DE1095404B - Anordnung zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen mit einer Magnetronroehre - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen mit einer Magnetronröhre, deren Kaltkathode nach dem Sekundäremissionsprinzip arbeitet.

Es ist an sich bekannt, zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen Magnetronröhren zu verwenden, wozu es bisher erforderlich war, der Röhre Spannungsimpulse zuzuführen, die insbesondere steile Vorderflanken besitzen. So sind Anordnungen zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen mit einer nach dem Sekundäremissionsprinzip arbeitenden Kaltkathoden-Magnetronröhre bekannt. Im allgemeinen ist es jedoch selbst bei großem Aufwand schwierig, Spannungsimpulse mit steilen Vorderflanken zu erzeugen, insbesondere dann, wenn Spannungsimpulse von sehr kurzer Dauer der Magnetronröhre zugeführt werden sollen, damit diese entsprechend kurze Stromimpulse abgibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zu ermöglichen, daß kurze Stromimpulse erzielt werden, ohne die Notwendigkeit, der Magnetronröhre Spannungsimpulse mit sehr steilen Flanken zuzuführen.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Entladungsraum der Röhre mit einem Gas gefüllt ist, dessen Druck so gewählt ist, daß beim Anlegen eines Spannungsimpulses zwischen der Anode und der Kathode der Röhre die Auslösung einer einen Stromimpuls und damit einen Mikrowellenimpuls bewirkenden Sekundärelektronenentladung an der Kathode infolge Gasionenbombardements stattfindet.

Besonders vorteilhaft kann es dabei sein, Mittel zur kontinuierlichen Beeinflussung des im Entladungsraum herrschenden Gasdrucks (und damit der Dauer des durch die Sekundärelektronenentladung bewirkten Stromimpulses) vorzusehen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung mit einer Anordnung gemäß der Erfindung vorgeschlagen, bei welcher zwecks angenäherter Konstanthaltung des Gasdruckes im Entladungsraum der Magnetronröhre Steuerungsmittel zur Regelung des Heizstromes des Gasgenerators in Abhängigkeit vom mittleren Anodenstrom der Magnetronröhre vorgesehen sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind und von denen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Magnetronröhre zeigt, welche gemäß der Erfindung ausgebildet und in einer gemäß der Lehre der Erfindung ausgebildeten Schaltung angeordnet ist, während Fig. 2, 3 und 4 erläuternde Diagramme und

Fig. 5, 6 und 7 in vergrößertem Maßstab verschiedene Kathodenformen zur Verwendung in einer Magnetronröhre nach der Erfindung wiedergeben.

Anordnung zur Erzeugung
von Mikrowellenimpulsen
mit einer Magnetronröhre

Anmelder:

Electric & Musical Industries Ltd.,
Hayes, Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 18. Februar, 8. Juni 1955
und 26. Januar 1956

James Rodney Mitchell Vaughan,

Stoke Poges, Buckinghamshire (Großbritannien),

ist als Erfinder genannt worden

Wie in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, ist die Magnetronröhre von der bekannten üblichen Konstruktion, d. h., sie umfaßt einen axialsymmetrisch um die Röhrenachse angeordneten Satz von Hohlraumresonatoren, die in dem Anodenblock 1 vorgesehen sind, der beispielsweise aus Kupfer bestehen kann. Der Anodenblock 1 ist innerhalb eines rohrförmigen, leitenden Tragteiles 2 angeordnet, der an jedem Ende mit einem Polschuh 3 bzw. 4 versehen ist. Die Magnetronröhre besitzt eine axial angeordnete Kaltkathode 5. Die Polschuhe 3 und 4 sind an einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Magnet in bekannter Weise angeschlossen. Einer der Resonatoren im Anodenblock 1 ist über einen Ankopplungstransformator 6 mit einem Hohlleiter 7 verbunden, der durch ein Hochfrequenz durchlässiges Fenster 8 in bekannter Weise abgeschlossen ist und über den die erzeugten Mikrowellenimpulse entnommen werden können. Die Röhre ist zunächst evakuiert; sie wird jedoch während des Betriebes mit einem geeigneten Gas gefüllt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird das Gas innerhalb der Magnetronröhre mittels eines reversiblen Gasgenerators 9 erzeugt. Der Gasgenerator 9 ist derart ausgebildet, daß er im Entladungsraum der Röhre einen Druck im Bereich von 10 "² bis 10~⁶mm Quecksilbersäule zu erzeugen vermag und damit die Steuerung der Kathodenemission ermög-

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licht. Das Gas kann Wasserstoff oder ein Edelgas sein. Es ist an sich eine Vielzahl verschiedenartiger Gasgeneratoren bekannt. Bei einer besonderen bekannten Ausführungsform eines Gasgenerators besteht dieser aus einem Wolframdrahtnetz oder -gewebe, welches mittels Elektrophorese mit Zirkoniummetallpuder überzogen ist und über Stromzuführungen 10 direkt geheizt wird. Ein derartiger Gasgenerator wird mit Wasserstoff gesättigt, so daß das Wolframgewebe bzw. -netz mit dem Zirkoniummetallpuder im allgemeinen keine Imprägnierung erfordert. Der Brenner des Gasgenerators wird von einer Wechselstromquelle 11 geheizt; eine Steuerungsvorrichtung 12 gestattet den über die Zuleitungen 10 dem Gasgenerator 9 zugeführten Strom zu variieren. Die von der Quelle 13 gelieferten, zwischen dem Anodenblock 1 und der Kathode 5 liegenden Spannungsimpulse werden über Zuleitungen 14 und 15 zugeführt. Es empfiehlt sich (nach Einstellung des dem Gasgenerator 9 zuzuführenden Stromes zur Erzeugung eines Stromimpulses gewünschter Dauer) den Gasdruck dadurch konstant zu halten, daß der von der Steuerungsvorrichtung 12 über die Zuleitungen 10 zugeführte Strom in Abhängigkeit von dem mittleren Anodenstrom der Magnetronröhre geregelt wird, und zwar in der Weise, daß der Gasdruck vermindert wird, wenn der mittlere Anodenstrom zunimmt, bzw. der Gasdruck erhöht wird, wenn der mittlere Anodenstrom abnimmt. Zu diesem Zweck ist in die Zuführung 15 ein Widerstand 16 eingeschaltet, der durch eine Kapazität 17 überbrückt ist, damit die Hochfrequenzimpulse passieren können. Die an dem Widerstand 16 auftretende Spannung wird über Zuleitungen 18 der Steuerungsvorrichtung 12 zugeführt, über die diese Spannung den dem Gasgenerator 9 zugeführten Strom derart steuert, daß der Gasdruck in der Magnetronröhre konstant bleibt. Steuerungsvorrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Die Kathode 5 besteht aus einem Material, das bei der Betriebstemperatur noch nicht so viele Primärelektronen emittiert, daß ein Stromimpuls bei Anlegen eines Spannungsimpulses zwischen Anode und Kathode der Röhre ausgelöst wird. Die Kathode besteht jedoch aus einem Material, welches Sekundärelektronen emittiert, die durch Gasionenbombardement ausgelöst werden und beim Anlegen eines Spannungsimpulses einen Stromimpuls auslösen, dessen Amplitude von der Amplitude des Spannungsimpulses und dessen Dauer vom Gasdruck und von der Dauer des Spannungsimpulses abhängt. Die Temperatur der Kathode 5 ist von untergeordneter Bedeutung, solange sie nicht den Wert übersteigt, bei dem die Emission von Primärelektronen vorherrschend wird. Die Kathode 5 kann beispielsweise aus Molybdän oder aus Tantal bestehen.

In Fig. 2 der Zeichnung kennzeichnet das Bezugszeichen 19 eine typische Form eines Spannungsimpulses, wie er bei der Magnetronröhre der Fig. 1 Anwendung finden kann und der, wie aus der Darstellung ersichtlich, an der Vorderkante keinesfalls als steil zu bezeichnen ist. In Fig. 2 ist mit T die Dauer der Maximalspannung des Spannungsimpulses 19 bezeichnet (t sei die Zeitdauer, die benötigt wird, um mit Hilfe der Sekundäremission einen Stromimpuls zu erzeugen) . Wenn der Spannungsimpuls 19 der Röhre zugeführt wird, so wird zunächst ein bestimmter Betrag eines kapazitiven Ladestromes ausgelöst, der in Fig. 2 mit 20 bezeichnet ist. Während des dem Zeitabschnitt T entsprechenden flachen Dachabschnitts des Spannungsimpulses wird kein Stromimpuls gezogen, da in Fig. 2 ein zu niedriger Gasdruck vorausgesetzt ist. Gegen das Ende des Spannungsimpulses 19 hin entsteht noch ein kleiner Raumladungsstromimpuls 21, der durch die Sekundärelektronenemission verursacht ist, die ihrerseits durch das Gasionenbombardement ausgelöst wurde. Da die zum Impuls 21 gehörende Spannung unterhalb des Hartree-Wertes, d. h. unterhalb der zur Auslösung einer Schwingung notwendigen Minimalspannung, liegt, ist dieser Strom wertlos, und es werden keine Mikrowellenimpulse erzeugt. Der Verlauf des Stromes, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist kennzeichnend für den Betrieb der Magnetronröhre, wenn der Gasdruck zu niedrig ist.

X5 Wird der Gasdruck hinreichend gesteigert (Fig. 3), so wird nach dem Auslösen des kapazitiven Ladestromes 20 ein Stromimpuls 22 während des Dachabschnitts T des zugeführten Spannungsimpulses 19 gezogen. Damit wird ein Mikrowellenimpuls erzeugt, dessen Dauer im wesentlichen der des Stromimpulses 22 entspricht. Dies ist der Bereich der richtigen Betriebsbedingung, und dementsprechend ist der Gasdruck in der Magnetronröhre so einzustellen, daß die in Fig. 3 mit T-t bezeichnete Zeitdauer des Impulses 22 den gewünschten Wert besitzt. Es wird somit ein Mikrowellenimpuls erzeugt, dessen Dauer sowohl sehr kurz als auch kontinuierlich einstellbar ist, ohne das Erfordernis, Spannungsimpulse mit steilen Vorderflanken und variabler Länge zuzuführen.

Wenn der Gasdruck hoch ist (Fig. 4), erstreckt sich der während des Zeitabschnitts T gezogene Stromimpuls 23 über den größten Teil (T-t) des Dachabschnitts des Spannungsimpulses 19, und es kann (ähnlich Fig. 2) auch noch das Einsetzen eines Raumladungsstromimpulses 23 a beobachtet werden.

Nach Einstellung der Steuerungsvorrichtung 12 (Fig. 1) zur Erzeugung eines bestimmten Gasdruckes innerhalb der Magnetronröhre derart, daß der Stromimpuls 22 eine gewünschte Dauer besitzt, wird der Gasdruck im wesentlichen konstant gehalten durch Nachstellung über den mittleren Anodenstrom der Röhre, der, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, die Vorrichtung 12 derart steuert, daß eine Selbststabilisierung bei der gewünschten Impulsdauer eintritt.

In einer Magnetronröhre für den Betrieb bei einer Frequenz von 35 000 MHz wurde eine Molybdänkathode und ein Wolframnetz-Zirkoniumwasserstoff-Gasgenerator verwendet, wobei festgestellt wurde, daß durch Änderung des Gasdruckes eine stabile Impulsdauer zwischen 8 und 100 Nanosekunden erzeugt werden kann bei einer Dauer des zugeführten Spannungsimpulses von 200 Nanosekunden. Bei einem erzeugten Impuls von 12 Nanosekunden Dauer wurden mehr als 20 kW Spitzenausgangsleistung erreicht. Die Wirkung der Kreisgüte der Hohlraumresonatoren war merklich bei einer Impulsdauer unter 20 Nanosekunden und vorherrschend unterhalb 10 Nanosekunden. Die Zufallsschwankungen hinsichtlich der Dauer des erzeugten Impulses waren kleiner als 2 Nanosekunden.

In manchen Fällen kann festgestellt werden, daß durch das Sekundärelektronen- und Gasionenbombardement der Kathode während des Betriebes die mittlere Ausgangsleistung der Magnetronröhre (und entsprechend auch die Lebensdauer der Kathode) begrenzt wird. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, empfiehlt es sich dann, die Kathode zu kühlen. Ausführungsbeispiele direkt gekühlter Kathoden sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Mit diesen Konstruktionen ist es möglich, die Kathode auf einer Tempe-

ratur zu halten, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine Emission von Primärelektronen eintritt. Die Kathode ist dabei jeweils aus einem Material hergestellt oder mit einem Material überzogen, das bei einem Bombardement mit Gasionen (oder auch mit von den Gasionen ausgelösten und zur Kathode zurückkehrenden Sekundärelektronen) Elektronen emittiert. (Ein Bombardement durch rückkehrende Elektronen ist bei Magnetronröhren bekanntlich die Ursache für die sogenannte Rückheizung der Kathode.) Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Kathode 5 von rohrförmigem Aufbau und an einem Ende durch einen Deckel 24 abgeschlossen, während sie am anderen Ende an einem rohrförmigen Träger 25 befestigt ist, welcher seinerseits an einer Anglasung- bzw. Abdichtungsscheibe 26 befestigt sein kann, die vakuumdicht an die Vakuumhülle der in Fig. 1 dargestellten Magnetronröhre angeglast bzw. angesetzt ist. Durch die Scheibe 26 ist ein Rohr 27 eingeführt, welches sich bis in das Innere der Kathode 5 erstreckt. Außerdem ist durch die Scheibe 26 noch ein kurzes Rohr 28 geführt. Die Rohre 27 und 28 ermöglichen die Zu- und Abführung einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, die ständig zirkulieren kann und so die Kathode 5 unterhalb einer Temperatur hält, bei der eine Emission von Primärelektronen eintreten würde.

Eine andere Ausführungsform der Kathodenkonstruktion zeigt die Fig. 6, bei der Rohre 29 bzw. 30 durch die Scheibe 26 bzw. die Endscheibe 24 durchgeführt sind, so daß die Kühlflüssigkeit an dem einen Ende der Kathodenanordnung zugeführt und am anderen Ende derselben abgenommen werden kann. Mit 25 ist wiederum der rohrförmige Träger der Kathode 5 bezeichnet. Auch diese Ausführungsform der Kathodenkonstruktion ermöglicht es, im Betrieb die Kathodentemperatur stets unterhalb der Temperatur zu halten, bei der eine Emission von Primärelektronen eintritt, so daß die einzigen emittierten Elektronen Sekundärelektronen sind, die durch ein Gasionenbombardement bzw. durch ein Bombardement mit (von den Gasionen ausgelösten und zur Kathode zurückkehrenden) Sekundärelektronen ausgelöst werden. Die Tatsache, daß die Kathode bei einer sehr niederen Temperatur arbeitet, eröffnet die Möglichkeit der Benutzung eines Materials, das einen sehr hohen Sekundäremissionsfaktor besitzt, welches jedoch schmelzen würde, wenn die Kathode bei Temperaturen betrieben wird, wie sie normalerweise (d. h. bei thermischer Emission) bei derartigen Anordnungen üblich sind. Ein geeignetes Material ist hierfür beispielsweise Silber. In bestimmten Fällen, wenn z. B. besonders hohe Spitzenausgangsleistungen erzielt werden sollen, kann es wünschenswert sein, die Kathode gegen die Anlagerung von Kupfer zu schützen, das von der Anode der Röhre abgelöst wird. Dies kann durch derartige Wahl der Kühlung erreicht werden, daß die sekundäremittierende Oberfläche der Kathode auf einer Temperatur zwischen 600 und 700° C bleibt. Diese Temperatur ist hoch genug, um jegliches eventuell angelagertes Kupfer fortzutreiben, jedoch noch so niedrig im Vergleich mit der für thermische Emission der reinen Metalle (der schwerschmelzenden oder Edelmetallgruppen) erforderlichen Temperatur, daß die Kathode immer noch als sogenannte »kalte Kathode« betrachtet werden kann. Eine hierfür geeignete Kathode ist in der Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kann die mit einer Endscheibe 24 versehene Kathode 5 aus einem Vollkörper bestehen und am Ende eines rohrförmigen Trägers 25 befestigt sein, welcher ein Rohr 27 umschließt, durch das dem Tragrohr 25 Kühlflüssigkeit zugeführt werden kann. Der Träger 25 endet in einem massiven Abschnitt 28, der die Kathode 5 von der Kühlflüssigkeit trennt und es ermöglicht, die Kathode auf einer Temperatur zu halten, die der vorerwähnten Temperaturbedingung entspricht.

Durch die Kühlung der Kathode wird zugleich ein weiterer Vorteil erzielt. Wenn nämlich die Kathodentemperatur die des Gasgenerators übersteigt, der z. B. im Betrieb eine Temperatur von 600° C besitzen kann, so zeigt die Kathode die Neigung, gewisse Mengen des Gases zu absorbieren, wodurch der Gasdruck in der Magnetronröhre schwankt. Fernerhin ist es bei einer Anordnung, wie sie an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde, bei Verwendung üblicher Kathoden erforderlich, den Gasdruck so einzustellen, daß die Zeit T-t klein ist im Vergleich zu T. Bei Anwendung einer im vorstehend erwähnten Sinne gekühlten Kathode können demgegenüber die Zeiten T-t und T nahezu auch gleichgemacht werden.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Erzeugung von Mikrowellenimpulsen mit einer Magnetronröhre, deren Kaltkathode nach dem Sekundäremissionsprinzip arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum der Röhre mit einem Gas gefüllt ist, dessen Druck so gewählt ist, daß beim Anlegen eines Spannungsimpulses zwischen der Anode und der Kathode der Röhre die Auslösung einer einen Stromimpuls und damit einen Mikrowellenimpuls bewirkenden Sekundärelektronenentladung an der Kathode infolge Gasionenbombardements stattfindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur kontinuierlichen Beeinflussung des im Entladungsraum herrschenden Gasdruckes (und damit der Dauer des durch die Sekundärelektronenentladung bewirkten Stromimpulses) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Röhre ein reversibler Gasgenerator zur Abgabe und Wiederaufnahme des Gases vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator zwecks Auslösung der Gasabgabe mit einer Heizvorrichtung versehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung der Kathode vorgesehen sind, so daß die Kathodentemperatur unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine thermische Emission der Kathode eintreten würde.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Luft oder eine Flüssigkeit dient.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Material besteht, das bei Erwärmung bis zur thermischen Emission schmelzen würde.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung so ausgebildet ist und die Kühlung so vorgenommen wird, daß die Kathodentemperatur einen so hohen Wert erreicht, daß von der Anode stammendes Material sich auf der Kathode nicht niederschlagen kann.

9. Schaltungsanordnung mit einer Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks angenäherter Konstanthaltung des Gasdruckes im Entladungsraum der Magnetronröhre Steuerungsmittel zur Regelung des Heizstroms des Gasgenerators in Abhängigkeit vom mittleren

4U4

Anodenstrom sind.

der Magnetronröhre vorgesehen

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 409 038.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen