DE1541089A1 - Mikrowellen-Roehren-Baueinheit - Google Patents

Description

Patentanwalt - .

Ur. CLAUS REINLÄNDER PATENTANWALT

DJPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT . 1.541089

8000 MÖNCHEN 23 · MAINZER STR. 5 V1 P87 D

TARIAN ASSOCIATES Palo Alto / California V. St. v. Amerika

Mikrowellen-Röhren-Baueinhe it·

Priorität: 1. Juli 1965 - V. St. v. Amerika üS-Ser.No. 468,751

Die Erfindung betrifft allgemein mit Permanentmagneten fokussierte Hochfrequenz-Iilektronenentladungseinrichtungen, deren Baueinheiten Fluasführer in Verbindung mit axial polarisierten Permanentmagneten aufweisen, und insbesondere spezielle Verbesserungen solcher Baueinheiten zur Verringerung 'des Raumbedarfs und. *ur Erzielung von robusten, kompakten Baueinheiten für. den Zusammenbau.

Es ist bekannt, dass zur einwandfreien Kontrolle de« Durohtritts einet Elektronenstrahls durch den. Weohselwirkungsbereich einer Hoohfrequena-.

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Elektronenentladungseinrichtung eine Fokussiervorrichtung irgendeiner Art notwendigerweise erforderlich ist, gleichgültig, ob es sich um ein ■klystron, einen Hückwärtswellenoszillator oder dergleichen handelt.

Durch die Erfindung wird eine Fokussiereinrichtung verfügbar gemacht, die besonders für ^ochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtungen, vor allem solche, die im ^iViikrowellenbereich arbeiten, brauchbar ist, bei . denen die °trahllänge zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende nicht übertrieben lang ist. Seitdem Permanentmagnetwerkstoffe mit hohem Energieprodukt, wie Indox 5» Alnico V, Alnico V-7 usw. verfügbar geworden sind, ist es gut möglich geworden, axial polarisierte Permanentmagnete dazu zu verwenden, das magnetische Fokussierfeld für ^-ochfrequenz-Elefctronenentladungseinrichtungen der genannten Art zu bilden.

Allgemein gesprochen sind axial polarisierte Permanentmagnete für ^ochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtungen zur Schaffung des magnetischen Fokussierfeldes in Baueinheiten verwendet worden, die eine normale zylindrische Aussenfläche aufwiesen, wodurch sich ziemlich grosse Querabmessungen für die gesamte Baueinheit ergaben. Durch die Erfindung wird eine Technik verfügbar gemacht, mit der die Querabmessung solcher Fokussier-Baueinheiten mit Röhren der erwähnten Art verringert wird, und zwar indem eine Anzahl räumlich gegeneinander versetzter, vprzugs- ■* weise azimutal periodisch bezüglich der Strahl- oder Hauptachse der τ- Baueinheit angeordneter Flussführer um die ^oehfrequenz-Elektronen- entladungseinrichtung herum angeordnet werden. Die Flussführer dienen äazu,

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einen Itückflussweg zwischen den Aussenpolen der axial polarisierten Lndina ^ne te herzustellen, die die magnetischen Fokussie rf elder für den Elektronenstrahl liefern, und gleichzeitig dienen diese Flussführer als Abschirmungen sowohl für die Magnete als auch für die Röhre. Eine Verwendung von azimutal gegeneinander versetzten Flussführern hat die Verwirklichung von rechteckigen Parallelepiped-Formen für solche Hochfrequenz-Elaktronenentladungs-Baueinheiten ermöglicht, während gleichzeitig der ^uerabstand zwischen den Magneten und den Flussführern gleich dem gehalten wurde, der mit üblichen zylindrischen Flussführern f erreicht wurde, wodurch die Packungsdichte der Baueinheit vergrössert wird, wenn mit solchen Baueinheiten ein Gerat oder eine Anlage aufgebaut wird.' Die azimutal gegeneinander versetzten Flussführer und Abschirmungen genäss der Erfindung sind besonders gut in magnetisch fokussierten Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtungen für den 1-ikrowellenbereich brauchbar, die als Konstruktionsbedingung einexi unmagnetischen Luftspalt zwischen den internen, einannergegenüberliegerxL-'a Polflac'ien der Endmagnete aufweisen, dessen körperliche Ab-

messung kleiner ist als die grösste 'ciuerabmessung der gesa^t^ji Bau-

einheit. .. ' .

Erfindungsgemäss wird also ausgegangen von einer Mikrowellen-Eöhren-Baueinheit, bestehend aus einer mit Permanentmagneten fokussierten Röhre, insbesondere einem Rückwärtswellenoszillator, der in der Hauptachse der Baueinheit angeordnet ist, bei der die Röhre mit axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen am stromauf wärtigen Ende in der Nähe der illektronenstrahlerzeugungseinrichtung und axial polarisierten Permanent-

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magne t-Fokus s ie re inr ich tureen am stroma"bwärtigen Ende ausgestattet ist, die so angeordnet sind, dass die inneren, einander gegenüberliegenden PoIflachen der Permanentmagneteinrichtungen am stromaufwartigen bzw. stromabwärtigen Ende der Röhre entgegengesetzte Polarität haben, so dass ein unidirektionales magnetisches Fokussierfeld längs der Elektronenstrahlachse der Röhre gebildet wird, die im Spalt zwischen den beiden einander gegenüberstehenden inneren Polflächen angeordnet ist, und die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäas dadurch gelöst, dass die ebenfalls entgegengesetzt polarisierten äusseren Polflächen der axial polarisierten Permanentmagnete magnetisch mittels einer Anzahl azimutal voneinander entfernter magnetischer Flussführer magnetisch kurzgeschlossen sind, die eine geringe Reluktanz und hohe Permeabilität haben, und die sowohl als magnetischer Kurzschluss für die beiden entgegengesetzt polarisierten äusseren Polflächen der axial polarisierten Magnete als auch als magnetische Abschirmungen für die beiden axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen und die Röhre dienen, und dass die Flussführer dreieckig geformt an den Ecken eines rechteckigen Parallelepipeds angeordnet und in Querrichtung aus den äusseren (^uer-Oberflächen der axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen heraus versetzt sind.

Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Erfindung besonders günstig anwenden lässt, wenn der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden inneren Polflächen kleiner ist als die grösste Querabmessung der Baueinheit.

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Zur-Eins teilung des Feldes im Spalt sind zweckmässigerweise die einander gegenüberliegenden inneren Polflä'chen mit justierbaren Polschuhen versehen.

Diese und weitere "Merkmale und"Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibuug in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigern

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Permahentmagnet-Fokussier-Baueinheit, in die ein Rüekwärtswellerioszillator eingebaut ist, der in Seiten- g ansicht dargestellt ist} und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.

In der Zeichnung ist eine Mikrowellen-Röhren-Baueinheit 3'dargestellt, die eine Mikrowellenröhre 4 enthält, einen Rückwärtswellenoszillator, der ein Gefäss 5 aus KupfernicKel oder dergleichen aufweist, das einen Wendel-Wechselwirkungskreis 6 umechliesst, der innerhalb des Gefässes mittels einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzter Stäbe-.7 au-s Saphir oder dergleichen gehaltert ist. Am stromaufwärtigen Ende 8 der Röhre wird mittels eines Elektronenstrahlerzeugungssystems 8' üblicher Art ein Elektronenstrahl erzeugt. Die zentrale Strahlachse oder Hauptachse der Baueinheit Z wird vom von der Elektronenstrahlerzeugungseinheit erzeugten Elektronenstrahl durchquert und eine kumulative ,. Wechselwirkung zwisohen dem Strahl und einer elektromagnetischen Wander- :| welle tritt in bekannter Weise ein. Eine vollständigere Beschreibung der Arbeitsweise eines Rüokwartawellenoszillators ist beispielsweise in dem Artikel von R. Kompfner und N.T. Williams "Backward-Wave Tubes"

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Proceedings of the I.H.E. Band 4I , Seiten 16O2-1611, November 1953 ·, enthalten. Die Einzelheiten eines Rückwärtswellenoszillators, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, sind für die iirfindung nicht wesentlich; ein geeigneter Rückwärtswellenoszillator ist'in der US-Patentschrift 2 991 391 beschrieben. Elektromagnetische Schwingungsenergie wird am stromaufwärtigen End· vom Rfckwärtswellenoszillator mittels einer üblichen· Kopplun'g, beispielsweise einem in Ansicht dargestellten Xoaxkoppler in üblicher Weise abgezogen.

Der übrige· Teil der in der Zeichnung dargestellten Mikrowellen-Baueinheit besteht aus einer Permanentmagnet-iOkussiereinri'chtung, mit der ein geeignetes uriidirektionales magnetisches Fokussisrfeld gebildet wircL, um den Durchtritt des Strahls zwischen dem, stromauf war tigen und dem stro.mabwärtigen Ende des Rückwärtswellenoszillators zu kontrollieren. Diese Permanentmagnet-Fokussiereinrichtung enthält zwei zylinierförmige axial polarisierte Permanentmagnete 11, 12 aus einem Werkstoff mit hohem Energieprodukt wie Alnico V-7 der Crucible Steel Company of America, die am stromaufwärtigen bzw. stromabwärt igen·· Ende des Hückwärtswellen-Oszillators angeordnet sind. Die Permanentmagnete 11 und 12 sind mit Polschuhen 13 und Η aus Weicheisen oder dergleichen versehen, die an den beiden einander gegenüberliegenden inneren Polflächen I5 und 16 der Magnete angeordnet sind. Biese Pplschuhe I3 und I4 sind in der speziellen, hier dargestellten Baueinheit so ausgebildet und angeordnet, dass ein sich verjüngendes axiales Magnetfeld längs des Rückwärtswellenoszillators zwischen den inneren Polflächen der Permanentmagnete gebildet wird, und zwar in dem mit "Spalt" bezeichneten Zwischenraum. Die Mikrowellen-

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Baueinheit nach der ' isrf indung ist jedoch nicht auf sich verjüngende Fokussierfeider beschränkt, da offensichtlich die erfindungsgemässe Mikrowellen-Baueinheit allgemein für unidirektionale Fokussierfeider brauchbar ist, unabhängig davon, ob es sich um verjüngte oder axial gleichförmige Felder handelt.

Jeder Polschuh 1J und 14 ist mit einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzter unmagnetischer Schra.uben 17 versehen^ deren Spitzen gegen eine Hülse I9 aus Kupfer oder irgendeinem geeigneten unmagnetischen λ Werkstoff stossen,die den Oszillator am stromabwärtigen Ende umgibt, bzw, unmittelbar gegen den Höhrenkörper am anderen iinde der Äöhre. ti ine Einstellung- der Schrauben erleichtert die Herstellung einer optimalen Beziehung zwischen der Elektronenstrahlachse Z und der Zentralach.se des Magnetfeldes. Das elektronenstrahlerzeugungssystemseitige rinde des Oszillators sitzt mit Paßsitz in einer Isolierhülse, wie 31 , aus l'eflon oder dergleichen. Die äusseren, einander entgegengerichtet polarisierten Polflächen der Permanentmagnete 11 und 12 sind in vorzugsweise ausgesparten Teilen 21, 22 von zwei quadratischen Platten 23, 24 aus einem Werkstoff niedriger Reluktanz und hoher Permeabilität, vorzugsweise einer Permeabilität grosser als 1000, beispielsweise Änaco- oder Flusseisen als Flussabschirmungen und Flussführer ein-febettet und sind vorzugsweise mit diesen fest verbunden, beispielsweise in. üblicher Weise durch 'Weichlöten. An den End-Flussführern 23 und 24 sind fest, beispielsweise mittels Schrauben25, eine Anzahl in axialer aiichtung länglicher Flussführer 26, 27, 26, 29 niedriger Keluktanz und hoher Permeabilität, vorzugsweise aus Armco- oder Flusseisen befesti_öt, die allgemein rechteckigen querschnitt haben und von einem

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■ · End· der Mikrowellen-Baueinheit hie zum anderen reichen· Die Flußeführer

26-29 sind azimutal 90° gegeneinander versetzt, und die Dreiecke sind so orientiert, dass die Aussenform ein rechteckiges Parallelepiped ist, das einen quadratischen Querschnitt für die Mikrowellen-Baueinheit hat. Um ■ die Flussftihrer herum und in geeigneter Weise an diesen und an den Endabschirmungen 23, 24 befestigt ist eine rechteckige Parallelepiped-, Schale JO aus irgendeinem unmagnetisohen Werkstoff, mit der die Mikrowellen-Baueinheit geschlossen wird. Offensichtlich kann die Schale 30 W sektioniweise hergestellt werden, wenn das gewünscht wird·

ι Die Mikrowellen-Packung nach der Erfindung erlaubt eine optimale Gestaltung der körperlichen Querabmessung der Baueinheit in Form eines rechteckigen Parallelepipeds, während gleichzeitig eine ausreichende Querversetzung zwischen den Flüssführem 2β-29 und den äuseeren ümfangsteilen der Permanentmagnete aufrechterhalten wird, wie durch den Abstand X angedeutet ist, so dass das Magnetfeld im Spalt nicht beeinflusst wird, so dass auch die Anforderungen an das Energieprodukt der Magnete und damit an die örösse der Magnete nicht beeinflusst werden. Die Verwendung einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzter Flussftihrer, die zusätzlich neuartige Abschirmeigenschaften aufweisen, wie durch die Erfindung gelehrt wird, wird besonders vorteilhaft in Mikrowellenrqhren vorgesehen, bei denen der unmagnetische Spalt zwischen den inneren, einander gegenüberliegenden PoIf lachen der Permanentmagnete kleiner ist als die grö.sste Querabmessung der Mikrowellen-Baueinheit, die durch die Abmessung T in Fig. 2 »ngedeutet ist. Die Azimutwinkel sind auf die Z-Aohse bezogen, wie durch die Winkel<A in Fig. 2 angedeutet ist. ^;

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Die Verwendung einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzter Fluss-.führer-, die um die Mikrowellenröhre und die axial polarisierten Permanentmagnete herum angeordnet sind, ergibt eine gute Abschirmung der Permanentmagnete und der Mikrowellenröhre während des Gebrauchs. Beispielsweise können magnetische Gegenstände, wie Schraubenschlüssel oder dergleichen, ziemlich dicht an den Aus senflachen der Mikrowellen-Baueinheit verwendet werden, ohne dass die Permanentiaagnete in dir Baueinheit dauernd entmagnetisiert werden, wie das bei bekannten, schalenartigen Magnetanordnungen zu befürchten war, die nicht abgeschirmt sind. Das i3t ausserordentlioh vorteilhaft, weil bei den bekannten sohalenartigen Magneten die zufällige Anwesenheit von grösseren Mengen magnetischen Werkstoffes in der Nähe der Schalenmagnete eine nicht reversible Entmagnetisierung derselben hervorrief. Eine spezielle Funktion der asimutal gegeneinander versetzten Plussführer 2β-29 besteht darin, dass ein magnetischer Kurzschluss für Flusslinien geschaffen wird, die von einem ausseren Pol der axial polarisierte!! Magnete 11 und über die Scheiben 23bzw, 24 niederer Reluktanz und hoher Permeabilität durch di* Flussführer 26-29 zum jeweils anderen Permanentmagneten ver- ( laufen, wobei höchstens ein geringfügiger Streufluss auftritt» während sie gleichseitig als Magnetabschirmungen wirken. '

Eine Mikrowellen-Baueinheit, wie sie durch die Erfindung verfügbar gemacht wird, ist vor allem in luftgestützten Geräten brauchbar, wie in ECM-Empfüngern, ECM-Sendern, breitbandigen Spektr&Ianalysatoren uad der- · gleichen» Selbstverständlich ist das Gesamtvolumen für jede spezielle Komponente in solchen Geräten ausserordentlich wichtig, und die rechteckige Parallelepiped-Form einer erfindungsgemässen Baueinheit ist ·' -

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besonders günstig verglichen mit den bekannten zylindrischen Baueinheiten in Kreisform. Die Verwendung einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzter Flussführer anstelle eines einzelnen zylindrischen Flussführers erlaubt eine grosser« Flexibilität bei der Auswahl der äusseren Umfangsform der Baueinheit, während gleichzeitig die Grosse der Baueinheit verringert wird* Di· spezielle dreieckige Quersohnittsform, wie sie für die Flussführer 26-29 gemäss Fig» 2 verwendet wird, ist besonders vorteilhaft bei reohteokigen Parallelepiped-Formen für die Baueinheit, weil die Abmessung X eintn Grösstwert annimmt» während gleichzeitig die Abmessung T zu einem Minium» wird, und zwar für eine bestimmte Spaltlänge, die kleiner ist als die Abmessung T. Sie Verwendung einer Anzahl azimutal gegeneinander versetzt·}: Fluesführer erlaubt es, dass diese an die Funkte der grössten Baueinheit-Abmessungen gesetzt werden, während gleichzeitig der Abstand zwischen den unmagnetischen Schalenteilen und den Magneten verringert werden kann. Offensichtlich können die axial polarisierten Magnete 11 und auch aus einer Anzahl Ringe aufgebaut werden oder Kreisform, Quadratform oder irgendeine andere Form haben, wenn das erwünscht ist, statt dass ein einzelner Ring verwendet wird, wie dargestellt. .

Ein· Mikrowellen-Baueinheit gemäss der Erfindung in rechteckiger Parallelepipedform erlaubt es ohne weiteres, im Spalt ein Feld längs der Strahlaohs· Z zwischen den inneren Polflächen 15 und 16 der Permanentmagnete in der örössenordnung von 800 Gauss aufrechtzuerhalten, wobei gleichzeitig praktisch kein Streufluss ausserhalb der Mikrowellen-Baueinheit auftritt, wenn die maximale Breitenabmessung W für das rechteckige Parallelepiped .* 56 mm (2 1/4 Zoll) beträgt, was beträchtlich weniger ist als der Aussen-.durchmesser von 76 mm (3 Zoll), der für eine vergleichbare Mikrowellen-

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Baueinheit in normaler Zylinderform des Abschlusses und der Abschirmung" ' erforderlioh iet» Di· Mikrowelleno'Baueinheit, dit in der Zeichnung dargestellt ist, weist zwar einen Rückvärtewellenoszillator als Blektronenentladungseinriohtung in d«r Baueinheit auf» dtr Grundgedanke d«r Erfindung, eine Anzahl azimutal gegeneinander verseteter Fluseführer In Verbindung mit zwei axial polarisierten Sndmagneteinriohtungen zu verwenden, kann jeftooh a«hr leicht auoh für ander« Hochfre^uenz-Eleki^onenentlmdungseinriohtungen mit klein·«. Anford»rune*n an den Fokue· ie χ- spalt angepasst werden« wie bei spieleweis β Klyatronoiaillatoren nit zwei | Kammern, mit Spannung durch steuerbaren Magnetrons und Klystronver starkem

mit kurzem Spalt»

../Patentansprttohe

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Claims (3)

PATENTANWALT DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT '54 10,89 8000 MÜNCHEN 23 ■ MAINZERSTR.5 V1 P87 D P a te η t ans prüc h e

1. Mikrowellen-Röhren-Baueinheit, bestehend aus einer mit Permanentmagneten fokussierten Röhre, insbesondere einem Rückwärtswellenoszillator, der in der Hauptachse der Baueinheit angeordnet ist, bei der die Röhre mit axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen am stromaufwärtigen Ende in der Nähe der Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung und axial polarisierten Permanentmagnet-Fokussiereinrichtungen am stromabwärtigen Ende ausgestattet ist, die so angeordnet sind, dass die inneren, einander gegenüberliegenden Polflächen der Permanentmagneteinrichtungen am stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Ende der Röhre entgegengesetzte Polarität haben, so dass ein unidirektionales magnetisches Fokussierfeld längs der Eilektronenstrahlachse der Röhre gebildet wird, die im Spalt zwischen den beiden einander gegenüberstehenden inneren Polflächen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenfalls entgegengesetzt polarisierten äusseren Polflächen der axial polarisierten Permanentmagnete magnetisch mittels einer Anzahl azimutal voneinander entfernter magnetischer Flussführer magnetisch kurzgeschlossen sind, die eine geringe Reluktanz und hohe Permeabilität haben, und die sowohl als magnetischer Kurzschluss für die beiden entgegengesetzt

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polarisierten äusseren Polflächen der axial polarisierten Magnete als auch als magnetische Abschirmungen für die beiden axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen und die Bohre dienen, und dass die Flus-sführer dreieckig geformt an den ücken eines rechteckigen Parallelepipeds angeordnet und in .cufirriohtung aus den äusseren 4tier-0berflachen der axial polarisierten Permanentmagneteinrichtungen heraus versetzt sind. .

2. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden inneren Polflächen kleiner ist als die grösste Querabmeasung der Baueinheit.

3. Baueinheit nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden inneren Polflächen mit justierbaren Polschuhen versehen sind.

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