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X-Band Pulsgenerator

Für Versuche mit Mikrowellenbeschleunigern werden leistungsstarke Mikrowellengeneratoren verwendet. Die hohen nötigen Leistungen bis zu einigen Hundert Kilowatt können mit gepulsten Oszillatoren ohne großen Aufwand erreicht werden. Für gepulste, leistungsstarke Generatoren werden meist Magnetronröhren verwendet. Schon die einfachen, robusten Magnetrons aus Mikrowellenöfen erreichen Leistungen im unteren Kilowattbereich, und die Ausgangsleistungen von Pulsmagnetrons aus der Radartechnik bringen 50 Kilowatt und mehr. Dabei ist die Beschaltung einfach und besteht nur aus einem Netzteil das Hochspannungsimpulse liefert. Die eigentliche Schwingungserzeugung findet ohne äußere Beschaltung in der Röhre statt.
Elektrisch gesehen ist ein Magnetron ein Diode, mit einer Kathode und einer Anode. Durch den konstruktiven Aufbau und das äußere Magnetfeld wird erreicht das in bestimmten Betriebszuständen die Kennlinie negative Widerstände zeigt. Dadurch werden in der Röhre integrierte Schwingkreise entdämpft und so entsprechende Oszillation erzeugt.

Generator:
Der im folgenden beschriebene Generator verwendet ein 4J50 Magnetron für den X-Band Bereich bei etwa 9400 MHz. Ausführliche Daten zu der Röhre finden sich im >>Röhrenmuseum<<
4J50 X-Band Magnetron (Kurzdaten)
Uap 23 kV Nop 235 kW Uf 13 V
Iap 28 A tp 1 µs If 3 A
Auffallendes Kennzeichen der Röhre ist der große, starke Magnet und der gläserne Kathodenisolator. Die erzeugte Mikrowellenleistung wird über einen Hohlleiter ausgekoppelt. Da der Körper der Röhre elektrisch mit der Anode verbunden ist wird bei den meisten Schaltungen die Kathode auf negative Hochspannung gelegt und die Anode mit der Gerätemasse verbunden. Da die Heizung der Kathode halbindirekt ist, ein Heizfadenanschluß also mit der Kathode verbunden ist muß auch die Heizspannung auf hohen Potential liegen.		  
Die Hochspannungspulse werden in üblicher Weise mit einer Kondensatorentladung erzeugt. Als Schalter dient ein Wasserstoffthyratron wie es schon bei einer >>Teslaspule<< verwendet wurde. Um die zulässige Anodenspannung des Thyratrons von 8 kV nicht zu überschreiten wird zwischen Thyratron und Magnetron ein Pulstransformator eingeschaltet. Die bifillar gewickelte Sekundärspule dient auch zur Zuführung der Heizspannung. Die Schaltung entspricht im Wesentlichen einem in der Radartechnik üblichen Modulator. So wird auch hier die übliche Resonanzmethode zur Ladung des Pulskondensator verwendet.
Ein Generator mit einem Kleinthyratron 2D21 liefert Triggerpulse mit einer Rate von Hertz, kann aber auch extern angesteuert werden.
 
Zum Test des Generators wurde eine Matrix aus insgesamt 900 Glimmlampen zusammengestellt. Durch die hohe Feldstärke im Mikrowellenstrahl leuchten die Neonlämpchen hell auf. Auf diese Weise kann die Modenverteilung betrachtet werden. Man sieht das im Mikrowellenstrahl eine beträchtliche Leistung transportiert werden kann. Aus diesem Grunde ist bei Experimenten mit freien Mikrowellenstrahlen auch Vorsicht geboten Zumindest für empfindliche Körperteile, wie die Augen,kann die Strahlung zu einerr ernsten Gefahr werden
Vorsicht !!!
Nie in den Hohlleiter einer laufenden Generatorröhre schauen !
Für den Betriebs des Beschleunigers werden die Mikrowellen aber nicht durch den freien Raum sondern durch einen Hohlleiter übertragen. Im Gegensatz zu Kabeln haben Hohlleiter bei hohen Frequenzen eine sehr kleine Dämpfung und können hohe Leistungen übertragen. Allerdings haben Hohlleiter eine Grenzfrequenz unter der keine Leistung übertragen werden kann. Die Wellen breiten sich im Hohleiter in sogenannten Moden aus. Diese Moden werden entsprechend ihrer elektischen und magnetischen Bestandteile bezeichnet. Die üblicherweise verwendete Mode in einen rechteckigen Hohlleiter ist die H 10 Mode. Für jede Mode in einem Hohlleiter existieren zwei ausgezeichnete Wellenlängen. Zum einen die Grenzwellenlänge λc und zum anderen die Hohlleiterwellenlänge λg.
Braucht man z.B. für eine Anpassung ein λ/4 großes Stück Hohlleiter muss die für die entsprechende Länge für die entsprechende Frequenz ausgerechnet werden. Für die 9,4GHz des Magnetrons beträgt z.B. die Wellenlänge im WR90 Hohlleiter 4,4 cm statt 3,2 cm im Freiraum.
   
einige Standard-Hohlleiter
Bezeichnung
Bereich
(GHz)
Grenzfrequenz (GHz)
Abmessungen (mm)
  
IEC 153 RETMA Britisch
R 22 WR 430 WG 8 1,7 … 2,6
1,37
 109,2 x 54,6 Hohlleiter für Ofenmagnetrons mit 2,45 GHz
R 26 WR 340 WG 9A 2,2 … 3,3
1,73
 86,4 x 43,2
R 32 WR 284 WG 10 2,6 … 3,9
2,08
 72,1 x 34 S-Band Radargeräte
R 58 WR 159 WG 13 4,6… 7,1
3,71
 40,4 x 20,2 C-Band Fernseh-Satellitenband
R 84 WR 112 WG 15 7,1… 10,0
5,26
 28,5 x 12,6 Ausgang von X-Band Magnetrons
R 100 WR 90 WG 16 8,2 … 12,4
6,54
 22,9 x 10,2 Standardhohlleiter für X-Band Radargeräte
R 120 WR 75 WG 17 8,2 … 12,4
7,85
 19,1 x 9,5 11 GHz Fernseh-Satellitenband
R 140 WR 62 WG 18 12,4 … 18,0
9,49
 15,8 x 7,9 Ku-Band Magnetrons
R 220 WR 42 WG 20 18,0 … 26,5
14,0
 10,7 x 4,3 24 GHz Amateurfunk- Band
 
 
Schaltung PDF-Datei