DE1123773B - Magnetisches Fokussierungssystem zur gebuendelten Fuehrung des Elektronenstrahls einer Laufzeitroehre - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

I8451IXd/21g

ANMELDETAG: 26. MÄRZ 1954

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 15. F E B RU AR 1962

Die Erfindung befaßt sich mit einem magnetischen Fokussierungssystem zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls einer Laufzeitröhre über eine größere Wegstrecke mittels eines wenigstens angenähert homogenen Magnetfeldes, insbesondere für Wanderfeldröhren.

Bei Wanderfeldröhren wird ein Elektronenstrahl längs einer Achse geschickt, um mit elektromagnetischen Wellen in Wechselwirkung zu treten, welche durch eine Verzögerungsleitung, beispielsweise eine Wendel, mit verzögerter Phasengeschwindigkeit fortgeleitet werden. Gewöhnlich werden derartige Anordnungen als Verstärker verwendet, aber sie können auch als Oszillator oder zu anderen Zwecken Verwendung finden. Um den Elektronenstrahl gebündelt zu führen, ist ein axiales Magnetfeld erforderlich. Ferner müssen Mittel vorgesehen sein, um die Verzögerungsleitung wenigstens an eine Ausgangsleitung anzukoppeln.

Magnetische Fokussierungssysteme für Wanderfeldröhren verwendeten gewöhnlich eine Anordnung von Solenoiden, zwischen welchen Rechteckhohlleiter angeordnet waren, um die Ein- und Auskopplung der Hochfrequenzenergie zu ermöglichen. Die Wanderfeldröhre war längs der Achse der Solenoide angeordnet. Ein solches Fokussierungssystem ist notwendigerweise groß und von beträchtlichem Gewicht, ferner sind zusätzliche Stromquellen zur Speisung der Solenoide nötig.

Durch die Erfindung soll ein magnetisches Fokussierungssystem von kleinerer Größe und kleinerem Gewicht für insbesondere Wanderfeldröhren geschaffen werden. Ferner soll das Fokussierungssystem ein möglichst homogenes magnetisches Feld erzeugen.

Bei einem magnetischen Fokussierungssystem zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls einer Laufzeitröhre über eine größere Wegstrecke mittels eines wenigstens angenähert homogenen Magnetfeldes, insbesondere für Wanderfeldröhren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Fokussierungssystem aus einer Vielzahl von längs der Systemachse aneinanderstoßenden, magnetischen Zellen besteht, deren jeweilige Ausdehnung in axialer Richtung wesentlich kleiner ist als in radialer Riehtung, und daß jede magnetische Zelle von zwei senkrecht zur Systemachse angeordneten weichmagnetischen Platten, die mit einer im Vergleich zu ihrer radialen Ausdehnung verhältnismäßig kleinen zentralen Öffnung zur Aufnahme der Röhre versehen sind, und mindestens einem zwischen diesen Platten angeordneten und mit ihnen in magnetischem Magnetisches Fokussierungssystem zur

gebündelten Führung des Elektronenstrahls

einer Laufzeitröhre

Anmelder:

International Standard Electric Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt, Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 26. März 1953 (Nr. 8391)

Douglas C. Rogers und Charles C. Eaglesfield,

London,
sind als Erfinder genannt worden

Schluß stehenden Permanent- oder Elektromagnet, der in axialer Richtung magnetisiert ist und von der Systemachse einen größeren Abstand aufweist, gebildet werden. Es wird als vorteilhaft angesehen, zwischen den Permanentmagneten oder Elektromagneten und den weichmagnetischen Platten zusätzlich Abstandsglieder aus weichmagnetischem Material vorzusehen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das erfindungsgemäße Fokussierungssystem aus einem Stapel von hintereinander angeordneten permanentmagnetischen Zellen. Jede dieser Zellen besteht aus zwei quaderförmigen Permanentmagneten, permanentmagnetisiert im rechten Winkel zu ihrer Länge und parallel zur Längsachse des Fokussierungssystems (Systemachse). Die zwei Magnete sind zwischen einem Paar Platten aus weichmagnetischem Material, d. h. aus Material mit niedrigem magnetischem Widerstand, angeordnet. Die Platten sind mit zentralen Öffnungen zur Aufnahme der Röhre versehen. Es können zusätzlich Abstandsglieder aus weichmagnetischem Material zwischen den Platten und den Magneten vorgesehen werden. Senkrecht zur Achse der Anordnung haben die Abstandsglieder vorzugsweise die gleichen Abmessungen wie die Magnete. Von den Platten abgesehen, ist der Abstand der ferromagnetischen Teile jeder Zelle von

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in Fig. 3 wiedergegebene Anordnung wird dadurch erhalten, daß mit einer zentralen Öffnung versehene Platten 4 aus Weicheisen und ringförmige Permanentmagnete 5 abwechselnd aufeinander gestapelt werden. Es ist ldar, daß das magnetische Feld, welches an den zwei Seiten jeder Platte im Innern der Anordnung auftritt, das gleiche ist, vorausgesetzt, daß die Stärke jedes Magnets 5 gleich ist und daß diese im gleichen Sinne magnetisiert sind. Wenn die Endplatten nicht

der Systemachse mindestens gleich dem Abstand zwischen den zugehörigen Platten. Mittel zur Ankopplung des Eingangs- und des Ausgangswellenleiters sind zwischen den Platten der entsprechenden Zellen zwecks elektromagnetischer Kopplung mit der Verzögerungsleitung der Wanderfeldröhre angeordnet. Ferner sind Mittel zur Halterung der Wanderfeldröhre innerhalb des Fokussierungssystems vorhanden.

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der io mit einer Öffnung versehen werden, kann in jeder Ausführungsbeispiele der Zeichnungen näher er- Zwischenplatte 4 ein kleines zentrales Loch anläutert: gebracht werden, ohne daß die Feldverteilung im

Fig. 1 und 2 geben das Prinzip einer magnetischen Innem der Anordnung in irgendeiner Weise gestört

Zelle gemäß der Erfindung wieder; wird. Normalerweise müssen jedoch auch die End-

Fig. 3 stellt eine Anzahl von magnetischen Zellen 15 platten mit einer zentralen Öffnung versehen sein,

dar, von welchen jede der in den Fig. 1 und 2 dar- Es kann dann leicht dazu führen, daß die Gleich^

gestellten Zelle ähnlich ist und die gemäß der Er- mäßigkeit des Feldes nahe den Enden der Anordnung

findung so aneinandergereiht sind, daß sie ein herabgesetzt wird, aber unter der Voraussetzung, daß

Fokussierungssystem bilden; diese Öffnungen hinreichend klein sind, ist die FeId-

Fig. 4 und 5 zeigen eine abgeänderte Form einer 20 verzerrung nicht groß, und innerhalb der Anordnung

magnetischen Zelle gemäß der Erfindung; kann dieser Mangel gegebenenfalls durch geeignete

Fig. 6 und 7 zeigen noch eine andere Form einer Abstufung der Stärke einzelner Magnete korrigiert

magnetischen Zelle und ein damit aufgebautes werden.

Fokussierungssystem gemäß der Erfindung; Es sei bemerkt, daß die einzelnen Magnete nicht

Fig. 8 gibt eine weitere abgeänderte Form des 25 einen hohlzylindrischen Querschnitt aufweisen müssen.

Fokussierungssystems und der Konstruktion der Jede Querschnittsform kann verwendet werden unter

magnetischen Zellen wieder; der Voraussetzung, daß das magnetische Material in

Fig. 9 zeigt eine schematische, teilweise geschnittene einem genügenden Abstand von dem Bereich anperspektivische Ansicht einer Anordnung mit Wander- geordnet ist, in welchem das gleichförmige Feld feldröhre, bei welcher die Erfindung Anwendung 3° gebildet werden soll. Wie bereits oben erwähnt, soll findet; dieser Abstand von der Systemachse größer sein als

Fig. 10 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen den Platten und — noch

einer der Fig. 9 ähnlichen Anordnung. besser — mindestens zweimal so groß wie dieser.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip soll Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Zelle mit Platten 4 aus

in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert werden. 35 Weicheisen und zwei Elektromagneten 5 von kreis-

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine magnetische Zelle, förmigem Querschnitt, welche durch die mit den

welche ein Paar von parallelen kreisförmigen Zuführungen 7 verbundenen Spulen 6 gespeist werden.

Scheiben 1 und 2 aus weichmagnetischem Material, In den Fig. 6 und 7 ist eine magnetische Zelle bzw.

d. h. aus Material von niedrigem magnetischem ein Fokussierungssystem wiedergegeben, wo von

Widerstand, beispielsweise Weicheisen, aufweist. 40 gleichen quaderförmigen Permanentmagneten 9 und

Diese Scheiben bilden die Endplatten für einen ringförmigen Permanentmagnet3, welcher an seinen Stirnseiten entgegengesetzte Pole aufweist. Es besteht eine magnetische Potentialdifferenz zwischen den

10 Gebrauch gemacht wird, welche im rechten Winkel zu ihrer Länge magnetisiert sind und paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Anordnung axialsymmetrisch zwischen weichmagne-

Platten 1 und 2, welche sich auf Grund ihrer hohen 45 tischen Platten 12 angeordnet sind. Die Endplatten 13

Permeabilität praktisch wie äquipotentiale Oberflächen verhalten. Das magnetische Feld zwischen ihnen ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 wiedergegeben, welche gerade und senkrecht zu den

und 14 der Anordnung sind hier ohne zentrale Öffnungen wiedergegeben, so daß das magnetische Feld innerhalb der Anordnung sehr gleichförmig ist trotz der zentralen Öffnungen in den Platten 12

Oberflächen der Platten 1 und 2, besonders in der 50 zwischen den Enden der Anordnung. Die inagne-Nähe der Achse, verlaufen. Von der Achse weiter tischen Feldlinien innerhalb und außerhalb der entfernt, in der Nähe des Magnets 3, können Feld- Anordnung sind durch die gestrichelten Linien 15 Verzerrungen auf Grund von Unregelmäßigkeiten in wiedergegeben.

den Eigenschaften des Magnetmaterials auftreten, Mit Hilfe einer Anordnung nach Fig. 6 und 7

aber diese reichen nicht bis zur Achse. Der Bereich 55 können hinreichend homogene Felder jeder beliebigen

der Gleichförmigkeit um die Achse herum kann dadurch vergrößert werden, daß die axiale Länge der magnetischen Zelle wesentlich kleiner als deren radiale Länge gemacht wird. Für eine gute Gleich-

Lange dadurch erzielt werden, daß man eine genügende Anzahl von magnetischen Zellen zusammenfaßt. Die einzelnen Zellen werden so gewählt, daß sie das erforderliche Feld ergeben; dabei wird die

förmigkeit des Feldes, wie es in den noch zu be- 60 Änderung des Streuflusses außerhalb und innerhalb

schreibenden Anordnungen erforderlich ist, ist der innere Durchmesser des Magnetringes 3 wenigstens gleich dem zweifachen des Abstandes zwischen den Platten 1 und 2. Die Anwesenheit der Platten verhindert auch Feldverzerrungen durch äußere ferromagnetische Gegenstände oder durch äußere magnetische Streufelder.
Fig. 3 zeigt eine Anzahl von Zellen der Fig. 1. Die

der Anordnung in Betracht gezogen. Der totale Streufluß ist in jedem praktischen System beträchtlich größer als der Fluß längs der Achse innerhalb der Anordnung. Der Streufluß ist daher ein wichtiger Faktor beim Entwurf des Fokussierungssystems, und die einzelnen magnetischen Zellen ändern sich entsprechend der gewünschten Länge der Anordnung. Obgleich vorgezogen wird — ausgenommen die End-

platten der Anordnung, welche dicker sein sollten als die Zwischenplatten —, die einzelnen Zellen untereinander gleich in der Abmessung und im Grad der Magnetisierung zu machen, ist es auch möglich, die magnetischen Eigenschaften der Zellen abzustufen, um den gewünschten Grad der Feldgleichförmigkeit längs der Achse der Anordnung zu erreichen. Bei einem gegebenen magnetischen Material kann eine unterschiedliche magnetische Stärke der Zellen durch nur teilweise Magnetisierung des Materials oder durch Reduktion der Dicke der Permanentmagnete und Verwendung von zusätzlichen Abstandsgliedern aus Weicheisen erreicht werden.

Eine derartige Anordnung ist in Fig. 8 wiedergegeben. Das in dieser Figur dargestellte Fokussierungssystem ist aus weichmagnetischen Platten 17 hergestellt, zwischen denen jeweils ein Paar von Permanentmagneten 18 und ein Paar von etwas dickeren Abstandsgliedern 19 aus Weicheisen angeordnet sind.

Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die gebündelte Führung langer Elektronenstrahlen mit im wesentlichen konstantem Querschnitt, wie sie beispielsweise in Wanderfeldröhren Verwendung finden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 9 wiedergegeben. Die Wanderfeldröhre 20 enthält innerhalb der Glasumhüllung 21 ein Strahlerzeugungssystem 22. eine Wendel 23 und eine Auffangelektrode 24. Ein Fokussierungssystem 25, ahnlieh den bereits oben beschriebenen Anordnungen, umgibt die Wanderfeldröhre zwischen dem Strahlerzeugungssystem und der Auffangelektrode. Die Anordnung 25 besteht aus einer Anzahl von mit zentralen Offnungen versehenen Weicheisenplatten 26 und zwei Sätzen von Permanentmagneten 27, 28, welche axialsymmetrisch zur Systemachse an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, ähnlich wie bei den Anordnungen der Fig. 6 und 7. Die Hochfrequenzenergie wird der Wendel 23 über den Eingangswellenleiter 29 zugeführt. Zwischen den Weicheisenplatten 31 und 32 ragt die Abstimmanordnung 30 hervor. Ein Ausgangswellenleiter 33 geht zusammen mit seiner Abstimmanordnung 34 in ähnlicher Weise durch die Anordnung 25 zwischen den Weicheisenplatten 35 und 36. Die Endplatten sind mit 37 und 38 bezeichnet.

Eine Ansicht einer Anordnung ähnlich der nach Fig. 9 ist in Fig. 10 wiedergegeben. Das Fokussierungssystem 25 wird zwischen den weichmagnetischen Endplatten 37 und 38 durch vier Stäbe 39, von welchen in der Zeichnung zwei sichtbar sind, zusammengehalten. An der Endplatte 38 ist eine Anordnung 40 befestigt zur Halterung und Kühlung der Auffangelektrode 24 der Wanderfeldröhre 20. Die Kühlluft wird durch den Stutzen 41 zugeführt. Am strahlerzeugerseitigen Ende des Fokussierungssystems sind die Gleichstromzuführungen und die Ausrichtglieder für die Wanderfeldröhre 20 in der Halteanordnung 42 untergebracht. Diese Anordnung 42 besteht aus einem Röhrenhalter, welcher die Zuführungen für die Durchführungsstifte der Wanderfeldröhre und geeignete Zentrierungsmittel zur Ausrichtung der Röhrenachse mit der Achse der Anordnung 25 (Systemachse) enthält. Die Anordnung 42 ist mit der Montageplatte 43 fest verbunden, welche ihrerseits durch die Bolzen und Abstandsstücke 44 mit der Endplatte 37 fest verbunden ist. Überdies sind Mittel vorgesehen, um die Röhre 20 in die Apparatur leicht ein- und ausführen zu können.

Die magnetischen Teile der Anordnung 25 sind in ähnlicher Weise angeordnet wie die im Zusammenhang mit der Fig. 8 beschriebenen magnetischen Teile. Das in Fig. 10 wiedergegebene Ausführungsbeispiel besteht aus vierzehn Einzelzellen 45. Jede dieser Zellen besteht aus Weicheisenplatten 46, einem Paar Permanentmagneten 47 und einem Paar Abstandsglieder 48 aus Weicheisen. Die Weicheisenplatten 46 sind zwecks Aufnahme der Röhre 20 mit zentralen Öffnungen versehen. Die Wellenleiterzuführungen 29 bzw. 33 zum Ein- bzw. Ausgangswellenleiter sind auf den Stäben 39 montiert und mit Kopplungsflanschen 49 versehen. Der Abstand zwischen den Weicheisenplatten 46 ist so gewählt, daß zwischen benachbarten Platten ein hinreichend großer Spielraum für die Wellenleiterzuführungen vorhanden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 waren die Weicheisenplatten 46 quadratisch und ungefähr 1,6 mm stark und hatten eine zentrale Öffnung von ungefähr 34 mm Durchmesser. Jeder der Permanentmagnete 47 bestand aus einer quaderförmigen Schiene mit folgenden ungefähren Abmessungen: 12x18 87 mm. Die kleinste dieser Abmessungen war parallel zur Achse des Fokussierungssystems 25 (Systemachse) angeordnet. Die Abstandsglieder 48 aus Weicheisen waren von derselben Länge und derselben Breite (senkrecht zur Systemachse), aber ungefähr 11 mm dick (parallel zur Systemachse).

Das Material der Permanentmagnete 47 hatte folgende Eigenschaften:

Remanenz ....

Koerzitivkraft

Energieprodukt

12 200Gauss
650 Oersted
4,75Megagauss χ Oersted.

Wenn dieses Material voll magnetisiert war, wurde ein axiales Magnetfeld größer als 400 Gauss erhalten. Das Feld änderte sich etwa um 10% von einem zum anderen Ende; es existierte ein Abfall in der Stärke gegen die Mitte zu. War das permanentmagnetische Material nur teilweise magnetisiert, so wurde ein axiales Magnetfeld von 290 bis 320 Gauss auf die gleiche Länge erhalten. Eine direkte Messung der Abweichung des axialen Magnetfeldes von der Geradlinigkeit konnte nicht leicht erfolgen, aber diese war sehr klein, wie aus dem folgenden hervorgeht. Eine Wanderfeldröhre mit einer nichtmagnetischen Wendel von 2,5 mm Durchmesser und einer Länge von 220 mm war im Fokussierungssystem untergebracht. Von der ebenen Kathode der Röhre mit einem Kathodendurchmesser von ungefähr 1,3 mm wurde bei einer Beschleunigungsspannung, von 1500 Volt ein Elektronenstrom von 4,1 mA abgezogen. Der Strom auf der Auffangelektrode betrug 4,0 mA. Der Stromverlust betrug also nur 0,1 mA, was nur mit einem hinreichend homogenen magnetischen Bündelungsfeld möglich ist.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Magnetisches Fokussierungssystem zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls einer Laufzeitröhre über eine größere Wegstrecke mittels eines wenigstens angenähert homogenen Magnetfeldes, insbesondere für Wanderfeldröhren, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussierungssystem aus einer Vielzahl von längs der System-

achse aneinanderstoßenden, magnetischen Zellen besteht, deren jeweilige Ausdehnung in axialer Richtung wesentlich kleiner ist als in radialer Richtung, und daß jede magnetische Zelle von zwei senkrecht zur Systemachse angeordneten weichmagnetischen Platten, die mit einer im Vergleich zu ihrer radialen Ausdehnung verhältnismäßig kleinen zentralen Öffnung zur Aufnahme der Röhre versehen sind, und mindestens einem zwischen diesen Platten angeordneten und mit ihnen in magnetischem Schluß stehenden Permanent- oder Elektromagnet, der in axialer Richtung magnetisiert ist und von der Systemachse einen größeren Abstand aufweist, gebildet werden. .

2. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Permanent-, oder Elektromagneten und den weichmagnetischen Platten zusätzliche Abstandsglieder aus weichmagnetischem Material vorgesehen sind.

3. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß — von den weichmagnetischen Platten abgesehen — der Abstand jeglichen ferromagnetischen Materials von der Systemachse mindestens gleich dem Abstand zwischen den zugehörigen weichmagnetischen Platten ist.

4. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abstand von der Systemachse mindestens zweimal so groß ist wie der Abstand zwischen den zugehörigen weichmagnetischen Platten.

5. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete ringförmig ausgebildet und koaxial zur Systemachse angeordnet sind.

6. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Abstandsglieder aus weichmagnetischem Material ebenfalls ringförmig ausgebildet und koaxial zur Systemachse angeordnet sind.

7. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle zwei gleiche, quaderförmige. Permanentmagnete aufweist, welche axialsymmetrisch zur Systemachse angeordnet sind.

8. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Abstandsglieder aus weichmagnetischem Material ebenfalls gleich und quaderförmig ausgebildet und axialsymmetrisch zur Systemachse angeordnet sind.

9. Magnetisches Fokussierungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den weichmagnetischen Platten der entsprechenden Zellen die Ankopplungsglieder für den Ein- und den Ausgangswellenleiter angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 224 052;
britische Patentschrift Nr. 685 142;
USA.-Patentschrift Nr. 2 305 884.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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