Leistungsfähiger Magnetron-Entwurf, insbesondere für hohe Frequenzen (sub-THz) und für Dauerstrich-(cw- ) Betrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt befasste sich mit Grundlagenforschung zum Magnetron, einer Vakuum-Elektronenstrahl-Röhre, die aus dem alltäglichen Leben, Stichwort „Mikrowelle“, wohl bekannt ist. Neben dieser Anwendung zur Erwärmung, auch im industriellen Maßstab, spielte und spielt sie in unterschiedlichen Bereichen der Hochfrequenztechnik sowohl zur Erzeugung sehr hoher Leistungen (MegaWatt) als auch sehr hoher Frequenzen (bis zu etwa 150 GigaHertz, das ist etwa das 100-fache der „Handy“-Frequenz) eine große Rolle. Unser Thema betraf die zweite Kategorie, das Magnetron als Signalgenerator für den heute im Blickpunkt der Forschung stehenden Sub-TeraHertz-Bereich. Ausgangspunkt war das sog. SHM (ein deutscher Name existiert nicht, das englische Akronym SHM steht für Spatial Harmonic Magnetron), das von unserem Technologie-Partner in der Ukraine erfunden worden war. Es ist die einzige Variante, die im sub-THz-Bereich Signalleistung erzeugen könnte. Außerdem gibt es z.Z. weder durch Halbleiterquellen noch durch andere Elektronenröhren Alternativlösungen, bei jenen aus physikalischen, bei diesen aus praktischen Gründen. Doch auch das SHM versprach bei sub-THz-Frequenzen ein kaum akzeptables Betriebsverhalten. Unsere Aufgabenstellung lautete daher: Auffinden von Möglichkeiten, Frequenz und Leistung des SHM deutlich zu steigern, ohne seine hervorragende „Handlichkeit“ (Spannungs- und Magnetfeld-Versorgung) zu beeinträchtigen. Das sollte mit 2 Leitideen gelingen: eine grundlegende Analyse der Magnetron-Physik und einem erstmaligen Einsatz neuer Materialien, die besondere elektro-magnetische Eigenschaften aufweisen. Beide Massnahmen führten zu einem vollständigen Erfolg, sogar zu einer - aus Sicht der Anwender - herausragenden Entdeckung. Dennoch blieben auch unliebsame Überraschungen nicht aus, die schließlich einen unfreiwilligen Abbruch zur Folge hatten. Die Ergebnisse lassen sich in 3 Kategorien zusammenfassen: Neuformulierung der Theorie, Entwicklung eines neuen Magnetrons, experimentelle Prototypen. Dabei wurden sämtliche Vorgaben zum Betriebsverhalten zumindest eingehalten, teils übertroffen. Im einzelnen: Theorie: Es wurde ein physikalisch-analytisches Entwurfsmodell geschaffen, das zwei für solche Bauelemente bisher unbekannte Eigenschaften aufweist: 1. analytische Auswertbarkeit der Formeln, d.h. Wegfall jeglicher numerischer Verfahren, und 2. analytische Sichtbarkeit (des Einflusses) der Entwurfsparameter. Die Folgen sind erheblich: Der zum Entwurf eines Magnetrons erforderliche Zeitaufwand verkürzt sich von bisher vielen Wochen (bzw. einigen Monaten, wenn keine verlässlichen Ausgangswerte bekannt sind) auf nunmehr 1-2 Tage. Jede Änderung eines Parameters kann nun gezielt anhand der Formeln anstelle numerischen (blinden) Probierens vorab beurteilt werden. Neuentwicklung: Das analytische Modell zeigt eindeutig, wie und wo der Einsatz von Metamaterial zu welchen Ergebnissen führt. Dadurch konnte ein vollständig neues Magnetron geschaffen werden, das dem SHM in jeder Hinsicht überlegen ist und das sämtliche Vorgaben erfüllt. Darüberhinaus erlaubt es (überraschend) eine Betriebsform, die bisher aus physikalischen und thermischen Gründen unerreichbar war: den Dauerstrichbetrieb. (Das SHM kann nur im Pulsbetrieb schwingen, d.h. mit periodischer Aneinanderreihung von kurzen Einschalt- mit langen Erholphasen.) Diese Betriebsform vervielfacht die Einsatzmöglichkeiten der Röhre. Einige aktuelle seien hier aufgeführt: div. Radarsysteme, in Meteorologie, Fernerkundung, Umweltüberwachung, Umweltschutz, Medizintechnik, sogar in der Kommunikationstechnik. Prototyp-Entwicklung: Die theoretischen Untersuchungen wurden durch Aufbau und Charakterisierung mehrerer Prototypen ergänzt. Wegen der technologischen Randbedingungen beim Partner mussten dazu Modellfrequenzen von 32 bis 94 GHz gewählt werden. Wichtigstes Ergebnis war, dass eine ausnahmslos sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie erzielt wurde. Dieses Vorhaben brachte die Entdeckung und Entfaltung eines absoluten Ausnahmetalents: Frau Dr.-Ing. Nasrin Nasr Esfahani. Ihr verdankt der (formale) Projektleiter alle, wirklich alle positiven Ergebnisse, die teilweise verblüffende Innovationen darstellen. - Der Abbruch des Projekts, kurz vor der Herstellung des neuen Magnetrons zur Demonstration des Dauerstrichbetriebs, wurde von außen herbeigeführt. Er war leider nicht zu beeinflussen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Application of metamaterials in microwave resonators and slow wave structures“, Ph.D. Thesis, Shaker, 2014, ISBN 978-3-8440-2961-1
N. Nasr Esfahani
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“Application of metamaterials in spatial harmonic magnetrons“, IEEE Int. Microwave Symp., Phoenix, USA, 2015, pp. 1-4
N. Nasr Esfahani and K. Schünemann
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“Epsilon near zero loaded magnetrons, design and realization“, 45th Europ. Microw. Conf., Paris, 2015, pp.454-457
N. Nasr Esfahani, K. Schünemann, N. Avtomonov, and D. Vavriv
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“Advances in spatial harmonic magnetrons with cold secondary emission cathode“, 47th Europ. Microwave Conf., Nuremberg, 2017 pp. 672-675
D. Vavriv, V. Naumenko, K. Schünemann, V. Markov, and A. Suvorov
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“Novel spatial harmonic magnetrons and their potential applications“, 47th Europ. Microwave Conf., Nuremberg, 2017, pp. 676-679
N. Nasr Esfahani
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“Low-current cathode spatial harmonic magnetrons: analysis and realization based on metamaterial loaded slow wave structures“, Internat. Journal of Microwave and Wireless Technologies, vol. 10, 2018, pp. 613-619
N. Nasr Esfahani
