DE1076279B

DE1076279B - Anordnung zur gebuendelten Fuehrung des Elektronenstrahls einer Wanderfeldroehre mit Hilfe mehrerer in Strahlrichtung hintereinanderliegender homogener Magnetfelder

Info

Publication number: DE1076279B
Application number: DES47741A
Authority: DE
Inventors: Dr Otto Zinke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-03-01
Filing date: 1956-03-01
Publication date: 1960-02-25
Also published as: FR1180631A; NL214978A; NL112667C

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls einer Wanderfeldröhre mit Hilfe mehrerer in Strahlrichtung hintereinanderliegender homogener Magnetfelder, die von Permanentmagneten erzeugt werden, die außerhalb des Entladungsgefäßes in einer/mehreren senkrecht zum Elektronenstrahl zwischen den Enden der Verzögerungsleitung liegenden Ebene/Ebenen angeordnet sind (permanentmagnetische Fokussierungseinrichtung). Dabei sind die dem Elektronenstrahl benachbarten Pole der jeweils in einer Ebene liegenden Permanentmagnete gleichnamig und die dem Elektronenstrahl abgewandten Pole der Permanentmagnete durch einen längs der Verzögerungsleitung und über die Verzögerungsleitung etwas hinaus sich erstreckenden rotationssymmetrischen Weicheisenblechkörper verbunden, der an seinen Stirnseiten mit bis an die Vakuumhülle der Röhre heranreichenden Weicheisenblechen abgeschlossen ist. Die dem Elektronenstrahl benachbarten Magnetpole und die an den Stirnseiten des Weicheisenblechkörpers angebrachten Weicheisenbleche sind über rotationssymmetrische, koaxial zur Strahlachse angeordnete Weicheisenzylinder magnetisch miteinander verbunden.

Bei der Verstärkung oder Erzeugung von sehr kurzen Wellen in Wanderfeldröhren tritt bekanntlich die Schwierigkeit auf, zur Erzielung einer guten Kopplung zwischen der elektromagnetischen Welle und den Elektronen den Elektronenstrahl dicht an der Verzögerungsleitung vorbeizuführen und trotzdem einen Elektronenaufprall auf die Verzögerungsleitung zu verhindern. Dazu ist es notwendig, den Elektronenstrahl entlang seiner Entladungsbahn gebündelt zu führen.

Es sind bereits magnetische Fokussierungseinrichtungen zur gebündelten Führung eines Elektronenstrahls bekannt, durch die im Inneren des Entladungsgefäßes entweder ein homogenes oder ein alternierendes Magnetfeld längs der Entladungsbahn erzeugt wird.

Bei der Einrichtung mit homogenem Magnetfeld wird das Magnetfeld mit Hilfe von Magneten, die parallel und axialsymmetrisch zur Entladungsbahn oder mit Hilfe von Magneten, die außerhalb des Wirkungsbereiches der Verzögerungsleitung in Ebenen senkrecht zur Entladungsbahn sternförmig angeordnet sind, erzeugt. Dabei wird durch geeignete Weicheisenjoche der magnetische Fluß bis in den Bereich der Entladungsbahn herangeführt. Zur besseren Homogenisierung des Magnetfeldes innerhalb des Entladungsgefäßes sind zwischen den bis zur Gefäßwandung reichenden Jochen bzw. Polschuhen ferromagnetische Blechzylinder angeordnet, die einen größeren magnetischen Widerstand als die Joche be-Anordnung zur gebündelten Führung

des Elektronenstrahls

einer Wanderfeldröhre mit Hilfe mehrerer

in Strahlrichtung hintereinanderliegender

homogener Magnetfelder

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Otto Zinke, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt worden

sitzen. Da die Entwicklungstendenz der Wanderfeldröhren zu immer kleineren Wellenlängen führt und damit z. B. bei Wendelröhren der Durchmesser der Verzögerungswendel dementsprechend kleiner wird, ist es notwendig geworden, den Elektronenstrahl stärker zu bündeln und damit die Feldstärke des im Inneren des Entladungsgefäßes erzeugten magnetischen Bündelungsfeldes zu erhöhen. Das hat zur Folge, daß die außerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Magnete größere Abmessungen annehmen und damit die magnetische Fokussierungseinrichtung einen unverhältnismäßig großen Raum beansprucht und das Gesamtgewicht der magnetischen Fokussierungseinrichtung erheblich größer wird. Ein weiterer Nachteil der sternförmig oder parallel zur Entladungsbahn angeordneten Magnete besteht darin, daß ein starkes magnetisches Streufeld außerhalb der Fokussierungseinrichtung entsteht, das nicht zur Bündelung des Elektronenstrahls verwendet wird.

Die andere bekannte Anordnung, bei der ein in der Richtung alternierendes Magnetfeld längs der Entladungsbahn erzeugt wird, besteht aus kurzen Permanentmagneten, die parallel zur Entladungsbahn hintereinander und koaxial zum Elektronenstrahl angeordnet sind. Dabei stoßen immer- zwei gleichnamige Pole zusammen. An den Angrenzungsstellen der gleichnamigen Pole sind Weicheisenringe angebracht, die den magnetischen Fluß bis zur Gefäßwandung des Entladungsgefäßes führen. An den Stellen, wo die Weicheisenringe an die Gefäßwandung angrenzen, sind ringförmige Polschuhe vorgesehen, die so ausge-

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bildet und angeordnet sind, daß sich entlang der Elektronenstrahlachse eine sinusförmige Feldstärkeverteilung ergibt. Diese Anordnung der Magnete und die Anwendung einer sinusförmigen Feldstärkeverteilung entlang der Elektronenstrahlachse hat den Nachteil, daß die maximale Betriebsfrequenz der damit betriebenen Röhre begrenzt ist, wie noch weiter unten mit Hilfe der Fig. 1 erläutert werden soll.

Um die oben dargelegten Nachteile, die darin bestehen, daß ίο

1. bei der sternförmigen oder der parallel zur Entladungsbahn erfolgten Anordnung der Magnete das magnetische Streufeld an den Enden der Verzögerungsleitung verschenkt wird und das Gewicht der Fokussierungseinrichtung unnötig groß ist und

2. die maximale Betriebsfrequenz bei Verwendung einer sinusförmigen Feldstärkeverteilung längs der Elektronenstrahlachse begrenzt ist, zu beseitigen, ao

besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Fokussierungseinrichtung zu schaffen, die keine nennenswerten außerhalb des Entladungsgefäßes liegenden Streufelder aufweist und gleichzeitig bei sehr hohen Frequenzen anwendbar ist.

Es ist bereits eine magnetische Elektronenlinse zur Strahlkonzentrierung bei z. B. Kathodenstrahlröhren für Fernsehzwecke bekannt, bei der das Fokussierungsfeld von zwei die Kathodenstrahlröhre umgebenden, ringförmigen und in radialer Richtung magnetisierten Permanentmagneten erzeugt wird. Dabei sind zur Ausnutzung des Streufeldes außerhalb des Magnetsystems magnetische Flußwege vorgesehen, die die Magnetfeldlinien, die auf der dem Elektronenstrahl abgewandten Seite verlaufen, an den Elektronenstrahl heranführen.

Des weiteren sind Anordnungen bekannt, bei denen in einer/mehreren senkrecht zum Elektronenstrahl liegenden Ebene/Ebenen in radialer Richtung magnetisierte Permanentmagnete zur Erzeugung mehrerer in Entladungsrichtung hintereinanderliegender magnetischer Felder vorgesehen sind. Die dem Elektronenstrahl benachbarten Pole der jeweils in einer Ebene liegenden Permanentmagnete sind dabei gleichnamig. Es handelt sich dabei jedoch ebenfalls wie bei der vorhergenannten Anordnung um magnetische Elektronenlinsen zur Fokussierung des Elektronenstrahls und nicht, wie bei der vorliegenden Erfindung, um eine Anordnung zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls. Schließlich ist es bei einer magnetischen Elektronenlinse noch bekannt, zur Homogenisierung des Fokussierungsfeldes rotationssymmetrische magnetische Nebenschlüsse in der Nähe der Entladungsbahn vorzusehen.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die dem Elektronenstrahl benachbarten Magnetpole durch innerhalb des Vakuumgefäßes liegende rotationssymmetrische Polschuhe bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführt sind und daß die an den Stirnseiten des Weicheisenblechkörpers angebrachten Weicheisenbleche sich innerhalb des Vakuumgefäßes in Form von rotationssymmetrischen Polschuhen fortsetzen, die, den Stirnseiten der Verzögerungsleitunggegenüberliegend, koaxial zur Strahlachse angeordnet sind.

Es ist für die Anordnung nach der Erfindung vorteilhaft, daß die dem Elektronenstrahl benachbarten Pole der Permanentmagnete von in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Magnetebenen entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, die bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführten Polschuhe in Richtung zur Verzögerungsleitung keilförmig verjüngt auszubilden, um einen möglichst gleichmäßigen Austritt der magnetischen Feldlinien aus den Polschuhen zu erreichen.

Eine geeignete Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Anordnung besteht außerdem darin, die bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführten Polschuhe im Bereich von Dämpfungsschichten für die Verzögerungsleitung anzuordnen, um eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen an den Stellen zu verhindern, an denen die Polschuhe bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführt sind.

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 a und 1 b zeigen den Aufbau und Feldstärkeverlauf der bekannten, mit alternierenden Feldern arbeitenden Anordnung;

Fig. 2 bis 4 veranschaulichen erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung.

In Fig. la ist ein Teil der bekannten, mit alternierenden Feldern arbeitenden magnetischen Fokussierungseinrichtung für Wanderfeldröhren dargestellt, bei der der Feldstärkeverlauf in £-Richtung alternierend und angenähert sinusförmig ist. Im Inneren des Vakuumgefäßes 1 ist eine wendeiförmige Verzögerungsleitung 2 koaxial zur Achsrichtung angeordnet. Ein nicht gezeichneter Elektronenstrahl wird durch die Wendel 2 hindurchgeschossen und tritt mit der längs der Wendel geführten elektromagnetischen Welle in Wechselwirkung. Außerhalb der Gefäßwandung 1 sind rohrförmige Polschuhe 3 angeordnet, die mit den ringscheibenförmigen Magnetjochen 4 verbunden sind. Zwischen den Magnetjochen 4 sind die in ^-Richtung hintereinanderliegenden ringförmigen Magnete 5 koaxial zur £-Achse angeordnet. Dabei sind die Magnete 5 so ausgerichtet, daß an den Jochscheiben 4 gleiche Magnetpole angrenzen. Wie weiter aus der Figur zu ersehen ist, sind die Polschuhe 3 so bemessen, daß die magnetischen Feldlinien 6 mehr oder weniger Halbkreise von Polschuh zu Polschuh bilden. Die Richtung der magnetischen Feldlinien 6 hängt von der Polarität der Polschuhe ab und ist durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet.

In Fig. Ib ist die Größe der magnetischen Feldstärke H längs der s-Achse aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß der Feldstärkeverlauf eine Sinuskurve 7 ergibt. Wie durch die Theorie und Praxis der Bündelung von Elektronenstrahlen erwiesen ist, besteht für gleich große Elektronenströme eine starke Abhängigkeit zwischen der längs der s-Achse vorhandenen magnetischen Feldstärke und dem Querschnitt des gebündelten Elektronenstrahls. Da die Wendel durchmesser mit größerer Frequenz abnehmen und damit auch der Querschnitt des Elektronenstrahls kleiner werden muß, muß die längs der 2-Achse vorhandene Bündelungsfeldstärke vergrößert werden. Das hat zur Folge, daß die Magnete 5 verlängert werden müssen, da die Größe der Feldstärke von der Länge der Magnete abhängig ist. Daraus ergibt sich weiter, daß das magnetische Feld von Pol zu Pol auseinandergezogen wird. Das ist aber nur in sehr engen Grenzen möglich, da das magnetische Bündelungsfeld inhomogen ist und der Elektronenstrahl nicht zu große Querschnittsveränderungen aufweisen darf, um die

ι uvb ^v

Kopplung der elektromagnetischen Welle mit dem Elektronenstrahl nicht zu sehr herabzusetzen. Es ist deshalb nicht möglich, die magnetische Fokussierungseinrichtung der Fig. 1 a für kleinste Wellenlängen zu verwenden, da die Länge der Magnete nicht frei wählbar ist.

Die Fig. 2 a zeigt bei einer erfindungsgemäßen Fokussierungseinrichtung den Feldverlauf innerhalb des Entladungsgefäßes. Es ist ersichtlich, daß die nach der Erfindung in ^-Richtung hintereinander angeordneten Polschuhe 21 und 17 a zwei homogene Magnetfelder 23 und 23 α erzeugen, die in ihrer Richtung entgegengesetzt sind. Die übrigen Teile entsprechen denen der Fig. 3 und sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen.

In der darunterliegenden Fig. 2 b ist der Feldstärkeverlauf in der ^-Richtung aufgezeichnet. Es ist ersichtlich) daß die voll ausgezogene Kurve 24 trapezförmig verläuft. Diese Kurve 24 kann mit den erfindungsgemäßen Mitteln praktisch erreicht werden. Der theoretisch beste Feldstärkeverlauf zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls in ^-Richtung wäre der durch die gestrichelten Linien 25 dargestellte Verlauf. Der Feldstärkeverlauf 24 zeigt gegenüber dem in Fig. Ib gezeigten Feldstärkeverlauf 7, daß der Absolutwert der Feldstärke in 2-Richtung nahezu immer gleich groß ist und nur beim Wechsel der Feldrichtung ein Feldstärkesprung entsteht, der in einem sehr kurzen Bereich erfolgt.

In Fig. 3 ist ein vollständiges Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fokussierungseinrichtung dargestellt, bei dem die Magnete in nur einer Magnetebene angeordnet sind. In dem Vakuumgefäß 8 befindet sich an einem Ende der Elektronenstrahlerzeuger 9 und am anderen Ende die Auffangelektrode 10. Zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger 9 und der Auffangelektrode 10 ist eine wendeiförmige Verzögerungsleitung 11 angeordnet, deren Haltevorrichtung der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Am Anfang der Wendel 11 wird die elektromagnetische Welle, z. B. in bekannter Weise mit Hilfe einer koaxialen Leitung 12 und eines Ringes 13, eingekoppelt. Nach Verstärkung der elektromagnetischen Welle wird diese am Ende der Wendel 11 mit Hilfe des Ringes 15 und der koaxialen Leitung 14 ausgekoppelt. Die Ein- bzw. Auskopplung kann auch mit anders gestalteten Mitteln, insbesondere auch mit Hohlleitungen, vorgenommen werden. Im mittleren Bereich der Wendel 11 sind Permanentmagnete 16 in einer Ebene senkrecht zur Wendelachse (Magnetebene) sternförmig angeordnet. Die Magnete 16 besitzen an ihren der Wendel benachbarten Polen einen ringförmigen Polschuh 17, der an die Gefäßwandung 8 angrenzt. Der ringförmige Polschuh 17 ist innerhalb des Entladungsgefäßes 8 durch einen Weicheisenring 17 α bis an die Wendel verlängert. Damit die auf der Wendel 11 geführte elektromagnetische Welle an den bis dicht an die Wendel herangeführten Polschuhen 17 a nicht reflektiert wird, sind im Bereich des Polschuhes 17 α Dämpfungsschichten 18 auf der Wendel 11 angebracht, die sowieso zur Verhinderung der Selbsterregung der Wanderfeldröhre vorgesehen werden müssen. Zur Führung des magnetischen Flusses ist außen herum ein rotationssymmetrischer Weicheisenblechzylinder 19 angeordnet. Dieser besitzt an 6g seinen Stirnseiten Weicheisenbleche 20, die bis an das Entladungsgefäß 8 herangeführt sind. Innerhalb des Entladungsgefäßes 8 sind zur magnetischen Verlängerung der Weicheisenbleche 20 ringförmige Polschuhe angeordnet. Um innerhalb des Entladungsgefäßes eine für die Bündelung des Elektronenstrahls genügende Homogenität des magnetischen Feldes zu erzielen, ist der Polschuh 17 mit den Weicheisenblechen 20 durch Weicheisenrohre 22 verbunden. Diese Weicheisenrohre 22 besitzen eine solche Wandstärke, daß das magnetische Feld innerhalb der Wendel möglichst groß und homogen ist. Dazu kann, wie an sich bekannt, die Wandstärke der Rohre 22, vorzugsweise in der Längsrichtung, verschieden stark gemacht werden. In Fig. 4 ist eine Fokussierungseinrichtung dargestellt, bei der im Gegensatz zu Fig. 3 zwei Magnetebenen vorhanden sind. In dem Entladungsgefäß 8 sind, wie in der Fig. 3 schon beschrieben, ein Elektronenstrahlerzeuger 9, eine Auffangelektrode 10, eine Wendel 11 mit den dazugehörigen Einkoppelvorrichtungen 12 und 13 und den Auskoppelvorrichtungen 14 und 15 angeordnet. In der ersten Magnetebene befinden sich die Permanentmagnete 26 in sternförmiger Anordnung. Der ringförmige Polschuh 28 reicht bis an die Gefäßwandung 8. In der zweiten Magnetebene sind ebenfalls Permanentmagnete 27 sternförmig angeordnet. Der Polschuh 29 besteht wie der Polschuh 28 aus einem ringförmigen Eisenkörper. Innerhalb des Entladungsgefäßes sind die Polschuhe 28 und 29 durch die Weicheisenringe 28 α und 29 a bis an die Verzögerungsleitung 11 verlängert. Die Magnete 26 und 27 sind so ausgerichtet, daß ihre Enden entgegengesetzte Polarität aufweisen. Zur Vermeidung von Reflexionen der elektromagnetischen Welle an den bis dicht an die Verzögerungsleitung heranreichenden Polschuhen 28a und 29 a sind Dämpfungsschichten 30 und 31 vorgesehen. Die Magnete 26 und 27 sind an ihren der Verzögerungsleitung entfernteren Polen mit dem rotationssymmetrischen Weicheisenkörper 32 verbunden. Der Weicheisenkörper 32 besitzt an seinen Stirnseiten Weicheisenscheiben 33, die den magnetischen Fluß bis zum Entladungsraum führen. Zur Bewirkung eines gleichmäßigeren Austritts der magnetischen Feldlinien sind innerhalb des Entladungsgefäßes Weicheisenringe 34 als magnetische Verlängerung der Weicheisenscheiben 33 angeordnet. Zur Homogenisierung des Magnetfeldes innerhalb der Wendel sind, wie in der Beschreibung zu der Fig. 3 schon erwähnt, die Polschuhe 28 und 29 miteinander und mit den Weicheisenscheiben 33 durch Weicheisenrohre 35, 36 und 37 verbunden, deren Wandstärke in Längsrichtung verschieden stark, z. B. abschnittsweise konisch, gewählt sein kann.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ermöglicht in der dargestellten vorteilhaften Weise z. B. auch den Elektronenstrahl gebündelt zu führen, indem mehr als zwei Magnetebenen senkrecht zum Elektronenstrahl angeordnet werden. Außerdem ermöglicht die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise, den Elektronenstrahlerzeuger in einem magnetisch feldfreien Raum anzuordnen, da das bei der bekannten Anordnung vorhandene Streufeld beim Erfindungsgegenstand mit Hilfe einer Magnetfluß führung mit zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls herangezogen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

I. Anordnung zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls einer Wanderfeldröhre mit Hilfe mehrerer in Strahlrichtung hintereinanderliegender homogener Magnetfelder, die von Permanentmagneten erzeugt werden, die außerhalb des Entladungsgefäßes in einer/mehreren senkrecht zum Elektronenstrahl zwischen den Enden der Verzögerungsleitung liegenden Ebene/Ebenen derart

angeordnet sind, daß die dem Elektronenstrahl benachbarten Pole der jeweils in einer Ebene liegenden Permanentmagnete gleichnamig sind, und bei der die dem Elektronenstrahl abgewandten Pole der Permanentmagnete durch einen längs der Verzögerungsleitung und über die Verzögerungsleitung etwas hinaus sich erstreckenden rotationssymmetrischen Weicheisenblechkörper verbunden sind, der an seinen Stirnseiten mit bis an die Vakuumhülle der Röhre heranreichenden Weicheisenblechen abgeschlossen ist, und bei der schließlich die dem Elektronenstrahl benachbarten Magnetpole und die an den Stirnseiten des Weicheisenblechkörpers angebrachten Weicheisenbleche über rotationssymmetrische, koaxial zur Strahlachse angeordnete Weicheisenzylinder magnetisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Elektronenstrahl benachbarten Magnetpole durch innerhalb des Vakuumgefäßes liegende rotationssymmetrische Polschuhe bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführt sind und daß die an den Stirnseiten des Weicheisenblechkörpers angebrachten Weicheisenbleche sich innerhalb des Vakuumgefäßes in Form von rotationssymmetrischen Polschuhen fortsetzen, die, den Stirnseiten der Verzögerungsleitung gegenüberliegend, koaxial zur Strahlachse angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Elektronenstrahl benachbarten Pole der Permanentmagnete von in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Magnetebenen entgegengesetzte Polarität aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführten Polschuhe in Richtung zur Verzögerungsleitung keilförmig verjüngt sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bis dicht an die Verzögerungsleitung herangeführten Polschuhe im Bereich von Dämpfungsschichten für die Verzögerungsleitung angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 682 031;
deutsche Patentanmeldung F 7787 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 3. Juni 1954);

österreichische Patentschrift Nr. 178 387;
USA.-Patentschrift Nr. 2 259 531.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909757/404 2.60