DE1566033A1

DE1566033A1 - Leitungstrenner fuer mit periodischen Permanentmagneten fokussierte Wanderfeldroehre

Info

Publication number: DE1566033A1
Application number: DE19671566033
Authority: DE
Inventors: Phillips Robert M
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1967-02-21
Filing date: 1967-12-21
Publication date: 1970-04-30
Also published as: GB1196072A; DE1566033B2; US3466493A; FR1555143A

Description

PATENTANWÄLTE Λ C C. C Π Q Q

DR.CLAUS REINLÄNDER ^lpD0UW

DIPL-IN& KUUS BERNHARDT V1 P1.51 D

D-8 MÜNCHEN 23 MAINZER STRASSE 5

VARIAN ASSOCIATES

Palo Alto, California

V. St. v. Amerika

Leitungstrenner für mit periodieohen Permanentmagneten fokuseierte Wanderfeldröhre

Prioritätt 21. Februar I967 - Vereinigte Staaten von Amerika -Serial No. 6I7 685

Übliche Leitungstrenner (HF absorbierende Bereiohe mit der Verstärkunf Nullt die modulierte Strahlen hindurohtreten lassen und durch wild· Schwingungen auftretende Probleme daduroh rerhindern, das· die Lei« tungesektionsverftärkung begrenzt wird) eind entweder kompliziert und aufwendig oder reiohen bei mit Permanentmagneten fokuesierten Wanderfeldröhren nioht aus, bei denen der kleinst mögliche Abctand swisohen der FokuMieretruktur und der Leitung benötigt wird, um

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maximale Verhältniese H-FeId zu Gewioht zu erhalten. Wenn eine Verlustsohioht auf den isolierenden Leitungsträgern, beispielsweise Stangen oder Stäben, in Verbindung mit einer Zwisoheneohioht aus leitendea Metall auf den Stäben verwendet wird, wurde erfindungsgeaäss festgestellt, dass Lichtbogen und sich daraus ergebende Korrosionsprobleae in einer kompakten Konstruktion vermieden werden, die für mit perlodisohen Permanentmagneten fokuseierte Wanderfeldröhren geeignet ist.

Die Erfindung betrifft also allgemein Hochfrequenz-Elektronenentladungeeinriohtungen, die im Mikrowellenbereioh arbeiten können, und insbesondere mit Permanentmagneten fokussierte (PPM*·fokuseierte) Wanderfeldröhren, die mit Verzögerungsleitungen arbeiten, die in einem Vakuumgefäes ait dielektrischen Trägern gehaltert werden und die ait einer neuartigen Leitungstrennerkonstruktion versehen sind»

Übliche Leitungstrenner in Wanderfeldröhren, die ait dielektrischen Btäben gestützte Verzögerungsleitungen aufweisen, beispielsweise eine ait Staagen oder Stäben gestützt· Wendel» Ring- und -Stange-Leitung, . Eing-Sohleife^gegen- oder Kreuz-gewiokelte Wendel usw., erfordern ia allgemeinen entweder fin unterteilen der Bohre selbst, wobei verlust» behaftetes Absorptionsmeterial in den Trennbereich gebracht wird und metallische Mebensohlüsse zum Vakuumgefäss gemäss Fig. 2 vorgesehen sind, oder es sind massige Mapfer-Metall-Säapfer-Singe um die Lei tunig und die Stützelemente herum angeordnet, wie in der US Patentschrift 2 939 99^ gezeigt ist· Im ersten Falle werden typisoherweise Mehrfaohstütssektionen verwendet, bei den·» sowohl mehrere Verzögerungsleitungen

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ale auoh mehrere Stabesektionen auftreten, und es ergeben sich dadurch Herstellungsprobleme und höhere Herstellungskosten. Im zweiten Falle verhindert der massiv« Aufbau der zur Bildung der Trennsektion benutzten Hing® die Verwendung dieser Lösung bei PPM-fokussierten Röhren, wenn -ein optimaler Wirkungsgrad der Magnetfokussierung erwünscht let. Durch die Erfindung wird ©iß· Verbesserung dieser Konstruktionen dadurch erreicht, dass sowohl mehrfache Sektionen ale %uch unzulässige Massigkeit vermieden werden. Es wird die Kombination eines Metallband·« oder einer Schicht mit zwei verluetbehafteten Dämpfungs· schichten vorgesehen, die alle auf den Trägern angeordnet sind. Die Metallschicht beseitigt Funkenüberechlags- und Korrosionsprobleme, die Ifttrlloh su unaulässig hohen KurseohlüBsen von Windung zu Windung der nioht getrennten Röhrenteile führen können, und stellt darüber hinaus einen hervorragenden Ableitweg für abgefangenen Strahlstrom. , dar, ohne dass der Aufbau -einer Ladung zwischen der Leitung, und dem daruä befindlichen Gefäes zugelassen wird; die eine der hauptsächlichen Ursachen für die erwähnten Überschläge und Korrosioneprobleae dasstellt, die bisher aufgetreten sind» Die erfindungsgemässe Konstruktion erlaubt es, den Betriebsleistungspegel,-von Wanderfeldröhren auszudehnen, ohne dass katastrophale Röhrenausfälle erhalten werden, aber auch ohne dass nassige oder teure Konstruktionen verwendet werden müssen, wie sie oben besprochen sind.

Durch die Erfindung soll also eine Wanderfeldröhre mit verbessertem Lcdtängetrenner verfügbar gedacht werden.

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ErfindungBgemäss wird eine PFM-fokussierte Wanderfeldröhre verfügbar gemacht, die eine dielektrisch gestützte Verzögerungsleitung aufweist, die eine metallene verlustbehaftete Leitungstrennerregion aufweist, die als Schichten auf den dielektrischen Trägern gebildet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigern Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch eine PPM-fokussierte Wanderfeldröhre gemäss der Erfindung!
Fig. 2 eine teilweise echematische Darstellung einer bekannten Leitungstrennerkonstruktionj

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1} Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3s Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3$ und Fig. 6 einen Schnitt durch eine dielektrisch gestützte Verzögerungsleitung und das zugehörige Vakuumgefäss zur Veransohaulichung des typischen Lochfrasses und eich daraus ergebender Niederschlagprobleme, die bisher auftraten.

In Fig. 1 ist ein typisches Ausführungsbeispiel einer PPM-fokuseierten Wanderfeldröhre θ dargestellt, die eine dielektrisch gestützte Ring-Schleifen-Verzögerungsleitung 9 aufweist, die in fester Beziehung innerhalb eines metallenen Vakuumgefäsees 10 angeordnet istj beispielsweise mit bekannter Verformungstechnik mit aufgekeiltem Gefäss. Die Wanderfeldröhre weist einen Leitungstrennerbereich 11 auf, der im wesentlichen die gesamte HF-Schwingungsenergie abzieht, während gleichzeitig der modulierte Strahl unbehindert etromabwärts wandern kann. Da die Wander-

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feldröhre selbst, und zwar sowohl eine Konstruktion nach Fig. 1 mit Trennung als auoh eine Konstruktion ohne Trennung, bekannt ist und in der Literatur bereite vielfach beschrieben worden ist« sollen im folgenden die bekannten Aspekte der Röhre naoh Fig. 1 nur kurz besprochen werden.

Kurz gesagt, die in Fig. 1 dargestellte Röhre arbeitet mit einer Elektronenkanone oder einer Strahl-Formungs- und Projizier-Einrichtung 12 üblicher Art, die am stromaufwartigen Ende innerhalb des evakuierten Röhrengehäuses angeordnet ist, das bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform einen Isolierteil 13 aufweist, der um die Elektronenkanone 12 herum angeordnet ist und vakuumdicht mit einem Haupt-Beschleunigungsanoden-Bereich 14 verbunden ist, der seinerseits vakuumdicht mit einem länglichen rohrförmigen Qefäss 10 verbunden ist, in dem die Verzögerungeleitung 9 angeordnet ist. Bas stromabwärtige Ende der Röhre ist mit einem Elektronenkollektor 15 abgeschlossen, der dazu dient, die verbrauchten Strahlelektronen zu absorbieren. Der Kollektor 15 kann in irgendeiner bekannten Weise aufgebaut sein und echliesst den stromabwärtigen Bereich des Vakuumgefässes ab.

Zu verstärkende elektromagnetische Sohwingungsenergi· wird mit irgendeinem geeigneten HF-Kopplermeohanismus in die Röhr· eingespeist, beispielsweise einem ,Koaxialkoppler 16, und naoh d«r Verstärkung wird sie am stromabwärtigen Ende der Röhre mit irgendeinem geeigneten HF-Koppler herausgeholt, beispielsweise einem Koaxialkoppler I7. Ein PPM-Fokussiersystem 18 (Fokussierung mit periodisohen Permanentmagneten) dient dazu,

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die Strahlgeometrie in bekannter Weise aufrechtzuerhalten. Dae PPM-Pokuaeiereyetem weiat eine Anzahl axial polarisierter Permanentmagneten 19- auf, beispielsweise aus Alnico oder irgendeinem anderen üblichen Magnetmaterial, die längs der axialen Ausdehnung der Röhre in Verbindung mit einer Anzahl Polsohuhe 20 aus Weicheisen oder dergleichen Material hoher Permeabilität angeordnet sind, um irgendein geeignetes Strahlfokussierfeld mit ausreichender Stärke längs der Röhrenachse in bekannter Weise zu erzeugen. Um Magnetgevioht einzusparen und den Wirkungsgrad der PPM-Fokussiereinrichtung zu optimieren, ist es unbedingt erforderlioh, dass die Verzögerungsleitung so dicht wie möglich an der PPM-Fokussiereinriohtung angeordnet wird, weil die Feldstärke exponential von den Polschuhen aus abfällt. Durch diese Anforderung wird eine integrierende Polsohuhkonstruktion erforderlich, wie sie in der älteren Anmeldung V26 563 IXd/21g der Anmelderin beschrieben ist, bei der das Vakuumgefäss des Haupteils der Röhre tatsächlich aus einer Reihe*von unmagnetisohen Abstandshaltern besteht, die mit eisernen Polschuhen verbunden sind. Statt.dessen kann ein einfaches Metallgefäss 10 verwendet werden, das allgemein auf Erdpatential arbeitet, und hierbei wird ebenfalls der räumliche Aufwand und der Abstand zwischen den PoI-sohuhen und der Leitung auf ein Minimum herabgesetzt. Die spezielle Verzögerungsleitung 22 gemäss Fig. 1 ist eine Ring-Schleife-Leitung, die mit dielektrischen Stäben 25 gestützt wird, wie am besten in Fig. ersiohtllch ist. Die Ring-Schleife ist eine einfaohe Variante der ' Ring-und-Stange-Leitung gemäss VS Patentschrift 2 937 311, bei der die üblichen Stangen durch Schleifen 24 ersetzt sind. Die Verzögerungsleitung 22 ist nur «in Beispiel für viele geeignete Leitungen, die

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zweckmiissigerweiee in der in Fig. !dargestellten Röhre verwendet werden können und bei denen dielektrische Stützelemente verwendet werden, die bekanntesten-Leitungen dieser Art sind die Wendel, Ring-Stange -Leitung und gegengeviokelte Wendelleitungen. Vorzugsweise wird eine Stützung mit zwei Stäben gemäse Fig. 5 bei der Ring-Schleife-Leitung verwendet, wenn auch drei oder mehr Stützstä"be verwendet werden könnten, was üblicherweise bei Wendelleitungen der Fall ist. Um einen guten thermischen Kontakt zwischen der Verzögerungsleitung und dem sie umgebenden Hetallgefäss zu erhalten, sind Eindellungen 25₍ 26 sowohl in den Auasenumfang der Leitung 22 als auch in den innenumfang des Gefäeaes 10 geschnitten, so dass zwei diametral einander gegenüberliegende, axial längliche Schlitze mit Krümmungen gebildet werden, die den zylindrischen StützStabkrümmungen angepasst sind, so dass eine maximale Wärmeleitung und eine gute Steifigkeit der ganzen Einrichtung erreicht wird. Die Leitung kann im Gefäse 10 in irgendeiner bekannten Weise festgelegt werden, beispielsweise ist es möglich, die Verzögerungsleitungs-Baueinheit in das Gefäße 10 einzuschieben, wenn länge des Sefäsaes ein länglicher Druck ausgeübt wird, so dass dieses verformt wird, und wenn dann das Gefäss freigegeben wird, wird in bekannter Weise ein* guter Preseitz erreicht.

In Fig. 2 ist ein typischer Leitungstrenner bekannter Art dargestellt, bei de» das Vakuumgefäss und die Leitung in Sektionen aufgespalten sind, und zwiechen die Leitungsenden und die Sektionen 31» 32 des Gefäsaea sind Zungen 30, beispielsweise aus Tantal oderdergleiohen,

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eingesetzt, mit denen abgefangener Strahlstrom abgeleitet wird und ebenso die HF-Isoliereigenschaften des Trenners in Verbindung mit der verlustbehafteten HF-Beschiohtung 33 auf den Tragstäben 34 aus Aquadag oder dergleichen verbessert wird. Die Nachteile dieser Konstruktion sind eingangs bereits erläutert. Die epezielle Trennung nach der Erfindung ist am besten in Fig* 3 und 4 erkennbar, sie besteht darin, dass eine Metallschicht 40 auf jeden Tragetab niedergeschlagen wird, ■o das« vielleicht zwei oder drei Perioden der Leitung (Windungen, Steigung etc.) überdeckt werden. Irgendein gut leitendes Metall kann in Verbindung mit üblichen dielektrischen Tragelementen, beispielsweise aus Tonerde, Saphir usw. verwendet werden. Beispielsweise hat ■ich eine Legierung aus 80 i» Molybdän und 20 i» Mangan als befriedigend erwiesen, die aufgestrichen und in eines Ofen bei etwa 1450 -I5OO⁰ C 45 Minuten lang gebrannt wurde, es ergaben sich dann gut haftende Metallbeschiohtungen von 0,013 - 0,025 mm (0,5 - 1 mil) Stärke. Selbstverständlich kann irgendeine andere bekannte Metallbesohiohtung auf Keramik verwendet werden. Das verlustbehaftete HF-abeorbierende Material 4I» 42, beispielsweise Aquadag, pyrolytiecher Graphit, und dergleichen wird auf beiden Seiten des Metallbandes 40 niedergeschlagen, oder vorzugsweise wird gemäss Fig. 4 das Verlustmaterial 43 über dem Band auf eine Dicke von etwa 0,013 nun, oder vorzugsweise weniger, niedergeschlagen. Eine sehr gute Lösung, die her« vorragende Ergebnisse geliefert hat, besteht darin, chemisch aus dem Dampf niedergeschlagenen Kohlenstoff als Schicht zu verwenden (pyrolytischen Graphit). Gute Ergebnisse sind erhalten worden, indem H--Trägergas in Blasen durch Benzol geleitet wurde, wobei die Stäbe auf

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etwa 15OO⁰ C gehalten wurden* In 5 Minuten wurden gute Schichten von etwa 0,013 ώη (O,5 mil) Stärke erhalten. Geeignete Maskiertechniken können dazu verwendet werden, die getaperten Bereiche zu bilden, die HF-Reflektionen verringern. Irgendeine beliebige Anzahl von Leitungslängen kann überdeckt werden, je nach dem erfordernohen Grad HF-Absorption, beispielsweise 5 oder 6 Leitungsperioden.

Bin grosses Problem bei Hochleistungs-Wanderfeldröhren mit solchen Verzögerungsleitungen und irgendeinem Material, das Kontakt mit einem oder mehreren der Stäbe,d*m Gefäss und der Leitung herstellt, liegt in der Tatsache, dass elektrostatische Ladungen sich auf der Leitung durch Abfangen des Strahls aufbauen, und zwar mit Geschwindigkeiten, die einfache Hochfrequenz-Verlust-Schichten nicht aufnehmen können* Dadurch ergeben sich unter Umständen Bogenüberschlage zwischen dem Verlustmaterial und der Leitung, in einem Ausmaes,. bei dem Metall aus der Leitung tatsächlich entfernt wird und auf dem Verlustmaterial nie« dergeschlagen wird, oder auf dem, was davon übrigbleibt, da das Material bei Bogenentladung ziemlich schnell abbrennt. Dadurch ergibt sich eine' Korrosion 48 der Leitung, eine Beschädigung der Verluetsohioht und selbst Kurzschlüssewindung-Windung 49, wie in Pig. 6 dargestellt ist, und zwar noch-jenseits der Trennung selbst. Diese Erscheinungen können einen katastrophalen Röhrenausfall herbeiführen, weil sie einfach in unkontrollierbarer Weise weglaufen, wenn sie einmal angefangen haben. Brfindungsgemäss werden alle diese Probleme daduroh beseitigt, dass ein Metallband in Verbindung mit der Verlustschicht auf den Stützetäben selbst verwendet wird. Diese Lösung liefert beispielsweise einen Wsg · von 1/2 Ohm, mit dem abgefangener Strahlstroa abgeleitet wird, und damit werden Bogenüberschläge beseitigt, well das Metallband 40 einen

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«10«.

Gleichstrom-Kurzschluss «wischen der Leitung 22 und dem Metallgefäee 10 bildet. Daa Metallband bildet auch einen BF-Kurzschluss, der beim Bineetzen einen Verlust von etwa 25 dB und sehr über die Dämpfung hinaus bringt, die das Dämpfungeaaterial allein hervorruft. Die Stäbe können auch direkt an das metallene Trennband gelötet werden, wenn das er» wünscht sein sollte, um eine höhere Steifigkeit zu erhalten, um Schlupf-Probleme herabzusetzen, lin einfacher Fressitz hat ausgereicht, eine gute Berührung des Metallbandes 40 »it der Leitung direkt durch die dünne pyrolytische Graphit.sohicht herbeizuführen, die direkt über das metallisierte Band aufgebracht werden kann, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 dargestellt ist.

/Patentansprüche

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Claims

V1 PI5I D P a t « η tan s ρ τ ü oh e

1. Hoohfr«qu«ns>ll«kt7onen«ntladuageeiariohtung mit Wand·rfeld, bestehend »ue einer Slektrosienstrahl-Form« und Projiiier-Einriohtung am stromaufwärtigen Ende, «in·» Blektronenstrahlköllektor am stromabwärtigen 8n&· und eines längliehen Vakuumgefäas swisöhen diesen beiden Teilen, in dta tine Tereögerungaleitung angeordnet ist, um eine Wechselwirkung Strahl-Sohwingung su erhalten, die eine Anzahl länglicher dielektrischer Tragele^ente aufweist, die längs der axialen Ausdehnung der Einrichtung in intimer körperlicher Berührung mit einer länglichen Verzögerungsleitung angeordnet sind, die innerhalb der Tragelemente angeordnet ist . und in intimer Berührung mit dem länglichen YakuumgefäVse stehen, das ausserhalb der Tragelemente angeordnet ist, wobei die Yerzögerungsleitung einen Leitungetrennerbereioh aufweist, d.h. einen Bereioh, in dem die Verstärkung im ,wesentlichen Null ist, und reine HP-Absorption Torliegt, die aber einen modulierten Elektronenstrahl durchläset, daduroh gekennzeiohnet, dass der Leitungetrennerbereioh eine leitende Metallschicht auf den Tragelementen aufweist, die als effektirer Qleiohstrom-Kurzeohluas »wischen dem länglichen Vakuuaigefass und der VersSgerungsleitung wirkt, und eine rerlustbehaftete HP-Abeorptiontsehioht auf den Trageleeenten Angeordnet ist uad sich beidseits der leitenden Metallschicht erstreokt.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Metallschicht ein Band um jedes der Tragelemente bildet und sich längs einer Anzahl periodischer Längen der Verzögerungsleitung erstreckt, und dass die verlustbehaftete HF-Absorptionsschicht direkt auf der Oberseite des Bandes angeordnet ist und sich längs wenigstens einer Anzahl periodischer Längen der Verzögerungsleitung auf beiden Seiten des Bandes erstreckt.

J. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehaftete HP-Absorptionsschicht pyrolytischer Graphit ist.

-4· Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass das längliche Vakuumgefäss, das um die Verzögerungsleitung herum angeordnet ist, ein Metallrohr ist, und dass eine periodische Permanentmagnet-Fokussiereinrichtung in intimer Berührung damit an diesem abgestützt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehaftete HP-Absorptionsschicht beidseits der leitenden Metallschicht getapert ist, und dass die dielektrischen Stützelemente längliche Stäbe sind, die in länglichen Schlitzen ähnlicher Krümmung sowohl in dem länglichen Vakuumgefäss als auch in der Verzögerungsleitung angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die leitende Metallschicht als auch die verlustbehaftete HF-Abaorptionssehicht intime körperliche Berührung mit dem Vakuumgefäss und der Verzögerungsleitung haben und sich längs einer Anzahl periodischer Längen der Verzögerungsleitung erstrecken.

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