DE1294565B

DE1294565B - Magnetronoszillatorroehre

Info

Publication number: DE1294565B
Application number: DE1962G0034833
Authority: DE
Inventors: Staats James Edward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1961-04-27
Filing date: 1962-04-27
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB1009870A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetronoszil- die Winkelversetzung zwischen den Katodenvorlatorröhre mit einer zentralen zylindrischen Katode und Sprüngen und den Anodensegmenten derart ist, daß die einer die Katode koaxial umgebenden Anode, die von durch die zur Katode zurückkehrenden Elektronen symmetrisch über den Anodenumfang verteilten Hohl- bedingte Aufheizung der Katode (Rückheizung) ein raumresonatoren gebildet ist, bei der die Katode mit 5 Minimum ist.

einer der Zahl der Hohlraumresonatoren — und damit Auf diese Weise werden bei der beschriebenen

auch der Zahl der (der Katode gegenüberliegenden) Magnetronoszillatorröhre der Wirkungsgrad, die Aus-Anodensegnemte — entsprechenden, symmetrisch über gangsleitung und die Stabilität verbessert. Ferner den Katodenumfang verteilten Anzahl von achsparallel wird durch den minimalen Wert für die Rückheizung verlaufenden, radialen Vorsprüngen versehen ist, die io der Belastungstoleranzbereich vergrößert. Dies ist insmit elektronenemittierendem Material überzogen sind, besondere beim elektronischen Kochen von Vorteil, wogegen die zwischen diesen Vorsprüngen liegenden weil dabei im allgemeinen ein großer Belastungsbe-Katodengebiete aus schlecht emittierendem Material reich durchlaufen wird.

bestehen, und bei der des weiteren die Katode bezug- Vorzugsweise beträgt beim Erfindungsgegenstand

lieh der Anode so orientiert ist, daß in Umfangsrich- 15 die radiale Länge der Katodenvorsprünge mehr als tung die Katodenvorsprünge zu den Anodensegmenten etwa 20% des Abstandes zwischen den Katodenvorwinkelversetzt angeordnet sind. Sprüngen und den Anodensegmenten.

Derartige Anordnungen sind grundsätzlich bekannt. Bei einer solchen radialen Länge der Katodenvor-

So ist beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2592206 Sprünge liegen die Vertiefungen zwischen den Voreine Magnetronoszillatorröhre beschrieben, bei der die 20 Sprüngen nicht im Weg der zurückkehrenden Elekmit einem elektronenemittierenden Material über- tronen, so daß diese Elektronen eine enge Schleife in zogenen Vorsprünge derart angeordnet sind, daß sie dem magnetischen Feld durchlaufen und in den Wechvon dem in der Röhre umlaufenden Elektronenstrahl selwirkungsraum wieder eintreten, um zur Hochmöglichst nicht getroffen werden. Dadurch soll ein frequenzleistung beizutragen. Selbst mit einer radialen Zerstäuben der elektronenemittierenden Schichten 25 Länge der Katodenvorsprünge von 70°/₀ erzielt man durch auftreffende Elektronen vermieden werden. eine zufriedenstellende Betriebsweise bei der Magnet-Ferner ist nach der USA.-Patentschrift 2 828 441 ronoszillatorröhre nach der Erfindung, bereits eine Magnetronröhre bekannt, auf deren Ferner wird eine Breite der Katodenvorsprünge vorKatode elektronenemittierende Vorsprünge angeordnet gezogen, die annähernd gleich dem Abstand zwischen sind, um die Wechselwirkung zwischen den Elektronen 30 benachbarten Vorsprüngen ist. Jedoch ist auch eine und den Feldern in den Hohlraumresonatoren zu ver- Breite von etwa 25 bis 60 °/o des Abstands zwischen bessern. zwei benachbarten Vorsprüngen längs des Umfangs der

Im Gegensatz zu diesen Anordnungen dient die Katode geeignet. Weiterhin werden die Katodenvor-Erfindung einem anderen Zweck. Der Erfindungs- Sprünge vorzugsweise so ausgebildet, daß sie zumindest gegenstand soll vor allem für Mikrowellenheizzwecke, 35 leicht gekrümmte Kanten haben, um die Ausbildung beispielsweise zum elektronischen Kochen verwendet besonders hoher elektrischer Felder zu vermeiden, die werden. Dazu ist eine Magnetronoszillatrorröhre er- eine schnelle Zerstörung des emittierenden Materials wünscht, die mit einer niedrigen Spannung betrieben zur Folge haben und damit Änderungen des Emissionswerden kann, um die Verwendung aufwendiger und Vermögens während einer längeren Betriebsdauer herkostspieliger Versorgungseinrichtungen zu vermeiden. 40 vorrufen können.

Diese Eintrichungen würden nämlich die Kosten der Weiterhin ist die Magnetronoszillatorröhre nach der gesamten Anordnung wesentlich erhöhen und zu Erfindung vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, einem Verkaufspreis führen, der für Haus-undKüchen- daß die Katode N Vorsprünge aufweist, wobei N geräte untragbar und zumindest nicht attraktiv für die mindestens 30 ist und daß das Verhältnis des Außen-Versorgung des Marktes mit kommerziellen Koch- 45 radius der Katode zum Innenradius der Anode der geräten wäre. folgenden Beziehung genügt:

Eine mit niedriger Spannung und hohem Wirkungs- _ .. „

grad betreibbare Magnetronoszillatorröhre erhält man, (¹^ ^Dls A-»

g g ^

wenn das Verhältnis des Anodenradius zur Anzahl N + (1,5 bis 2,5) der Anodensegmente oder Hohlraumresonatoren be- 5°

trächtlich kleiner als dasjenige gewählt wird, das man Durch das angegebene Verhältnis des Außenradius gewöhnlich bei einer herkömmlichen Magnetron- der Katode zum Innenradius der Anode wird insberöhre erwartet, und wenn das Verhältnis des Katoden- sondere erreicht, daß die Magnetronoszillatorröhre radius zum Anodenradius wesentlich größer gewählt mit einer niedrigen Spannung bei einem hohen Wirwird, als dies im allgemeinen der Fall ist. 55 kungsgrad betrieben werden kann. Es ist bekannt, daß

Bei solchen Magnetronoszillatorröhren nimmt aber die Spannung und der Wirkungsgrad eines Magnet-

die durch zur Katode zurückkehrende Elektronen be- rons zum Teil vom Verhältnis des Katodenradius zum

dingte Rückheizung der Katode bsträchtlich zu, wo- Anodenradius abhängen. Bei üblichen Magnetron-

durch die Lebensdauer der Katode nachteilig beein- oszillatorröhren beträgt das obige Verhältnis im all-

trächtigt wird. Da außerdem die Rückheizung von der 60 gemeinen (N — 4) zu (,/V + 4) oder (N — π) zu (N + π).

äußeren Belastung der Magnetronoszillatorröhre ab- Bei der Magnetronoszillatorröhre nach der Erfindung

hängig ist, treten an der Katode fortwährend Tempe- ist dieses Verhältnis wesentlich größer. Insbesondere

raturschwankungen auf, die sich auf die Arbeitsweise, wird ein Verhältnis von (N — 2) zu (N + 2) benutzt,

insbesondere auf die Stabilität der Oszillatorröhre Dabei kann die Anzahl N der Vorsprünge zwischen

nachteilig auswirken. 65 16 und 36 liegen. Mindestens 30 Vorsprünge werden

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist eine allerdings vorgezogen.

Magnetronoszillatorröhre der eingangs beschriebenen Eine derartige Magnetronoszillatorröhre kann an

Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung von 220 V angeschlossen werden, also

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an die in Wohnungen verfügbare Netzspannung. Dabei von der Oberfläche der Vorsprünge 92 emittiert. Unter sind nur einfache Gleichrichterschaltungen notwendig, dem Einfluß der elektrischen Feldlinien zwischen den so daß die gesamte Einrichtung insbesondere zum Katodenvorsprüngen 92 und den Stirnflächen der elektronischen Kochen geeignet ist. Anodensegmente 87 laufen die Elektronen auf ge-

Mit dem oben angegebenen Verhältnis von Katoden- 5 krümmten Bahnen. Die abwechselnd aufeinanderradius zu Anodenradius ist es ferner möglich, die folgenden Feldkonzentrationen längs des äußeren Magnetronoszillatorröhre in einem erwünschten Fre- Katodenumfangs bzw. inneren Anodenumfangs bequenzband von 915 MHz bei 570 V und einer maxi- günstigen die Elektronenballung oder die sogenannte malen Ausgangsleistung von 700 Watt zu betreiben. »Speicherausbildung« und tragen in bedeutendem Maße Unter Verwendung eines Spannungsverdopplers kann io zur Hochfrequenzleistung bei. Die von den Katodenman daher diese Magnetronoszillatorröhre an ein vorsprüngen 92 austretenden, nicht begünstigten Elek-220-V-Netz anschließen. Dadurch entfällt die Ver- tronen haben ebenfalls die Neigung, auf gekrümmten Wendung eines kostspieligen Transformators. Ferner Bahnen in den nahezu feldfreien Bereichen zwischen kann man Spitzenleistungen von 2400 Watt bei etwa den Katodenvorsprüngen 92 zu laufen. Infolge der 1000 V erzielen. 15 geringen Feldstärke bei den Katodenvertiefungen 93

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand werden die auf die Katode zulaufenden Elektronen von Figuren beschrieben werden. nur geringfügig beschleunigt. Die Folge hiervon ist,

F i g. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer daß die zur Katode zurückkehrenden Elektronen nur Katode und Anode bei einer Magnetronoszillator- mit einer geringen Geschwindigkeit auf die Katode röhre nach der Erfindung; ao auf treffen und damit zur Erhitzung der Katode keinen

F i g. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht von F i g. 1; merklichen Beitrag liefern. Andererseits durchlaufen F i g. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht der Katode; viele der Elektronen in den Bereichen vor den Katoden-F i g. 4 ist eine grafische Darstellung und dient zur Vertiefungen 93 kleine Schleifen und treten wieder in Erläuterung der Rückheizung beim Erfindungsgegen- den Wechselwirkungsraum ein, um zur Hochfrequenzstand und bei einer Magnetronoszillatorröhre mit 25 leistung beizutragen.

einer glatten Koatdenoberfläche. Nach der Erfindung wird nun die Winkelversetzung

Die F i g. 1 zeigt eine zentrale zylindrische Katode zwischen den Katodenvorsprüngen und den Anoden-90 und eine die Katode koaxial umgebende Anode 85 Segmenten derart gewählt, daß die durch die zur Katode einer nach der Erfindung aufgebauten Magnetronoszil- zurückkehrenden Elektronen bedingte Aufheizung der latorröhre. Die Anode weist mehrere sich radial nach 30 Katode ein Minimum ist. Diese Aufheizung oder Rückinnen erstreckende Anodenflügel oder Anodenseg- heizung der Katode durchläuft in Abhängigkeit von mente 87 auf, die Hohlraumresonatoren 86 begrenzen. der Winkelversetzung einen großen Temperaturbereich. Die aufeinanderfolgenden Anodensegmente sind ab- In F i g. 4 ist die Katodentemperatur einer Magne-

wechselnd jeweils an einem Verbindungsring 32 bzw. tronoszillatorröhre mit einer glatten Katodenober-33 befestigt. Die Katode 90 enthält eine im wesent- 35 fläche und mit einer mit radialen Vorsprüngen verliehen zylindrische Metallhülse 91, die mit mehreren sehenen Katodenoberfläche in Abhängigkeit von der symmetrisch über den Katodenumfang verteilten, in Prozenten angegebenen Winkel Versetzung zwischen achsparallel verlaufenden, radialen Vorsprüngen 92 den Katodenvorsprüngen und den entsprechenden und Vertiefungen 93 versehen ist. Die Anzahl ./V der Anodensegmenten gezeigt. Bei der Aufnahme der ge-Vorsprünge 92 entspricht der Anzahl der Anoden- 40 zeigten Daten wurde die Magnetronoszillatorröhre bei segmente 87. Die Katodenvorsprünge sind mit einem angepaßter Last mit 560 V und 3 Ampere betrieben, elektronenemittierenden Material überzogen. Ferner Bei einer Winkelversetzung von 0 % steht jeweils ein enthält die Katode ein im Inneren angeordnetes Heiz- Katodenvorsprung einem Anodensegment genau gegenelement 94, das die Hülse zur Elektronenemission auf- über, während bei einer Winkelversetzung von 100 °/o heizt. 45 derselbe Katodenvorsprung dem benachbartenAnoden-

Wie man aus F i g . 2 sieht, sind die elektrischen segment genau gegenüberliegt.

Feldlinien 95 infolge der besonderen Ausbildung der Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß bei einer gewissen

Katodenoberfläche zwischen den Vorsprüngen 92 und Winkelversetzung der Katodenvorsprünge gegenüber den Stirnflächen der Anodensegmente 87 konzentriert. den Anodensegmenten die Katodentemperatur der Der Raum zwischen den Vorsprüngen 92, also die Be- 5° mit radialen Vorsprüngen versehenen Katode (ausreiche bei den Vertiefungen 93 sind nahezu feldfrei. gezogene Kurve) wesentlich geringer ist als die Tempe-Dadurch wird der durch die begünstigten Elektronen ratur bei einer Katode mit einer glatten Oberfläche verursachte Ballungsvorgang verbessert und die durch (gestrichelte Kurve). Bei einer Drehung der Katodennicht begünstigte Elektronen erzeugten unerwünschten vorsprünge in Strömungsrichtung der Elektronen Wirkungen unterdrückt. 55 — beginnend bei einer Winkelversetzung von 0 % —

In F i g. 3 ist die Katodenhülse 91 genauer gezeigt. nimmt die Katodentemperatur zunächst bis zu einem Die Katodenvorsprünge 92 sind mit einem Elektronen minimalen Wert ab, der etwa bei einer Winkelvergut emittierenden Material 97 überzogen, während die Setzung zwischen 20 und 35 % auftritt. Bei einer zwischen diesen Vorsprüngen liegenden Katodenge- weiteren Winkelversetzung nimmt die Katodenbiete, also die Vertiefungen 93 aus einem schlecht 60 temperatur wieder zu und erreicht etwa bei einer Veremittierenden Material 100 bestehen. Auf diese Weise Setzung von 45% dieselbe Temperatur wie bei 0%· Bei wird erreicht, daß so wenig wie möglich nicht be- einer Winkelversetzung von etwa 70% wird eine günstigte Elektronen, also Elektronen, die zur Er- maximale Katodentemperatur erreicht. Wie man den zeugung der hochfrequenten Leistung keinen merk- Kurven entnehmen kann, arbeitet eine mit radialen liehen Beitrag leisten, von der Katode emittiert werden. 65 Vorsprüngen versehene Katode bereits bei einer Diese Maßnahme trägt zu einer Verminderung der Winkel Versetzung von 0% bei einer wesentlich nied-Rückheizung der Katode bei. rigeren Temperatur als eine Katode mit glatter Ober-

Die am meisten begünstigten Elektroden werden fläche. Diese Temperatur kann noch weiter erniedrigt

werden, indem die Katode in eine Lage gebracht wird, die einer Winkelversetzung zwischen 0 und 45% entspricht. Der niedrigste Temperaturbereich ergibt sich für eine Winkelversetzung zwischen 15 bis 35%. Irgendeine Winkelversetzung zwischen etwa 10 und 40% ergibt bereits einen Temperaturbereich, der beim Betrieb einer Magnetronoszillatorröhre geringer Leistung angemessen niedrig liegt. Die optimale Winkelversetzung, bei der die niedrigste Katodentemperatur auftritt, hängt vom Aufbau der Röhre, der Belastung, der Betriebsspannung und dem Betriebsstrom ab. Die optimale Winkelversetzung kann man jedoch in Abhängigkeit von den verschiedenen Parametern sehr leicht empirisch bestimmen.

Man hat festgestellt, daß sich die optimale Winkel-Versetzung zwischen den Katodenvorsprüngen und den Anodensegmenten im allgemeinen aus der folgenden Gleichung ergibt:

2,5 λ:

Dabei ist R der der optimalen Winkelversetzung zugeordnete Abstand zwischen der Mittellinie eines Anodensegmentes und der Mittellinie des in Strömungsrichtung der Elektronen verschobenen, bei einer Winkelversetzung von 0% dem Anodensegment genau gegenüberliegenden Katodenvorsprungs, y der radiale Abstand zwischen den Stirnflächen der Anodensegmente und den Katodenvorsprüngen und χ der Abstand zwischen den Mittellinien von zwei benachbarten Anodensegmenten. Unter den in der obigen Gleichung angegebenen Bedingungen kreuzen im allgemeinen die Elektronen, die einen Abstand von 2,5 χ von der Katode zur Anode zurücklegen, die elektrisehen Feldlinien 95 rechtwinklig. Dies stellt eine günstige Bedingung für die Wechselwirkung dar. Wie es aus F i g. 3 hervorgeht, liegt bei mit niedrigen Spannungen betriebenen Magnetronoszillatorröhren der optimale Wert von R etwa zwischen 20 und 35 % des Abstandes x. Im allgemeinen sind für R Werte zwischen 15 und 35% von χ zufriedenstellend.

Bei einem Wert von R gleich 70 % von χ wird eine maximale Katodentemperatur erzielt. Diesen Effekt könnte man dazu ausnützen, die Heizleistung zu ernierdigen oder möglicherweise ganz darauf zu verzichten.

Versuche mit der beschriebenen Magnetronoszillatorröhre haben ergeben, daß zur Erzielung eines maximal ausnutzbarenBelastungsbereichseine Winkelversetzung von 30 bis 35% am günstigsten ist. In diesem Bereich nimmt nämlich die Katodentemperatur mit wachsender Belastung ab. Dadurch wird die Stabilität der Röhre bei schwankender Belastung beträchtlich erhöht.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetronoszillatorröhre mit einer zentralen zylindrischen Katode und einer die Katode koaxial umgebenden Anode, die von symmetrisch über den Anodenumfang verteilten Hohlraumresonatoren gebildet ist, bei der die Katode mit einer der Zahl der Hohlraumresonatoren — und damit auch der Zahl der (der Katode gegenüberliegenden) Anodensegmente — entsprechenden, symmetrisch über den Katodenumfang verteilten Anzahl von achsparallel verlaufenden, radialen Vorsprüngen versehen ist, die mit elektronenemittierendem Material überzogen sind, wogegen die zwischen diesen Vorsprüngen liegenden Katodengebiete aus schlecht emittierendem Material bestehen, und bei der des weiteren die Katode bezüglich der Anode so orientiert ist, daß in Umfangsrichtung die Katodenvorsprünge zu den Anodensegmenten winkelversetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelversetzung derart ist, daß die durch die zur Katode zurückkehrenden Elektronen bedingte Aufheizung der Katode (Rückheizung) ein Minimum ist.

2. Magnetronoszillatorröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge der Katodenvorsprünge mehr als etwa 20% des Abstandes zwischen den Katodenvorsprüngen und den Anodensegmenten beträgt.

3. Magnetronoszillatorröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode N Vorsprünge aufweist,— N ^ 30 — und daß das Verhältnis des Außenradius der Katode zum Innenradius der Anode der folgenden Beziehung genügt:

JV—(1,5 bis 2,5)

N + (1,5 bis 2,5)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen