FP-Versuch E106 - Hohlraumresonatoren


Übersicht

In diesem Versuch des Fortgeschrittenen-Praktikums sollen einige Messmethoden sowie Komponenten der Hochfrequenz-Technik kennengelernt werden. Dies geschieht insbesondere durch die Untersuchung von in vielen Feldern der Physik (z.B. Beschleunigerphysik) eingesetzten Hohlraumresonatoren, deren Eigenschaften ausgemessen werden sollen. Dazu werden hochfrequente elektromagnetische Wellen in einen Resonator eingekoppelt und die Reaktion des Resonators wie folgt vermessen.
Die Problematik, in einen Resonator Hochfrequenz einzubringen, lässt sich mit dem sogenannten Reflektionsfaktor untersuchen, einer Kenngröße, die das Verhältnis der an der Einkopplung reflektierten zur erfolgreich eingekoppelten Feldamplitude angibt.
Zur Messung dieser zentralen Größe des Versuches steht ein Gerät zur skalaren (betrachtet den Betrag des komplexen Reflektionsfaktors) und vektoriellen (stellt den Reflektionsfaktor als Vektor in der komplexen Ebene dar) Netzwerkanalyse zur Verfügung. Die zur Verwendung kommenden Frequenzen liegen im Bereich einiger GHz (Mikrowellen).

Einen wichtigen Teilaspekt stellt auch die unterschiedliche Beschaffenheit von Wellenleitern, insbesondere also Kabeln, dar. Auf diesen wird mit einer kurzen Messung zur Einführung des Versuchs eingegangen.

Der Aufbau des Versuchs

Im Folgenden sind Bilder vom Versuchsaufbau zusammengestellt. Zunächst sind die beiden zu untersuchenden Hohlraumresonatoren zu sehen, welche jeweils an einer anderen Stelle (Mantel bzw. Deckel) über eine Einkopplung verfügen. Dabei handelt es sich um eine Halterung für eine in den Hohlraum ragende Metallschleife, mit welcher die Hochfrequenz in den Resonator eingebracht wird.


Hohlraumresonatoren


Resonante und nicht-resonante Störkörper-Messmethode

Einer der beiden Resonatoren ist auf einen Messstand montiert, der zur Durchführung der sogenannten Störkörper-Messmethoden erforderlich ist. Dabei wird der Resonator über einen dielektrischen Störkörper (Teflon-Kugel) hinweggeschoben, welcher auf einem entlang der Resonatorachse aufgespannten Faden befestigt ist. Aus den Veränderungen der Resonanzfrequenz bzw. des Reflektionsfaktors lassen sich Rückschlüsse auf die Feldverteilung auf der Achse des Hohlraums ziehen. Damit kann wiederum eine insbesondere für die Anwendung in der Beschleunigerphysik wichtige Kenngröße des Resonators, die sogenannte Shuntimpedanz (der im Resonanzfall reelle Ersatzwiderstand des Resonators) ermittelt werden. Die aktuelle Position des Resonators wird mittels eines Schleifkontaktpotentiometers als Spannung abgegriffen und an der links im Bild erkennbaren Box in Millimetern angezeigt.


Vermessung der Resonatormoden

Um die Grundeigenschaften des Resonators kennenzulernen, werden einige Resonatormoden (für bestimmte Frequenzen erlaubt die Geometrie des Resonators das Ausbilden stehender Wellen und somit eine deutlich bessere Einkopplung von hochfrequenten Signalen) durchgemessen sowie die Form der sich ausbildenden Resonanzkurve näher untersucht. Dabei kann man die gemessenen Frequenzen mit den Ergebnissen vergleichen, die eine auf den Abmessungen des Resonators beruhende theoretische Rechnung liefert. Um die Resonanzkurven vermessen zu können, steht eine vektorielle Netzwerkanalyse zur Verfügung. Damit kann der Reflexionsfaktor sowohl skalar als auch in der komplexen Ebene dargestellt werden.


Netzwerkanalyse.....




Downloads

Im Folgenden sind einige Dokumente aufgeführt, die den Praktikanten vor Versuchsbeginn auch in gedruckter Form als Anleitung für den Versuch sowie als ergänzende Literatur zur Verfügung gestellt werden.