eines Revolvers, nur mit einem etwas größeren zentralen Loch. Frühe Modelle wurden mit Colt-Pistolenschablonen geschnitten. Da sich die Elektronen in einem Wechselstromkreis an der Oberfläche und nicht am Kern des Leiters entlang bewegen, wirken die parallelen Seiten des Schlitzes wie ein Kondensator, während die runden Löcher eine Induktivität bilden: ein LC-Kreis aus massivem Kupfer, dessen Resonanzfrequenz ausschließlich durch seine Abmessungen bestimmt wird. ⓘ
Das Magnetfeld wird auf einen Wert eingestellt, der weit unter dem kritischen Wert liegt, so dass die Elektronen auf dem Weg zur Anode einen Lichtbogen bilden. Wenn sie auf die Anode treffen, wird sie in diesem Bereich negativ geladen. Da dieser Prozess zufällig ist, werden einige Bereiche mehr oder weniger stark aufgeladen als die umliegenden Bereiche. Die Anode besteht aus einem hoch leitfähigen Material, fast immer Kupfer, so dass diese Spannungsunterschiede zu einem scheinbaren Ausgleich der Ströme führen. Da der Strom um die Außenseite des Hohlraums herum fließen muss, braucht dieser Prozess Zeit. Während dieser Zeit werden zusätzliche Elektronen die heißen Stellen meiden und sich weiter entlang der Anode ablagern, da der zusätzliche Strom, der um sie herum fließt, ebenfalls ankommt. Dadurch entsteht ein oszillierender Strom, da der Strom versucht, eine Stelle auszugleichen, dann eine andere. ⓘ
Die oszillierenden Ströme, die um die Hohlräume fließen, und ihre Auswirkungen auf den Elektronenfluss in der Röhre führen dazu, dass in den Hohlräumen große Mengen an Mikrowellen-Hochfrequenzenergie erzeugt werden. Die Hohlräume sind an einem Ende offen, so dass der gesamte Mechanismus einen einzigen, größeren Mikrowellenoszillator bildet. Ein "Abgriff", normalerweise ein zu einer Schleife geformter Draht, entzieht einem der Hohlräume Mikrowellenenergie. Bei einigen Systemen wird der Abzweigdraht durch ein offenes Loch ersetzt, durch das die Mikrowellen in einen Wellenleiter fließen können. ⓘ
Da die Oszillation eine gewisse Zeit braucht, um sich zu etablieren, und zu Beginn zufällig ist, haben nachfolgende Starts unterschiedliche Ausgangsparameter. Die Phase wird fast nie beibehalten, was den Einsatz des Magnetrons in Phased-Array-Systemen erschwert. Auch die Frequenz driftet von Impuls zu Impuls, was bei einer größeren Anzahl von Radarsystemen ein größeres Problem darstellt. Für Dauerstrichradargeräte und Mikrowellenöfen stellt dies alles kein Problem dar. ⓘ
Gemeinsame Merkmale
Alle Hohlraummagnetrons bestehen aus einer beheizten zylindrischen Kathode mit einem hohen (kontinuierlichen oder gepulsten) negativen Potenzial, das durch eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung erzeugt wird. Die Kathode befindet sich in der Mitte einer evakuierten, gelappten, runden Metallkammer. Die Wände der Kammer bilden die Anode der Röhre. Ein Magnetfeld, das parallel zur Achse des Hohlraums verläuft, wird durch einen Permanentmagneten erzeugt. Die Elektronen bewegen sich zunächst von der Kathode radial nach außen, angezogen vom elektrischen Feld der Anodenwände. Das Magnetfeld bewirkt, dass sich die Elektronen spiralförmig auf einer Kreisbahn nach außen bewegen, eine Folge der Lorentz-Kraft. Um den Rand der Kammer herum sind zylindrische Hohlräume angeordnet. Entlang der Länge der Hohlräume sind Schlitze angebracht, die sich in den zentralen, gemeinsamen Hohlraum öffnen. Wenn die Elektronen an diesen Schlitzen vorbeifliegen, induzieren sie in jedem Resonanzraum ein hochfrequentes Radiofeld, das die Elektronen dazu bringt, sich zu Gruppen zusammenzuschließen. Ein Teil der Hochfrequenzenergie wird durch eine kurze Kopplungsschleife abgeleitet, die mit einem Hohlleiter (einem Metallrohr mit meist rechteckigem Querschnitt) verbunden ist. Der Hohlleiter leitet die extrahierte HF-Energie an die Last weiter, bei der es sich um eine Garkammer in einem Mikrowellenherd oder um eine hochempfindliche Antenne im Falle eines Radars handeln kann. ⓘ
Die Größe der Hohlräume bestimmt die Resonanzfrequenz und damit die Frequenz der abgestrahlten Mikrowellen. Die Frequenz ist jedoch nicht genau steuerbar. Die Betriebsfrequenz schwankt bei Änderungen der Lastimpedanz, bei Änderungen des Versorgungsstroms und bei der Temperatur der Röhre. Dies ist kein Problem bei Anwendungen wie Heizung oder bei einigen Formen von Radar, wo der Empfänger mit einer ungenauen Magnetronfrequenz synchronisiert werden kann. Wo präzise Frequenzen benötigt werden, werden andere Geräte wie das Klystron eingesetzt. ⓘ
Das Magnetron ist ein selbstschwingendes Gerät, das außer einer Stromversorgung keine externen Elemente benötigt. Bevor die Oszillation einsetzt, muss eine genau definierte Schwellenspannung an der Anode angelegt werden, die von den Abmessungen des Resonanzraums und dem angelegten Magnetfeld abhängt. Bei gepulsten Anwendungen gibt es eine Verzögerung von mehreren Zyklen, bevor der Oszillator die volle Spitzenleistung erreicht, und der Aufbau der Anodenspannung muss mit dem Aufbau der Oszillatorleistung koordiniert werden. ⓘ
Bei einer geraden Anzahl von Hohlräumen können zwei konzentrische Ringe abwechselnd die Wände der Hohlräume verbinden, um ineffiziente Schwingungsmoden zu verhindern. Dies wird als pi-strapping bezeichnet, weil die beiden Bänder die Phasendifferenz zwischen benachbarten Hohlräumen auf π Radiant (180°) festsetzen. ⓘ
Das moderne Magnetron ist ein recht effizientes Gerät. In einem Mikrowellenherd zum Beispiel erzeugt ein 1,1-Kilowatt-Eingang im Allgemeinen etwa 700 Watt Mikrowellenleistung, was einem Wirkungsgrad von etwa 65 % entspricht. (Die Hochspannung und die Eigenschaften der Kathode bestimmen die Leistung eines Magnetrons). Große S-Band-Magnetrons können bis zu 2,5 Megawatt Spitzenleistung mit einer durchschnittlichen Leistung von 3,75 kW erzeugen. Einige große Magnetrons sind wassergekühlt. Das Magnetron wird nach wie vor häufig für Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Leistung erfordern, bei denen es aber nicht auf eine präzise Steuerung von Frequenz und Phase ankommt. ⓘ
Anwendungen
Einsatzgebiete von Dauerstrich-Magnetronen sind hauptsächlich industrielle Erwärmung und Trocknung (HF-Heizung), Plasmaerzeugung und der Mikrowellenherd. ⓘ
In Schwefellampen und manchen Ionenquellen dient ein Magnetron zur Plasmaerzeugung. ⓘ
Impuls-Magnetrone werden in Impuls-Radargeräten auch heute noch oft zur Erzeugung der Sendeimpulse verwendet. ⓘ
Zum Sputtern (engl. für zerstäuben) werden neben anderen Techniken auch Magnetrone eingesetzt. ⓘ
In EMP-Waffen werden Impuls-Magnetrone sehr hoher Leistung verwendet: Dabei wird mittels gerichteter HF-Energie versucht, gegnerische Elektronik zu zerstören. ⓘ
Radar
In einem Radargerät ist der Hohlleiter des Magnetrons mit einer Antenne verbunden. Das Magnetron wird mit sehr kurzen Spannungsimpulsen betrieben, was dazu führt, dass ein kurzer Impuls mit hoher Mikrowellenenergie abgestrahlt wird. Wie bei allen Primärradarsystemen wird die von einem Ziel reflektierte Strahlung analysiert, um eine Radarkarte auf einem Bildschirm zu erstellen. ⓘ
Mehrere Eigenschaften des Magnetrons machen den Einsatz des Geräts in Radarsystemen etwas problematisch. Der erste dieser Faktoren ist die dem Magnetron innewohnende Instabilität seiner Sendefrequenz. Diese Instabilität führt nicht nur zu Frequenzverschiebungen von einem Impuls zum nächsten, sondern auch zu einer Frequenzverschiebung innerhalb eines einzelnen Sendeimpulses. Der zweite Faktor ist, dass die Energie des gesendeten Impulses über ein relativ breites Frequenzspektrum verteilt ist, was eine entsprechend große Bandbreite des Empfängers erfordert. Diese große Bandbreite ermöglicht es, dass elektrisches Rauschen aus der Umgebung in den Empfänger gelangt, wodurch die schwachen Radarechos etwas verdeckt werden, wodurch sich der Signal-Rausch-Abstand des Empfängers und damit die Leistung insgesamt verringert. Der dritte Faktor, der je nach Anwendung eine Rolle spielt, ist die Strahlungsgefahr, die durch die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung hoher Leistung entsteht. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei einem Schiffsradar auf einem Sportboot, wird ein Radar mit einer Magnetronleistung von 2 bis 4 Kilowatt oft in unmittelbarer Nähe eines Bereichs montiert, in dem sich die Besatzung oder Passagiere aufhalten. In der Praxis wurden diese Faktoren überwunden oder einfach akzeptiert, und es sind heute Tausende von Magnetron-Luftfahrt- und Schiffsradargeräten in Betrieb. Jüngste Fortschritte beim Wettervermeidungsradar für die Luftfahrt und beim Schiffsradar haben das Magnetron erfolgreich durch Mikrowellen-Halbleiteroszillatoren ersetzt, die einen engeren Ausgangsfrequenzbereich haben. Dadurch kann eine schmalere Empfängerbandbreite verwendet werden, und das höhere Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht wiederum eine geringere Sendeleistung, was die Belastung durch EMR reduziert. ⓘ
Heizung
In Mikrowellenherden führt der Hohlleiter zu einer für Hochfrequenz durchlässigen Öffnung in den Garraum. Da die festen Abmessungen der Kammer und ihre räumliche Nähe zum Magnetron normalerweise zu stehenden Wellenmustern in der Kammer führen würden, wird das Muster durch ein motorisiertes lüfterähnliches Rührwerk im Wellenleiter (häufiger in kommerziellen Öfen) oder durch einen Drehteller, der das Gargut dreht (am häufigsten in Verbraucheröfen), zufällig verändert. Ein frühes Beispiel für diese Anwendung war, als britische Wissenschaftler 1954 einen Mikrowellenherd benutzten, um kryogenisch eingefrorene Hamster wiederzubeleben. ⓘ
Beleuchtung
In mikrowellenangeregten Beleuchtungssystemen, wie z. B. einer Schwefellampe, erzeugt ein Magnetron das Mikrowellenfeld, das durch einen Wellenleiter in den Beleuchtungshohlraum geleitet wird, der die lichtemittierende Substanz (z. B. Schwefel, Metallhalogenide usw.) enthält. Diese Lampen sind zwar effizient, aber sehr viel komplexer als andere Beleuchtungsmethoden und werden daher nicht häufig verwendet. Modernere Varianten verwenden HEMTs oder GaN-on-SiC-Leistungshalbleiterbauelemente zur Erzeugung der Mikrowellen, die wesentlich weniger komplex sind und mithilfe eines PID-Reglers so eingestellt werden können, dass die Lichtleistung maximiert wird. ⓘ
Geschichte
Im Jahr 1910 erfand Hans Gerdien (1877-1951) von der Siemens Corporation ein Magnetron. Im Jahr 1912 suchte der Schweizer Physiker Heinrich Greinacher nach neuen Wegen zur Berechnung der Elektronenmasse. Er entschied sich für ein System, das aus einer Diode mit einer zylindrischen Anode bestand, die eine stabförmige Kathode umgab und in der Mitte eines Magneten platziert war. Der Versuch, die Elektronenmasse zu messen, scheiterte daran, dass es ihm nicht gelang, in der Röhre ein gutes Vakuum zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Greinacher jedoch mathematische Modelle für die Bewegung der Elektronen in den gekreuzten magnetischen und elektrischen Feldern. ⓘ
In den USA nutzte Albert Hull diese Arbeit für den Versuch, die Patente von Western Electric auf die Triode zu umgehen. Western Electric hatte die Kontrolle über diese Konstruktion erlangt, indem sie die Patente von Lee De Forest auf die Steuerung des Stromflusses mit Hilfe elektrischer Felder über das "Gitter" kaufte. Hull beabsichtigte, ein variables Magnetfeld anstelle eines elektrostatischen Feldes zu verwenden, um den Elektronenfluss von der Kathode zur Anode zu steuern. In den Forschungslaboratorien von General Electric in Schenectady, New York, baute Hull Röhren, die durch die Steuerung des Verhältnisses von magnetischer und elektrischer Feldstärke schalten konnten. Im Jahr 1921 veröffentlichte er mehrere Arbeiten und Patente zu diesem Konzept. ⓘ
Hulls Magnetron war ursprünglich nicht für die Erzeugung elektromagnetischer Wellen im VHF-Bereich (sehr hohe Frequenzen) vorgesehen. Im Jahr 1924 entdeckten jedoch der tschechische Physiker August Žáček (1886-1961) und der deutsche Physiker Erich Habann (1892-1968) unabhängig voneinander, dass das Magnetron Wellen von 100 Megahertz bis 1 Gigahertz erzeugen konnte. Žáček, Professor an der Prager Karlsuniversität, veröffentlichte zuerst, allerdings in einer Zeitschrift mit geringer Auflage und fand daher wenig Beachtung. Habann, Student an der Universität Jena, untersuchte das Magnetron in seiner Dissertation von 1924. Während der gesamten 1920er Jahre arbeiteten Hull und andere Forscher in aller Welt an der Entwicklung des Magnetrons. Die meisten dieser frühen Magnetrons waren Glasvakuumröhren mit mehreren Anoden. Das zweipolige Magnetron, auch bekannt als Split-Anode-Magnetron, hatte jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad. ⓘ
Während der Entwicklung des Radars im Zweiten Weltkrieg entstand ein dringender Bedarf an einem Hochleistungs-Mikrowellengenerator, der bei kürzeren Wellenlängen, etwa 10 cm (3 GHz), arbeitete und nicht bei 50 bis 150 cm (200 MHz), wie es die röhrenbasierten Generatoren jener Zeit konnten. Es war bekannt, dass Hans Hollmann in Berlin 1935 ein resonantes Magnetron mit mehreren Kavitäten entwickelt und patentiert hatte. Das deutsche Militär hielt jedoch die Frequenzdrift von Hollmanns Gerät für unerwünscht und setzte stattdessen das Klystron für seine Radarsysteme ein. Klystrons konnten damals jedoch noch nicht die hohe Leistung erreichen, die Magnetrons schließlich erreichten. Dies war ein Grund dafür, dass die deutschen Nachtjäger-Radare, die anfangs nur im niedrigen UHF-Band für Frontflugzeuge arbeiteten, ihren britischen Pendants nicht gewachsen waren. Im Vereinigten Königreich schlug Albert Beaumont Wood 1937 ein System mit "sechs oder acht kleinen Löchern" vor, die in einen Metallblock gebohrt wurden und sich nur in Bezug auf die Vakuumabdichtung von den späteren Serienkonstruktionen unterschieden. Seine Idee wurde jedoch von der Marine mit der Begründung abgelehnt, ihre Ventilabteilung sei viel zu beschäftigt, um sich damit zu befassen. ⓘ
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1940 stellten John Randall und Harry Boot an der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich einen funktionierenden Prototyp eines Hohlraummagnetrons her, der etwa 400 W leistete. Innerhalb einer Woche wurde diese Leistung auf 1 kW verbessert, und innerhalb der nächsten Monate wurde sie durch den Einbau einer Wasserkühlung und viele Detailänderungen auf 10 und dann 25 kW gesteigert. Um mit der abweichenden Frequenz fertig zu werden, wurde das Ausgangssignal abgetastet und der Empfänger mit der tatsächlich erzeugten Frequenz synchronisiert. Im Jahr 1941 wurde das Problem der Frequenzinstabilität gelöst, indem James Sayers abwechselnde Hohlräume innerhalb des Magnetrons koppelte, was die Instabilität um den Faktor 5-6 verringerte. (Für einen Überblick über frühe Magnetron-Konstruktionen, einschließlich der von Boot und Randall, siehe .) Laut Andy Manning vom RAF Air Defence Radar Museum war die Entdeckung von Randall und Boot "ein gewaltiger, gewaltiger Durchbruch" und "wird von vielen, auch heute noch, als die wichtigste Erfindung des Zweiten Weltkriegs angesehen", während David Zimmerman, Professor für Militärgeschichte an der University of Victoria in British Columbia, feststellt:
Das Magnetron ist nach wie vor die wichtigste Radioröhre für alle Arten von Kurzwellensignalen. Es veränderte nicht nur den Verlauf des Krieges, indem es uns ermöglichte, luftgestützte Radarsysteme zu entwickeln, sondern es bleibt auch die Schlüsseltechnologie, die heute das Herzstück Ihres Mikrowellenofens bildet. Die Erfindung des Hohlraummagnetrons veränderte die Welt. ⓘ
Da Frankreich gerade an die Nazis gefallen war und Großbritannien kein Geld hatte, um das Magnetron in großem Stil zu entwickeln, stimmte Winston Churchill zu, dass Sir Henry Tizard das Magnetron den Amerikanern im Austausch für deren finanzielle und industrielle Hilfe anbieten sollte. Eine frühe 10-kW-Version, die in England von den General Electric Company Research Laboratories, Wembley, London (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen amerikanischen Unternehmen General Electric) gebaut worden war, wurde im September 1940 mit auf die Tizard-Mission genommen. Als sich die Diskussion um das Radar drehte, begannen die Vertreter der US-Marine die Probleme mit ihren Kurzwellensystemen zu schildern und beklagten, dass ihre Klystrons nur 10 W erzeugen konnten. ⓘ
Die Bell Telephone Laboratories nahmen sich ein Beispiel daran und begannen rasch mit der Herstellung von Kopien, und noch vor Ende 1940 wurde auf dem Campus des Massachusetts Institute of Technology das Radiation Laboratory eingerichtet, um verschiedene Radargeräte unter Verwendung des Magnetrons zu entwickeln. Anfang 1941 wurden tragbare zentimetrische Radargeräte in amerikanischen und britischen Flugzeugen getestet. Ende 1941 nutzte das Telecommunications Research Establishment im Vereinigten Königreich das Magnetron zur Entwicklung eines revolutionären luftgestützten Bodenradars mit dem Codenamen H2S. Das H2S-Radar wurde unter anderem von Alan Blumlein und Bernard Lovell entwickelt. ⓘ
Das Hohlraummagnetron wurde während des Zweiten Weltkriegs in Mikrowellenradargeräten eingesetzt und wird häufig dafür verantwortlich gemacht, dass die Radargeräte der Alliierten gegenüber den deutschen und japanischen Radargeräten einen beträchtlichen Leistungsvorsprung hatten, was sich direkt auf den Ausgang des Krieges auswirkte. Der amerikanische Historiker James Phinney Baxter III bezeichnete es später als "die wertvollste Fracht, die je an unsere Küste gebracht wurde". ⓘ
Das zentimetrische Radar, das durch das Hohlraummagnetron ermöglicht wurde, erlaubte die Erfassung viel kleinerer Objekte und die Verwendung viel kleinerer Antennen. Die Kombination aus kleinen Hohlraummagnetrons, kleinen Antennen und hoher Auflösung ermöglichte den Einbau kleiner, hochwertiger Radargeräte in Flugzeuge. Sie konnten von Seepatrouillenflugzeugen eingesetzt werden, um Objekte zu erkennen, die so klein waren wie ein U-Boot-Periskop, was es den Flugzeugen ermöglichte, getauchte U-Boote anzugreifen und zu zerstören, die zuvor aus der Luft nicht zu erkennen waren. Zentimetrische Radargeräte wie das H2S verbesserten die Zielgenauigkeit der alliierten Bomber im strategischen Bombenkrieg, obwohl das deutsche FuG 350 Naxos-Gerät speziell für diesen Zweck entwickelt worden war. Auch die zentimetrischen Radargeräte zur Geschützverlegung waren weitaus genauer als die ältere Technologie. Sie machten die mit großen Kanonen bestückten alliierten Schlachtschiffe tödlicher und zusammen mit dem neu entwickelten Annäherungszünder machten sie die Flakgeschütze für angreifende Flugzeuge viel gefährlicher. Beide zusammen, die von Flakbatterien entlang der Flugbahn der deutschen V-1-Bomben auf ihrem Weg nach London eingesetzt wurden, sollen viele der Bomben zerstört haben, bevor sie ihr Ziel erreichten. ⓘ
Seitdem wurden viele Millionen von Hohlraummagnetrons hergestellt; während einige davon für Radargeräte verwendet wurden, war die große Mehrheit für Mikrowellenöfen bestimmt. Die Verwendung in Radargeräten selbst ist in gewissem Maße zurückgegangen, da im Allgemeinen genauere Signale benötigt wurden und die Entwickler für diese Zwecke auf Klystron- und Wanderfeldröhrensysteme umgestiegen sind. ⓘ
Am 27. November 1935 meldete Hans Erich Hollmann sein Patent für das Mehrkammer-Magnetron an, das am 12. Juli 1938 erteilt wurde. ⓘ
Im Frühjahr 1939 entwickelten S. Nakajima et al. am JCR Japan das weltweit erste Hohlraummagnetron mit Hohlraumresonator. Das M-3 genannte Magnetron war wassergekühlt und hatte bei 10 cm Wellenlänge eine Leistung von 500 Watt. ⓘ
1940, also ein Jahr nach den Japanern, entwickelten die britischen Physiker John Turton Randall und Henry Albert Howard Boot eine verbesserte Variante von Hollmanns Mehrkammer-Magnetron, indem sie ein Flüssig-Kühlsystem verwendeten und die Anzahl der Resonanzkammern von vier auf sechs erhöhten. Damit konnten sie die Ausgangsleistung verhundertfachen. Das erlaubte zwei Jahre später die Entwicklung sehr leistungsfähiger Magnetronsender für Radargeräte mit sehr kurzer Wellenlänge und dadurch hohem Auflösungsvermögen. ⓘ
Gesundheitsgefahren
Mindestens eine besondere Gefahr ist gut bekannt und dokumentiert. Da die Augenlinse keine kühlende Durchblutung hat, ist sie besonders anfällig für Überhitzung, wenn sie Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist. Diese Erhitzung kann wiederum zu einem erhöhten Auftreten von Katarakten im späteren Leben führen. ⓘ
In der Nähe von Magnetrons besteht auch eine erhebliche elektrische Gefahr, da sie eine Hochspannungsversorgung benötigen. ⓘ
Alle Magnetrons enthalten in ihrem Glühfaden eine kleine Menge Thorium, das mit Wolfram gemischt ist. Dies ist zwar ein radioaktives Metall, aber das Krebsrisiko ist gering, da es bei normalem Gebrauch nicht in die Luft gelangt. Nur wenn der Glühfaden aus dem Magnetron entnommen, fein zerkleinert und eingeatmet wird, kann er ein Gesundheitsrisiko darstellen. ⓘ
Aufbau
Das Magnetron besteht aus einer walzenförmigen Glühkathode (Oxid- oder Vorratskathode) im Zentrum der Vakuumröhre. Oft bildet der gewendelte Heizdraht eine direkt geheizte Kathode. Diese ist von einem massiven, zylinderförmigen Anodenblock aus Kupfer umschlossen. Im Anodenblock befinden sich zum Beispiel strahlenförmig angeordnete, parallel zum Heizdraht verlaufende Schlitze (sog. Schlitzmagnetron). Die Tiefe der Schlitze entspricht etwa einem Viertel der Wellenlänge; sie ist frequenzbestimmend. Es sind je nach Interpretation Hohlraumresonatoren, Leitungskreise bzw. Hohlleiter, die nach innen zum sogenannten Wechselwirkungsraum offen und außen kurzgeschlossen sind. ⓘ
Im Bild rechts sind es Stege, die nach innen zur Kathode hin eine segmentierte Anode bilden und rückseitig an einen Kupferzylinder angeschlossen sind (Segmentresonator, Kreistyp). Die Konstruktion kann als im Kreis angeordnete Topfkreise aufgefasst werden. Die Segmente sind abwechselnd durch die beiden Ringe miteinander gekoppelt. Damit wird erreicht, dass sie zueinander gegenphasig schwingen – das Anschwingen weiterer Modi (und damit einer unerwünschten Frequenz) wird damit vermieden. ⓘ
Kühlrippen außen am Anodenblock ermöglichen Kühlung durch freie Konvektion, ein Gebläse oder Wasserkühlung. ⓘ
Andere Ausführungsformen von Magnetron-Anoden sind Lochresonator und Mehrfrequenzresonator (Rising-Sun-Typ). ⓘ
Das Magnetron benötigt ein axiales Magnetfeld, das meist mit Dauermagneten erzeugt wird. ⓘ
Einer der Hohlraumresonatoren ist mit einer Kopplungsschleife oder über einen Schlitz mit einem Hohlleiter verbunden und dient der Leistungsentnahme. ⓘ
Magnetron eines Mikrowellenherdes von der Seite: schwarz seitlich der Kühlrippen: die Magnete.
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Magnetron eines Mikrowellenherdes im Längsschnitt (Magnete und Kühlrippen entfernt).
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Magnetron eines Mikrowellenherdes zerlegt, Austrittseite rechts
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Impulsmagnetron MI-189W (7,5 kg, ca. 8 GHz, 60 kW / 0,5 µs, Sowjetunion ca. um 1970) ⓘ
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Wirkungsweise
Resonante Anodenform
Die Schlitze bzw. Kammern der Anode bilden eine ringförmig geschlossene Verzögerungsleitung aus Hohlraumresonatoren: 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 Hochfrequenz-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 Hochfrequenz-Schwingungen des Ringresonators – es tritt Selbsterregung ein. Wird die kinetische Energie eines Elektrons zu klein, so tritt es in den Anodenblock ein. Aus der Kathode wird ständig ein Überschuss an freien Elektronen nachgeliefert. ⓘ