DE1541097A1

DE1541097A1 - Hochfrequenzdaempfung in Wanderfeldroehren

Info

Publication number: DE1541097A1
Application number: DE19661541097
Authority: DE
Inventors: Ram Anand
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-10-20
Filing date: 1966-08-27
Publication date: 1969-10-02
Also published as: NL6614503A; DE1541097C3; BE686989A; FR1491984A; DE1541097B2; GB1158874A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated R, P. Anand 1

Hochfrequenzdämpfung in Wanderfeldröhren

Die Erfindung betrifft Wanderfeldröhren, insbesondere dämpfende Überzüge, die in solchen Röhren zur Vernichtung unerwünschter Rückwärts wellen verwendet werden.

In der US-Patentschrift 2 820 171 wird ein Wanderfeldröhrenverstärker beschrieben, in dem ein Streifen oder ein Überzug aus Kohleteilchen mit elektromagnetischen Wellen gekoppelt wird, ^die von Unstetigkeiten im Ausgangskreis der Anordnung für langsame Wellen (typischerweise eine Wendel) der Röhre reflektiert werden. Dieser Überzug ist außerdem mit einer tragenden Stabanordnung gekoppelt, welche die Wendel um einen koaxialen Elektrodenstrahl herum in ihrer Lage hält. Der Überzug, der an einem Ort der Rohre angeordnet wird, an dem ein großer Teil der gewünschten Eingangssignalenergie in Form einer Raumladungswelle vorhanden ist, wird während der Herstellung dehr sorgfältig angebracht,, um Störungen der Raumladungswellen klein zu halten, wobei trotzdem die reflektierten elektromagnetischen Wellen auf der Wendel wirkungsvoll absorbiert werden.

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Unglücklicherweise sind die Dämpfungseigenschaften derartiger Überzüge nicht konstant, sondern haben die Tendenz, mit der Zeit schlechter zu werden. Die Hauptursache für diese Verschlechterung scheint die Wirkung des Elektronen- und Ionenbeschusses des Kohlematerials in dem dämpfenden Überzug zu sein. Entsprechend der derzeitigen Kenntnis beeinflußt dieser Beschüß den Überzug auf zwei mögliche Arten: a) absorbierter Wasserstoff der durch den Elektronenbeschuß aus der Kohleschicht frei wird, stößt mit den Kohleatomen im Film zusammen und zerstäubt diese; und b) atomarer Sauerstoff der von den Gasen frei wird, die von der Kathode der Röhre emittiert werden und die durch den Elektronenbeschuß dissoziert werden, vereinigen sich mit den Kohleatomen des Überzugs, um schädliche Gase zu bilden, die ihrerseits unter dem Elektronenbeschuß dissoziieren usw. Wenn derartige Überzüge lange Zeit in einer Wanderfeldröhre mit hoher Verstärkung verwendet werden, bewirkt die unvermeidliche Verschlechterung des Überzugs, daß die Röhre Eigenschwingungen aufv/eist und ihre Verwendbarkeit als Verstärker zunichte macht.

Das Problem der Stabilisierung der Dämpfungseigenschaften eines dämpfenden Überzugs der zur Vernichtung von reflektierten Wellen in Wanderfeldröhren geeignet ist, wurdedurch die Anordnung der Erfindung gelöst, bei der eine dünne Tantalschicht auf die Wendel und den angrenzenden Teil der T rage anordnung aufgestäubt oder anderweitig aufgebracht wird. Wenn derartige Tantalüberzüge

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Wasserstoffionen ausgesetzt werden, so haben sie eine Zerstäubiingsgeschwindigkeit, diemehr als eine Größenordnung geringer ist als diejenige der Kohle. Außerdem bilden derartige Tantalschichten bei der Vereinigungmit atomarem Sauerstoff keine dissoziierbaren Gase, welche die Schicht beseitigen, sie bilden vielmehr einen Schutzoxidüberzug.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung solcher Tantalüberzüge besteht bei dieser Anwendung darin, daß Tantal gleich den z. Zt. benutzten Kohleüberzügen alle anderen Eigenschaften besitzt, die von einem optimalen dämpfenden Wendelmaterial gefordert werden, z. B. ein niedriger Dampfdruck, ein hoher Schmelzpunkt und ein vergleichsweise hoher spezifischer Widerstand.

Die Natur der Erfindung und ihre verschiedenen Vorteile werden anhand der nachfolgenden eingehenden Erläuterung und der beigefügten Zeichnungen vollständig dargelegt.

Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Wanderfeldröhre, bei der das Erfindungsprinzip verwendet wird; ·

Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Wendel und der Wendeltrageanordnung der Wanderfeldröhre der Fig. 1;

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung bei der die Wirkung des Elektronenbeschusses auf die Dämpfungseigenschaften von Tantal-und Kohleschichten verglichen wird.

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In Figur 1 ist ein Wanderfeldröhren-Aufbau 10 dargestellt, dessen Zweck darin besteht, elektromagnetische Wellen zu verstärken, die mit Hilfe eines Eingangs wellenleite rs Il zur Röhre übertragen werden, wie es durch den Pfeil dargestellt ist. Am entgegengesetzten Ende der Einrichtung befindet sich ein Ausgangs wellenleiter 12, um die verstärkten elektromagnetischen Wellen der Wanderfeldröhre zu entnehmen und sie zu einer geeigneten Belastung zu übertragen, wie es durch den anderen Pfeil angegeben ist. Zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangswellenleiter erstreckt sich eine leitende Drahtwendel 13, die die Mittelachse der Einrichtung umgibt. Durch ein Elektronenstrahlsystem 14 bekannter Art, welches eine Kathode 15, eine Strahlformierungselektrode 16 und eine Beschleunigungsanode 17 enthält, wird ein Elektronenstrahl gebildet und auf die Mittelachse geleitet. Der Elektronenstrahl wird durch eine Sammelelektrode 18 gesammelt, die sich an dem dem Elektronenstrahlsystem 14 gegenüberliegenden Ende 13 befindet.

Der Elektronenstrahl wird in unmittelbarer Nähe der leitenden Wendel fortgeleitet, wobei eine Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Feld einer elektromagnetischen Welle stattfindet, die sich auf der Wendel fortpflanzt. Wenn die Wendel eine Länge von vielen Wellenlängen bei der Betriebsfrequenz hat, ergibt die kummulative Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem Feld der Wendel einen Energieübergang vom Strahl auf das Feld der Welle, wodurch die Welle verstärkt wird.

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Die Wendel 13 wird durch drei Tragestäbe 19 gehalten, die eingehender in Figur 2 und 3 dargestellt sind. Eine periodische magnetische Anordnung 20, die sowohl die Stäbe 19 als auch die Wendel 13 umgibt, fokussiert den Strahl und zwingt ihn entlang der Mittelachse zur Sammelelektrode 18 zu fliegen. Auf Wunsch können auch andere Fokussieranordnungen benutzt werden.

Die Hauptursache für eine Instabilität in einer Wanderfeldröhre ist die Tendenz der Wellenenergie vom Ausgangsende der Wendel 13 zurück zum Eingangsende reflektiert zu werden und hierdurch Schwingungen innerhalb der Einrichtung zu verursachen. Die reflektierten Wellen werden gewohnlixh durch einen Dämpfungsüberzug auf einem Teil der Wendel 13 unterdrückt. Es ist allgemein üblich, auf einem Teil der Wendel ein dämpfendes Material anzubringen, typischerweise einen dünnen Überzug aus Graphit oder einer Kohlemasse, welche die reflektierte Wellenenergie absorbiert und vernichtet. Derartige dämpfende Materialien für Wendel sollen einen niedrigen Dampfdruck, einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, sie sollen vorzugsweise ein Material mit vergleichsweise hohem spezifischen Widerstand sein. Der spezifische Widerstand von Graphit beträgt z.B. bei 20°C 800 Mikroohm/cm.

Erfindungsgemäß werden die Wendel 13 und die Tragestäbe 19 auf einem bestimmten Gebiet mit einer Tantalschicht 21 überzogen, um reflektierte -magnetische Wellenenergie zu absorbieren. Dies

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wird am besten aus Figur 3 ersichtlich. Tantal hat einen ausreichend niedrigen Dampfdruck, einen ausreichend hohen Schmelzpunkt und einen spezifischen Widerstand (von z.B. 15 Mikroohm/cm bei 20 C), so daß die oben geforderten Eigenschaften vorhanden sind. Der im Verhältnis zu hohe niedrigere spezifische Widerstand von Tantal bedeutet, daß Tantalschichten entsprechend dünner gemacht werden, um die gewünschte Dämpfung zu erhalten. Eine typische Dichte einer Tantalschicht ist 500 A -Einheiten.

Die Art und Weise, wie die Tantalschicht die reflektierte Energie dämpft, wird am besten verständlich, wenn man eine einzige Windung der Wendel 13 im Dämpfungsbereich betrachtet, der durch die Tantalschicht 21 definiert wird. Wenn reflektierte elekromagnetische Wellenenergie vom Ausgangsende der Wendel 13 zum Eingangsende fortschreitet, begegnet sie der Windung der Wendel und erzeugt in ihr ein elektrisches Feld. Die Enden der Windung sind elektrisch über die Tantalschicht 21 auf den Tragesräben 19 miteinander verbunden. Die durch die reflektierten Wellen in der Windung der Wendel erzeugten elektrischen Felder werden über die Tantalschicht effektiv kurzgeschlossen und hierdurch gedämpft. Somit wirkt die Tantalschicht als Belastung für die elektrisehen Felder in der Wendel in gleicher Weise wie ein Widerstand als Belastung wirkt, wenn er an eine Batterie angeschlossen wird. Von Wichtigkeit ist auch die Dämpfung von Oberflächenströmen die in der Wendel durch die reflektierte Energie erzeugt werden. Da diese Ströme auf der Wendeloberfläche fließen, werden sie durch den Tantalüberzug auf der

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Oberfläche der wender selbst gedämpft.

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Es ist wichtig, daß das Dämpfungsmaterial sehr sorgfältig aufge bracht wird, so daß es als reflexionsfreie Absorbiervorriehtung von Wellen wirkt, die zum Eingangs ende fortschreiten, während es die anwachsenden, zum Ausgangsende fortschreitende Welle minimal beeinflußt. Zu diesem Zweck soll die Dichte des Dämpfungsmaterials in Richtung des Ausgangsendes verändert werden, derart, daß reflektierte rückwärtslaufende Wellen allmählich absorbiert werden. Andererseits soll die Gesamtlänge des Dämpfungsteils klein gehalten werden, um die anwachsende Welle möglichst wenig zu stören. Zur Erzielung der richtigen Dämpfungsform wird das Tantal vorzugsweise mit Hilfe einer Zerstäubungskammer aufgebracht, die aus einer Elektrode mit einer zylindrischen Innenfläche besteht, welche mit Tantal überzogen ist, das die Wendel umgibt. Die Wendel ist so abgedeckt, daß ein Verlustgebiet definiert wird, wobei die Abdeckungen erweitert werden, so daß ein allmählicher Übergang des Widerstands der Tantalschieht entstehen kann. Das Tantal wird auf die Wendel aufgestäubt, in dem eine Gasentladung zwischen der Elektrode und der Wendel hergestellt wird.

Bei einer Wanderfeldröhre mit langer Lebensdauer und hoher Verstärkung ist es insbesondere wichtig, daß die Dämpfungseigenschaften der Wendel während der Betriebszeit der Röhre aufrechterhalten bleiben. Man hat festgestellt, daß bei herkömmlichen Röhren, bei dejien Graphit oder andere Kohlemassen als Dämpfungsmaterial verwendet werden, die Dämpfung die Tendenz hat, sich

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während langer Röhrenbetriebs zeiten zu ändern. Man hat ferner festgestellt, daß diese Änderung durch Elektronen und Ionenbeschuß des Graphits oder der Kohlemasse entsteht, welche die Wellendämpfung mit der Zeit herabsetzt und welche die Tendenz hat, die Röhre unstabil und vollständig unbrauchbar zu machen. Die Verwendung einer auf die Wendel und die Tragestäbe aufgespritzte Tantalschicht ergibt die gewünschten Dämpfungseigenschaften ohne Verschlechterung durch Teilchenbeschuß.

Bisher ist der genaue Mechanismus, durch den der Elektronenbeschuß die Verschlechterung der Kohle Schichteigenschaften beschleunigt, nicht vollständig verständlich. Es ist wahrscheinlich, daß die derzeitigen Vakuumausheizverfahren nicht alle Wasserstoffe und Kohlenwasserstoffe, die sich im Graphit befinden, freigeben, und daß ein nachfolgender andauernter Elektronenbeschuß diese Gase austreibt. Der hierbei freiwerdende Wasserstoff wird durch die Elektronen des Strahls ionisiert. Die hierbei gebildeten Ionen stoßen mit Kohleatomen in der Graphitschicht zusammen und vertreiben oder zerstäuben sie. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit

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von Kohle fffleiner Wasserstoffentladung, d.h. durch ein elektrisches Feld ionisiertem Wasserstoff, beträgt 262 mg/ampere-h, das ist eine verhältnismäßig große Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu beträgt die Zerstäubungsgeschwindigkeit von Tantal in einer Wasserstoffentladung nur 16 mg/Amp. -h., wobei man sich an die

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Tatsache erinnert, daß Tantal viel schwerer als Kohle ist und daher durch Zusammenstoß mit Wasserstoffionen nicht so leicht vertrieben wird.

Eine zweite Möglichkeit ist eine zyklische Reaktion, bei der Kohlenmonoxid und/oder Kohledioxid, die von der Glühkathode freigegeben werden, unter Elektronenbeschuß dissbziieren/um atomaren Sauerstoff freizugeben, der die Graphitschicht angreift. Der atomare Sauerstoff vereinigt sich mit Atomen des Graphits um Kohlemonoxid und/oder Kohledioxid zu bilden, das seinerseits ™

unter dem Elektronenbeschuß dissoziiert, womit der Zyklus wieder beginnt. Die Erosion einer aufgedampften Kohleschicht durch Sauerstoffatome, die in einer Entladungsröhre erzeugt werden, ist von J. Strenzneswki und J. Turkevich in dem Aufsatz ^flThe Reaction of Carbon with Oxygen Atoms¹¹, Proc. of the 3rd Carbon Conference, Seite 273-287 beschrieben. Dort ist dargelegt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit direkt von der Sauerstoffatomkonzentration abhängig ist, während sie von der Temperatur im ä Bereich von 20-100 C unabhängig ist. Welche Rolle der Elektronenbeschuß bei der Beschleunigung dieser Reaktion spielt, ist nicht klar, jedoch wurde die Dissoziierung von CO durch Elektronenstoß von W.W. Lozier, Physics Review 46, Seite 268 (1934) und von H. D. Hagstrum ¹¹On The Dissociation Energy of Carbon Monoxide and the Heat of Sublimation of Carbons", Physics Review 72, S. 947-963 (1947) beobachtet. Die folgenden Gleichungen geben die

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20,	9	ev	(2)
23,	0	ev	(3)
9,	5	ev	(4)

beobachteten Ionisations- und Dissoziationsprozesse und die entsprechenden Einsatzpotentiale, ferner die minimale Elektronenenergie, die für die Dissoziation von Kohlemonoxid notwendig ist, wieder.

CO + e" -> C⁺ + O + 2e~ 22, 8 ev (1)

CO + e" -^ C⁺ + O + e~

CO + e" ^ C + O⁺ ■+ 2e~ CO + e" -> C + O"

Die Elektronenenergie in einer Wanderfeldröhre beträgt etwa 2500 ElektronenvoIt, mehr als genug, um eine Dissoziation eines Kohlemonoxidmoleküls unter Elektronenstoß zu verursachen.

Im Gegensatz zu Graphit bildet Tantal bei der Vereinigung mit Sauerstoff einen schützenden Oxidüberzug. Dieser Überzug verhindert eine weitere Oxidation der Tantalschicht und bewahrt damit ihre Dämpfungseigenschaften.

Die Wirkung des Elektronenbeschusses au£ die Dämpfungseigenschaften verschiedener Dämpfungsmaterialien für Wendel ist in Fig. 4 dargestellt. Es wurden Versuche mit Wanderfeldröhren durchgeführt, deren Wendeln mit den folgenden Dämpfungsmaterialien überzogen waren: (I) aufgestäubte Tantalschicht, (II) aufgestäubte Tantalschicht, deren Länge und Dicke geringer als diejenigen der Tantalschicht von (I) waren, (III) und (IV) aufgestäubtes Aquadag, und (V) aufgedampfte Köhleschicht. Die Röhren

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wurden mit normalen Spannungen betrieben, wobei der Ausgang abgeschlossen und keine Hochfrequenzerregung vorhanden war. Der Elektronenstrahl wurde durch Verzerrung des magnetischen Fokussierfeldes im Dämpfungsteil gestibrt. Die Elektronen erlitten dann elastische Streuungen durch Gasmoleküle in der Röhre, so daß ein Elektronenbeschuß des Dämpfungsmaterials entstand. Fig. 4 (IV) zeigt grafisch die Rolle des Elektronenbeschusses bei der Verschlechterung der Graphitschichten. Während des Intervalls zwischen 76 und 122 Stunden wurde der Elektronenstrahl richtig fokussiert, ^

wobei sich die Dämpfung während dieses Intervalls nicht änderte. Außerhalb dieses Intervalls wurde der Elektronenstrahl gestört, wobei eine Herabsetzung der Dämpfung der Graphitschicht entstand. Aus den in Fig. 4 dargestellten Versuchsergebnissen wird ersichtlich, daß nur die aufgestäubte Tantalschicht Dämpfungseigenschaften hat, die durch langen Elektronen- und Ionenbeschuß im wesentlichen unbeeinflußt sind. Röhren mit Wendeln, die aufgestäubte Tantalschichten aufweisen, wurden mit Erfolg auf Lebensdauer geprüft. So bleiben erfindungsgemäße Wanderfeldröhren für Zeiten stabil, die die früher erreichbaren weit überschriiten.

Tantal ist auch als Dämpfungsmaterial auf anderen Anordnungen für langsame Wellen nützlich und zwar auf allen Anordnungen, die einem andauernden Teilchenbeschüß unterworfen werden.

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Claims

IO4 I U Ό ί PATENTANSPRÜCHE

( 1· Anordnung zur Stabilisierung der Dämpfungseigenschaften

eines dämpfenden Überzugs der so eingerichtet ist, daß er reflektierte Wellen auf einer Anordnung für langsame Wellen einer Wanderfeldröhre vernichtet, wobei der Überzug mit der Anordnung für langsame Wellen und mit einer tragenden Stabanordnung verbunden ist, die so eingerichtet ist, daß sie die Anordnung für langsame Wellen um einen koaxialen Elektronenstrahl herum in einer Lage hält, bei der die Anordnung und der ™ Strahl gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug

aus einer Tantalschicht (21) von kontrollierter Dicke besteht, die auf der Anordnung für langsame Welle (13) und dem benachbarten Teil der tragenden Stabanordnung (19) aufgebracht ist, derart, daß der Überzug eine minimale Empfindlichkeit für eine Verschlechterung mit der Zeit durch die Wirkung eines längeren Elektronen- oder Ionenbeschusses zeigt.

fc 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dichte der Tantalschicht in Richtung des Ausgangs der Röhre (10) verändert ist, so daß die reflektierten Wellen allmählich absorbiert werden.

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ORIGINAL INSPECTED

L e e r s e i t e