DE1042140B

DE1042140B - Anordnung zur gebuendelten Fuehrung eines Elektronenstrahls ueber eine groessere Wegstrecke, insbesondere fuer Laufzeitroehren

Info

Publication number: DE1042140B
Application number: DEL21266A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Martin Mueller
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1955-02-26
Filing date: 1955-02-26
Publication date: 1958-10-30
Also published as: NL204569A; CH339677A; BE545513A

Description

DEUTSCHES

Zur Erzeugung, Verstärkung uind Modulation von Schwingungen sehr hoher Frequenz werden Elektronenröhren verwendet, in welchen ein Energieaustausch zwischen hochfrequenten elektromagnetischen Feldern und einem Elektronenstrahl erheblicher Länge (im Vergleich zu dessen Querschnitt) stattfindet. Solche Röhren- sind beispielsweise das Mehrkammerklystron, die Wanderfeldröhre, die Elektronenwellenröhre. Die für diesen Mechanismus erforderlichen

Raumladungskonstanten —^j- (/= Strahlstromstärke,

U = Strahlspannung) sind viel größer als beispielsweise in Braunschen Röhren und machen eine magnetische Strahlführung (Fokussierung) über nahezu die gesamte Strahllänge notwendig. Die erforderliche magnetische Feldstärke H wächst mit |/—J—, und

die Richtung der Feldlinien muß mit der Strahlrichtung übereinstimmen, wenn der Strahl nicht von der vorgesehenen geraden Bahn abweichen soll. Dies ist bei den genannten Röhren in der Regel zu fordern, weil sehr enge Durchtrittsöffnungen vorhanden sind, die möglichst nicht von Elektronen getroffen werden sollen.

Das Magnetfeld kann durcih Spulen oder Permanentmagnete erzeugt werden. Permanentmagnete besitzen bekanntlich geringeres Gewicht und den Vorzug, daß man ohne Magnetisierungsleistung und die dazu erforderliche Gleichstromversorgungsanlage auskommt.

Während das Feld von Spulen durch die Geometrie der Wicklung sich weitgehend vorherbestimmen und verhältnismäßig homogen erzeugen läßt, hängt das Feld eines Permanetmagnets besonders stark von den Streuwerten des Materials ab. Die Folge davon sind, selbst bei geometrisch regelmäßigem Aufbau, Unregelmäßigkeiten des Magnetfeldes. Es treten insbesondere unregelmäßige Querkomponenten dergestalt auf, daß die axiale Übereinstimmung der Feldrichtung mit der Strahlrichtung im Innern der Anordnung nicht hergestellt werden kann.

Die einzelnen Störstellen bewirken eine Ablenkung des Elektronenstrahls aus der gewünschten. Richtung, wodurch empfindliche Strahlstromverluste und damit eine Verminderung der Verstärkung und Leistung der Röhre hervorgerufen wird. Ferner tritt als Folge dieser Ablenkungen z. B. bei Wanderfeldröhren eine unzulässig hohe Erwärmung dler Verzögerungsleitung ein, welche zu denen Zerstörung führen kann.

Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Magnetanordnungen bekanntgeworden, bei denen mittels weichmagnetiseher Homogenisierungsbleche zwischen den in axialer Richtung hintereinander angeordneten Magnetelementen eine gleichmäßigere Ausbildung des Anordnung zur gebündelten Führung

eines Elektronenstrahls
über eine größere Wegstrecke,
insbesondere für Laufzeitröhren

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz

Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen,

Hellmuth-Hirth-Str. 42

Dr.-Ing. Martin Müller, Pforzheim,
ist als Erfinder genannt worden

fokuss'ierenden Feldes angestrebt wird. Dabei mußte aber das Feld absichtlich abgeschwächt werden auf einen Wert, welcher weit unterhalb' der an sich erzeugbaren Feldstärke liegt. Daher konnten Permanentmagnete bisher nur für Röhren relativ geringer Verstärkung und Leistung angewendet werden.

Eine bekannte Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Um die Röhre Rö liegt .ein aus einzelnen Magneten T und T' aufgebauter Magnet, welcher ein ausgedehntes Längsfeld erzeugt. Die einzelnen Magnete sind in axialer Richtung magnetisiert — N₁ S — und voneinander durch Homogenisierungsbleche B getrennt.

Ein Querfeld entsteht dann, wenn beispielsweise die oberhalb und unterhalb der Röhre befindlichen Pole des gleichen Abschnittes verschieden große magnetische Potentiale, also eine unerwünschte magnetische Spannung gegeneinander, aufweisen. Diese Spannung soll durch das anliegende Blech- B ausgeglichen werden, welches die gesamten stirnseitigen Polnächen des betreffenden Abschnittes mit seiner großen ferromagnetische». Leitfähigkeit kurzschließen soll.

Fig. 2 zeigt den Schnitt durch' die Anordnung der Fig. 1 bei A-A'. T und T' sind der obere und untere Teilmagnet, während r die Mittelöffnung der Blechei? zur Aufnahme der Röhre darstellt. Mit Φ_ν ist der magnetische Ouernuß bezeichnet.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die gewünschte Funktion der Bleche B nur eintreten kann, wenn'der Magnet in einem »permanenten«, d. h. nach! dem Aufmagnetesieren stark geschwächten Zustand betrieben wird. Bei voller Ausnutzung der Feldstärke des Ma-

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gnets hingegen ist der Innenwiderstand der magnetischen Spannungsquelle so klein, daß der durch die Bleche B getriebene Querfluß diese leicht bis zur Sättigung magnetisiert, womit der Fluß ausgleich begrenzt ist. Die Maßnahme, durchgehende Bleche vorzusehen, bringt daher nur eine geringe Verbesserung hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des fokus sierenden Magnetfeldes, weil die »Störspannungsquelle« nicht ausreichend »kurzgeschlossen« werden kann.

In Fig. 3 ist das magnetische Potential P zwischen den Magneten T und 7" dargestellt, welches bei unterschiedlichen Materialeigenschaften auftreten kann. Die Kurve α zeigt den räumlichen Verlauf ohne Verivendung eines Homogenisierungsbleches, während die Kurve b das Potential längs des eingelegten Homogenisierungsbleches darstellt. Die dem Potentialunterschied im Gesamtbereich D in beifden Fällen entsprechenden magnetischen Spannungen sind' mit V_a und V_b bezeichnet. Man erkennt deutlich, daß die erreichte Spannung Fg nur wenig kleiner als die ursprüngliche Spannung V_a ist.

Nun ist die magnetische Feldstärke bekanntlich gleich dem Gradienten des magnetischen Potentials, die hier allein interessierende Querfeldstärke H_q quer zum Elektronenstrahl ist also einfach gleich der Ableitung des Potentialverlaufes, welche in beiden Fällen im Gesamtbereich D konstant ist. In der geringeren Steigung der Kurve b findet die mit den bekannten Homogeni&ierangsblechen erreichte Querfeldschwächung ihren Ausdruck.

Es besteht nunmehr die Aufgabe, das Querfeld, insbesondere im mittleren Teilbereich von D, weiter zu schwächen und nach Möglichkeit ganz zum Verschwinden zu bringen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Homogenisierungsbleche durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden, in sich geschlossenen, nichtferromagnetiischen Spalt von den Teilen der Anordnung getrennt sind, von denen die Störfelder ihren Ausgang nehmen. Durch diese Maßnähme gelingt es, die magnetische Querspannung innerhalb des vom Spalt umschlossenen Bereiches praktisch auszuschalten. Die nach wie vor an sich vorhandene Querspannung wird somit aus dem Mittelbereich, in welchem sie den Elektronenstrahl beeinflussen kann, verdrängt. ' -

Der in Umfangsrichtung ,verläufende - nichtferromagnetische Spalt kann naturgemäß aus beliebigem nichtferromagnetischem Material bestehen·. Während der außerhalb des vom Spalt umschlossenen Bereiches befindliche Teil der Bleche wie bei der bekannten Anordnung eine geringe Schwächung der magnetischen Querspannung hervorruft, führt der Spalt zu grundsätzlich anderer Potentialyerteikmg im Innern des von ihm umschlossenen Bereiches. Infolge seines außerordentlich hohen magnetischen Widerstandes verhindert der Spalt das Hmdurchtreten eines meßbaren Querflusses, indem er praktisch den gesamten Spannungsabfall selbst aufnimmt. Da ja der magnetische Widerstand R_m des Innenbleches gleiqhgebiieben ist, muß dort die magnetische Querspannung — gemäß V = Φ/ · R_m und wegen Φ/ζζί-Ö — verschwindend klein geworden sein. Demzufolge ist in dem vom Spalt umschlossenen Bereich auch die Querfeldstärke H_a' vernachlässigbar gering und eine_ Beeinflussung des Elektronenstrahles damit ausgeschlossen. . .

Die Erfindung soll nun an "Hand der Zeichnungen und auf Grund von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Während die ·

Fig. 1 bis 3 der Schilderung des Standes der Technik dienten, zeigt

Fig. 4 ein Diagramm zur Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 5 eine technisch verbesserte spezielle Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 den Schnitt C-C durch die Anordnung der Fig. 5.

Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung genügt es, nochmals die Fig. 1 und 2 zu betrachten. Man braucht sich nur vorzustellen, daß die hier gezeigten Homogenisierungsbledhe außer ihrer Mittelöfrnung r noch einen io sich geschlossenen Spalt in Umfangsrichtung aufweisen, weichler aus nichtmagnetischem Material besteht. Sie sind also unterbrochen zu denken, etwa in Gestalt eines eingefügten Messingringes, welcher die innere Scheibe mit dem Außenduirchmesser d durch seinen iiahen magnetischen Widersitand vom äußeren Blech trennt. Vergleicht man dann mit Fig. 3 den in Fig. 4 dargestellten neuen Verlauf des der gleichen Störquelle entstammenden magnetischen Potentials. P- zwischen dien beiden Teilmagneten T und T', so sind jetzt zwei' sehr verschiedene Kurven c und e erkennbar.

Die gestrichelte Kurve c gibt den nach wie vor bestehenden linearen Potentialverlauf wieder, der sich außerhalb des vom Spalt umschlossenen Bereiches, also im abgetrennten Außenteil des Bleches, ausbildet. Letzterer wirkt nämlich, wie oben beschrieben, nach wie vor als Flußausgleichsbleeh zwischen¹ den beiden Magnetpolen. Die Neigung der Kurve c entspricht einem Mittelwert zwischen den Kurven α und b nach Fig. 3, da das Blech durch die. Abtrennung der Innenscheibe an Leitfähigkeit verloren'hat.

Die· Kurve e gibt den Potentialverlauf im Spalt S und in dem vom Spalt umschlossenen Bereich wieder, dessen Blech die erstrebte Eigenschaft, das Feld zu homogenisieren, in fest idealem Maß besitzt. Es ist klar, daß die Mittelbohrung r ebenso^ querfeldfrei sein muß wie das querf eidfreie Innenblech mit dem Außendurchmesser d, TvelChes den hohen magnetischen Widerstand der Öffnung r magnetisch kurzschließt (Vd = 0). Dies wird verständlich, wenn man beachtet, daß auch der Spalt an den.beiden Berührungsstellen P₁ und P₂ mit dem äußeren Flußausgleichsblech zwangläufig, dessen magnetisches Potential aufweisen muß. . .."_-..

Im Spalt ,S* selbst entsteht ein. starkes Potentialgefälle, während das mittlere Stück der Kurve e praktisch horizontal verlaufen muß. Seine »Steigung«, also die magnetische Querfeldstärke, ist μ-mal kleiner als.im Spalt, da der durch den Spalt getriebene, sehr schwache Querfluß dort wiederum eine μ-mal größere magnetische Leitfähigkeit, vorfindet. Damit ist in dem vom Spalt umschlossenen Teil des Homogenisierungsblechas ein praktisch querfeldfrieieir Raum gegeben, der sich .zwangläufig .auch über die mittlere Öffnung r, in welcher der. Elektronenstrahl verläuft, erstreckt.

Das Wesen der Erfindung ist also ein Magnetaufbau mit Homogenisierungsblechen in der Umgebung der Elektronenröhre, diejmcht mehr in magnetischem Kontakt mit den.Quellen, des Magnetismus stehen.

Auf die nähere Gestalt der Homogeniserungsbleche kommt es nicht an. Sie .können beispielsweise eine kreisrunde, ovale,, quadratische oder .auch unregelmäßige Form aufweiseni. Dasselbe gilt naturgemäß von dem nichtferromagnetischen-Spalt,, dessen Ausbildung den'elektrischen und magnetischen Verhältnissen angepaßt wird., .Insbesondere kann seine Breite dann unterschiedlich sein, wenn hierdurch eine bessere

physikalische Wirkung in einem speziellen Fall erreichbar ist.

Das Längsfeld, welches die Fokussierung des Strahles bewirkt, wird im Bereich der dünnen Homogenisi'erungsbleche zwar stellenweise abgeschwächt, aber in seiner axialen Richtung so lange nicht gestört, wie die Bleche exakt senkrecht zur Feldadhse verlaufen.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die genannte Forderung sorgfältig einhält, ist in der Fig. 5 gezeigt. Hier sind die äußeren Flußausgleichsbleche B_a getrennte Bauelemente, während die HomogenisierungsbleoheS/, durch DdstanzstückeZ voneinander getrennt und auf einem nichtferromagnetischen Stützrohr Me beispielsweise aus Messing aufgereiht sind. Fig. 5 a zeigt ein solches Distanzstück, das beispielsweise aus Aluminium hergestellt ist und möglichst planparallele Seitenflächen aufweisen muß, während seine sonstigen Abmessungen nicht britisch sind. Die Fig. 5 zeigt ferner, daß die Zahl der Homogenisierungsbleche unabhängig sein kann von der Anzahl der Teilmagnete. Der äußere Magnetaufbau braudht also nicht aus zahlreichen sehr kurzen Teilmagneten aufgebaut zu sein; er kann schließlich aus nur einem Bauteil bestehen oder in gleicher Weise eine Magnetspule enthalten. Für die Abmessung dar Homogenisieirungsbleche B_h hat säch ergeben, daß deren Ringbreate prinzipiell möglichst groß, mindestens so groß wie der Abstand zweier benachbarter Homogenisierungsbleche gewälhlt werden muß, wenn eine besonders gute Homogenisierung des Innenfeldes erreicht werden soll. Der frei bleibende Innenraum richtet sich nach der Querabmessung der vorgesehenen Elektronenröhre.

In Fig. 6 ist der Schnitt C-C durch die Anordnung nach Fig. 5 dargestellt. Die zwischen den Magneten T und T" liegenden Magnetteile B und E' sind ebenfalls in Richtung der Röhrenachse magnetisierte Stabmagnete und dienen zur Erhöhung der Längsfeldstärke. Statt dessen können an die Stelle der Teile T, T' und B₁ B' auch einfache axial magnetisierte Ringmagnete treten.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß die Form der Homogenisierungsbleche Bf₁ beliebig sein kann. Dasselbe gilt entsprechend für die Form des nichtferromagnetisehen Spaltes S₁ dessen Breite entweder gleichbleibend oder beispielsweise mit Rücksicht auf horizontal oder vertikal wirkendö Einflüsse längs seiner Ausdehnung beliebig verändert werden kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung konnte selbst bei Anwendung von Permanentmagneten mit stark ausladender Entmagnietisierangskuirve in der Innenöfrnung r keine meßbare magnetische Querfeldstärke festgestellt werden.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber den bekannten Anordnungen mit durchgehenden Homogenisierungsblechen (Fig. 1) liegt darin, daß auch durch solche ferromagnetischen Teile, die in 'den Bereich des^ Außenfelde's der Anordnung ragen, eine Beeinflussung des Innenfeldes nicht mehr erfolgen kann.

Die Erfindung bietet in gleicher Weise die Möglichkeit, das Querfeld von Spulenmagneten zu beseitigen bzw. Spulen zu verwenden, die weniger sorgfältig gewickelt sind.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden herangezogen, um die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes deutlich zu machen, stellen jedoch keine Beschränkung hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten dar.

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung. zur gebündelten Führung eines Elektronenstrahls über eine größere Wegstrecke durch ein parallel zur Strahlachse verlaufendes, homogenes Magnetfeld (Hauptfeld), insbesondere für Laufzeitröhren, bei der zur Verminderung des Einflusses von Störfeldern, die von Teilen der Anordnung ihren. Ausgang nehmen und die Homogenität des Hauptfeldes beeinträchtigen,, ferromagnetische Homogenisierungsbleche vorgesehen sind, die, eine Durchtritteöffnung für den Elektronenstrahl aufweisend, senkrecht zur Hauptfeldrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsbleche durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden, in sich geschlossenen, nichtferromagnetischen Spalt von den Teilen der Anordnung getrennt sind, von denen die Störfelder ihren Ausgang nehmen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von senkrecht zur Hauptfeldrichtung angeordneten, durch die Anordnung hindurchgehenden, eine zentrale Ausnehmung aufweisenden, ferromagnetischen Flußausgleichsblechen an sich bekannter Art die kleineren Homogenisierungsbieche in den zentralen Ausnehmungen der Fluß ausgleichsbleche magnetisch von diesen getrennt befestigt sind, derart, daß der jeweilige Zwischenraum den nichtferromagnetischen Spalt bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt eine ringförmige Gestalt besitzt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt über den Umfang eine unterschiedliche Breite aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig vom Aufbau der Anordnung die Homogenisierutigsbleche in einer beliebigen Anzahl von Ebenen senkrecht zum Hauptfeld angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der einzelnen Homogenisierungsbleche höchstens so groß gewählt ist wie dfe (Ring-) Breite der Homogenisierungsbleche.

7. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem den Elektronenstrahl koaxial umschließenden, nichtferiromagnetischen Stützkörper abwechselnd Homogenisierungsbleche und nichtferromagnetische Distanzteile aufgereiht sind, welche für die exakte, zum Hauptfeld senkrechte Anordnung der beliebig dünnen Homogenisierungsbleche sorgen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 080 230.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen