DE1167403B - Temperaturkompensierter Hohlraumresonator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 h;

H 03 j
Deutsche Kl.: 21a4-69

Nummer: 1 167 403

Aktenzeichen: V16408 IX d / 21 a4

Anmeldetag: 20. April 1959

Auslegetag: 9. April 1964

Die Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten Hohlraumresonator für höchstfrequente elektromagnetische Schwingungen, der aus einem zylindrischen Hohlraumkörper von niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Es ist bei derartigen temperaturkompensierten Hohlraumresonatoren bekannt, die an sich geringe noch verbleibende Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators dadurch weiterzuverringern, daß der Deckelteil des Hohlraumresonators aus einem Material höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und bei Temperaturschwankungen sich im Sinne einer Temperaturkompensation axial verschiebt.

Dabei ist es wesentlich, daß die Temperatur-Schwankungen in Anbetracht der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten des Deckelteiles bzw. des becherförmigen Gehäuseteiles keine unerwünschten Verwerfungen des den Resonator bildenden Hohlraumes zur Folge haben. Man hat aus diesem Grunde beispielsweise den Deckelteil als eine dünnwandige Membran aus einem Metall relativ hohen Temperaturkoeffizienten ausgebildet. Bei einer anderen bekannten Konstruktion hat man sich hinsichtlich der Verbindung des Deckelteiles mit dem becherförmigen Gehäuseteil auf Verschrauben verlassen, wodurch jedoch keine Gasdichtigkeit des Hohlraumresonators gewährleistet ist. Der erfindungsgemäße Hohlraumresonator vereinigt durch seine konstruktive Ausgestaltung die nachfolgenden, bei den bisher bekannten Anordnungen als wichtig festzustellenden Eigenschaften:

1. Durch die Verwendung von Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten,

z. B. Invar, für den Resonatorhauptteil ist an sich schon ein geringer Temperatureinfluß auf die Resonanzfrequenz gegeben, die im Wege der Temperaturkompensation weiterverringert wird.

2. Trotz Verwendung eines unterschiedlichen Materials für den Deckelteil ergeben sich bei Temperaturschwankungen keine unerwünschten Materialspannungen in der Resonatorwand, weil zwischen beiden Teilen eine elastische Verbindung vorliegt.

3. Der Deckelteil besteht an sich aus relativ starkwandigem Material, so daß ein störender Einfluß des Außendruckes, der sich beispielsweise bei Anwendung dünnwandiger Membranen als Deckelteil ergibt, nicht auftritt.

4. Der Deckelteil bleibt im wesentlichen eben und wird bei Temperaturschwankungen, weil seine Randverbindung mit dem Hauptteil des ResonaTemperaturkompensierter Hohlraumresonator

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phfl. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Maurice Webster St. Clair, Palo Alto, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. April 1958 (730 609)

torgehäuses elastisch ist, nicht auf Durchbiegung beansprucht.

5. Der Resonator läßt sich verhältnismäßig leicht' gasdicht verschweißen.

Ein temperaturkompensierter Hohlraumresonator für höchstfrequente elektromagnetische Schwingungen, bestehend aus einem zylindrischen Hohlraumkörper von niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, dessen Deckelteil aus einem Material höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und bei Temperaturschwankungen sich im Sinne einer Temperaturkompensation axial verschiebt, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die Verschiebung dadurch bewerkstelligt ist, daß der Deckelteil an seinem Rand mit dem Rand eines schräggestellten, und zwar nach dem Hohlrauminneren und radial nach außen weisenden durchbiegungsfähigen Kragens eines aus einem Material geringen Ausdehnungskoeffizienten bestehenden Ringteiles verbunden ist, welcher auf die Seitenwand des Hohlraumresonators aufgesetzt ist, derart, daß ein Hebelmechanismus gebildet ist, der bei radialer Dehnung des Deckelteiles die temperaturkompensierende Axialverschiebung des Deckelteiles bewirkt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Hohlraumresonator, der einen Teil einer Klystronanordnung bildet,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Hohlraumresonator, wobei in F i g. 1 die Schnittlinie mit 2-2 bezeichnet ist,

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gepreßt. Es ist auf diese Weise die Lage der Platte 23 in dem Hohlraumresonator durch die Einstellung der Abstimmvorrichtung 26 festgelegt und die Schraube 27 dient dem Zweck, die Platte fest mit der 5 Abstimmvorrichtung 26 zu verbinden. Die Schulter 25 bewirkt eine Begrenzung des Variationsbereiches der Abstimmvorrichtung 26. so daß dieselbe nicht zu weit in den Hohlraumresonator eingeschraubt werden kann und eine übermäßige Ausdehnung des

F i g. 5 eine Abänderung der in F i g. 4 dargestellten Ausführung,

F i g. 6 die Befestigung des ringförmigen Teiles an der Wandfläche.

Der zur Erörterung gelangende Hohlraumresonator besteht aus einem zylindrischen Teil 11, der beispielsweise aus Invar besteht und einen niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt. Zwei

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Abstimmvorrichtung, wobei die entsprechende Schnittlinie in F i g. 2 mit 3-3 bezeichnet ist,

F i g. 4 einen Querschnitt eines Teiles der Seitenwandfläche des Resonators längs der in F i g. 2 mit 4-4 bezeichneten Schnittlinie, wobei in vergrößertem Maßstab die Anordnung gezeigt ist, welche die Temperaturkompensation bedingt,

Fig. 4a eine Vektordarstellung der sich ergebenden Bewegungsrichtungen der die Temperaturkom- io Balges 24 verhindert wird.

pensation bewirkenden Wandfläche, Die Temperaturkompensationsvorrichtung der an

der zuletzt erörterten Seite vorgesehenen Deckelfläche 18 besteht aus folgendem: Der mittlere Teil 33 (Fig. 4) der Deckelfläche besteht, ebenso wie die 15 vorstehend erörterte Abstimmvorrichtung, aus Stahl oder einem anderen Material, welches einen hohen Expansionskoeffizienten besitzt, und die Fläche ist mit einem Ringteil 34 verschweißt, welcher aus einem Material besteht, welches einen geringen Aus-

der kopplung dienende Öffnungen 12 und 13 kön- 20 dehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise aus Invar nen mit dielektrischen Fenstern abgeschlossen sein, besteht, so daß der thermische Ausdehnungskoeffiso daß der Hohlraumresonator, falls gewünscht, ab- zient sehr viel geringer ist als der des Mittelteiles 33. geschlossen ist. An der Mantelfläche des Hohlraum- Der Mittelteil 33 besitzt eine Randpartie 35, welche, resonators sind an den Kopplungsöffnungen zwei wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, mit dem Mittelteil Hohlleiter 14 und 15, die ebenfalls aus Invar be- 25 selber über eine verhältnismäßig dünne ringförmige stehen, angeschweißt. Flansche 16 und 17, die bei- Verbindung 36 zusammenhängt. In F i g. 4 und 5 spielsweise aus Stahl oder Messing bestehen, sind sind zwecks größerer Übersichtlichkeit die zur Aban den äußeren Enden der Hohlleiter vorgesehen Stimmung der Vorrichtung dienenden Teile nicht und dienen dem Zweck, den Hohlraumresonator mit wiedergegeben, vielmehr nur die zur Erzielung der den angeschlossenen Geräten, beispielsweise dem 30 Temperaturkompensation wichtigen Teile. Der Invar-Reflexklystron 20, zu verbinden. Deckelflächen 18 ring 34 besitzt an seiner Innenseite einen ringför- und 19 sind an den offenen Enden des den Hohl- migen Flansch 37, der mittels einer verhältnismäßig raummantel bildenden Zylinders 11 vorgesehen, und dünnwandigen Verbindung mit dem Hauptringteil in zwar unter Anwendung einer Schweißung 21; es Verbindung steht. Die Stirnflächen 40 der Randparkann indessen auch der Mantelteil 11 mit den 35 tie der Deckelfläche bildet einen Winkel zu der Zy-Deckelflächen durch Verschraubung oder in anderer linderachse 39 und schließt mit der Stirnfläche des Weise verbunden sein. Die Deckelflächen besitzen Flanschringes 37 ab, welche die gleiche Neigung be-' Versteifungsrippen 21'. Die Deckelfläche 19 besteht sitzt, wobei die vorgenannten Flächen miteinander aus dem gleichen Material wie der Mantelteil 11. Die durch Schweißen verbunden sind. Die Aufgabe dieser Bauweise der Deckelfläche 18 wird nachstehend in 40 Ringkonstruktion ergibt sich aus dem Nachfolgenden, ihren Einzelheiten beschrieben. Der Invarring 34 und der Mantelteil 11, an wel-

Ein mittels einer Schraube betätigbares Abstimm- chem der Ring 34 befestigt ist, besitzen bei Temperaorgan ist in einem zylindrischen Fortsatz 22 in der turänderungen nur eine sehr geringe Ausdehnung in Mitte der Deckelfläche 18 vorgesehen und besteht Anbetracht des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus einer kreisförmigen Abstimmplatte 23, die am 45 von Invar. Es bleibt daher der Verbindungspunkt 38 einen Ende an einem zylindrischen nachgiebigen Balg in radialer Richtung und auch in Richtung der Zy-24 angeschweißt ist, wobei das andere Ende des linderachse 39 bei allen Betriebstemperaturen im we-Balgs an einer ringförmig hervorstehenden Rippe 25 sentlichen unbeeinflußt. Der aus Stahl bestehende des zylindrischen Fortsatzes 22 angeschweißt ist. Der Mittelteil 33 besitzt dagegen einen verhältnismäßig Balg 24 gestattet einen dichten Abschluß des Hohl- 5° hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und raumresonators. Der obere Teil der Bohrung des dehnt sich in radialer Richtung in bezug auf die zylindrischen Fortsatzes besitzt ein Innengewinde Achse 39 aus und auch in das Innere des Hohlraumund trägt damit eine hohlzylindrische mit Gewinde resonators hinein, und zwar in einem beachtlichen versehene Abstimmvorrichtung 26, deren inneres Maß. Daher verschiebt sich die Verbindungsstelle 36 Ende gegen die Abstimmplatte 23 wirkt. Das eine 55 in bezug auf die Zylinderachse 39 nach außen und Ende einer Sicherungsschraube 27 ist an der Ab- in bezug auf den Hohlraum des Resonators nach stimmplatte 23 angeschweißt und erstreckt sich in innen, wenn eine Ausdehnung infolge von Temperader mit Gewinde versehenen Abstimmvorrichtung 26 turänderungen stattfindet, bzw. umgekehrt bei einer nach oben, wobei auf der Schraube 27 eine Siehe- Zusammenziehung. Die Flexibilität bei den Punkten rungsmutter 28 und eine Scheibe 29 vorgesehen sind, 60 36 und 38 gestattet eine erhebliche Durchbiegung die gegen die Schulter 31 des Teiles 26 wirken. Die des Invarringes 34 und des aus Stahl bestehenden Platte 23 kann in den Hohlraumresonator hineinge- Teiles 33, wenn Ausdehnungen und Zusammenzieschraubt werden durch Verstellen des Abstimmteiles hungen dieser Teile gegeneinander stattfinden. Es be-26 in dem Zylinderteil 22. Wenn die Platte 23 die wegt sich daher die Verbindungsstelle 36 des Deckelgewünschte Lage hat, wird mit Hilfe der Konter- 65 teiles 33 auf einer bogenförmigen Bahn um den Ver-

mutter 32 die Abstimmvorrichtung 26 arretiert. Die Platte 23 wird fest gegen das innere Ende der Abstimmvorrichtung 26 durch Anziehen der Mutter 28

bindungspunkt 38 am Invarring 34, wie durch die
Vektoren 41 und 41' in der F i g. 4 a angedeutet ist.
Es ist zu beachten, daß die durch den Vektor 41'

charakterisierte Bewegung eine nach unten gerichtete Komponente 42 besitzt, wenn der Mittelteil 23 sich ausdehnt, und daß der Vektor 41 eine nach oben gerichtete Komponente besitzt, wenn eine Zusammenziehung stattfindet. Auf diese Weise hat die Fläche 44 des aus Stahl bestehenden Mittelteiles 33 die Neigung, sich nach innen zu dem Hohlraumresonator hinein zu bewegen, wenn der Mittelteil 33 sich ausdehnt. Diese nach innen gerichtete Bewegung ergibt sich aus der Komponente 42 und wird verstärkt durch die Ausdehnung des Metalls in dem Raumteil zwischen der Fläche 44 und der Gegenfläche 40. Bei einer Zusammenziehung des Mittelteiles 33 andererseits ergibt sich eine in bezug auf den Raum des Resonators nach außen gerichtete Bewegung.

Das Maß der Vertikalkomponenten 42 und 43 des Bewegungsvektors zwischen der Verbindungsstelle 38 und der Stelle 36 kann dadurch eingestellt werden, daß der Winkel Θ zwischen der die Punkte 36 und 38 durchsetzenden Geraden und der Horizontalen entsprechend gewählt wird und auf diese Weise die Abhängigkeit der bedingten Bewegung von der Temperatur entsprechend eingestellt wird. Solche Bewegungen verändern die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators in jeder beliebigen, gewünschten Weise in bezug auf die Temperatur. Es kann unter Umständen für alle Temperaturen eine Frequenzänderung vermieden werden, wobei in diesem Falle die Frequenzänderungen kompensiert werden, die durch den an und für sich geringen Ausdehnungskoeffizienten des aus Invar bestehenden Resonatorgehäuses kompensiert werden. Die Änderungen des Winkels Θ werden vorgenommen vor dem Zusammenbau des Resonators durch geeignete Dimensionierung des Ringes 34 und des Mittelteiles 33 unter Beachtung der Verlängerungen 35 und 37. Es ist aber auch möglich, den Winkel Θ in einfacher Weise nach dem Zusammenbau einzustellen, so daß eine gewünschte Änderung oder Kompensation der Frequenz bei Temperaturschwankungen erzielt wird. Dieses kann dadurch erzielt werden, daß ein Einschnitt 45 in der Platte 33 in der Nähe der Verbindungsstelle 36 vorgenommen wird, wie dies F i g. 5 zeigt.

Ein solcher Einschnitt verschiebt den Punkt 36 der höchsten Durchbiegungsfähigkeit von der Mitte des Gehäuseteiles 33 nach links und vergrößert auf diese Weise den Winkel Θ.

Es ist zu beachten, daß die Anordnung gemäß F i g. 5, bei welcher der Winkel Θ größer als 90° ist, zur Folge hat, daß eine nach auswärts gerichtete Vertikalkomponente der Bewegung bei einer durch Temperatur bedingten Expansion sich ergibt und eine nach innen gerichtete Bewegungskomponente bei einem Zusammenziehen der Teile. Dieses ist die entgegengesetzte Wirkung, als es bei der Anordnung gemäß F i g. 4 der Fall war.

Es kann auch der Punkt 38 in bezug auf den Punkt 36 verschoben werden, indem die Fläche 46 abgeschliffen wird und auf diese Weise der Winkel Θ verkleinert wird. Die schräge Richtung der Fläche 40 des Teiles 35 und der entsprechenden Fläche des Teiles 37 erleichtert den Zusammenbau des Mittelteiles 33 mit dem Ringteil. Zum Zusammenbau wird der Ring 34 auf die Fläche 40 gesetzt und ein Gewicht 47 wird, wie F i g. 6 erkennen läßt, auf die obere Fläche des Ringes aufgesetzt, so daß diese Flächen in enger Berührung gehalten werden. Ein Ring aus Silberlot 48 wird an der V-förmigen Verbindungsstelle des Teiles 35 und des Teiles 37 eingesetzt und die ganze Anordnung in einen Lötofen gebracht. Wenn die Materialien erhitzt werden, dehnen sich der mittlere Teil 33 und der Teil 35 radial aus, und der Ring 34, der einen geringen Temperaturkoeffizienten besitzt, rutscht auf der Fläche des Teiles 35 hinunter. Es fließt dann das Silberlot zwischen die beiden zu verbindenden Flächen. Beim Abkühlen der Anordnung erstarrt das Lot und, obwohl sich der Mittelteil 33 zusammenzieht, verhindert die Reibung und der nach unten gerichtete Druck am Ring 34, daß der Teil 37 nach oben gleitet und die Lötstelle schwächt bzw. zum Zerbrechen bringt.

Es ist darauf zu verweisen, daß für den Fachmann in verschiedener Weise von den wiedergegebenen Ausführungsformen der Erfindung abgewichen werden kann, ohne daß dadurch der allgemeine Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Temperaturkompensierter Hohlraumresonator für höchstfrequente elektromagnetische Schwingungen, bestehend aus einem zylindrischen Hohlraumkörper von niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, dessen Deckelteil aus einem Material höhereren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und bei Temperaturschwankungen sich im Sinne einer Temperaturkompensation axial verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung dadurch bewerkstelligt ist, daß der Deckelteil an seinem Rand mit dem Rand eines schräggestellten, und zwar nach dem Hohlrauminneren und radial nach außen weisenden durchbiegungsfähigen Kragens eines aus einem Material geringen Ausdehnungskoeffizienten bestehenden Ringteiles verbunden ist, welcher auf die Seitenwand des Hohlraumresonators aufgesetzt ist, derart, daß ein Hebelmechanismus gebildet ist, der bei radialer Dehnung des Deckelteiles die temperaturkompensierende Axialverschiebung des Deckelteils bewirkt.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Kragen des Ringteiles verbundene Rand des Deckelteiles eine derart schräge Ringfläche bildet, daß der Kragen im wesentlichen senkrecht auf ihn auftrifft.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die schräge Ringfläche eine die Durchbiegungsfähigkeit steigernde Ringnut eingestochen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA-Patentschriften Nr. 2445 282, 2 501728, 600 225,2507426;

britische Patentschriften Nr. 579 834, 790 535;
französische Patentschrift Nr. 1 006 613.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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