DE1541087A1

DE1541087A1 - Kreuzfeld-Mikrowellenroehre mit verbessertem Magnetkreis

Info

Publication number: DE1541087A1
Application number: DE19661541087
Authority: DE
Inventors: Cook Edward Joseph
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1965-05-25
Filing date: 1966-05-20
Publication date: 1969-09-11
Also published as: GB1129254A; US3392308A

Description

Patentanwalt PATENTANWALT

Dr. CLAUS REINLANPKR DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT

8000 MÖNCHEN 23 · MAINZERSTR.5 ^V1 1*86 D

YARIAN ASSOCIATES

Palo Alto / California

Y. St. v. Amerika

Kreuzfeld-Mikrowellenröhre mit verbessertem Magnetkreis

Priorität: 25. Mai 1965 - Y. St, v. Amerika US-Ser.No. 458,617

Die Erfindung "betrifft allgemein einen verbesserten Magnetkreis für Kreuzfeidröhren und insbesondere einen solchen Magnetkreis, der gekennzeichnet ist durch ein Paar abgeschirmte asymmetrische Magnete, die das axiale Magnetfeld für ein elektrisch durchstimmbares Magnetron bilden, wodurch die Grosse und das Gewicht des Magnetkreiees einschliesslich der Röhre erheblich herabgesetzt werden können. Solche verbesserten, durch die angelegte Spannung durohstimmbare Magnetrons sind besonders

909837/0707 .../2

für elektronische Zählmaße und als elektronisch durchstimmbare örtliche Oszillatoren "brauchbar.

Das optimale Magnetfeld für ein elektrisch durchstimmbares Magnetron ist gekennzeichnet durch einen ersten Bereich, der die Elektronen-Injektionsspritze enthält und in dem die Feldstärke des axialen Feldes sich in axialer Richtung auf den zweiten Bereich zu verringert, der den Anoden-Kathoden-Wechselwirkungsspalt enthält. Innerhalb des Wechselwirkungsspaltes soll das Magnetfeld relativ konstante Stärke haben.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Magnetkreis eines elektrisch durchstimmbaren Magnetrons aus zwei abgeschirmten, symmetrischen, kegelstumpfförmigen Magneten aufzubauen, zwischen denen der Nutzraum oder der Feldspalt des magnetischen Kreises gebildet wird.

Ein solcher symmetrischer Magnetkreis liefert die gewünschte Form insoweit, als die Feldstärke in der Mitte des Raumes zwischen den beiden Magneten abfällt, so dass ein erster Bereich mit fallender Stärke gebildet wird, an den sich ein relativ flacher Feldstärkebereich in der ) Mitte des Zwischenraumes anschliesst. Bei dem symmetrischen Magnetkreis ergibt sich jedoch ein nutzloser dritter Feldbereich, in dem das Feld in Richtung des Feldes anwächst. Dieser unerwünschte Feldbereich kann verkleinert werden, indem speziell geformte Polschuhe an beiden Enden des Zwischenraums verwendet werden. Die Polschuhe benötigen jedoch einen erheblichen Teil der Zwischenraumlänge, so dass die Magnete grosser gewählt werden müssen als an sich erforderlich.

Erfindungsgemäßs ist festgestellt worden, dass das Magnetfeld der

in
optimalen Form im wesentlichen nur/ den gewünschten beiden Bereichen angepasst werden kann, nämlich einem Bereich mit wachsender Stärke und einem Bereich im wesentlichen konstanter Stärke, indem einer der beiden Magnete eine merklich grössere magnetomotorisehe Kraft erhält als der andere, und diese Magnete passend geformt werden. Auf diese Weise wird das gewünschte Magnetfeld mit einem Minimum an Magnetwerkstoff erzeugt, so dass die Grosse und das Gewicht des Magnetkreises erheblich herabgesetzt werden.

Durch die Erfindung soll also ein verbesserter Magnetkreis für Kreuzfeldröhren mit Strahlinjektion und damit ausgestattete Röhren verfügbar gemacht werden. . .

Erfindungsgemäss wird das Magnetfeld der richtigen Form durch zwei Magnete erzeugt, die merklich unterschiedliche magnetomotorische Kräfte haben, zwischen denen der Magnetfeldbereich liegt und die in einem magnetischen Schirm kleiner Reluktanz oder kleinen magnetischen Widerstandes liegen, so dass Grosse und Gewicht des Magnetkreises sehr klein gewählt werden können.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die Magnete aus Platin-Kobalt hergestellt, so dass ein kräftiges, sehr gleichförmiges Feld erreicht wird, ohne dass getrennte Polschuhe verwendet werden müssen.

909 83 7/070 7

Gemäss einer speziellen Ausbildung der Erfindung sind die Magnete kegelstumpfförmig und haben im wesentlichen gleiche kleine und grosse Durchmesser, haben aber merklich ungleiche Länge, wobei der stärkere Magnet die grössere Länge hat, so dass die Herstellung des Magnetkreises erleichtert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung} es zeigen:
Fig. 1 einen teilweise schematischen Längsschnitt durch eine Röhre und einen Magnetkreis nach der Erfindung}

Fig. 2 die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke von der. Zwischenraumlänge für einen Magnetkreis bekannter Art aus zwei Magneten symmetrischer Form und gleicher Stärke; und

Fig. 3 eine Fig.. 2 entsprechende Kurve der Feldstärke eines erfindungsgemässen Magnetkreises mit zwei Magneten ungleicher magnetomotorischer Kraft. - , . ■

In Fig. 1 ist eine durch Spannungsänderung durchstimmbare Magnetronröhre mit zugehörigem Magnetkreis nach der Erfindung dargestellt. Die · Röhre 1 besteht aus einem evakuierten Vakuumgefäss/aus gestapelten Keramikteilen mit einem externen Mikrowellenhohlraum 3, der im Luftspalt 4 eines Magnetkreises untergebracht ist, der aus zwei kegelstumpfförmigen Magneten 5 und 6 besteht, die in einem zylindrischen Schirm 7 niedrigen magnetischen Widerstandes (Reluktanz) eingeschloaaen ,s.in,d, der beispielsweise aus 3,82 mm (0',150 Zoll) dickem kaltgewalztem Stahl

909837/0107

"besteht. Der Magnetkreis wird weiter unten noch näher beschrieben. Die Ausgangsleistung wird über eine Koaxiäl-Ausgangsleitung 8 aus der Röhre ausgekoppelt, die mit einer magnetischen HF-Koppelschleife 9 an die Felder des Mikrowellenhohlraums 3 angekoppelt ist.

Die Röhrenelemente innerhalb des Yakuumgefässes 2 sollen jetzt näher beschrieben werden. Das Vakuumgefäs's 2 besteht aus üblichen aufeinander gestapelten Keramikteilen, nämlich metallisierten Keramikringen 11, beispielsweise aus Tonerde, und leitenden Elektrodenelementen, die scheibenartige Flansche aufweisen, die alle zusammengelötet sind, so dass ein zusammengesetzte Gefäss gebildet wird, bei dem die Elektroden durch die Seitenwände des keramischen Vakuumgefässes 2 hindurchtreten. Ein Ende des keramischen Oefässes 2 ist mit einer Keramikplatte 12 abgesohlossen, während das andere Ende mit einer Elektrode abgeschlossen ist, die in den Endring 11 des Gefässes 2 eingelötet ist.

Innerhalb des Oefässes 2 weisen die Röhrenelektroden einen Glühdrahtemitter 13 inForm einer bifilaren Spule auf, der beispielsweise aua thoriertem Wolframemitterdraht besteht| der Emitter 13 ist an einem Ende des Gefässes 2 angeordnet. Der Emitter 13 besteht aus zwei Leitungen 14 und 15, die vakuumdicht, durch die keramische Endplatte 12 hindurchführen.

Bin« ringförmig· Strahlinjektoranode 16, beispielsweise aus Kupfer, ist um den Emitter 13 herun angeordnet und weist einen soheibenartigen

909837/0707

Teil 17 auf, der durch die Seitenwand des Gefässes nach aussen führt. Eine Kaltkathode 18, beispielsweise aus Molybdän, ist koaxial im Gefäss angeordnet und ist in axialer Richtung, vom Emitter I3 entfernt. Die Kaltkathode 18 weist eine zylindrische Sohle I9 und ein erweitertes Ende 21 auf, das über die Mittelöffnung des Endringes 11 des Vakuumgefässes 2 unter Abdichtung gesetzt ist.

Eine Interdigital-Anodenleitung 22 umgibt die Sohle I9 der Kaltkathode koaxial. Die interdigitale Anodenleitung besteht aus zwei geschlitzten und in interdigitaler Form ineinander greifenden Zylinder 23 und 24, beispielsweise aus Kupfer. Genauer gesagt^ die beiden Zylinder 23 und sind mit einer Reihe von Axialschlitzen 25 versehen, so dass eine Reihe von leitenden Fingern 26 in jedem Zylinder 23 und 24 gebildet wird. Die Fingerreihen 26 sind dann winkelmässig gegeneinander versetzt und ineinander gesetzt, so dass die Interdigitalleitungsanode 22 gebildet wird. Die Leitung 22 wird mjittels der scheibenartigen Flansche 27 und 28 der Zylinderelemente gestützt. Die Flansche greifen durch das Gefäss 2 in di· externe Mikrowellenleitung 3 hinaus. Die externe Leitung besteht aus einem ringförmigen leitenden Kanal 29» beispielsweise aus Kupfer, der allgemein toroidförmig ist. Der Kanal 29 ist an den scheibenförmigen Flanschen befestigt, beispielsweise durch Silberlöten, und zwar an den angepassten Kanten der scheibenartigen Flansche 27 und 28,, so dass eine feat· Röhrenkonstruktion gebildet wird. Der Kanal 29 ist bei 3I mit einer Öffnung versehen, in die die Koaxial-Ausgangsleitung 8 und die Schleife 9 eingesetzt sind.

909837/0707

Die Röhre 1 erhält von geeigneten Spannungsversorgungen die erforderlichen Betriebsspannungen.- Eine kleine Kathodenheizerspannung wird von einer Batterie 33 geliefert und liegt über· dem direkt geheizten Kathodenemitterdraht 13 über Leitungen 34 bzw. 35» die getrennte Elektroden 34' und 35'·- enthalten, die über die keramische Endplatte 12 des Gefässes 2 gelötet sind und zu den Drahtzuleitungen 14 bzw, I5 führen. Die negative Seite des Kathodendrahtes 13 ist auch über eine isolierte Leitung 36 mit der Kaltkathode 18 verbunden. Die Leitung 36 verläuft zwischen der Aussenwand der toroidförmigen^; Mikrowellenleitung 3 und der Innenwand des Magnetschirms 7· Die Toroid-Mikrowellenleitung 3 wird so aufgebaut, dass ihr Aussendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Schirms, um für die· Leitung. 36 genügend Raum zu lassen.

Eine Injektoranodenspannungsqüelle 37 von beispielsweise 525 Volt positiv gegen Kathodenemitter· 1 3 und Elektrode 18 wird.über eine, isolierte Leitung 30 andie Injektorelektrode 17 gelegt. Eine Spannungsquelle 39 für eine variable positive-Anoden spannung von beispielsweise 1 000 bis 1 800 Volt gegenüber der Injektorspannung wird an die Anodenleitung 22 und über den damit verbundenen Magnetkreis über eine geerdete Leitung 4I geführt. ;Z_;wei iEsolierfolien. 42 von beispielsweise 0,38 mm (0,015 Zoll) Dicke-beispielsweise aus Teflon liegen, zwischen den Magne ten 5 und 6 . und den _?iindelektroden de^s-Röhrengefässes 2, um die Spannung zwischen Kathode und Anode,- die demnach zwiBche.n1. 500 und 2 300 Volt liegt, von den Magnaten; ·ίernauhalten* Das Röhrüngefäss 2 mit dem fest daran . befeHtigten externen Mikrowellenkreäa 3 wird innerhalb des Magnetkreises fest an Ort und Stelle gehalten, indem in die Zwischenräume 44 zwischen

' /θ

909837 /0707 ^ original' ''

dem Röhrengefäss 2 und dem umgebenden Magnetkreis aus den Teilen 5» 6 und 7 über geeignete, nicht dargestellte Löcher in der zylindrischen Abschirmung 7 ein sich verfestigendes Epoxy-Topf-Giessharz eingegossen wird, beispielsweise Stycast No. 1 090 von Emmerson Cummings. Das Giessharz kann sich dann verfestigen, so dass eine massive, feste Röhrenkons.truktion gebildet wird.

Im Betrieb werden vom Emitter I3 emittierte Elektronen durch die kombinierte Wirkung der radialen elektrischen Felder zwischen den Elektroden 15» 17» 1Θ und 22 und das axiale Magnetfeld von dem magnetischen Kreis

^ zu einem rohrförmigen Strom geformt und axial in den ringförmigen elektronischen Wechselwirkungsbereich 45 injiziert. Die Elektronen zirkulieren um die Sohle I9 der Kaltkathode 18 und treten kumulativ in Wechselwirkung mit den HP-Feldern auf der Interdigitalleitung, so dass eine Rüokwärtswe11enschwingung in der Anodenleitung 22 gebildet wird. Die elektrische Leistung wird über die Aus gangs schleife 9 ^un(i d.en Anschluss 8 aus der Leitung 22 ausgekoppelt und einer Last zugeführt. Die Ausgangsfrequenz hängt ab von der Spannung zwischen Anode und Kathode, und damit kann die Röhre 1 durch Veränderung der Spannung aus der Spannungsversorgung

k elektrisch, oder richtiger elektronisch durchgestimmt werden.

Das optimale Magnetfeld im Luftspalt oder Zwischenraum 4 zwischen den Magneten ist, wie bereits erwähnt worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im elektronischen Wechselwirkungsbereich 45 eine konstante Feldstärke herrscht, während die Feldstärke im Injektorbereich 46 grosser werden soll. Diese Feldform sorgt in der vorgesehenen Weise dafür, dass der Elektronenstrom in den Wechselwirkungsbereich eintritt und eich ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.

909837/0707 .../9

Das "bekannte Verfahren zur Erzielung der gewünschten Feldform in den Injektor- und Wechselwirkungsbereiohen ist in Fig. 2 dargestellt; es werden zwei Magnete 5 .und 6 verwendet, die in der gleichen Richtung polarisiert sind und gleiche magnetomotorische Kraft haben. Bin solcher magnetischer Kreis liefert eine befriedigende anwachsende Feldstärke im Injektorbereich 46, liefert jedoch eine Änderung von etwa 9Ö Gauss, bei etwa 2 000 Gauss, über die ganze Länge des Wechselwirkungsbereiches Das ist eine merkliche Änderung gegenüber der gewünschten konstanten Feldstärke im Wechselwirkungsbereich 45. Darüber hinaus weist dieser ältere Magnetkreis einen zweiten Bereich 47 auf, in dem die Feldstärke ansteigt, der ebenso gross ist wie der Anstiegsbereich im Injektorbereich, und dieser dritte Bereich 47 ist völlig überflüssig. Dieser zweite Bereich stellt also einen überflüssigen Verbrauch an magnetomotorischer Kraft dar und durch diesen Verlust ist es erforderlich, grössere und schwerere Magnete zu verwenden, als an sich erforderlich wäre.

In Fig. J ist die Magnetfeldstärkeverteilung für einen erfindungsgemässen Magnetkreis naoh Fig. 1 dargestellt, bei dem die magnetomotorische Kraft des Injektor magnet es 5. merklich höher ist als die magnetomotorische Kraft des Kaltkathodenmagnetes 6. In diesem Falle wird die. gewünschte Feldform ebenfalls erreicht, und zwar steigende Feldstärke im Injektorbereich und gleichförmige Feldstärke im Wechselwirkung sbereioh 45, ohne dass ein dritter Bereich mit steigender Feldstärke auftritt, wie beim älteren Verfahren. Dementsprechend kann bei dem verbesserten Feldformkreis nach-Fign. 1 und 3 der Zwischenraum zwischen den Magneten oder der Luftspalt wesentlich kleiner gewählt werden als bei dem älteren Verfahren, wodurch magnetomotorisch· Kraft eingespart wird und dadurch Grosse und.Gewicht, des Magnetkreiees kleiner gewählt werden können·

909837/0707 .../10

In einem typischen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Magnetkreises, wie er für ein elektronisch durchstimmbares Magmetron 1 verwendet worden ist, das im Bereich von 2,6 bis 3,7 GHz mit einerAusgangsleistung von 12 Watt verwendet wurde, war der Zwischenraum oder Luftspalt etwa 17»8 mm (0,700 Zoll) lang, die Magnete hatten gleichen Durchmesser, um den mechanischen Aufbau zu erleichtern, und zwar einem maximalen Durchmesser von 32,00 mm (1,300 Zoll) und einen minimalen Durchmesser von 22,2 mm (0,875 Zoll), wobei der grössere Magnet 5 eine axiale Länge von 12,7 rom (0,500 Zoll) und der kleinere Magnet eine axiale Länge von 7»86 mm (0,310 Zoll) hatte. Die Magnete 5 und. (5 bestanden aus Platin-Kobalt und lieferten eine gleichförmige Magnetfeidstärke von 1 950 Gauss im Wechselwirkungsbereich 45» der 5fO8 mm (0,200 Zoll) lang war, wobei die Schwankung zwischen maximaler und minimaler Feldstärke im Wechselwirkungsbereich 45 ^nur 40 Gauss betrug. Die Bohre 1 mit dem Magnetkreis und integrierender Wärmeableitung, in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, hatte nur einen Durchmesser ttoh 46-mm (1,8 Zoll) und eine Länge von 43 ^ram (1»7 Zoll); das Gewicht !betrug nur 540 g (19 Unzen).

β . ./Patentansprüche

909837/0707

Claims

PATENTANWALT OJPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 8000 MDNCHEN 23 - MAINZER8TR.5 71 P&6 D Patentansprüche

1. Kreuzfeld-Mikrowellenröhre mit einer Mikrowellenleitung, einem Injektor zum Injizieren eines Elektronenstroms von einem Injektionsbereich eines evakuierten Gefasses in einen elektronischen Wechselwirkungsbereich des Gefasses in der Nähe der Mikrowellenleitung, einem magnetischen Kreis, mit-dem ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, das durch den Injektions- und den elektronischen V/echselwirkungs-Bereich reicht und in einem der beiden Bereiche eine merklich grössere Intensität hat als im anderen Bereich, wobei der Magnetkreis zwei voneinander entfernte Magnete aufweist, zwischen denen ein Raum frei ist, in dem das Magnetfeld herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige der beiden Magneten, der dichter am stärkeren Feld liegt, eine wesentlich grössere magnetomotorische Kraft hat als der andere der beiden Magneten.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, der das stärkere Magnetfeld enthält, der Injektorbereich ist.

.../A2

909837/0707

JiI

3· Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete aus Platin-Kobalt bestehen.

4· Röhre nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnete kegelstumpfformig sind und sich im wesentlichen nur in der axialen Länge und in der magnetomotorischen Kraft unterscheiden.

5· Röhre nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet mit

der grösseren magnetomotorischen Kraft in axialer Richtung merklich P langer als der andere Magnet ist. ■

6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 —5» dadurch gekennzeichnet, dass um die beiden Magnete und den freien Raum zwischen ihnen herum ein magnetischer Schirm aus einem Werkstoff mit relativ niedriger Reluktanz angeordnet ist, der einen Rückführweg relativ niedrigen magnetischen Widerstandes für die magnetischenFeldlinienzwischen den Magneten bildet, die den Feldlinien im Raum zwischen den beiden Magneten entgegengerichtet sini.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass

das Röhrengefäss' ein hohlzylindrisches dielektrisches Gefäss ist, ein Glühkathodenemitter an einem Ende des Gefässes angeordnet ist, eine Kaltkathoden-Sohlenelektrode axial vom anderen Ende in das Gefäss hineinragt, eine Anodenleitung die Sohlenelektrode umgibt und durch

.../A5

909837/0707

die zylindrischen Seitenteile des Gefässes hinausragt, so dass eine interne Anodenleitung und eine externe Anodenleitung gebildet werden, und um den Kathodenemitter herum eine Injektoranode angeordnet ist.

8. Röhre nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrisches Topfmaterial den Raum zwischen dem Yakuumgefäss und dem es umgebenden Schirm ausfüllt, so dass das "Vakuumgefäss fest an Ort und Stelle gehalten wird.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die. Magnete gleichsinnig magnetisiert sind.

909837/07 0 7

Leerseite