DE1566037A1 - Hochfrequenzdaempfung in Wanderfeldroehren - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated R. P. Anand

New York^ N._Y._,__l_0007_ U_._S._A._____

Hochfrequenzdämpfung in Wanderfeldröhren (Zusatz zu Patent... (Anm. W 42 293 IX d/21g)

Die Erfindung betrifft Wanderfeldröhren, insbesondere dämpfende Überzüge, die in solchen Röhren zur Vernichtung unerwünschter Rückwärtswellen verwendet werden, und ist eine Weiterentwicklung der Erfindung nach dem Hauptpatent.

In der US-Patent schrift 2 820 171 wird ein Wanderfeldröhrenverstärker beschrieben, in dem ein Streifen oder ein Überzug aus Kohle teilchen 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 Röhre angeordnet wird, an dem ein großer Teil der gewünschten Eingangssignalenergie in Form einer Raumladungswelle vorhanden ist, wird während der Herstellung sehr sorgfältig angebracht, um Störungen der Raumladungswellen klein zu halten, wobei trotzdem die reflektierten elektro-

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magnetischen Wellen auf der Wendel wirkungsvoll absorbiert werden.

Unglücklicherweise sind die Dämpfungs eigens chatten 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 Ionenbesehusses 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 aufweist und ihre Verwendbarkeit als Verstärker zunichte macht.

Das Problem der Stabilisierung der Dämpfungseigenschaften eines dämpfenden Überzugs der zur Vernichtung von reflektierenden Wellen in Wanderfeldröhren geeignet ist, wurde durch die Anordnung der den Gegenstand des Hauptpatents bildenden Erfindung gelöst, bei der

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eine dünne Tantalschicht auf die Wendel und den angrenzenden Teil der Trage anordnung aufgestäubt oder anderweitig aufgebracht wird. Wenn derartige Tantalüberzüge Wasser stoff ionen ausgesetzt werden, so haben sie eine Zerstäubungs geschwindigkeit, die mehr als eine Größenordnung geringer ist als diejenige der Kohle. Außerdem bilden derartige Tantalschichten bei der Vereinigung mit 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 vorliegende Erfindung, welche, wie gesagt, eine Weiterentwicklung der Haupterfindung darstellt, empfiehlt in Abweichung von dem Hauptpatent, daß anstelle von Tantal Überzüge aus Tantalnitrid benutzt werden. Es hat sieh gezeigt, daß Überzüge aus Tantalnitrid mit den vorteilhaften Eigenschaften der Tantalüberzüge den weiteren Vorteil verbinden, daß ihre Zerstäubungsgeschwindigkeit noch unterhalb derjenigen von Tantalüberzügen liegt.

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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;

Pig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Wendel und der Wendeltrage anordnung der Wanderfeldröhre der Fig. 1;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, bei der die Wirkung des Elektronenbeschusses auf die Dämpfungseigenschaften von Tantal-, Tantalnitrid- und Kohle schichten verglichen wird.

In Figur 1 ist ein Wanderfeldröhren-Aufbau 10 dargestellt, dessen Zweck darin besteht, elektromagnetische Wellen zu verstärken, die mit Hilfe eines Eingangswellenleiters 11 zur Röhre übertragen werden, wie es durch den Pfeil dargestellt ist. Am entgegengesetzten Ende der Einrichtung befindet sich ein Ausgangswellenleiter 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 Elektronen-

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Strahlsystem 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 1Ö gesammelt, die sich an dem dem Elektronenstrahlöystem 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.

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, fokussiret 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

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die Tendenz der Wellenenergie vom Äusgangsende der Wendel lä zurück zum Eingangsende reflektiert zu Werden und hierdurch Schwin·- gungen innerhalb der Einrichtung zu verursachen* Die reflektiörtön Wellen werden gewöhnlich durch einen Dämpfungsüberzug auf einem Teil der Wendel 13 unterdrückte Es ist allgemein üblich, äüf einem Teil der Wendel ein dämpfendes Material anzubringen, typisoherweise 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 Mikr ο ohm / cm.

Erfindungsgemäß werden die Wendel 13 und die Tragestäbe 19 auf einem bestimmten Gebiet mit einer Tantalnitridschicht 21 überzogen, um reflektierte magnetische Wellenenergie zu absorbieren. Dies wird am besten aus Figur 3 ersichtlich. Tantalnitrid hat einen ausreichend niedrigen Dampfdruck, einen ausreichend hohen Schmelzpunkt und einen spezifischen Widerstand von etwa 100 Mikroohm/cm bei 20 C, so daß die oben geforderten Eigenschaften vorhanden sind. Der niedrigere spezifische Widerstand von Tantalnitrid bedeutet, daß Tantalnitridschichten entsprechend dünner gemacht werden, um die gewünschte

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Dämpfung zu erhalten. Eine typische Dicke einer Tantalnitridschicht ist 500 A -Einheiten.

Die Art und Weise, wie die Tantalnitridschicht 2.1 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 elektromagnetische 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 Tragestäben 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 elektrischen 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 Oberfläche der Wendel selbst gedämpft.

Es ist wichtig, daß das Dämpfungsmaterial sehr sorgfältig aufgebracht wird, so daß es als reflexionsfreie Absorbiervorrichtung von Wellen

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wirkt, die zum Eingangsende fortschreiten, während es die anwachsende, 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 Tantalnitrid vorzugsweise mit Hilfe einer Zerstäubungskammer aufgebracht, die aus einer Elektrode mit einer zylindrischen Innenfläche besteht, welche mit Täntalnitrid 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 Tantalnitridschicht entstehen kann. Das Tantalnitrid wird auf die Wendel aufgestäubt, indem 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 gesamten Betriebsdauer der Röhre aufrechterhalten bleiben. Das ist ein unbedingtes Erfordernis, da das Dämpfungsmaterial bei dem Herstellungsvorgang sehr sorgfältig aufgetragen wird, um während der effektiven Absorbtion elektromagnetischer

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Wellen auf der Wendel die störende Einwirkung von fortschreitenden Raumladungswellen möglichst gering zu halten. Man hat festgestellt, daß bei herkömmlichen Röhren, bei denen Graphit oder andere Kohlemassen als Dampfungsmaterial verwendet werden, die Dämpfung die Tendenz hat, sich während langer Röhrenbetriebszeiten 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 aufgespritzten Tantalnitridschicht 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 andauernder Elektronenbeschuß diese Gase austreibt. Der hierbei freiwerdende Wasserstoff wird durch die Elektronen des Strahls ionisiert. Die hierbei gebildeten Ionen stoßen mit Kohleatomen in der Graphits chi cht zusammen und vertreiben oder zerstäuben sie. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit von Kohle in einer Wasserstoff -

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entladung, d.h. in durch ein elektrisches Feld ionisiertem Wasserstoff, beträgt 262 mg/ampere-h, das ist eine verhältnismäßig große Geschwindigkeit. Es ist indessen nicht bekannt, ob diese Geschwindigkeit für die besondere Kohlezusammensetzung gilt, mit welcher die Wendel beschichtet ist, und die möglichen partiellen Drucke des in der Röhre enthaltenen Wasserstoffs. Im Gegensatz dazu beträgt die Zerstäubungsgeschwindigkeit von Tantal in einer Wasserstoffentladung nur 16 mg/Amp. -h., wobei man sich an die 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 dissoziieren, 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. Strenznewski und J. Turkevich in dem Aufsatz "The Reaction of Carbon with Oxygen Atoms", Proc. of the 3rd Carbon Conference, Seite 273-287 beschrieben. Dort ist dargelegt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit direkt von der

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Sauerstoffatomkonzentration abhängig ist, während sie von der Temperatur im 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 "On The Dissociation Energy of Carbon Monoxide and the Heat of Sublimation of Carbons", Physics Review 72, Seite 947-963 (1947) beobachtet. Die folgenden Gleichungen geben die beobachteten Ionisations- und Dissoziationsprozesse und die entsprechenden Einsatzpotentiale, ferner die minimale Elektronenenergie, die für die Dissoziation von Kohlenmonoxid notwendig ist, wieder.

CO + e" - C⁺ + O + 2e~

CO + e" - C⁺ + O + e~

CO + e" - C + O⁺ + 2e~

CO + e" - C + θ"

Die Elektronenenergie in einer Wanderfeldröhre beträgt etwa 2500 Elektronenvolt, mehr als genug, um eine Dissoziation eines Kohlemonoxidmoleküls unter Elektronenschuß 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 Dämpfungseigenschaf ten.

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22, 8 ev	(D
20, 9 ev	(2Γ
23, 0 ev	(3)
9, 5 ev	(4)

Die Wirkung des Elektronenbeschusses auf 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) aufgestäubte Tantalnitridschicht; (IVund V) aufgestäubtes Aquadag, und (VI) aufgedampfte Kohleschicht. Die Röhren wurden mit normalen Spannungen betrieben, wobei der Ausgang abgeschlossen und keine Hochfrequenzerregung vorhanden war. Der Elektronenstrahl wurde durch Verzerrung des magnetischen Fokussierfeldes im Dämpfungsteil gestört. Die Elektronen erlitten dann elastische Streuungen durch Gasmoleküle in der Röhre, so daß ein Elektronenbeschuß des Dämpfungsmaterials entstand. Fig. 4 (V) zeigt graphisch 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 aufgestäubten Tantalschichten (I und II) und die Tantalnitridschichten (III) Dämpfungseigenschaften haben, die durch langen Elektronen- und Ionenbeschuß

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im wesentlichen unbeeinflußt sind.

Röhren mit Wendeln, die aufgestäubte Tantalnitridschichten aufweisen, wurden mit Erfolg auf Lebensdauer geprüft. Beispielsweise, haben unter normalen Bedingungen betriebene Wandelfeldröhren bei 5 Watt Verlust in einem Tantalnitrid-Dämpfungsnetzwerk während 2000 Stunden keine Verschlechterung gezeigt. So bleiben erfindungsgemäße Wanderfeldröhren für Zeitspannen stabil, die die früher erreichbaren weit überschritten.

Tantalnitrid ist auch als Dämpfungsmaterial auf anderen Anordnungen für langsame Wellen nützlich und zwar auf allen Anordnungen, die einem andauernden Teilchenbeschuß unterworfen werden. Zahlreiche andere Ausführungsformen und Änderungen sind im Rahmen der Er·? findung für den Fachmann verfügbar.

Insbesondere werden zur Zeit die Nasenkonusse von Raumfahrzeugen mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, welcher nach Wiedereintritt in die ionisierte Atmosphäre mit dieser reagiert. Demgegenüber würde Tantalnitrid nicht in dieser Weise reagieren, so daß der Nasenkonus unbeschädigt bleibt.

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   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, unter Verwendung von Tantal zur Bildung des Überzugs von kontrollierter Dicke auf
   der Anordnung für langsame Wellen und dem benachbarten Teil der tragenden Stabanordnung, nach Patent... (W 42 293 IX d/21g),
   dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Tantalnitrid besteht.

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