DE1416829C - Abstimmbares Klystron - Google Patents

Description

. Die Erfindung betrifft ein abstimnibares Klystron mit mindestens einem in einem massiven Metallblock angeordneten Hohlraumresonator, dessen Wechselwirkungsspalt zwischen, zentral durchbohrten, vom Elektronenstrahl durchsetzten, in eine Bohrung des Metallblocks eingesetzten Elektroden liegt, bei welchem der Metallblock mindestens eine senkrecht zur F.lcktronenstrahlachse in ihn hineinführende Bohrung aufweist, die mit einem beweglichen Wandungsteil abgeschlossen ist, in welcher eine nach außen ragende, mit dem Wandungsteil fest verbundene Abstimmvorrichtung angeordnet ist (USA.-Patentschrift 852 715). ■ . .

Dabei besteht der bewegliche Wandungsteil, der zur Änderung des Volumens des Hohlraumresonators benutzt wird, aus einer Membran, die mechanisch verhältnismäßig empfindlich ist und auch nicht ohne weiteres als. Teil der vakuumdichten Hülle ausgebildet werden kann. Zur Abdichtung der Abstimmvorrichtung dienen deswegen Faltenbälge, die nicht nur weit nach außen ausladen, sondern auch erschütterungsempfindlich sind. :
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abstimmyorrichtung so auszubilden, daß sie unbedingte Stabilität und möglichst weniglpfinzelteile aufweist und ,daß die Abstimmung inyBefrjeb nicht durch Volumenänderungen des Hohiraumresonators, sondern ίο durch Änderung des Wechselwirkungsspaltes erfolgt. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß das bewegliche Wandungsteil durch ein verdünntes Teilstück des Metallblocks gebildet ist und daß dieses Teilstück des Metallblocks mechanisch mit einer der Elektroden des Hohlraumresonators derart in Verbindung steht, daß durch elastische Verformung des Teilstücks des Metallblocks in Richtung senkrecht zur Elektronenstrahlachse die Elektrode in Richtung der Elektronenstrahlachse derart elastisch verformt wird, daß sich eine Breitenänderung des Wechselvvirkungsspaltes ergibt.

Diese Ausbildung der Abstimmvorrichtung hat den Vorteil, daß das verdünnte Teilstück des Metallblocks einen Teil der vakuumdichten Hülle bildet, mechanisch sehr stabil ist, und daß die Abstimmvorrichtung nur eine minimale Behinderung der Wärmeableitung von dem Metallblock verursacht.

Vorzugsweise weist die Abstimmvorrichtung eine Schraube auf, die mit ihrem Ende an dem verdünnten Teilstück des Metallblocks befestigt ist und in eine in den Metallblock eingesetzte Gewindebuchse eingeschraubt ist.

Die Abstimmvorrichtung kann in sehr einfacher Weise mit einer Temperaturkompensation versehen werden, indem eine zwischen dem verünnten Teilstück des Metallblocks und dem Metallblock angeord-• nete Schraube oder ein Stab zur Temperaturkompensation aus einem Material besteht, das einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der Metallblock.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Reflexklystrons nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in ' Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in ■ ' Fig;2, . _ τ-.··-..·'""-' ■" ■■·.■.■· '· ■ .·: ·

Fig. 4 einen Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel entsprechend dem Klystron in den F i g. 1 bis 3, '

F i g. 5 einen Längsschnitt durch einen Zweikam-. mer-Klystronoszillator gemäß der Erfindung, ·
F i g. 6 einen Längsschnitt durch einen Zweikammer-Klystronverstärker nach der Erfindung. .

Die"Fig. 1 bis 3 zeigen als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Reflexklystron, das einen Körper Il aus einem großen einstückigen Metallblock guter Wärmeleitfähigkeit enthält, der z. B. aus Kupfer oder kupferplattiertem Stahl besteht. Durch diesen Metallblock Il erstreckt sich eine Bohrung 12 mit unterschiedlichem Durchmesser.

Innerhalb eines erweiterten Endes der Bohrung 12 ist eine Elektronenkanone 13 üblicher Bauart starr befestigt, für die eine Hülle 14 vorgesehen ist, die mit dein Ende der Bohrung 12 vakuumdicht verbunden ist. Ein Kathodenhalter 15 mit einem Kathodenkopf

16 ist an ihrem inneren Ende befestigt; ein Heizdraht

17 führt durch den Halter. Den Halter 15 und den Kopf 16 umgibt eine hohlzylindrische Fokussierelek-

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In dem Teil mit kleinstem Durchmesser der Bohrung 12 ist eine ringförmige Elektrode 19 als Anode mit einem vorspringenden Teil 21 eingelötet. In diesem Abschnitt der Bohrung 12 ist ferner eine hohlzylindrische Elektrode 22 angelötet, die eine kleine zentrale Öffnung aufweist und mit dem Elektrodenteil 21 den Resonatorspalt des inneren Hohlraumresonators bildet: Eine C-förmige gebogene Elektrode 23 ist in der Bohrung 12 zwischen der Anode' 14 und der Elek-. trode 22 angelötet und dient als Begrenzung der Seitenwände des Hohlraumresonators. Ein Retlektorhalter 24 ist am Reflektorende des Metallblocks 11 starr in einem ringförmigen Isolator 25, z. B. aus Keramik, befestigt, der seinerseits'vakuumdicht mit einem ringförmigen Befestigungsteil 26 verbunden ist. Eine seitlich in den Metallblock 11 hineinführende Bohrung weist ein Abklemmröhrchen 21 auf, das darin angelö-' tet ist und durch das das Klystron evakuiert wird. Das Röhrchen 27 wird nach dem Evakuieren zusammengeklemmt und abgedichtet ' ;

Eine im wesentlichen rechteckförmige Öffnung 28 befindet sich ferner in einer Seite des Metallblocks 11 und führt zu einer Iris 28' in dem inneren Hohlraumresonator. Die Öffnung 28 bildet einen Ausgangswellenleiter. Über dem äußeren Ende dieser rechteckförmigen Öffnung ist ein für die HF-Schwingungen durchlässiges Material 29, wie beispielsweise Keramik, ^ vakuumdicht angebracht. Der Metallblock Il weist eine Reihe von Gewindebohrungen 30 in seiner Oberfläche auf, wodurch sich ein Anschlußflansch für die äußere Last ergibt. ' ■ ' , -

Dieses Klystron ist.zur Änderung des Spaltabstandes des Hohlraumresonators mit der neuen Abstimmeinrichtüng versehen. Eine Bohrung 31 führt in den Metallblock 11 senkrecht ,zur Elektronenstrahlächse hinein, endet kurz vor der Bohrung 12 und läßt ein verhältnismäßig dünnwandiges Teiistück 32 am Ende der Bohrung 31 stehen. Eine teilweise mit einem Gewinde versehene Hülse 33 ist in der Bohrung z. B. angelötet. Eine Platte 34 ist an dem Wandabschnitt 32 befestigt, und eine Abstimmschraube 35 ist .mit ihrem inneren Ende an dieser Platte 34 befestigt und erstreckt sich nach außen in eine Betätigungsmutter 36, die als Hohlzylinder mit Innengewinde am inneren Ende zum Eingriff mit der Schraube 35 ausgebildet ist. Die Betätigungsmutter 36 ist ferner mit transversal , zusammendrückbaren Schlitzen 37 senkrecht zur Rotationsachse versehen. Am äußeren Ende ist die Betätigungsmutter 36 mit einem Zugang für ein Abstimmwerkzeug, "wie z. B. einen Sechskantschlüssel versehen, wodurch eine Bewegung verursacht und auf die Abstimmschraube 35 übertragen werden kann. Der Außenteil der Hülse 33 ist mit einem Gewinde versehen, das zu dem Außengewinde der Feststellnuitter 38 der Abstimmeinrichtung paßt. Die Feststellmutter 38 ist an ihren äußeren Enden mit Schlitzen versehen, um den Angriff eines Werkzeugs zu ermöglichen und ist ferner hohl, um einen Durchtritt des Abstimmwerkzeugs zur Betätigung der Mutter 36 zu ermöglichen.

Bei dieser Anordnung wird die Feststellmutter 38 nach Betätigung der Mutter 36 nach unten geschraubt, so daß eine Klemmwirkung gegen die Schraube 35 auftritt. Es ist zu beachten, daß die Klemmwirkung aus zwei Reichtungen auftritt. Sie wirkt erstens von dem äußeren Ende der Mutter 36 auf Grund der nach innen gerichteten Kraft der Feststellmutter 38, und zweitens vom Bodenteil der Schulter der Hülse 33, die als Grundebene dient. Diese beiden entgegengesetzten und gleichen Kräfte wirken auf die gegenüberliegenden 'Seiten der Gewinde "der Schraube 35 und verhindern ein Spiel, ermöglichen jedoch ein Abstimmen. Üblicherweise erfolgt dies in der Fabrik, und eine erneute Einstellung der Feststellmütter 38 ist nicht erforderlich. :■

Während des Zusammenbaus dieses Klystrons und

vor der Montage der Reflektoranordnung werden die

. Anode 19 und die Elektrode 22 in den Metallblock 11 eingesetzt und daran befestigt, so daß der Resonator-Spaltabstand größer als üblich ist und die Resonanzfrequenz größer als die normale mittlere Frequenz ist. Ein Werkzeug wird dann in den Metallblock 11 von dem Reflektorende von oben her eingeführt, um eine ' Kraft gegen die Elektrode 22 auszuüben und den

so Rand der zentralen Öffnung in Richtung auf den'vorspringenden Elektrodenteil 21 der Anode 19 zu verbiegen, wodurch die Breite des Spalts verkleinert und die Resonanzfrequenz des Resonators auf etwa den Mittelwert des möglichen Frequenzbereichs erniedrigt wird. Durch dieses anfängliche Abstimmen bleibt die Elektrode 22 etwas nach innen gebogen. '

Nach dem Evakuieren des Klystrons erfolgt ein weiteres Abstimmen mit Hilfe der Abstimmschraube 34,' während der Elektronenstrahl das Klystron durchsetzt. Eine nach innen gerichtete Bewegung der Schraube 34 als Ergebnis einer Drehung der Betätigungsmutter 36 führt zu einem Ablenkungsdruck, der auf das verdünnte Teilstück 32 des Metallblocks 11 • ausgeübt wird,;so daß es sich verbiegt und seinerseits die Elektrode 22 elastisch verformt und so die Breite des - ResOnator-Wechselwirküngsspaltes verändert. Eine nach außen gerichtete Bewegung der Schraube zieht das Teilstück 32 nach außen, wodurch die Elektrode aus dem Hohlraumresonator heraüsbewegt und der Resonator-Spaltabstand erhöht wird, so daß die Resonanzfrequenz ansteigt. Da die Arbeitsweise eines Klystrons gut bekannt ist, dürfte sich eine nähere Erläuterung erübrigen.
,.·■ Die Abstimmvorrichtung kann eine F.inrichtung zur Temperaturkompensation enthalten, indem die Schraube 35 aus einem Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, z. B. aus Molybdän. Wenn die Anode 19 und die Elektrode 22, die aus einem Material mit verhältnismäßig hohem thermischem Ausdehnungskoffizienten wie Kupfer bestehen, aufgeheizt werden, dehnen sie sich aus und verursachen eine Erniedrigung des Resonator-Spaltabstandes dazwischen, was zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz führt. Der Metallblock 11 aus Kupfer dehnt sich ebenso aus und drückt die Betätigungsmutter 36 und die Schraube 35 in eine Richtung, die von dem Hohlraumresonator wegzeigt. Da die ■ Schraube 35 einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und sich nicht im selben Maße wie der Metallblock 11 ausdeht, wird das Teilstück 32 nach außen bewegt, wodurch die Elektrode 22 von dem vorspringenden Teil 21 weg bewegt wird. ; so daß die Breite des Wechselwirkungsspaltes vergrößert wird, die der obenerwähnten Verminderung der Breite des Wechselwirkungsspaltes entgegenwirkt.

Es wird darauf hingewiesen, daß auch andere Ausführungsformen von Abstimmeinrichtungen verwandt werden können, um die gewünschte Kraft gegen das

Teilstück 32 auszuüben und die Breitenänderung des Wechsclwirkungsspaltes zu erzielen.

Diese Konstruktion ergibt eine Röhre für sehr hohe Frequenzen bei sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher Leistung. Die ungewöhnliche Größe des Wirkungsgrades und der Leistung werden im wesentlichen dadurch verursacht, daß sich der sehr kleine Hohlraumresonator im Inneren des sehr großen Metallblocks aus wärmeleitendem Material befindet, der zum Zwecke der Abstimmung nur eine verhältnismäßig kleine zylindrische öffnung 31 aufweist, die kurz vor dem Hohlraumresoator endet. Dadurch kann die Kraft zum Abstimmen direkt auf den Hohlraumresonator ausgeübt werden, ohne daß dadurch die Wärmeabfuhr aus dem Inneren des einstückigen Metallblocks wesentlich beeinflußt wird. Wegen dieser eigenartigen Anordnung der Abstimmeinrichtung ist es möglich, einen Hohlraumresoantorspalt ohne Gitter zu verwenden, wodurch höhere Leistungen und höhere Wirkungsgrade mit derartigen Klystrons erreicht werden können.

Ein gemäß der Erfindung hergestelltes Reflex-Klystron arbeitete im Frequenzbereich von zwischen 33 und 34 Kilomegahcrtz bis zwischen 35 und 36 Kilomegahertz bei einer Ausgangsleistung von mehr als einem Watt.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung des Klystrons gemäß F i g. 1 bis 3. für das zwei getrennte Abstimmeinrichtungen gezeigt sind. Die eine links liegende Abstimmeinrichtung ist ähnlich ausgeführt wie in den vorangegangenen Figuren, während die andere Abstimmeinrichtung festgestellt und besonders für die Temperaturkompensation vorgesehen ist. Eine Bohrung 31' befindet sich in einer Wand des Metallblocks 11', endet kurz vor der zentralen Bohrung 12' und läßt ein dünnwandiges Teilstück 32' nahe der Bohrung 12' stehen. Ein Stab 35' mit niedrigerem thermischem Ausdehnungskoeffizienten als der Metallblock 11'ist z.B. durch Anlöten an dem Teilstück 32' an seinem inneren Ende befestigt und an einem Befestigungsglied 35", das an dem Metallblock 11' an dessen äußerem Ende befestigt ist. Diese feststehende Abstimmeinrichtung wirkt so, wie oben im Zusammenhang mit der Temperaturkompensation beschrieben wurde. Der Ausgangswellenleiter 28' liegt in einer Richtung, die senkrecht zu den Bohrungen 31 und 31' verläuft. Fig. 5 zeigt in einem Längsschnitt ein Äusführungsbeispiel eines Zweikammer-Klystronoszillators. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die in Längsrichtung verlaufende Bohrung 41 durch den Metallblock 42 zwei Hohlraumresonatoren 43 und 44 mit

ίο einer Rückkopplungsöffnung 45 auf, die sich in der Elektrode 46 zwischen den beiden Hohlraumresonatoren befindet. Wie bei dem oben beschriebenen Reflexklystron erfolgt die Abstimmung der Hohlraumresonatoren durch Abstimmschrauben 47, die sich in Richtung auf die Resonatoren durch die Bohrungen 48 erstrecken, um eine Kraft auf die dünnwandigen Teilstücke 49 nahe den Elektroden 51 der. beiden Hohlraumresonatoren auszuüben und so eine Resonatorspalt-Abstimmung in den beiden Hohlraumresonatoren in der oben beschriebenen Weise zu ermöglichen. Das anfängliche Abstimmen der beiden Resonatoren des Oszillators wird vor der vakuumdichten Abdichtung der Kollektorenordnung in der Röhre durch Einsetzen eines Werkzeugs durch beide Enden der Bohrung durchgeführt, um die Elektroden 51 etwas zu verbiegen, um die gewünschte anfängliche Breite des Wechselwirkungsspaltes zu erreichen. Die Ausgangs-■ leitung des Ausgangsresonators 44 wird über den Wellenleiter 53 der Last zugeführt.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zweikammer-Klystronverstärkers. Der Aufbau dieses Verstärkers ist ähnlich wie derjenige des Zweikammer-Klystronoszillators in Fi g. 5 mit der Ausnahme, da& die Kopplungsöffnung zwischen den Resonatoren weggelassen ist und daß ein Eingangswellenleiter über eine Blende 43' zu dem ersten oder zur Bündelung dienenden Resonator führt. Es weisen deshalb zwei Seiten des Metallblocks mit Gewinde versehene Öffnungen auf, um den Verstärker mit den Eingangs- und Ausgangsschaltungen koppeln zu können. Die Abstimmung erfolgt mit Hilfe der Abstimmschrauben 47 in der beschriebenen Weise. '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Abstimmbares Klystron mif mindestens einem in einem massiven Metallblock angeordneten Hohlraumresonator, dessen Wechselwirkungsspalt zwischen zentral durchbohrten, vom Elektronenstrahl durchsetzten, in eine Bohrung des Metallblocks eingesetzten Elektroden liegt, bei welchem der'Metallblock mindestens eine senkrecht zur Elektronehstrahlachse in ihn hineinführende Bohrung aufweist, die mit einem beweglichen Wandungsteil abgeschlossen ist, in welcher eine nach außen ragende, mit dem Wandungsteil fest verbundene Abstimmvorrichtiing angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Wandungsteil durch ein verdünntes Teilstück (32, 49) des Metallblocks (11, 11', 42) gebildet ist und daß dieses Teilstück des Metallblocks mechanisch mit einer der Elektroden (22, 51) des Hohlraumresonators derart in Verbindung steht, daß durch elastische Verformung des Teilstücks (32, 49) des Metallblocks in Richtung senkrecht zur Elektronenstrahlachse die Elektrode (22, 51) in Richtung der Elektronenstrahlachse derart elastisch verformt wird, daß sich eine Breitenänderung des Wechselwirkungsspaltes ergibt.

2. Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmvorrichtung eine Schraube (35, 47) aufweist, die mit ihrem Ende an dem verdünnten Teilstück (32, 49) des Metallblockes befestigt ist und in eine in den Metallblock eingesetzte Gewindebuchse (36) eingeschraubt ist.

3. Klystron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem verdünnten Teilstück (32, 32', 49) des Metallblocks und dem Metallblock (11, 11', 42) angeordnete Schraube (35) oder ein Stab (35') zur Temperaturkompensation aus einem Material besteht, das einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als der Metallblock.