Magnetron

Das Magnetron ist eine Vakuum-Laufzeitröhre zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich (ca. 0,3 bis 300 GHz). Magnetrone haben einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % und sind somit sehr effiziente, preiswerte Generatoren für Hochfrequenz. Die Leistung und der Frequenzbereich werden maßgeblich durch die Konstruktion bestimmt. Man unterscheidet kontinuierlich arbeitende (Dauerstrich-)Magnetrone und Impulsmagnetrone. Im Dauerstrichbetrieb können einige kW und im Impulsbetrieb mehr als 10 MW erzielt werden. Diese Elektronenröhren sind kurzzeitig extrem überlastbar.

Magnetron eines Mikrowellenherdes im Querschnitt

Aufbau

Das Magnetron besteht aus einer walzenförmigen Glühkathode (Oxid- oder Vorratskathode) im Zentrum. Meist bildet der Heizdraht selbst die Kathode (sog. direkt geheizte Kathode). Sie ist von einem massiven, zylinderförmigen Anodenblock (meist Kupfer) umschlossen. Kühlrippen am Anodenblock ermöglichen Kühlung durch freie Konvektion, ein Gebläse oder Wasserkühlung. 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.

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  Magnetron eines Mikrowellenherdes von der Seite (Magnete und Kühlrippen vorhanden)

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  Magnetron eines Mikrowellenherdes im Längsschnitt (Magnete und Kühlrippen entfernt)

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  Impulsmagnetron MI-189W (ca. 160 mm breit, ca. 9 GHz, Flugzeug-Bordradar, Sowjetunion)

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  Impulsmagnetron MI-158 (ca. 110 mm hoch, 9,33…9,42 GHz, 7 kW, 0,1…1 µs, u.a. f. Flugzeug-Bordradar, Sowjetunion 1970)

Wirkungsweise

Elektronenbahnen

Magnetron schematisch

Im Wechselwirkungsraum zwischen Kathode und Anode 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 die durch eine Glühkathode freigesetzten Elektronen hin zur Anode beschleunigt. 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 – das elektrische Feld weitet die Bahnkrümmung so weit aus, dass die Elektronenbahnen die Anode streifen (grüne Bahn in der Abbildung).

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 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. Aus der Kathode wird ständig ein Überschuss an freien Elektronen nachgeliefert.

Elektrischer Anschluss

Elektrischer Anschluss des Magnetrons in einem Mikrowellenherd

Magnetrone besitzen eine elektrisch geheizte Glühkathode zur Freisetzung der Elektronen (Glühemission). Magnetrone sind direkt geheizt, oder die Heizwendel ist mit der Kathode verbunden. Da der Körper (Anodenblock, Magnet, Hohlleiterflansch bzw. Antennenstift) Massepotential hat, muss die Heizspannungsversorgung für die Betriebsspannung des Magnetrons (mehrere Kilovolt) gut isoliert ausgeführt sein – an der Kathode liegt die gegenüber Masse negative Betriebsspannung an.

Die nebenstehende Abbildung zeigt eine typische Mikrowellenherd-Schaltung mit einem Magnetron im Halbwellenbetrieb: 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 Schwellspannung der Diode von etwa 0,7 V liegt. Kehrt sich dagegen in der nächsten Halbwelle die Spannung in der Hochspannungswicklung um, addieren sich nun die Spannungen der Hochspannungswicklung und des in Reihe geschalteten Kondensators zu einer Gesamt-Anodenspannung von rund 5600 V, die kurzzeitig einen Strom durch das Magnetron fließen lässt. Die Kombination aus Kondensator und Diode wirkt also wie ein Spannungsverdoppler, und sowohl diese beiden als auch die Isolierung der Heizwicklung müssen dementsprechend hochspannungsfest sein.

In den obigen Bildern von Impulsmagnetrons sind die rotbraunen Kunststoffkörper zu sehen, die die Heizspannungs- und Kathodenanschlüsse gegen den Metallkörper des Magnetrons, der die Anode bildet, isolieren.

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 reduziert werden, um Übertemperatur zu vermeiden.

Anwendungen

Vorsicht: Gesundheitsgefährdung durch starke elektromagnetische Strahlung

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: Hierbei wird mittels gerichteter HF-Energie versucht, gegnerische Elektronik zu zerstören.

Funkamateure verwenden Magnetrone u. a. zur Erde-Mond-Erde-Kommunikation.

Geschichte

Der Physiker Heinrich Greinacher entwickelte vor 1912 eine Röhre, um das Verhältnis der Elektronenladung zu dessen Masse zu messen, und stellte die grundlegenden mathematischen Gleichungen auf. Die Röhre funktionierte jedoch 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. Ursprüngliches Ziel war es, magnetisch gesteuerte Relais bzw. Verstärker zu bauen. Sie sollten den Steuerelektroden der Firma Western Electric Co. Konkurrenz machen. Dabei wurde die Möglichkeit entdeckt, das Magnetron als HF-Generator zu verwenden.

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 Magnetronen) ein magnetisches Gleichfeld verwendete. Die Bedingungen, um die Dämpfung aufzuheben (Schaffung eines negativen differentiellen Innenwiderstandes), konnte Habann präzise vorausberechnen. Žáček konnte mit einer massiven 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 Magnetrone im Zentimeter-Wellenbereich.

Am 27. November 1935 meldete Hans Erich Hollmann sein Patent^[1] für das Vielschlitz-Magnetron an, das am 12. Juli 1938 erteilt wurde. 1940 entwickelten die britischen Physiker John Turton Randall und Henry Albert Howard Boot eine verbesserte Variante von Hollmans Vielschlitz-Magnetron, indem sie ein Flüssig-Kühlsystem und eine veränderte Schlitzung verwendeten. Damit konnten sie die Ausgangsleistung verhundertfachen.

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 doi:10.1103/PhysRev.22.279.
• 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

•  Commons: Magnetron – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien
• Funktionsweise gut erklärt und mit Bildern anschaulich gemacht (englisch)
• Funktionsweise eines Magnetrons ausführlich erklärt

Einzelnachweise

1. ↑ Patent US2123728: Magnetron. Angemeldet am 27. November 1935, Anmelder: Telefunken GmbH, Erfinder: Hans Erich Hollmann.