-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft Wanderfeldröhrensysteme
und betrifft insbesondere Systeme und Verfahren zum Schützen von
Wanderfeldröhrensystemen, wenn
die Leistung der Kathode der Wanderfeldröhre abgeschaltet wird.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Wanderfeldröhren sind
dazu in der Lage, Mikrowellensignale über einen beträchtlichen
Frequenzbereich (z. B. 1–90
GHz) bei relativ hohen Ausgangsleistungen (z. B. >10 Megawatt), relativ
großen Signalverstärkungen
(z. B. 60 dB) und über
relativ große
Bandbreiten (z. B. >10%)
zu verstärken
und zu erzeugen.
-
In
einer Wanderfeldröhre
erzeugt eine Elektronenkanone einen Strahl aus Elektronen, die durch eine
Verzögerungsstruktur
hindurch gerichtet und von einem Kollektor aufgefangen werden. Die
Elektronenkanone erzeugt den Strahl aus Elektronen, indem zwischen
einer Kathode und einer Anode ein elektrisches Potential erzeugt
wird. Aus der Kathode emittierte Elektronen werden in Richtung auf
die Anode beschleunigt, und zwar aufgrund des elektrischen Potentials
zwischen der Anode und der Kathode. Die Verzögerungsstruktur beinhaltet
generell entweder einen Schraubenleiter oder eine Schaltung mit gekoppelten
Kavitäten,
wobei ein Signaleingangs- und ein Signalausgangsport an gegenüberliegenden Enden
der Struktur angeordnet sind. Der Elektronenstrahl wird in eine Öffnung der
Verzögerungsstruktur hinein,
durch die Verzögerungsstruktur
hindurch und aus einer weiteren Öffnung
der Verzögerungsstruktur hinaus
gerichtet. Eine strahlfokussierende Struktur, die die Verzögerungsstruktur
umgibt, erzeugt ein axiales Magnetfeld, das den Elektronenstrahl
innerhalb der Verzögerungsstruktur
hält.
-
Ein
an einem der Ports angelegtes Mikrowellensignal breitet sich entlang
der Verzögerungsstruktur
hin zu dem anderen Port aus, und zwar mit einer projizierten bzw.
projektierten Axialgeschwindigkeit, die deutlich niedriger ist als
die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum. Wenn die Geschwindigkeit
des Elektronenstrahls so eingestellt ist, dass sie ähnlich ist der
projektierten Axialgeschwindigkeit des Mikrowellensignals, das sich
entlang der Verzögerungsstruktur
ausbreitet, findet eine Wechselwirkung zwischen den Feldern des
Mikrowellensignals und des Elektronenstrahls statt, um auf diese
Weise Energie von dem Elektronenstrahl auf das Mikrowellensignal
zu übertragen,
wodurch das Mikrowellensignal verstärkt wird.
-
Eine
Wanderfeldröhre
kann als ein Verstärker
verwendet werden, indem ein Mikrowellensignal in den Signaleingangsport
der Verzögerungsstruktur eingekoppelt
wird. Das Mikrowellensignal breitet sich in der gleichen Richtung
wie der Elektronenstrahl in Richtung hin zu dem Signalausgangsport
aus und wird verstärkt,
indem aus dem Elektronenstrahl Energie extrahiert wird. Als Ergebnis
dieses Energieaustausches verliert der Elektronenstrahl Energie,
was die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls verringert.
-
Während des
Betriebs speichert die Leistungsversorgung eines Wanderfeld- bzw. Wanderwellenröhrensystems
eine große
Menge an Energie. Wenn das Wanderfeldröhrensystem abgeschaltet wird,
muss das System die Energie ableiten, ohne Komponenten des Wanderfeldröhrensystems
zu beschädigen.
Dieses Problem ist umso schwieriger, da neuere Wanderfeldröhrensysteme
dazu entwickelt sind, zum Betrieb größere Energiemengen zu erfordern.
Zusätzlich
hierzu neigen Wanderfeldröhrensysteme,
die Komponenten einsetzen, die feinere Strukturen verwenden (z.
B. schraubenförmige
Strukturen, die hergestellt sind unter Verwendung von Drähten mit
kleinen Durchmessern („fine
gage wires")), zu Schäden, wenn
das Wanderfeldröhrensystem
abgeschaltet wird und die in dem System gespeicherte Energie abgeführt werden
muss.
-
Daher
besteht eine Notwendigkeit nach Systemen und Verfahren zum Bereit stellen
von Wanderfeldröhrensystemen,
die in dem System gespeicherte Energie auf eine Art und Weise ableiten,
die das Risiko minimiert, dass Komponenten des Systems beschädigt werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft gemäß einem
Aspekt ein Wanderfeldröhrensystem,
das Komponenten einer Wanderfeldröhre schützt, wenn das System abgeschaltet
wird. Genauer gesagt stellt die Erfindung gemäß einer Ausführungsform
ein System bereit, um den Strompfad zwischen einer Kathode und einer strahlfokussierenden
Elektrode unter bestimmten Betriebsbedingungen außer Kraft
bzw. außer
Betrieb zu setzen. Der Strompfad wird außer Kraft gesetzt („disabled"), wenn das System
abgeschaltet wird, um die Wanderfeldröhre (z. B. die Verzögerungsstruktur) zu
schützen,
indem die Energiemenge minimiert wird, die von der Kathode und/oder
einem elektronischen Leistungsaufbereiter in die Wanderfeldröhre hinein
entladen wird.
-
Die
Erfindung betrifft gemäß einem
Aspekt eine Vorrichtung, die eine Wanderfeldröhre beinhaltet, die eine Elektronenkanone
mit einer Kathode aufweist. Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine
erste Leistungsversorgung zum Einrichten eines ersten elektrischen
Potentials zwischen der Kathode und einer Anode und zum Bereitstellen
eines Betriebsstromes für
die Kathode, um einen Strahl aus Elektronen zu erzeugen. Die Vorrichtung
beinhaltet ferner eine Verzögerungsstruktur
mit einem Durchgang, durch den hindurch der Elektronenstrahl verläuft. Die
Vorrichtung beinhaltet ferner eine zweite Leistungsversorgung zum
Bereitstellen einer Spannung für
eine strahlfokussierenden Elektrode, um zwischen der Kathode und
der strahlfokussierenden Elektrode ein elektrisches Potential einzurichten.
Die Vorrichtung beinhaltet ferner ein Schaltmodul, das mit der ersten Leistungsversorgung
und mit der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt ist. Das Schaltmodul
stellt einen Strompfad zwischen der Kathode und der strahlfokussierenden
Elektrode bereit, und der Strompfad wird außer Kraft gesetzt, wenn ein
Vorspannstrom („biasing
current") unterhalb
eines vorbestimmten Niveaus liegt. Bei einigen Ausführungsformen
wird eine einzelne Leistungsversorgung verwendet, die Schaltkreise
beinhaltet, die die Funktionalität
sowohl der ersten Leistungsversorgung als auch der zweiten Leistungsversorgung
verkörpern.
-
Die
Erfindung betrifft gemäß einem
weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Wanderfeldröhrensystems.
Das Verfahren beinhaltet das Verbinden eines Schaltmoduls mit wenigstens
einer Leistungsversorgung, die eine Kathode mit einer ersten Spannung
versorgt und eine strahlfokussierende Elektrode mit einer zweiten
Spannung versorgt. Ein Betriebsstrom, der zu der Kathode fließt, stellt
einen Vorspannstrom für
das Schaltmodul dar, das einen Strompfad zwischen der Kathode und
der strahlfokussierenden Elektrode einrichtet. Das Verfahren beinhaltet
auch das Außerkraftsetzen
(z. B. durch Manipulieren des Schaltmoduls) des Strompfades zwischen
der Kathode und der strahlfokussierenden Elektrode, wenn der Vorspannstrom
sich auf einen Wert unterhalb eines vorbestimmten Niveaus reduziert.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
beinhaltet die wenigstens eine Leistungsversorgung eine erste Leistungsversorgung
zum Zuführen
der ersten Spannung zu der Kathode und eine zweite Leistungsversorgung
zum Zuführen
der zweiten Spannung zu der strahlfokussierenden Elektrode. Bei
einigen Ausführungsformen
wird der Strompfad in Antwort darauf außer Kraft gesetzt, dass die
Leistungsversorgung abgeschaltet wird. Bei einigen Ausführungsformen verhindert
das Schaltmodul, dass an der Kathode gespeicherte Energie in die
Verzögerungsstruktur
entladen wird, wenn der Strompfad außer Kraft gesetzt wird. Bei
einigen Ausführungsformen
leitet das Schaltmodul Energie um, die in der Kathode gespeichert
ist, so dass die Energie nicht in die Wanderfeldröhre sondern
in wenigstens eine elektrische Komponente (z. B. Widerstand) entladen
wird, die in der Leistungsversorgung angeordnet ist, und zwar dann, wenn
der Strompfad außer
Kraft gesetzt wird.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Verfahren, eine Potentialdifferenz zwischen der ersten
Spannung und der zweiten Spannung einzurichten, wenn der Strompfad
außer
Kraft gesetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das
Verfahren, einen durch die Kathode fließenden Strom zu beenden bzw.
abzu schalten, wenn eine Differenz zwischen der ersten Spannung und
der zweiten Spannung ein Spannungsschwellenniveau überschreitet,
das für
die Wanderfeldröhre
charakteristisch ist. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das
Verfahren, einen Strom, der zu der Kathode fließt, zu beenden, wenn die erste
Spannung ein erstes Spannungsschwellenniveau überschreitet und die zweite
Spannung ein zweites Spannungsschwellenniveau überschreitet. Bei einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Verfahren, die zweite Spannung mit einem Schaltungselement
in dem Schaltmodul zu steuern, um zu verhindern, dass die zweite
Spannung die erste Spannung um mehr als einen vorbestimmten Betrag überschreitet,
wenn der Strompfad außer
Kraft gesetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das
Verfahren, einen Strompfad zwischen der Kathode und der strahlfokussierenden Elektrode
außer
Kraft zu setzen, wenn der zu der Kathode fließende Betriebsstrom sich unterhalb
eines vorbestimmten Niveaus befindet.
-
Die
Erfindung stellt gemäß einem
weiteren Aspekt eine Schaltung bereit, die ein Schaltmodul beinhaltet.
Das Schaltmodul ist mit wenigstens einer Leistungsversorgung zum
Versorgen einer Kathode mit einem Betriebsstrom gekoppelt. Der Betriebsstrom
beinhaltet einen Vorspannstrom, um einen Strompfad zwischen der
Kathode und einer strahlfokussierenden Elektrode einzurichten, wobei
der Strompfad außer
Kraft gesetzt wird, wenn der Vorspannstrom sich unterhalb eines
vorbestimmten Niveaus befindet.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
wird verhindert, dass an der Kathode gespeicherte Energie sich in
eine Verzögerungsstruktur
einer Wanderfeldröhre entlädt, wenn
der Strompfad außer
Kraft gesetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die
wenigstens eine Leistungsversorgung eine erste Leistungsversorgung,
um ein erstes elektrisches Potential zwischen der Kathode und einer
Anode einzurichten, und eine zweite Leistungsversorgung, um ein zweites
elektrisches Potential zwischen der Kathode und der fokussierenden
Elektrode einzurichten. Bei einigen Ausführungsformen beendet die zweite
Leistungsversorgung das Bereitstellen von Strom zu der strahlfokussierenden
Elektrode, und zwar in Antwort darauf, dass der Strompfad außer Kraft
gesetzt wird. Bei einigen Ausführungsformen
endet der Betriebsstrom der Kathode in Antwort darauf, dass der
Strompfad außer
Kraft gesetzt wird, bzw. wird abgeschaltet.
-
Der
Betriebsstrom der Kathode kann beendet werden, wenn eine Differenz
zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung ein Spannungsschwellenniveau überschreitet.
Bei einigen Ausführungsformen
wird der Kathodenstrom der Wanderfeldröhre beendet, wenn die erste
Spannung ein erstes Spannungsschwellenniveau überschreitet und die zweite
Spannung ein zweites Spannungsschwellenniveau überschreitet. Die Spannungsversorgung
kann eine Hochfrequenzschalt- oder eine Resonanz-Leistungsversorgung
sein.
-
Die
Erfindung stellt gemäß einem
weiteren Aspekt ein Wanderfeldröhrensystem
bereit. Das System beinhaltet eine Wanderfeldröhre, die eine Elektronenkanone
mit einer Kathode beinhaltet. Das System beinhaltet auch ein Schaltmodul.
Das Schaltmodul besitzt einen ersten Zustand, bei dem Strom zwischen
der Kathode und einer strahlfokussierenden Elektrode fließen kann,
wenn eine Leistungsversorgung eine erste Spannung für die Kathode
und eine zweite Spannung für
die strahlfokussierende Elektrode bereitstellt. Das Schaltmodul
besitzt ferner einen zweiten Zustand, der verhindert, dass Strom
zwischen der Kathode und der strahlfokussierenden Elektrode fließt, wenn
die Leistungsversorgung die erste Spannung für die Kathode nicht mehr bereitstellt.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
wird im Betrieb in dem zweiten Zustand eine Spannung zwischen der
Kathode und der strahlfokussierenden Elektrode begrenzt, und zwar
durch ein Schaltungselement oder eine Spannungsklemme („voltage clamp"). Bei einigen Ausführungsformen
wird eine Spannung zwischen der Kathode und der strahlfokussierenden
Elektrode durch eine Spannungsklemme („voltage clamp") begrenzt, die es
ermöglicht, dass
ein gewisser Strom das Schaltmodul umgeht („bypass").
-
Die
Erfindung stellt gemäß einem
weiteren Aspekt ein Wanderfeldröhrensystem
bereit. Das System beinhaltet eine Wanderfeldröhre, die eine Elektronenkanone
mit einer Kathode zum Erzeugen eines Elektronenstrahls beinhaltet.
Das System beinhaltet ferner Mittel zum Steuern eines Strompfades
zwischen der Kathode und einer strahlfokussierenden Elektrode, und
zwar derart, dass der Strompfad eingerichtet wird, wenn ein der
Kathode von einer Leistungsversorgung bereitgestellter Betriebsstrom
einen Vorspannstrom (der von der Kathode an die strahlfokussierende
Elektrode bereitgestellt wird) beinhaltet, der oberhalb eines vorbestimmten
Niveaus liegt, und derart, dass der Strompfad außer Kraft gesetzt wird, wenn
der Vorspannstrom unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt.
-
Die
vorstehenden und weitere Aufgaben, Aspekte, Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und
aus den Ansprüchen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die
vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
als auch die Erfindung selbst ergeben sich deutlicher aus der nachstehenden
illustrativen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung,
die nicht notwendigerweise maßstäblich ist.
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Wanderfeldröhrensystems gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 ist
eine Darstellung eines Abschnittes einer schematisch dargestellten
elektrischen Schaltung, die in Verbindung mit einem Wanderfeldröhrensystem
verwendet wird, und zwar gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung;
-
3A ist
eine grafische Darstellung der Energieentladung in einer Wanderfeldröhre ohne
Verkörperung
von Prinzipien der Erfindung; und
-
3B ist
eine grafische Darstellung der Energieentladung in einer Wanderfeldröhre unter
Verkörperung
von Prinzipien der Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
von beispielhaften Ausführungsformen
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Wanderfeldröhrensystems 100, das
Prinzipien der Erfindung verkörpert
bzw. beinhaltet. System 100 beinhaltet eine Wanderfeldröhre 124,
eine Elektronenkanone 104, eine Verzögerungsstruktur 108 und einen
Kollektor 110 mit wenigstens einer Kollektorelektrode 112.
Das System 100 beinhaltet ferner einen elektronischen Leistungsaufbereiter 156 zum
Bereitstellen von Energie für
die Wanderfeldröhre 124 und für Komponenten
hiervon. Die Verzögerungsstruktur 108 beinhaltet
einen Signaleingangsport 116 und einen Signalausgangsport 120.
Typischerweise umschließt
ein (nicht gezeigtes) Gehäuse
die Komponenten der Wanderfeldröhre 124 und
schützt
diese.
-
Die
Elektronenkanone 104 beinhaltet eine Kathode 128 und
eine Anode 132. Im Betrieb wird zwischen der Kathode 128 und
der Anode 132 ein elektrisches Potential angelegt, und
zwar mittels des elektronischen Leistungsaufbereiters 156.
Der elektronische Leistungsaufbereiter 156 weist eine Vielzahl
von Ausgängen
auf. Die Ausgänge
des elektronischen Leistungsaufbereiters 156 beinhalten
eine Verbindung 180 und eine Verbindung 184. Der
elektronische Leistungsaufbereiter 156 richtet das elektrische
Potential ein, indem ein elektrisches Potential zwischen der mit
der Kathode 128 verbundenen Verbindung 180 und
der Verbindung 184 eingerichtet wird, die mit der Anode 132 gekoppelt
ist (die gegenüber
der Kathode 128 elektrisch isoliert ist).
-
Die
Kathode 128 erzeugt und emittiert einen Elektronenstrahl 152 in
Antwort auf das angelegte elektrische Potential. Bei einer Ausführungsform
wird zwischen der Kathode 128 und der Anode 132 ein Potential
angelegt, das größer ist
als einige Tausend Volt, um den Elektronenstrahl 152 zu
erzeugen. Die Kathode 128 wird relativ zu der Anode 132 auf
eine große
negative Spannung eingestellt, um den Elektronenstrahl 152 zu
erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen
wird ein optionales Heizelement 160 verwendet, um die Kathode 128 zu
beheizen, um einen Elektronenfluss zu initiieren und/oder aufrecht
zu erhalten, der von der Kathode 128 emittiert wird, um den
Elektronenstrahl 152 zu erzeugen. Der elektronische Leistungaufbereiter 156 stellt
dem Heizelement 160 Energie über eine Verbindung 176 bereit,
um zu veranlassen, dass das Heizelement 160 die Kathode 128 beheizt.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
ist das Heizelement 160 notwendig, um die Kathode 128 auf
eine geeignete Temperatur zu erwärmen,
bevor die hohe Spannung an die Kathode 128 angelegt wird,
und um die Temperatur während
des Betriebs aufrechtzuerhalten. Bei einigen Ausführungsformen
arbeitet das Wanderfeldröhrensystem 100 nicht
gut oder kann katastrophal beschädigt
werden, wenn eine hohe Spannung an die Kathode 128 angelegt
wird, wenn die Kathode 128 noch nicht auf eine geeignete
Temperatur aufgewärmt
ist.
-
Die
Verzögerungsstruktur 108 ist
benachbart zu der Elektronenkanone 104 angeordnet, derart, dass
der Elektronenstrahl 152 durch einen Durchgang 136 in
der Verzögerungsstruktur 108 hindurch verläuft. Die
Verzögerungsstruktur 108 beinhaltet
generell eine schraubenförmige
(„helical") Struktur oder eine
Schaltung mit gekoppelten Kavitäten.
Im Betrieb wird ein Mikrowellensignal in die Verzögerungsstruktur 108 über den
Eingangsport 116 der Verzögerungsstruktur 108 eingeführt. Das
Mikrowellensignal bereitet sich entlang der Verzögerungsstruktur 108 mit
einer axialen Geschwindigkeit aus, die deutlich kleiner ist als
die Lichtgeschwindigkeit. Die axiale Geschwindigkeit ist beispielsweise
eine Funktion der elektrischen und geometrischen Eigenschaften der Verzögerungsstruktur 108.
Das Verhältnis
der axialen Geschwindigkeit zu der Geschwindigkeit im freien Raum
wird häufig
als der Geschwindigkeitsfaktor der Verzögerungsstruktur 108 bezeichnet.
-
Der
Geschwindigkeitsfaktor der Verzögerungsstruktur 108 und
das elektrische Potential zwischen der Kathode 128 und
der Anode 132 werden so gewählt, dass die elektrischen
Felder des Mikrowellensignals mit dem Elektronenstrahl 152 in
der Verzögerungsstruktur 108 Wechselwirken.
Die Wechselwirkung zwischen dem Mikrowellensignal und dem Elektronenstrahl 152 führt zu einer
Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls 152, und
es wird von dem Elektronenstrahl 152 Energie auf das Mikrowellensignal übertragen,
wodurch das Mikrowellensignal verstärkt wird, wohingegen die Geschwindigkeit
der Elektronen in dem Elektronenstrahl 152 verringert wird.
Das verstärkte
Mikrowellensignal tritt aus dem Ausgangsport 120 der Verzögerungsstruktur 108 aus.
Die Elektronen in dem Elektronenstrahl 152, die durch den
Durchgang 136 der Verzögerungsstruktur 108 hindurchgehen,
werden von der Kollektorelektrode 112 des Kollektors 110 aufgefangen.
Der Kollektor 110 wird auf einer negativen Gleichspannung
gehalten, beispielsweise auf –11kV
bei einer Ausführungsform.
Der elektronische Leistungsaufbereiter 156 stellt dem Kollektor 110 die Gleichspannung über eine
Verbindung 172 bereit. An den Kollektor 110 können alternative
Gleichspannungsgrößen angelegt
werden.
-
Um
ein Beispiel zu geben: das in den Eingangsport 116 eingeführte Mikrowellensignal
pflanzt sich anfangs nahe der Lichtgeschwindigkeit fort und muss
auf die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls 152 verringert
bzw. abgebremst werden, der sich etwa mit 10% bis etwa 50% der Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt.
In einer Verzögerungsstruktur 108,
die eine Schraubenstruktur beinhaltet, wandert das Mikrowellensignal
entlang des generell kreisförmigen/spiralförmigen Pfades
der Schraube bzw. Helix. Der Elektronenstrahl 152 wandert
um eine Distanz von etwa einer Steigung/Windung („Pitch") der Schraubenstruktur,
wobei es sich hierbei um eine kleinere Distanz als die einer Umkreisung
des kreisförmigen
Pfades der Schraubenstruktur handelt. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit
des Mikrowellensignals etwa auf die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls 152 reduziert,
so dass Energie von dem Elektronenstrahl 152 auf das Mikrowellensignal übertragen
werden kann, während
diese in Wechselwirkung miteinander stehen.
-
Eine
Koppelhohlraumschaltung (oder -struktur) bzw. eine Schaltung mit
gekoppelten Kavitäten kann
alternativ hierzu in der Verzögerungsstruktur 108 verwendet
werden. Bei einer Koppelhohlraumschaltung wandert das Mikrowellensignal
entlang der inneren Oberflächen
der Hohlräume
der Koppelhohlraumschaltung, während
der Elektronenstrahl 152 durch Öffnungen zwischen benachbarten
Hohlräumen
hindurch verläuft.
Das Mikrowellensignal wandert über
eine größere Distanz
als der Elektronenstrahl 152, wodurch das Mikrowellensignal
relativ zu dem Elektronenstrahl 152 verlangsamt wird.
-
Das
Wanderfeldröhrensystem 100 beinhaltet auch
eine strahlfokussierende Struktur 164, die generell koaxial
zu der Verzögerungsstruktur 108 angeordnet
ist und wenigstens einen Abschnitt hiervon umgibt. Die strahlfokussierende
Struktur 164 erzeugt ein axiales magnetisches Feld entlang
der Achse 168 der Wanderfeldröhre, das in einer Richtung
senkrecht zu der Wanderrichtung des Elektronenstrahls 152 wirkt.
Das axiale magnetische Feld wirkt auf das System 100 so,
dass Elektronen in dem Elektronenstrahl 152 veranlasst
werden, in der Verzögerungsstruktur 108 auf
eine solche Art und Weise gehalten zu werden, dass der Elektronenstrahl 152 einen
engen bzw. sehr schmalen Pfad beibehält. Bei Abwesenheit von einer
oder mehreren strahlfokussierenden Strukturen 164 würden die
Elektronen in dem Elektronenstrahl 152 dazu neigen, sich
gegenseitig abzustoßen,
wodurch der Elektronenstrahl 152 divergieren würde.
-
Die
strahlfokussierende Struktur 164 kann beispielsweise ein
Strom führender
Elektromagnet („solenoid") sein. Bei dieser
Ausführungsform
stellt der elektronische Leistungsaufbereiter 156 der Spule des
Elektromagneten der strahlfokussierenden Struktur 164 einen
Stromfluss bereit, und zwar über eine
Verbindung 168. Der Stromfluss in der Spule induziert das
axiale magnetische Feld, das auf den Elektronenstrahl 152 wirkt.
Bei einigen Ausführungsformen
beinhaltet die strahlfokussierende Struktur 164 einen Stapel
bzw. eine Reihe von Permanentmagneten und erfordert keinen Stromfluss
aus dem elektronischen Leistungsaufbereiter 156, um ein
magnetisches Feld zu erzeugen, das auf den Elektronenstrahl 152 wirkt.
-
Wanderfeldröhren beinhalten
manchmal auch eine zweite Anode (nicht gezeigt), die zwischen der
Kathode 128 und der Verzögerungsstruktur 108 angeordnet
ist, wobei diese zweite Anode als eine Ionenfalle verwendet wird.
Während
des Betriebs ionisiert der Elektronenstrahl 152 Restgasmoleküle in der
Wanderfeldröhre 124.
Die erzeugten Ionen driften in Richtung hin zu der Elektronenkanone 104 und werden
in Richtung hin zu der Kathode 128 beschleunigt, wo sie
die Kathode 128 kontaminieren und den Betrieb des Systems
stören.
Die Ionenfalle wird dazu verwendet, die erzeugten Ionen abzustoßen, um
zu verhindern, dass die Ionen die Kathode 128 bombardieren,
wodurch ein frühzeitiges
Altern der Kathode 128 und/oder eine Verringerung der System-Performance
verhindert werden.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
wird die Anode 132 als die Ionenfalle verwendet und richtet
ferner das elektrische Potential zwischen der Anode 132 und
der Kathode 128 ein, um den Elektronenstrahl 152 zu
erzeugen. Der elektronische Leistungsaufbereiter 156 legt
relativ zu der Kathode 128 eine niedrige Spannung (z. B.
0 V oder Masse) an, um das elektrische Potential zwischen der Kathode 132 und der
Anode 128 einzurichten. Damit die Anode als eine Ionenfalle
wirkt, legt der elektrische Leistungsaufbereiter 156 eine
niedrige positive Spannung (z. B. +200 Volt) an die Anode 132 an.
Das elektrische Potential von +200 Volt, das an die Anode 132 angelegt
wird, stößt Ionen,
die in der Verzögerungsstruktur 108 erzeugt
werden, von der Anode 132 ab. Die Ionen sind positiv geladene
Moleküle,
die gebildet werden durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls 152 mit
Restgasmolekülen
in der Verzögerungsstruktur 108.
Da die Anode 132 auf einer positiven Spannung (z. B. +200
Volt bei einer Ausführungsform)
gehalten wird und da die Ionen positiv geladen sind, wirkt die Anode 132 als
eine elektrische Barriere, die verhindert, dass Ionen in Richtung
hin zu der Kathode 128 wandern (die ein großes negatives
elektrisches Spannungspotential relativ zu den positiv geladenen
Ionen besitzt).
-
Bei
einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Wanderfeldröhrensystem 100 eine
Vielzahl von Kollektorelektroden, die jeweils auf einem unterschiedlichen
elektrischen Potential relativ zu dem Rahmen (z. B. Gehäuse) der
Wanderfeldröhre 124 liegen,
um Elektronen auf unterschiedlichen elektrischen Potentialniveaus aufzufangen.
Bei einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Wanderfeldröhrensystem 100 eine
Vakuumionenpumpe, um erzeugte Ionen aufzufangen.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
beinhaltet das Wanderfeldröhrensystem 100 eine
Strahlfokuselektrode 190, die in enger Nachbarschaft zu
der Kathode 128 angeordnet ist. Die Strahlfokuselektrode 190 steuert
die Form des beschleunigenden elektrischen Feldes des Elektronenstrahls 152 in
einem Bereich nahe der Kathode 128, was eine verbesserte Elektronenstrahlemission
aus der Kathode 128 bereitstellt, bei der es leichter ist,
den Fokus und die Eingrenzung des Elektronenstrahls 152 innerhalb
der Verzögerungsstruktur 108 aufrechtzuerhalten.
Die Fokuselektrode 190 ist durch ein Spannungssignal vorgespannt,
das der Fokuselektrode 190 aus dem elektronischen Leistungsaufbereiter 156 bereitgestellt
wird, und zwar über
eine Verbindung 194. Die Fokuselektrode 190 ist
auf eine niedrige negative Spannung in Bezug auf die Kathode 128 vorgespannt.
Bei einer Ausführungsform
ist die Fokuselektrode auf einen Wert zwischen etwa –5 Volt
und etwa –20
Volt vorgespannt. Zusätzlich
zur Verbesserung der Strahlfokussierung kann der Elektronenstrahl
der Wanderfeldröhre
durch Vorspannen der Fokuselektrode 190 in Bezug auf die
Kathode 128 auf ein hinreichend hohes negatives Potential
(z. B. –500
Volt bei einer Ausführungsform)
abgeschaltet werden. Dies ist eine nützliche Eigenschaft der Fokuselektrode 190,
die häufig
zum Steuern des Ein/Aus-Zustandes des Elektronenstrahls 152 verwendet
wird.
-
2 ist
eine Darstellung eines Abschnittes eines elektrischen schematischen
Schaltdiagramms eines elektronischen Leistungsaufbereiters 200 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung. Der elektronische Leistungsaufbereiter 200 kann
beispielsweise in dem Wanderfeldröhrensystem 100 der 1 verwendet
werden (als der elektronische Leistungsaufbereiter 156 in 1).
Der elektronische Leistungsaufbereiter 200 beinhaltet eine
Hochspannungsstufe 204 zum Anlegen einer großen negativen
Gleichspannung an die Kathode (z. B. die Kathode 128 der 1)
des Wanderfeldröhrensystems,
und zwar über
eine Verbindung 216. Die Hochspannungsstufe 204 richtet
ein elektrisches Potential zwischen der Kathode und der Anode des Wanderfeldröhrensystems
ein. Bei einigen Ausführungsformen
ist die Hochspannungsstufe eine Hochfrequenz-Schaltnetzteilstufe
oder eine Resonanz-Netzteilstufe
(„resonant
power supply stage").
-
Der
elektronische Leistungsaufbereiter 200 beinhaltet ferner
drei Transformatoren 224, 228 und 232.
Der erste Transformator 224 stellt Energie für die Hochspannungsstufe 204 bereit,
um die große negative
Gleichspannung an der Verbindung 216 einzurichten, die
mit der Kathode des Wanderfeldrbhrensystems gekoppelt ist. Der zweite
Transformator 228 stellt Energie für ein Heizelement (nicht gezeigt)
bereit, das die Kathode erwärmt
(z. B. das Heizelement 160 der 1, das die
Kathode 128 erwärmt).
Der zweite Transformator 228 stellt auch eine Ansteuerspannung
für eine
Vorspannungsleistungsversorgung 208 für die Fokuselektrode bereit. Die
Vorspannungsversorgung 208 für die Fokuselektrode stellt
eine Vorspann-Spannung für
die Fokuselektrode der Wanderfeldröhre bereit (z. B. die Fokuselektrode 190 der 1),
und zwar über
eine Verbindung 220.
-
Die
Primärschaltung 236 des
dritten Transformators 232 ist mit der letzten Windung
des ersten Transformators 232 gekoppelt (d. h. der Windung,
die den vollen Kathodenbetriebsstrom verarbeitet). Die Sekundärschaltung 240 des
dritten Transformators 232 ist mit einer Schalt-Schaltung
oder einem Schalt-Modul 212 verbunden. Das Schalt-Modul 212 beinhaltet
eine Vielzahl von elektrischen Komponenten, beispielsweise Widerstände, Kondensatoren,
Dioden und einen MOSFET 244.
-
Wenn
im Betrieb ein elektrisches Potential zwischen der Kathode und der
Anode des Wanderfeldröhrensystems
eingerichtet ist, liefert die Hochspannungsstufe 204 einen
Betriebsstrom für
die Kathode, um den Elektronenstrahl zu erzeugen. In diesem Modus
ist das Schalt-Modul 212 derart konfiguriert, dass die
Kathode einen Vorspannstrom an das Schalt-Modul 212 liefert,
und zwar über
eine Verbindung 252. Der Vorspannstrom richtet einen Strompfad
zwischen der Kathode, die mit der Verbindung 216 gekoppelt
ist, und der Vorspannungsversorgung 208 für die Fokuselektrode
ein, wobei die Vorspannungsversorgung 208 mit der Verbindung 220 gekoppelt
ist.
-
Wenn
der elektronische Leistungsaufbereiter 200 abgeschaltet
wird, beendet der Hochspannung-Transformator 224 seinen
Dienst und der Ausgang 256 beginnt sich aufgrund von Strömen in der Wanderfeldröhre (z.
B. zwischen der Kathode und Kollektoren als auch der Kathode und
der Verzögerungsstruktur)
zu entladen. Die Kathodenspannung bewegt sich in die positive Richtung.
Bei Abwesenheit der Funktionalität,
die durch das Schalt-Modul 212 bereitgestellt wird, würde in der
Hochspannungsstufe 204 gespeicherte Energie in die Wanderfeldröhre fließen, wo
sie beispielsweise den schraubenförmigen Leiter der Wanderfeldröhre beschädigen kann.
-
Demgemäß funktioniert
diese Technologie so, dass der Energiestrom aus dem elektronischen Leistungsaufbereiter 200 und/oder
aus der Kathode in die Wanderfeldröhre begrenzt oder außer Kraft
gesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform
wird dann, wenn der Kathodenstrom (z. B. der Strom, der durch die
Primarschaltung 236 des dritten Transformators 232 fließt) einen
Schwellenwert überschreitet,
der MOS-FET 244 in
dem Schalt-Modul 212 eingeschaltet. Bei dieser Ausführungsform
wird der Schwellenwert auf der Grundlage des Wicklungsverhältnisses („turns
ratio") des dritten
Transformators 232 und auf der Grundlage von Werten von
elektrischen Komponenten in dem Schalt-Modul 212 bestimmt.
Im Betrieb wird dann, wenn der Kathodenstrom unter den Schwellenwert
fällt,
der MOSFET 244 abgeschaltet, und zwar durch das Schalt-Modul 212.
-
Bei
einer Ausführungsform
wird der Schwellenwert (der An/Aus-Schwellenwert des Schalt-Moduls 212)
auf einen Wert von etwa 50% des Kathodenbetriebsnennstromes eingestellt.
Der Betriebsnennstrom der Kathode wird beispielsweise auf der Grundlage
der Konstruktion der Kathode, der Anode, der Wanderfeldröhre, des
elektronischen Leistungsaufbereiters und der gewünschten Signalausbreitung und
Verstärkungscharakteristika
des Wanderfeldröhrensystems
und der Anwendung bestimmt, in der dieses verwendet wird (z. B.
in einem Telekommunikations-Satellitensystem).
-
Bei
Vorhandensein des Schalt-Moduls 212 wird der MOSFET 244 abgeschaltet
(ähnlich
wie hier beschrieben), wenn der elektronische Leistungsaufbereiter
abge schaltet wird. In diesem Zustand wirkt jegliche Kapazität an der
Verbindung 220 (gekoppelt mit dem Ausgang der Fokuselektrode)
in Bezug auf Masse so, dass die Kapazität versucht, die Spannung an
der Verbindung 220 auf ihrer Betriebsnennspannung aufrecht
zu erhalten. Wenn die Impedanz des Schalters 244 groß genug
und die Kapazität
groß genug
sind, entlädt
sich die Strahlfokuselektrode mit einer langsameren Rate als der
elektronische Leistungsaufbereiter 200 und die Kathode.
Beispielhafte Impedanzen liegen zwischen etwa 50 MΩ und 10 oder
mehr GΩ,
und zwar in Abhängigkeit
von der Bauteilauswahl. Beispielhafte Kapazitäten liegen zwischen etwa 50
Picofarad und 3000 oder mehr Picofarad.
-
Dieser
Zustand bzw. diese Bedingung ermöglicht
es, dass sich die Kathodenspannung positiv in Bezug auf die Strahlfokuselektrode
bewegt, was den Fluss eines Stromes in den Wanderfeldröhren-Elektronenstrahl
verringert. Während
die Kathodenspannung ihre positive Entladung fortsetzt, wird die
Spannung zwischen der Kathode und der Fokuselektrode schließlich groß genug,
um den Elektronenstrahlstrom vollständig zu beenden. Nachdem dies
auftritt, entlädt
sich die verbleibende, in der Kathode und dem elektronischen Leistungsaufbereiter 200 gespeicherte
Energie anschließend
langsam in beispielsweise elektrische Komponenten (z. B. einen Widerstand)
in dem elektronischen Leistungsaufbereiter 200. Auf diese
Weise wird die Energieabgabe bzw. -dissipation in die Wanderfeldröhre oder
Komponenten hiervon minimiert und stellt einen kleinen Bruchteil
der Gesamtenergie dar, die in dem elektronischen Leistungsaufbereiter 200 gespeichert
war.
-
Alternative
Systeme und Verfahren können verwendet
werden, um die Entladung von Energie in Komponenten der Wanderfeldröhre zu minimieren, und
zwar gemäß alternativen
Ausführungsformen der
Erfindung. Beispielsweise könnte
ein alternatives Schalt-Modul verwendet werden, das auf Spannungen
oder Spannungsdifferenzen in dem Wanderfeldröhrensystem anspricht. Ferner
können
bei einigen Ausführungsformen
mehr als ein MOSFET 244 in dem elektronischen Leistungsaufbereiter 200 verwendet
werden. Beispielsweise sind bei einigen Ausführungsformen zwei MOSFETs 244 in
dem Schalt-Modul 212 in Reihe enthalten, um die Spannung
zu reduzieren, die ansonsten über
einem einzelnen MOSFET angelegt würde.
-
In
Bezug auf 1 liefert in einer alternativen
Ausführungsform
der elektronische Leistungsaufbereiter 156 eine erste Spannung
an die Kathode 128 über
eine Verbindung 180 und eine zweite Spannung an die Fokuselektrode 190.
Wenn das Wanderfeldröhrensystem 100 arbeitet,
fließt
der Elektronenstrahl 152 und die Größen der ersten und der zweiten Spannung
sind generell stabil. Wenn das Wanderfeldröhrensystem 100 abgeschaltet
wird, können
sich die Größen der
ersten und der zweiten Spannung ändern.
Auf diese Weise kann ein Schalt-Modul dazu konfiguriert sein, den
Strompfad zwischen der Kathode 128 und der Vorspannungsversorgung
für die
Fokuselektrode (z. B. die Vorspannungsversorgung 208 für die Fokuselektrode
in 2) außer
Kraft zu setzen, die mit der Fokuselektrode 190 verbunden
ist, um die Größe der ersten
und der zweiten Spannung zu verändern
(z. B. wenn die erste Spannung einen ersten Schwellenwert überschreitet
und die zweite Spannung einen zweiten Schwellenwert überschreitet).
Die Schwellenwertniveaus können
auf einer oder mehreren Charakteristika der Wanderfeldröhre beruhen,
(z. B. Spannungs- oder Stromführungskapazität der Verzögerungsstruktur).
Beispielsweise kann das Schalt-Modul
beispielsweise durch MOSFETs und andere elektronische Komponenten
gebildet sein, die beispielsweise in dem elektronischen Leistungsaufbereiter 156 angeordnet
sind.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
kann das Schaltmodul dazu konfiguriert sein, den Strompfad zwischen
der Kathode und der Vorspannungsversorgung 208 für die Fokuselektrode
auf der Grundlage der Größe (oder
einer Änderung
der Größe) der
ersten Spannung, der zweiten Spannung oder der Differenz zwischen
der ersten und der zweiten Spannung außer Kraft zu setzen. Bei einer
Ausführungsform verhindert
das Schalt-Modul durch Außerkraftsetzen des
Strompfades zwischen der Kathode und der Vorspannungsversorgung 208 für die Fokuselektrode, dass
die zweite Spannung die erste Spannung um mehr als einen vorbestimmten
Betrag überschreitet, wenn
der Strompfad außer
Kraft gesetzt ist, wenn das Wanderfeldröhrensystem abgeschaltet wird.
-
Zu
Darstellungszwecken wurde ein Experiment ausgeführt, um die Energiemenge zu
messen, die in eine Wanderfeldröhre
entladen wird, wenn das Wanderfeld röhrensystem abgeschaltet wird. 3A ist
eine grafische Darstellung eines Diagramms 300 der Energieentladungsergebnisse,
die erhalten werden unter Verwendung des elektronischen Leistungsaufbereiters 200 der 2 ohne
das Schalt-Modul 212, und zwar in einem Wanderfeldröhrensystem
(z. B. dem Wanderfeldröhrensystem 100 der 1).
Die linke Y-Achse 304 des Diagramms 300 ist die
Spannung an der Kathode (also die Spannung an der Verbindung 216 der 2).
Die rechte Y-Achse 308 des Diagramms 300 ist die
Energie (in der Einheit von Joules), die in die Wanderfeldröhre entladen
wird. Der Wanderfeldröhrenrahmen-Strom
(Strom durch den Rahmen bzw. das Gehäuse der Wanderfeldröhre 124)
wurde mittels eines Stromfühlers überwacht, der
mit einem Oszilloskop verbunden war. Die Wellenform der Kathodenspannung
und der Rahmenstrom wurden aufgenommen, als der elektronische Leistungsaufbereiter 200 abgeschaltet
wurde. Die sich ergebenden Oszilloskopverlaufe wurden in einer Datendatei
gespeichert. Dann wurde die Rahmenenergie aus diesen Verlaufen berechnet,
und zwar durch Integrieren der Kathodenspannung über der Zeit, und zwar multipliziert
mit dem Rahmenstrom. Die X-Achse 312 des Plots 300 ist
eine Zeitachse (in der Einheit von Sekunden).
-
Das
Wanderfeldröhrensystem
wurde bei etwa –0,001
Sekunden abgeschaltet. 3A zeigt, dass die Spannung
an der Kathode (Kurve 320) sich von etwa –12,000
Volt bei –0,001
Sekunden auf etwa –700
Volt bei etwa 0,015 Sekunden änderte. 3A zeigt
auch, dass die in die Wanderfeldröhre entladene Energie (Kurve 316)
anstieg, und zwar von etwa 0 Joules bei –0,001 Sekunden auf etwa 550
mJoules bei etwa 0,015 Sekunden.
-
3B ist
eine grafische Darstellung eines Diagramms 340 der Energieentladungsergebnisse unter
Verwendung des elektronischen Leistungsaufbereiters 200 der 2 einschließlich des Schalt-Moduls 212.
Das Schalt-Modul 212 wurde dazu konfiguriert, den MOSFET
abzuschalten, wenn der Kathodenstrom unter 50% des Nennstromes fällt (ähnlich wie
hier beschrieben). Der Nennstrom betrug bei dieser Ausführungsform
etwa X mA. Die linke Y-Achse 304 des Diagramms ist die
Spannung an der Kathode (also die Spannung an der Verbindung 216 der 2).
Die rechte Y-Achse 308 des Diagramms 300 ist die
Energie (in der Einheit von Joules), die in die Wanderfeldröhre entladen
wird. Die X-Achse 312 des Diagramms 300 ist die
Zeit (in der Einheit von Sekunden).
-
Das
Wanderfeldröhrensystem
wurde bei etwa –0,001
Sekunden abgeschaltet. 3B zeigt, dass sich die Spannung
an der Kathode (Kurve 354) änderte, und zwar von etwa –12.000
Volt bei –0,001 Sekunden
auf etwa –10.000
Volt bei 0,005 Sekunden. 3B zeigt
auch, dass die in die Wanderfeldröhre entladene Energie (Kurve 350)
anstieg, und zwar von etwa 18 mJoules bei –0,001 Sekunden auf etwa 100
mJoules bei 0,005 Sekunden.
-
Der
Vergleich zeigt, dass die in die Wanderfeldröhre abgeführte Energie etwa 5,5-fach
kleiner war, und zwar in dem System unter Verwendung eines Schalt-Moduls 212 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung (etwa 550 mJoules in 3A gegenüber etwa
100 mJoules in 3B).
-
Die
Energieabführungs-Anforderungen
für Wanderfeldröhrensysteme
werden größer, da
beispielsweise die an die Kathode und die strahlfokussierende Elektrode
angelegten Spannungen größer werden.
Die Abführungsforderungen
werden größer, da
die Energie in dem Wanderfeldröhrensystem
ansteigt, und zwar mit dem Quadrat der Spannung in dem System.
-
Variationen,
Modifikationen und andere Implementationen als die hier beschriebenen
ergeben sich für
Fachleute, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen, wie beansprucht. Demgemäß ist die Erfindung nicht durch die
vorstehende beispielhafte Beschreibung definiert, sondern stattdessen
durch den Grundgedanken und den Schutzbereich der folgenden Ansprüche.