Mikrowellenröhren

Für Anwendungen mit extrem hohen Frequenzen (über 1 GHz) werden die Kapazitäten zwischen den Elektroden und die Laufzeitverzögerungen einer Standard-Elektronenröhrenkonstruktion unerschwinglich. Die kreativen Möglichkeiten, wie Röhren konstruiert werden können, scheinen jedoch kein Ende zu nehmen, und es wurden mehrere Hochfrequenz-Elektronenröhren-Designs entwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern.

1939 wurde entdeckt, dass ein toroidförmiger Hohlraum aus leitfähigem Material, der als Kavitätenresonator bezeichnet wird, Umgeben eines Elektronenstrahls mit oszillierender Intensität könnte dem Strahl Leistung entzogen werden, ohne den Strahl selbst tatsächlich abzufangen. Die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder, die mit dem Strahl verbunden sind, „echos“ im Inneren des Hohlraums, ähnlich wie die Geräusche fahrender Autos, die in einer Straßenschlucht widerhallen, und ermöglichen die Übertragung von Hochfrequenzenergie vom Strahl auf einen Wellenleiter oder ein Koaxialkabel über eine Koppelschleife mit dem Resonator verbunden. Die Röhre wurde als induktive Endröhre bezeichnet , oder IOT :

Zwei der Forscher, die maßgeblich an der anfänglichen Entwicklung des IOT beteiligt waren, ein Brüderpaar namens Sigurd und Russell Varian, fügten der induktiven Ausgangsröhre einen zweiten Hohlraumresonator für den Signaleingang hinzu. Dieser Eingangsresonator fungierte als ein Paar induktiver Gitter, um abwechselnd Elektronenpakete im Driftraum der Röhre zu „bündeln“ und freizugeben, sodass der Elektronenstrahl aus Elektronen bestehen würde, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen. Diese „Geschwindigkeitsmodulation“ des Strahls übersetzte sich in die gleiche Art von Amplitudenvariation am Ausgangsresonator, wo dem Strahl Energie entzogen wurde. Die Brüder Varian nannten ihre Erfindung ein Klystron .

Eine weitere Erfindung der Varian-Brüder war das Reflexklystron Rohr. In dieser Röhre wandern die von der beheizten Kathode emittierten Elektronen durch die Hohlraumgitter in Richtung der Abstoßplatte, werden dann abgestoßen und auf dem Weg zurückgeführt, auf dem sie gekommen sind (daher der Name Reflex ) durch die Hohlraumgitter. In dieser Röhre würden sich selbsterhaltende Schwingungen entwickeln, deren Frequenz durch Einstellen der Repellerspannung verändert werden könnte. Daher arbeitete diese Röhre als spannungsgesteuerter Oszillator.

Als spannungsgesteuerter Oszillator dienten Reflex-Klystron-Röhren üblicherweise als „Lokaloszillatoren“ für Radargeräte und Mikrowellenempfänger:

Ursprünglich als Geräte mit geringer Leistung entwickelt, deren Ausgang eine weitere Verstärkung für die Verwendung von Funksendern erforderte, wurde das Design des Reflex-Klystrons so weit verfeinert, dass die Röhren selbst als Leistungsgeräte dienen konnten. Reflex-Klystrons wurden seitdem bei der Anwendung von Lokaloszillatoren durch Halbleiterbauelemente ersetzt, aber Verstärkungsklystrons finden weiterhin Verwendung in Hochleistungs-Hochfrequenz-Radiosendern und in wissenschaftlichen Forschungsanwendungen.

Eine Mikrowellenröhre erfüllt ihre Aufgabe so gut und kostengünstig, dass sie im Wettbewerbsumfeld der Unterhaltungselektronik weiterhin die Nase vorn hat:die Magnetronröhre. Dieses Gerät bildet das Herzstück jedes Mikrowellenherdes und erzeugt mehrere hundert Watt Mikrowellen-HF-Energie, die zum Erhitzen von Speisen und Getränken verwendet wird, und dies unter den für eine Röhre härtesten Bedingungen:Ein- und Ausschalten zu zufälligen Zeiten und für zufällige Dauer.

Magnetronröhren sind repräsentativ für eine völlig andere Röhrenart als IOT und Klystron. Während die letztgenannten Röhren einen linearen Elektronenstrahl verwenden, richtet das Magnetron seinen Elektronenstrahl durch ein starkes Magnetfeld kreisförmig aus:

Auch hier werden Hohlraumresonatoren als „Schwingkreise“ im Mikrowellenbereich verwendet, die dem passierenden Elektronenstrahl induktiv Energie entziehen. Wie alle Mikrowellengeräte, die einen Hohlraumresonator verwenden, wird mindestens einer der Resonatorhohlräume mit einer Kopplungsschleife angezapft :eine Drahtschleife, die das Koaxialkabel magnetisch an die Resonanzstruktur des Hohlraums koppelt, wodurch die HF-Leistung aus der Röhre zu einer Last geleitet werden kann. Beim Mikrowellenherd wird die Ausgangsleistung über einen Hohlleiter auf die zu erhitzenden Speisen oder Getränke geleitet, wobei die darin befindlichen Wassermoleküle als winzige Lastwiderstände wirken und die elektrische Energie in Form von Wärme abführen.

Der für den Magnetronbetrieb erforderliche Magnet ist im Diagramm nicht dargestellt. Der magnetische Fluss verläuft senkrecht zur Ebene der kreisförmigen Elektronenbahn. Mit anderen Worten, aus der im Diagramm gezeigten Ansicht der Röhre blicken Sie direkt auf einen der Magnetpole.