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.
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.
.....
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.