Grundlagen der Radartechnik

Geschichtlicher Überblick über die Entwicklung des Magnetrons

1912 Der schweizer Physiker Heinrich Greinacher versuchte, eine Diodenröhre mit einer zylindersymmetrischen Anordnung der Anode unter einem achsenparallelen Magnetfeld zu verwenden, um das Verhältnis der Elektronenladung zu dessen Masse zu messen. Der praktische Versuch misslang aufgrund mangelnden Vakuums in der Röhre und in der Folge ungenügenden Elektronenaustritts aus der Kathode. Greinacher lieferte eine grundlegende mathematische Beschreibung der Änderungen der Elektronenbewegung unter dem Einfluss des Magnetfeldes.

1921Albert W. Hull von der General Electric Company griff diese Versuchsanordnung auf und untersuchte die Bewegung von Elektronen unter dem Einfluss eines homogenen axialen Magnetfeldes. Er bemerkte die Möglichkeit, den Elektronenstrom zur Anode durch Variation des Magnetfeldes zu steuern.

Hull wollte für sein Unternehmen als Gegenstück zur Konkurrenz zu den Verstärkerröhren (Trioden) der Western Electric Company ein magnetisch gesteuertes Relais oder Verstärker entwickeln. Er verwies auch auf die Möglichkeit der Erzeugung von hochfrequenten Schwingungen. Er nannte seine Erfindung „Magnetron“.

1924Unabhängig voneinander wurden Magnetrone zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen von Erich Habann in Jena (Germany) und Napsal August Zázek in Prag (Tschechische Republik) entwickelt. Haban formulierte die Bedingungen, unter denen ein negativer Widerstand parallel zu den Resonatoren entstehen kann um deren Dämpfung zu kompensieren und eine ungedämpfte Schwingung zu erzeugen. Im Gegensatz zu Hull nutzte er ein konstantes Magnetfeld, so wie es heute beim Betrieb eines Magnetrons üblich ist. Sein Magnetron nutzte eine mit Schlitzen versehene Anode und konnte Schwingungen um etwa 100 MHz erzeugen. Zázeks Anode war schon aus einem einzelnen Block hergestellt und konnte Frequenzen bis zu 1 GHz erzeugen.

1929Der Durchbruch kam mit einer Generation von Magnetronen im Zentimeterwellenbereich von Kinjiro Okabe von der Tohoku University in Sendai, Japan. Dessen Magnetron arbeitete auf einer Frequenz von 5,35 GHz.

1935Hans Erich Hollmann entwickelte das Schlitzmagnetron weiter und formulierte am 27. November 1935 ein Patent für ein Magnetron mit mehreren Resonatoren. Dieses Patent wurde auch in Amerika als US Patent 2,123,728 am 12. Juli 1938 gewährt – lange vor John Randall's und Henry Boot's Arbeiten im Februar 1940.

1940Trotzdem war das Mehrkammer-Magnetron, das von den beiden Ingenieuren der Universität Birmingham John Randall und Henry Boot entwickelt wurde, ein Meilenstein der die Wende im U-Boot-Krieg gegen Deutschland ab 1940 brachte. Sie bauten einfach ein Magnetron mit mehr als den vier Resonatoren, um die Hochfrequenzerzeugung effektiver zu machen und versahen den Anodenblock mit einer Wasserkühlung, um höhere Leistungen zu erzielen. Dieses Magnetron wurde zur Massenproduktion eines leichten Radarsenders verwendet, der eine Impulsleistung von 15 kW bei einer Frequenz von 3 GHz ermöglichte. Die B–17 Bomber wurden mit diesem Radar ausgestattet.

Dieses kleine aber leistungsstarke Radar ermöglichte es, die im Schutze der Nacht zur Aufladung ihrer Batterien auftauchen müssenden U-Boote zu orten und zu bekämpfen. Da der Antennengewinn proportional zur Sendefrequenz ist, ermöglichte diese hohe Frequenz eine sehr effektive Antenne mit einer (ebenfalls umgekehrt proportional zur Sendefrequenz) sehr guten Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen in der Winkelmessung.

Die Forschungsergebnisse von Henry Gutton über den Einsatz von Bariumoxyd-Kathoden in einem Mehrschlitzmagnetron wurden durch Maurice Ponte von der Allgemeinen Gesellschaft für drahtlose Telegraphie kurz vor der Besetzung Frankreichs nach England gebracht. Dort flossen sie in die laufende Entwicklung von Randall und Boot mit ein. Bariumoxyd-Kathoden haben gegenüber Wolframkathoden bei vergleichbarer Elektronenemission eine geringere Temperatur und bewirkten so eine sehr viel höhere Lebensdauer der Magnetrone.

Henry Tizard leitete eine Delegation, die während der Schlacht um England alle bisher verfügbaren Forschungsergebnisse in die Vereinigten Staaten von Amerika brachte. Dort wurde die Massenproduktion von Magnetronröhren für den Kriegsbedarf eingeleitet.

1941Der Nordirische Physiker James Sayers entwickelte ein Magnetron mit Kurzschlussringen.

1942In den deutschen Radargeräten wurden derzeit statt Magnetrone lieber Klystrone verwendet, da diese eine wesentlich bessere Frequenzkonstanz aufwiesen. Erst gegen Ende des 2. Weltkrieges wurden durch Analyse von erbeuteten Geräten die Vorteile des durch Magnetrone beherrschbaren Mikrowellenbereiches erkannt, vor allem, dass es zu diesem Zeitpunkt keine Möglichkeit gab, diese Geräte zu stören. Für eine industrielle Umsetzung der Erkenntnisse war es jedoch schon zu spät.
Ref.: Forschung, Rüstung und Krieg. von Christopher Schumacher