DE1491511C - Frequenzstabile Elektronenstrahlroh - Google Patents
Frequenzstabile ElektronenstrahlrohInfo
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Description
1 2
Die Erfindung bezieht sich auf frequenzstabile stücke der zylindrischen Elektroden aus einem
Elektronenstrahlröhren nach Art eines Klystrons, Material hergestellt sind, das einen anderen ther-
einer Wanderfeldröhre oder eines Magnetrons. mis.chen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Die USA.-
Eine der grundlegenden Bedingungen, daß eine Patentschrift 2 815 467 zeigt beispielswe:se eine Röhre,
Elektronenstrahlröhre in Anlagen eingesetzt werden 3 in der ein Röhrenkörper aus Stahl und gemeinsam
kann, die starken Änderungen in der Umgebungs- damit Laufelektroden mit nach außen abgerundeten
temperatur ausgesetzt sind, besteht darin, daß die Enden verwendet sind. Diese Laufelektrodenenden
Frequenzänderung der Röhre in Abhängigkeit von sind aus Kupfer hergestellt, das einen größeren therder
Temperatur so niedrig wie möglich ist. Solch? mischen Ausdehnungskoeffizienten als Stahl besitzt.
Anlagen können beispielsweise nicht bediente, auto- ίο Durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung
matische Radargeräte sein, die den Witterungs- zwischen dem Röhrenkörper und den Laufelektrcdenbedingungen
ausgesetzt sind, können in Flugzeuge enden soll die Resonanzfrequenz des Hohlraumeingebaute Radaranlagen sein, oder es kann sich resonators konstant gehalten werden. Die USA.-auch
um Geräte handeln, die sich in Raketen uder Patentschrift 2 880 357 zeigt dagegen eine Röhre,
Raumfahrzeugen befinden. 15 in der eine Laufelektrode aus einem Material mit
Bekannte Reflexklystrons weisen beispielsweise Tem- einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienperaturkoeffizienten
von bis zu 1000 kHz/°C auf. ten sowie ein Röhrenkörper aus Stahl vorgesehen Solche Frequenzänderungen können aber in Anlagen, sind, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient grödie
in Flugzeugen montiert sind oder in hochemp- ßer als derjenige der Laufelektrode ist. Wenn nun
findlichen parametrischen Verstärkern für freiliegende ao der Röhrenkörper auf Grund der thermischen AusRadaranlagen nicht zugelassen werden. Man hat dehnung länger wird, so daß .sich die Induktivität
daher eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen und/oder des Resonators vergrößert, wird auch die Laufelekdie
Umgebungsbedingungen für die Röhre konstant trode länger, jedoch in einem proportional niedrigeren
gehalten. Verhältnis, so daß die Kapazität des Hohlraum-
Der Hauptcnind für eine so hohe Frequenzabhän- 35 resonators abnimmt und dadurch die Frequenz des
gigkeit einer Röhre liegt darin, daß während des Hohlraumresonators konstant gehalten wird.
Betriebs der Röhre iniierhalb der Röhre Temperatur- Solche Röhren, wie sie eben gerade beschrieben
gradienten auftreten. Der Grund für diese Tempe- wurden, weisen aber trotz allem noch Frequenz-
raturgradienten liegt wiederum a\ der geringen Wärme- Temperatur-Koeffizienten von größenoidnungsmäßig
leitfähigkeit des Materials, das in den bisherigen 30 1000 kHz/0 C auf, da in ihnen Temperaturgradienten
Röhren verwendet wird. Im Idealfall wäre es wün- vorkommen.
sehenswert, eine Röhre aus einem Material von sehr Ein weiterer großer Nachteil, der sich ergibt, wenn
hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise aus man Elektronenstrahlröhren aus Kupfer aufbaut,
Kupfer aufzubauen, um solche störenden Tempe- liegt darin, daß Kupfer diamagnetisch ist und daher
raturgradienten zu vermeiden. Kupfer ist jedoch als 35 den Elektronenstrahl innerhalb der Röhre nicht
Material nicht starr genug und zeichnet sich außerdem gegenüber magnetischen Streufeldern abschirmen kann,
durch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffi- Magnetische Streufelder können daher den Elek-
zienten aus. Materialien mit einem hohen thermischen tronenstrahl innerhalb einer solchen Röhre defo-
Ausdehnungskoeffizienten sind aber für den Bau kursieren und dadurch sowohl die Ausgangsleistung
einer Röhre ungünstig, da sich die Größe der Reso- 40 als auch die Frequenzstabilität der Röhre beein-
natoren, die aus solchen Materialien aufgebaut sind, trächtigen.
mit der Umgebungstemperatur ändert. Als Folge Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese
davon tritt eine Verstimmung der Elektronenstrahl- Schwierigkeiten zu überwinden und die Elektronenröhre
auf. Wenn man dagegen ein Material mit strahlröhre frequenzstabiler zu machen. Gemäß der
einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ^5 Erfindung geschieht dies dadurch, daß wenigstens
wie beispielsweise Kupfer mit einem mechanisch wesentliche frequenzbestimmende Teile der Röhre
stabileren Material wie beispielsweise Stahl oder mit sowie gegebenenfalls auch wesentliche Teile des
magnetischen Materialien wie beispielsweise Eisen, magnetischen oder elektrostatischen Strahlführungswie
es in solchen Röhren für Polschuhe verwendet systems aus einer Pseudolegierung hergestellt sind,
wird, gemeinsam verwendet, treten in der Röhre 50 die aus einem porösen Körper aus einem harter
auf Grund der unterschiedlichen thermischen Aus- Metall, dessen Poren mit einem weichen Metall
dehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien gefüllt sind (Füllmaterial), besteht und deren Wärme-Wärmespannungen
auf, die dazu führen können, leitfähigkeit größer als die des Wolframs ist. Pseudodaß
sich in den gelöteten Vakuumverbindungen legierungen der in Rede stehenden Art sind untei
Risse oder Lecks bilden, daß die mechanische Justie- 35 der Bezeichnung »Verbundmetalle« bekannt,
rung der Röhre verlorengeht oder daß auch andere Es ist beispielsweise immer günstig, die verschie·
störende Effekte hervorgerufen werden. denen Röhrenteile mit einer guten Wärmeleitfähig·
Um nun eine thermische Verstimmung von Röhren keit zu versehen, um die störenden Temperaturgra-
zu vermeiden, die aus Materialien mit einem großen dienten innerhalb der Röhre möglichst klein zt
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut sind, 60 machen. Demzufolge wird ein guter Wärmeleitei
sind Elektronenstrahlröhren wie beispielsweise KIy- wir beispielsweise Kupfer oder Silber in die Porer
strong aus Materialien mit einem geringen ther- eines porösen Metallkörpers eingebaut, der eine
mischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut und andere erwünschte Eigenschaft, wie beispielsweise nui
außerdem mit einer eingebauten Temperaturkom- mechanische Festigkeit oder mechanische Festigkeil
pensation versehen worden. Solche Röhren sind «3 zuzüglich einer hohen magnetischen Suszeptibilität
SeiipJeltweise so aufgebaut, daß der Röhrenkörper aufweist. Beispiele für Materialien, aus denen sich
aus einem Material mit einem niedrigen thermischen solche porösen Metallkörper aufbauen lassen, sine
Ausdehnungskoeffizienten besteht, während die End- Wolfram und Eiaen. Die so entstehende Pseudo
legierung hat eine höhere mechanische Festigkeit als F i g. 2 ist ein Schnitt des Klystrons längs de
das gut wärmeleitende Material für sich allein, sowie Linie 2-2 der F i g. 1;
eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das mechanisch F i g. 3 ist ein Querschnitt durch das Klystroi
festere Material. Im Falle einer Pseudolegierung auf nach F i g. 2 längs der Linie 3-3 in Richtung de
Eisengrundlage weist die Pseudolegierung außerdem 5 Pfeile;
noch eine charakteristische magnetische Suszeptibili- F i g. 4 ist eine Ansicht eines Reflexklystron
'ät auf. oscillators mit Merkmalen der Erfindung;
Eine Wärmeleitfähigkeit soll im Sinne der Erfindung F i g. 5 ist ein Schnitt durch das Reflexklystron
dann als »gut« oder »hoch« bezeichnet werden, wenn der F i g. 4 längs der Linie 5-5;
sie größer als die Wärmeleitfähigkeit von Wolfram io F i g. 6 ist ein Längsschnitt durch einen Mehrist. Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient kammerkiystronverstärker mit Merkmalen der Erh'nsoll kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient dung;
sie größer als die Wärmeleitfähigkeit von Wolfram io F i g. 6 ist ein Längsschnitt durch einen Mehrist. Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient kammerkiystronverstärker mit Merkmalen der Erh'nsoll kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient dung;
von Eisen sein. Demzufolge soll ein thermischer F i g. 7 ist ein Längsschnitt durch eine Wander-Ausdehnungskoeffizient
als hoch gelten, wenn er feldröhre, die mit periodischer Fokussierung mit
größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient 15 Hilfe von Dauermagneten arbeitet und die Merkvon
Eisen ist. Eine geringe magnetische Suszeptibilität male der Erfindung aufweist;
soll eine nicht ferromagnetische Suszeptibilität bedeu- F i g. 8 ist ein Querschnitt durch die Röhre nach
ten, während eine große magnetische Suszeptibilität F i g. 7 längs der Linie 8-8;
eine ferromagnetische Suszeptibilität bedeuten soll. F i g. 9 ist ein Längsschnitt durch ein Magnetron
Eine Elektronenstrahlröhre wird dann besonders ao mit Merkmalen der Erfindung.
robust und frequenzstabil, wenn einige ihrer Teile In den Zeichnungen sind Elektronenstrahlröhren
nach der Erfindung aus einer Pseudolegierung auf- mit Glühkathoden gezeigt, die spezielle Ausführungsgebaut
sind, die sich durch eine gute Wärmeleit- formen von Klystrons, Magnetrens und von Wanderfähigkeit,
einen niedrigen thermischen Ausdehnungs- feldröhren sind. Aus der Beschreibung geht hervor,
koeffizienten sowie eine niedrige magnetische S^szep- 25 daß die Vorteile der Erfindung bei diesen Röhrentibilität
auszeichnet. Bei einem Klystron wird diese arten besonders deutlich werden, daß aber die Anbesondere
mechanische und thermische Stabilität wendung der Erfindung auch auf andere Röhrendadurch
erreicht, daß man die Kopfstücke der Hohl- arten viele Vorteile mit sich bringt,
raumresonatoren sowie die zylindrischen Elektroden In den F i g. 1 und 2 ist ein Mehrkammerklystronaus einem groben Mischmateria) aufbaut, das diese 30 verstärker gezeigt, der mit elektrostatischer Fokus-Eigenschaften besitzt. Ein solcnes Material kann sierung arbeitet und nach der Erfindung aufgebaut beispielsweise Wolfram und Kupfer oder Molybdän ist. Der Klystronverstärker weist einen Hauptkörper 11 und Ki'pfer in vergleichbaren Mengen enthalten. auf, der aus einem Stück aus einem Metallblock
raumresonatoren sowie die zylindrischen Elektroden In den F i g. 1 und 2 ist ein Mehrkammerklystronaus einem groben Mischmateria) aufbaut, das diese 30 verstärker gezeigt, der mit elektrostatischer Fokus-Eigenschaften besitzt. Ein solcnes Material kann sierung arbeitet und nach der Erfindung aufgebaut beispielsweise Wolfram und Kupfer oder Molybdän ist. Der Klystronverstärker weist einen Hauptkörper 11 und Ki'pfer in vergleichbaren Mengen enthalten. auf, der aus einem Stück aus einem Metallblock
Überall dort, wo für den Betrieb der Röhre eine hergestellt ist, durch den eine Längsbohrung hinhohe
magnetische Suszeptibilität eine Rolle spieJt, 35 durchgeht. Das Material des Metallblockes wird
können wesentliche Teile der Elektronenstrahlröhre noch im einzelnen näher beschrieben. Innerhalb der
aus einer Pseudolegierung aufgebaut sein, die sich Längsbohrung 12 des Metallblockes 11 sind hohle
durch eine hohe magnetische Suszeptibilität und zylindrische Elektroden 13 starr eingesetzt, die an
eine gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Bei einem ihren Enden mit kreisförmigen Resonatorgittern ver-KJystron
kann man den Röhrenkörper, der die 40 sehen sind. Die Elektroden 13 sind dabei in der
Seiter.wände des Hohlraumresonators oder der Hohl- Längsbohrung 12 mit Hilfe von Flanschen 15 beraumresonatoren
bildet, aus einer Pseudolegierung festigt, die kreisförmig sind und sich von den Elekmit
diesen Eigenschaften aufbauen. Eine dafür geeig- troden aus nach außen erstrecken. Die Wandungen
nete Pseudolegierung kann Kupfer und Eisen ent- der Elektroden 13 verlaufen parallel zur Achse der
halten. 45 Längsbohrung 12, außerdem geht der Elektronen-
In einem Magnetron beispielsweise kann man den strahl durch die Elektroden hindurch.
Wellenleiter aus einer Pseudolegierung herstellen, die In das eine Ende der Längsbchrung 12 innerhalb eine niedrige magnetische Suszeptibilität, aber eine des Metallblockes U ist ein schmales, kreisförmiges hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Polschuhe des Anodenkopfstück 16 mit einem Resonatorgitter 17 Magnetrons wird man dagegen aus einem Material 50 eingesetzt. Dieses Kopfstück kann in der Längsherstellen, das sich durch eine hohe magnetische bohrung beispielsweise hart eingelötet sein. In das Suszeptibilität sowie durch eine hohe Wärmeleit- andere Ende der Längsbohrung 12 innerhalb des fähigkeit auszeichnet. MeSallblockes 11 ist ein kreisförmiger' Kopfstück 18
Wellenleiter aus einer Pseudolegierung herstellen, die In das eine Ende der Längsbchrung 12 innerhalb eine niedrige magnetische Suszeptibilität, aber eine des Metallblockes U ist ein schmales, kreisförmiges hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Polschuhe des Anodenkopfstück 16 mit einem Resonatorgitter 17 Magnetrons wird man dagegen aus einem Material 50 eingesetzt. Dieses Kopfstück kann in der Längsherstellen, das sich durch eine hohe magnetische bohrung beispielsweise hart eingelötet sein. In das Suszeptibilität sowie durch eine hohe Wärmeleit- andere Ende der Längsbohrung 12 innerhalb des fähigkeit auszeichnet. MeSallblockes 11 ist ein kreisförmiger' Kopfstück 18
Handelt es sich dagegen um eine Wanderfeldröhre, mit einem Resonatorgitter 19 eingesetzt, das am Ende
die mit periodischer Fokussierung über Permanent- 55 eines Röhrenteiles sitzt, das von der öffnung in dem
magnete arbeitet, können die Polschuhe zusammen Kopfstück 18 ausgeht und sich in axialer Richtung
mit den zugeordneten Abstandsstücken den Vakuum- durch diese Öffnung hindurch erstreckt,
raum innerhalb der Röhre einschließen. Dann wird Das Anodenkopfstück 16 und der erste ringförmige
man die Polschuh« aus einer Pseudolegierung von Flansch 15 begrenzen innerhalb des Metallblockes 11
hoher magnetischer Suszeptibilität und hoher Wärme- 60 einen Eingangsresonator. Die drei ersten ringförmigen
leitfähigkeit und die Abstandsstücke aus einer Pseudo- Flansche 15 begrenzen zwei weitere Resonatoren 22,
legierung mit niedriger magnetischer Suszeptibilität, in denen die Bündelung des Elektronenstrahles ver-
aber ebenfalls hoher Wärmeleitfähigkeit herstellen. stärkt wird. Der dritte ringförmige Flansch 15 sowie
Im folgenden sol! die Erfindung in Verbindung das ringförmige Kopfstück 18 grenzen einen Aus-
mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. 0j gargsresonator 23 ab.
F i g. 1 ist eine Ansicht eines elektrostatisch fokus- An den Mcrallblock 11 ist vakuumdicht eine Elek-
sxrten Vierkammerklystrons mit Merkmalen der ionenstrahlerzeuger 24 angesetzt, der einen Elek-
Erflndung; tronenstrahl axial durch den Metall'nlncli Il hinHnrch-
schicken kann. Der Elektronenstrahlerzeuger kann an dem Metallblock hart angelötet sein.
Neben dem ringförmigen Kopfstück 18 · ist am Ende des Metallblockes Π ein Strahlkollektor 25
angesetzt. Er kann dort hart angelötet sein. Der Strahlkollektor 25 ist außen mit zahlreichen ringförmigen
Kühlrippen 26 versehen, so daß die Röhre gekühlt werden kann.
An dem Metallblock 11 sind identische Eingangsund Ausgangswellenleiter 27 und 28 befestigt, die
mit dem Eingangsresonator 21 und dem Ausgangsresonator 23 durch öffnungen in Verbindung stehen,
die in den Metallblock 11 eingefräst sind. Die nach außen ragenden Enden der Eingangs- und Ausgangswellenleiter
27 und 28 sind mit Flanschen 31 versehen, die wellendurchlässige Fenster 32 tragen. Diese
Fenster können aus Keramik bestehen und an einem Fensterrahmen 33 angeschmolzen sein.
'An einer Seite des Metallblockes 11 ist ein Abstimmblock 34 vorgesehen, der in jedem Hohlraumresonator eine Abstimmembrane enthält (nicht gezeigt).
Jede der Abstimmembranen ist mit Hilfe der Abstimmschrauben 35 bewegbar.
Nun soll auf die F i g. 3 Bezug genommen werden. Jedes der Resonatorgitter 14, 17 und 19 ist aus einem
kreisförmigen Gittermontagering 36 hergestellt, der einen Halterungsrand 37 aufweist, an dem mehrere
Gitterfahnen 38 gehaltert sind. Jede dieser Gitterfahnen besteht aus einem länglichen Hauptteil 39
sowie aus einem Fußteil 41. Der Fußteil 41 ist gegenüber dem Hauptteil 39 der Gitterfahne 38 um einen
Winkel von 90° abgebogen und so an dem Halterungsrand 37 befestigt (beispielsweise durch eine
Hartlötung), daß der Hauptteil 39 der Gitterfahne axial nach innen in den Gitterring 36 hineinragt.
In den F i g. 4 und 5 ist ein Reflexklystron gezeigt, das die Erfindung verkörpert. Dieses Reflexklystron
weist einen Hauptblock 46 auf, durch den eine Längsbohrung hindurchgeht. An dem einen Ende dieser
Bohrung ist ein Elektronenstrahlerzeuger 47 und an dem anderen Ende der Bohrung eine Reflektorelektrode
48 vakuumdicht angeschmolzen. Die beiden Wandungen 49 und 51 sind zusammen mit den
ihnen beigegebsnen Resonatorgittern 52 in die Längsbohrung
des Hauptblocks 46 eingesetzt und dienen dazu, den Hohlraumresonator zu bilden. Dieses
Reflexklystron kann mit Hilfe eines Seitenwand-Abstimmers 53 auf bekannte Weise abgestimmt werden.
Die Ausgangsleistung wird aus dem Hohlraumresonator über eine Irisblende in dem Hauptblock 46
sowie über den Wellenleiterflansch 54 ausgekoppelt. Die Materialien, aus denen der Haupiblock 46 und
die Kopfstücke 49 und 51 dieses Reflexklystrons hergestellt sind, werden noch im einzelnen beschrieben,
und zwar zusammen mit den Materialien, die zum Aufbau des Klystrons nach den F i g. 1 und 2
verwendet worden sind.
Um innerhalb von Mehrkammer- oder von Reflexklystrons störende Temperaturgradienten zu ver-S
meiden und auch die Verwendung von Materialien zu umgehen, die einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
besitzen, sind die ringförmigen Kopfstücke sowie die Elektroden, die diejenigen
HF-führenden Teile der Röhre sind die dem Elektronenstrahl am nächsten liegen, aus einer Pseudolegierung
hergestellt, die sich durch eine große Wärmeleitfähigkeit sowie durch einen niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet.
Eine solche typische Pseudolegierung ist beispielsweise ein Material, wie es von der »Mallory Metallurgical
Company« unter dem Warenzeichen »Elkonite« vertrieben wird. Diese Pseudolegierung ist zu einem
wesentlichen Teil aus einem Material wie beispielsweise Kupfer oder Silber hergestellt, das eine hohe
ao Wärmeleitfähigkeit besitzt. Zum anderen ist zu seiner Herstellung noch ein zweites Material wie beispielsweise
Woh'ram verwendet, das sich durch gute mechanische Festigkeit sowie durch einen niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet. Die
»5 Herstellung dieser Pseudolegierung erfolgt so, daß
man zuerst aus dem mechanisch festen oder harten Material einen Sinterkörper herstellt und anschließend
die Materialkomponente mit dem niedrigeren Schmelzpunkt, in diesem Falle also das Kupfer oder
das Silber, einschmilzt
Pseudolegierungen können aber auch auf andere Weise hergestellt werden, beispielsweise über eine
Ausscheidungshärtung, die sich so durchführen läßt, daß man zwei Materialien, die sich ineinander nicht
lösen und die auch nicht chemisch miteinander reagieren, mechanisch mischt, sie einer inneren Oxydation
unterzieht oder sie abscheidet.
Durch die Verwendung einer Pseudolegierung isi es möglich, denjenigen Teilen einer Röhre, die sehi
heiß werden, eine gute Wärmeleitfähigkeit und trotzdem eine hohe mechanische Stabilität zu geben. Diese
Pseudolegierungen können zusätzlich auch so ausgewählt werden, daß ihr thermischer Ausdehrungs
koeffizient demjenigen gleicht, den die daneber angeordneten Teile der Röhre besitzen, so daß eint
differentielle Ausdehnung der Röhrenteile vermieder wird, die zu Verstimmungen der Röhre oder zi
mechanischen Spannungen' in den Vakuumverbin düngen führen können.
Als Beispiel sind in der nun folgenden Tabelle Daten zusammengestellt, die die Verwendung voi
Pseudolegierungen als Werkstoffe zum Bau de zylindrischen Elektroden und der Kopfstücke fü
bestimmte Reflexklystronoszillatoren nach den Fig.· und 5 zeigen.
Röhre | Material | Elektroden | Temperatur | Maximale Strahlleistung |
Nr. | für Röhrenkörper | und Kopfstückmaterial | koeffizient | bis zum Verglühen des Gitte |
1 | Stahl | Stahl | -1000kHz/oC | 35 bis 41 Watt |
2 | Stahl | Molybdän-Kupfer | größer als | 35 bis 41 Watt |
laminiert | ±500kHz/°C | |||
3 | Stahl | Elkonite | kleiner als | 75 Watt |
44°/0 Kupfer | ±100kHz/°C | wahrscheinlich | ||
56 % Wolfram | ||||
4 | Indar | Elkonite | kleiner als | 100 Watt |
ZJ 70 K.uprer | 4*f"7rt KuniCf | ■ cn 1.1 i_;o /~* | wahrscheinlich | |
77% Eisen | 56% Wolfram |
Wie man der Tabelle I entnehmen kann, besitzen Rö''i-en. bei denen der Röhrenkörper, die zylindrischen
Elektroden und die Kopfstücke aus Stahl hergestellt sind, einen außerordentlich hohen Temperatur-Frequenzkoeffizienten.
Urn diei.cn Koeffizienten zu verkleinern, wurde in der Röhre 2 die Elektrode
aus laminiertem Molybdän-Kupfer hergestellt. Eine solche Röhre wies immer noch einen Temperaturkoeffizienten
auf, der größer als ±500kHz/°C war. Bei einer Röhre, in der eine Pseudolegierung verwendet
wird, insbesondere Elkonite aus 44°/0 Kupfer und 56°/0 Wolfram, ist dagegen der Temperaturkoeffizient
in der Regel kleiner als ilOOkHz/°C.
Die besondere Elkonitequalität wurde so ausgewählt, daß sie eine gute Wärmeleitfähigkeit und
einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besaß. Insbesondere wurde das Material so ausgewählt,
daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient etwas niedriger als der Ausdehnungskoeffizient von
Stahl war, der für den Röhrenkörper benutzt wurde. Auf diese Weise wurde nicht nur eine gleichmäßigere
Temperaturverteilung erreicht, sondern auch noch in gewissem Umfang eine Temperaturkompensation.
W.jnn das Material für die Kopfstücke und die zylindrischen Elektroden einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten
als die Materialien des Röhrenkörpers aufweist, dehnt sich das Material der Elektroden,
wenn sich die Röhre erwärmt und der Hohlraumresonator auf Grund der Ausdehnung des
Röhrenkörpermaterials größer wird, weniger stark aus. Durch die Ausdehnung des Hohlraumresonators
vergrößert sich nun die Induktivität des Hohlraums, durch die geringere Ausdehnung der zylindrischen
Elektroden vergrößert sich aber gleichzeitig der Wechselwirkungsspalt, d. h., die Kapazität des Hohlraumresonators
nimmt gleichzeitig ab, so daß die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators konstant
gehalten wird.
Der Hauptkörper 11 der Klystronverstärkerröhre nach den F i g. 1 und 2 sowie der Hauptkörper 46
des Reflexklystrons nach den F i g. 4 und 5 sind aus einer Pseudolegierung hergestellt, die eine gute Wärmeleitfähigkeit
sowie eine hohe magnetische Suszeptibilität besitzt. Wenn man die Hauptkörper aus einem
solchen Material herstellt, ist der Elektronenstrahl in den Röhren gegenüber magnetischen Streufeldern
abgeschirmt, die den Strahl defokussieren und dadurch
ίο die Ausgangsleistung der Röhre beeinträchtigen und
die Betriebsfrequenz der Röhre ändern könnten. Eine Pseudolegierung, die sich zur Herstellung der
Hauptkörper von Llektronenstrahlröhren eignet, wird unter dem Warenzeichen »Indar« von der Indar-Corporation
hergestellt. In einer bestimmten Röhre wurde eine Indar-Qualität verwendet, die 23°/0
Kupfer und 77% Eisen enthielt.
Aus der Tabelle II geht klar hervor, daß ein Röhrenkörper aus Indar die Röhre gegenüber magnetischen
Streufeldern abschirmt. Ohne diesen Körper aus Indar mußte ein magnetisches Dämpfungsglied oder
ein Ferritisolator, der in einer Anordnung mit der Röhre verwendet wurde,,mindestens 20cm von der
Röhre entfernt sein. Wurde der Röhrenkörper jedoch
»5 aus Indar hergestellt, konnte man den Ferritisolator
innerhalb von 5 cm von der Röhre entfernt anordnen
und ihn tatsächlich an einen Flansch der Röhre
anschrauben.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, auch einen Gitterring 36 aus einer Pseudolegierung wie
beispielsweise Elkonite herzustellen. Gitterringe aus einem solchen Material sorgen für einen besseren Temperaturausgleich,
da sie sehr schnell Wärme aus dem Gitter und den Gitterfahnen abtransportieren und dadurch
ein Ausbrennen des Gitters sowie eine Frequenzverschiebung bei erhöhtem Strahlstrom verhindern. In
der nachfolgenden Tabelle II sind einige Beispiele für diese Merkmale der Erfindung zusammengestellt:
Röhren Nr.
3
3
Röhrenkörpermaterial
Elektrodenmaterial
Elektrodenmaterial
Gitterringmaterial und Größe der
Gitterfahnenerhöhung
Frequenzverschiebung
Frequenzverschiebung
bei Strahlspannung 1500 V
Kleinster Abstand des Ferritisolators
Kleinster Abstand des Ferritisolators
Kupfer
Kupfer
Kupfer
Nickel
0,0 mm
0,0 mm
Kupfer Kupfer ' Kupfer
Kupfer Kupfer Kupfer
Nickel : Nickel Elkonite
0,25 mm j 0,375 mm 0,375 mm
Tndar
23°/o Kupfer
77 °/0 Eisen
Elkonite
44 °/o Kupfer
56 °/o Wolfram Elkonite
0.375 mm
77 °/0 Eisen
Elkonite
44 °/o Kupfer
56 °/o Wolfram Elkonite
0.375 mm
-70MHz ! -50MHz : -45 MHz -20 MHz ! -10 MHz
20 cm
cm
20 cm
20 cm
5 cm
Wie man dieser Tabelle entnehmen kann, vermindert die Verwendung von Elkonite als Gitterring
die Frequenzverschiebung bei erhöhter Strahlspannung erheblich.
Für Elektronenstrahlröhren, die mit magnetischer Fokussierung arbeiten, wie beispielsweise für ein
magnetisch fokussiertes Mehrkammerklystron nach der F i g. 6, kann die Verwendung einer Pseudolegierung
empfohlen werden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe magnetische Suszeptibilität
aufweist, tin solches material Ksnn ^CiSpiSiSwsiss
aus Kupfer und Eisen aufgebaut sein. Das Klystron nach F i g. 6 gleicht dem Klystron, das in der USA.-Patentschrift
2 963 616 offenbart ist, so daß es hier nur insoweit beschrieben zu werden braucht, wie es
notwendig ist. um die Anwendung der Erfindung auf dieses Klystron zu verstehen. Dieses Klystron
enthält ganz allgemein eine Kathode 55, einen Kollektor 57, eine Mehrkammer-HF-Wechselwirkungsstrecke
57 sowie eine magnetische Fokussierungsvorrichtung 58 für den Elektronenstrahl.
Um die Wärmeleitfähigkeit der RöhrA »n
Um die Wärmeleitfähigkeit der RöhrA »n
9 10
sind zwei Polschuhc 63 und 64, die zu der magne- mige Abstandsstücke 66 auf, die miteinander hart
tischen Fokussieriingsvorrichtiing 58 für den Elek- verlötet sind. Die Verzögernngswendel 69 ist mit
tronenstrahl gehören, aus einer Pseudolegierung her- Hilfe von Saphirstäben 72 innerhalb einer Längsgestellt,
die eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine bohrung gehaltert, die axial durch die Mitte der
hohe magnetische Suszeptibilität besitzt. Das kann 5 Polschuhe 65 und der Abstandsstücke 66 hindiirchbeispielsweise
eine Pseudolegierung aus 20 bis 300Z0 geht. Innerhalb dieser Baugruppe aus Polschuhen
Kupfer und 80 bis 70% Eisen sein. Um innerhalb und Abstandsstücken sind Ein- und Auskoppelvordieses
Mehrkammerklystrons die Wärmeleitung weiter richtungen 73 vakuumdicht eingelötet. Die Magnete74,
zu verbessern, sind die Wandungen des Röhren- die die periodischen Magnetfelder hervorrufen, sind
körpers 59. die Endwa ndungen oder Kopfstücke der io als C-förmige Hälften ausgebildet und sind dicht
Hohlraumresonatoren 61 sowie die zylindrischen Elek- neben den Polschuhen 65 um die AbstandsstT'cke 66
troden 62 aus einer Pseudolegierung hergestellt, die herumgeklemmt. Diese Magnete sind so angeirdnet,
eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine niedrige daß sie die periodisch ihre Richtung wechselnden,
magnetische Suszeptibilität besitzt und deren ther- axial verlaufenden Magnetfelder zwischen den Polmischer
Ausdehnungskoeffizient etwa demjenigen der 15 schuhen 65 hervorrufen. Außen um die Permanent-Polschuhe
63 und 64 gleicht. Dafür ist beispielsweise magnete ist ein hohles, zylindrisches Rohr 75 geeine
Pseudolegierung aus 70% Kupfer und 30% schoben, das die ganze Anordnurg zusammenhalt.
Wolfram geeignet. In dieser Ausführungsform sind die Polschuhe
Wolfram geeignet. In dieser Ausführungsform sind die Polschuhe
Diese beiden zuletzt genannten Pseudolegierungen aus einer Pseudolegierung hergestellt, die eine gute
lassen sich auch mit Vorzug in Klystrons verwenden, 20 Wärmeleitfähigkeit aufweist und eine hohe magne-
die anders aufgebaut sind, beispielsweise in einem tische Suszeptibilität besitzt. Ein dafür geeignetes
Klystron mit einer Fokussierung mit Hilfe eines Material kann zu wesentlichen Teilen aus Eisen
Permanentmagneten, wie es in dem USA.-Patent bestehen und sich beispielsweise aus 23 bis 30%
291 567 offenbart ist. Kupfer und aus 70 bis 77% Eisen zusammensetzen.
Man kann die Erfindung aber auch so ausführen, 25 Die ringförmigen Abstandsstücke 66 sind aus einer
daß man die beiden Polschuhe, die zu dem Strahl- Pseudolegierung hergestellt, die eine gute Wärmeleitführungssystem
gehören, aus Eisen herstellt. In diesem fähigkeit aufweist und eine niedrige magnetische
Falle werden die Wandungen des Hauptkörpers 59, Suszeptibilität besitzt. Dafür ist beispielsweise eine
die Resonatorendwandungen 61 und die zylindrischen Pseudolegierung aus Kupfer und Wolfram geeignet.
Elektroden 62 aus einer Pseudolegierung hergestellt, 30 die sich aus 49% Kupfer und 51% Wolfram zudie
eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe sammensetzt. Die thermischen Ausdehnungskoeffimechanische
Festigkeit aufweist, deren Suszeptibilität zienten dieser beiden Pseudolegierungen sind mitniedrig
ist und deren thermischer Ausdehnungs- einander vergleichbar, so daß sich bezüglich einer
koeffizient etwa demjenigen der Polschuhe 63 und 64 Leck- oder Rissebildung in den Lötstellen oder eines
gleicht. Dafür ist ein Elkonite aus 65% Kupfer 35 Verziehens auf Grund unterschiedlicner thermischer
und 35% Wolfram gee-'gnet. Ausdehnung zwischen den Polschuhen und den
Die Erfindung läßt sich auch besonders gut auf Abstandsstücken keine Schwierigkeiten ergeben.
Wanderfeldröhren anwenden, die mit einer perio- In der F i g. 9 ist gezeigt, wie sich die Erfindung dischen Fokussierung über Permanentmagnete arbei- auf ein Magnetron anwenden läßt. Die F i g. 9 stellt ten, bei denen also, wie es für Wanderfeldröhren 40 dabei einen Längsschnitt durch ein Klystron dar, bekannt ist, das magnetische Fokussierungsfeld hinter- wie es unter der Typenbezeichnung SFF-303 von einander angeordnete Feldabschnitte aufweist, in der Firma S-F-D-Laboratories of Union, New Jersey, denen die Feldlinien axial gerichtet, aber periodisch vertrieben wird. Der Hauptkörper dieses Magnetrons in entgegengesetztem Richtungssinn verlaufen. Eine ist mit der Bezugsziffer 81 bezeichnet. An ihn ist Ausführungsform einer solchen Wanderfeldröhre ist 45 eine Anode 82 und eine Kathode 83 hart angelötet, in den F i g. 7 und 8 gezeigt. In dieser Ausführungs- ^ie einen zylindrischen Kaihodenemitter 84 aufweist, form sind zwischen eine Anzahl von magnetischen Der Wechselwirkungsraum des Magnetrons ist durch Polschuhen 65, die in einem gewissen Abstand von- den zylindrischen Raum definiert, der sich zwischen einander angeordnet sind, eine Anzahl von Abstands- dem äußeren Umfang des zylindrischen Kathodenstücken 66 eingesetzt. Die Polschuhe und die Ab- 50 emitters 84 und den inneren Spitzen von kreisförmig Standsstücke 66 sind aus Materialien hergestellt, die angeordneten, nach innen ragenden Anodenfahnen 85 sich miteinander hart verlöten lassen, so daß man befindet, die an ihrem äußeren Ende von der inneren aus den Polschuhen 65 und den Abstandssiücken 66 Oberfläche einer zylindrischen Anodenwandung 86 den Vakuumraum für die Röhre herstellen kann. getragen sind. Es ist bekannt, daß die Räume zwischen Die Polschuhe 65 und die Abstandsstücke 66 müssen 55 zwei nebeneinanderliegenden Anodenfahnen im Inneaus verschiedenen Materialien hergestellt sein, da ren der zylindrischen Anodenwandung 86 innere die Polschuhe eine hohe, die Abstandsstücke dagegen Hohlraurnresonatoren abgrenzen, die mit dem Elekeine niedrige magnetische Suszeptibilität aufweisen tronenstrahl- oder Strom des Magnetrons in Wechselmüssen. Die Polschuhe 65 und die Abstandsstücke 66 wirkung stehen. Der äußere Hohlraumresonator 87 sollen aber beide eine gute Wärmeleitfähigkeit be- 60 ist innerhalb des Hauptblockes 88 gebildet und ist sitzen und in ihrem thermischen Ausdehr.ungskoeffi- in bekannter Weise durch Koppelöffnungen in der zienten miteinander vergleichbar sein, um Risse und Wandung 86 an die inneren Resonatoren angekop-Lecks in den Vakuumlötverbindungen zu vermeiden. pelt, die durch die Anodenfahnen 85 und die Wan-
Wanderfeldröhren anwenden, die mit einer perio- In der F i g. 9 ist gezeigt, wie sich die Erfindung dischen Fokussierung über Permanentmagnete arbei- auf ein Magnetron anwenden läßt. Die F i g. 9 stellt ten, bei denen also, wie es für Wanderfeldröhren 40 dabei einen Längsschnitt durch ein Klystron dar, bekannt ist, das magnetische Fokussierungsfeld hinter- wie es unter der Typenbezeichnung SFF-303 von einander angeordnete Feldabschnitte aufweist, in der Firma S-F-D-Laboratories of Union, New Jersey, denen die Feldlinien axial gerichtet, aber periodisch vertrieben wird. Der Hauptkörper dieses Magnetrons in entgegengesetztem Richtungssinn verlaufen. Eine ist mit der Bezugsziffer 81 bezeichnet. An ihn ist Ausführungsform einer solchen Wanderfeldröhre ist 45 eine Anode 82 und eine Kathode 83 hart angelötet, in den F i g. 7 und 8 gezeigt. In dieser Ausführungs- ^ie einen zylindrischen Kaihodenemitter 84 aufweist, form sind zwischen eine Anzahl von magnetischen Der Wechselwirkungsraum des Magnetrons ist durch Polschuhen 65, die in einem gewissen Abstand von- den zylindrischen Raum definiert, der sich zwischen einander angeordnet sind, eine Anzahl von Abstands- dem äußeren Umfang des zylindrischen Kathodenstücken 66 eingesetzt. Die Polschuhe und die Ab- 50 emitters 84 und den inneren Spitzen von kreisförmig Standsstücke 66 sind aus Materialien hergestellt, die angeordneten, nach innen ragenden Anodenfahnen 85 sich miteinander hart verlöten lassen, so daß man befindet, die an ihrem äußeren Ende von der inneren aus den Polschuhen 65 und den Abstandssiücken 66 Oberfläche einer zylindrischen Anodenwandung 86 den Vakuumraum für die Röhre herstellen kann. getragen sind. Es ist bekannt, daß die Räume zwischen Die Polschuhe 65 und die Abstandsstücke 66 müssen 55 zwei nebeneinanderliegenden Anodenfahnen im Inneaus verschiedenen Materialien hergestellt sein, da ren der zylindrischen Anodenwandung 86 innere die Polschuhe eine hohe, die Abstandsstücke dagegen Hohlraurnresonatoren abgrenzen, die mit dem Elekeine niedrige magnetische Suszeptibilität aufweisen tronenstrahl- oder Strom des Magnetrons in Wechselmüssen. Die Polschuhe 65 und die Abstandsstücke 66 wirkung stehen. Der äußere Hohlraumresonator 87 sollen aber beide eine gute Wärmeleitfähigkeit be- 60 ist innerhalb des Hauptblockes 88 gebildet und ist sitzen und in ihrem thermischen Ausdehr.ungskoeffi- in bekannter Weise durch Koppelöffnungen in der zienten miteinander vergleichbar sein, um Risse und Wandung 86 an die inneren Resonatoren angekop-Lecks in den Vakuumlötverbindungen zu vermeiden. pelt, die durch die Anodenfahnen 85 und die Wan-
Die Wanderfeldröhre nach den F i g. 7 und 8 düngen 86 abgegrenzt sind. Die Energie wird aus
enthält eine Kathode 67, eine Anode 68, eine Ver- 63 dem Magnetron über einen Auskoppelschlitz 89,
zögerungswendel 69 sowie einen Kollektor 71. Die einen Wellenleiter 91 und ein wellendurchlässiges
Hauptvakuumkammer der Röhre weist zahlreiche Vakuumfenster 92 ausgekoppelt,
ringförmige Polschuhe 65 sowie zahlreiche ringför- Dieses bekannte Magnetron beinhaltet ein Magnet-
system oder einen magnetischen Kreis, der ein röhrenförmiges Magnetfeld hervorruft, das zwischen den
inneren Enden der zylindrischen Polschuhe 93 und 94 verläuft. Diese Polschuhe stehen über zylindrische
Magnetkörper 97, 98 und 98' mit einem C-förmigen Permanentmagneten in Verbindung (nicht gezeigt).
Dieses bekannte Magnetron läßt sich verbessern, wenn man nach der Erfindung die Anodenfahnen 85,
die zylindrische Anodenwandung 86 und/oder die Wandung 88 des äußeren Hohlraumresonators 88 aus
einer Pseudolegierung herstellt, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und eine niedrige magnetische
Suszeptibilität besitzt. Dafür sind beispielsweisePseudolegierungen
auf Kupfer-Wolfram- oder auf Silber-Wolfram Grundlage geeignet. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit
ist ein schneller Abtransport der Wärme sichergestellt, während der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient
dafür sorgt, daß die geometrischen Größenänderungen auf Grund von Temperaturänderungen
klein bleiben. ao
Darüber hinaus kann man die magnetischen Bauteile 95, 96, 97, 98 und 98' aus einer Pseudolegierung
herstellen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und eine hohe magnetische Suszeptibilität besitzt.
Dafür ist beispielsweise eine Pseudolegierung geeignet, die auf einer Kupfer-Eisen-Grundlage hergestellt ist.
Claims (7)
1. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Art eines Klystrons, einer Wanderfeldröhre oder
eines Magnetrons, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenzstabilität dadurch verbessert ist, daß wenigstens wesentliche frequenzbestimmende
Teile der Röhre sowie gegebenenfalls auch wesentliche Teile des magnetischen oder elektrostatischen Strahlführungssystems aus
einer Pseudolegierung hergestellt sind, die aus einem porösen Körper aus einem harten Metall, dessen
Poren mit einem weichen Metall gefüllt sind
(Füllmaterial), besteht und deren Wärmeleitfähigkeit größer als die des Wolframs ist.
2. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre .lacli
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper aus einem nichtferromagnetischen
Material besteht und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Pseudolegierung kleiner als der
von Eisen ist.
3. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der poröse Körper aus Wolfram und das Füllmaterial aus Kupfer besteht.
4. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
poröse Körper aus einem ferromagnetischen Material besteht.
5. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem Klystron die ringföimigen Kopfstücke (16) sowie die zylindrischen, vom Elektronenstrahl
durchsetzten Elektroden (13) aus einer Pseudolegierung auf Kupfer-Wolf ram- oder Silber-Wolfram-Grundlage
hergestellt sind.
6. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einer Wanderfeldröhre die Polschuhe (65) aus einer Pseudolegierung von Kupfer und Eisen
bestehen, während die ringförmigen Abstandsstücke (66) aus einer Pseudolegierung aus Kuptei
und Wolfram bestehen.
7. Frequenzstabile Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem Magnetron die Anodenfahnen (85), die zylindrische Anodenwandung (86) und die Wandung
(88) des äußeren Hohlraumresonators aus einer Pseudolegierung auf Kupfer-'Volfram- oder
Silber-Wolfram-Grundlage bestehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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