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Hochleistungsmagnetron, insbesondere Hochleistungsdauerstrichmagnetron
Ein Magnetron besteht im Prinzip aus einer ringförmig geschlossenen Verzögerungsleitung,
die infolge der dabei verursachten Rückkopplung einen selbsterregenden Generator
darstellt.
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Die Erfindung betrifft ein Hochleistungsmagnetron, insbesondere Hochleistungsdauerstricbmagnetron,
mit einer ringförmig geschlossenen Verzögerungsleitung, wobei sich die Hochfrequenzenergie
dieser Verzögerungsleitung auf zwei oder mehrere Energie-Auskopplungen verteilt,
die vorzugsweise symmetrisch auf die Verzögerungsleitung verteilt sind, nach Patent
(Aktenzeichen: P 15 41 951.5).
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Mit diesem Magnetron kann eine optimale Energiebelastbarkeit der Auskopplung
erhalten werden und gleichzeitig-ermöglicht es im Vergleich zu nur einer vorhandenen
Einzelauskopplung eine gleichmäßigere Belastung der Verzögerungsleitung.
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Außerdem wird bei diesem Magnetron eine gleichmäßige Energiedichte
im Elektronenlaufraum längs der Verzögerungsleitung erzielt, wodurch sich auch für
den Synchronismus
des umlaufenden Hochfrequenzfeldes und des umlaufenden
Elektronenflusses günstige Verhältnisse ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Magnetron weiter
zu verbessern. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß seine konstruktive
Ausftlhrung so gewählt ist, daß sich zwischen den beiden Energie-Auskopplungen in
der äußeren Anordnung eine konstante Phasendifferenz von angenähert einer Viertel-Wellenlänge
befindet. Dadurch ergeben sich bei allen Phasenwerten und Reflexionswerten ftlr
die Gesamtleistung und den Magnetronwirkungsgrad ein Optimalwert und nur geringe
Schwarilningen.
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Nachstehend ist die Erfindung in Gegentiberstellung zu bekannten Magnetrons
anhand von Zeichnungen in zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen dabei im einzelnen: Fig. 1 schematisch dem Prinzip nach im Schnitt dargestellt
ein bekanntes Magnetron mit Auskopplung der Hochfrequenzenergie aus einem Sektor
der Vcrzdgerungsleitung über nur eine Koppelschleife und einen Koaxialleiter, Fig.
2 in gleicher Darstellung ein ebenfalls bekanntes Magnetron mit Entnahme der Hochfreq@enzenergie
aus zwei benachbarten Sektoren auf einer gemeinsamen Auskopplung, Fig. 3 ebenfalls
schematisch im Schnitt dargestellt ein Dauer-9ricmagnetron entsprechend der Erfindung
mit zwei sich z.B.
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diametral gegenUberliegenden Auskopplungen,
Fig.
4 analog zu Fig. 3 wiedergegeben ein der Erfindung entsprechendes Magnetron mit
drei symmetrisch zueinander vorgesehenen Auskopplungen, Fig. 5 ein Magnetron nach
Fig. 3 mit seinen Energieauskopplungen in einer konstruktiven Ausführung, teilweise
geschdXten, mit Blick auf die Verzögerungsleitung,und Fig. 6 eine Ansicht dieses
Magnetrons im Schnitt nach der Schnittlinie VI-VI in Fig. 5.
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Beim bekannten Magnetron nach Fig. 1 sind die Lamellen, die die Sektoren
bzw. Resonatoren 6 der Verzögerungsleitung in an sich bekannter Weise bilden, mit
7 bezeichnet. Im Schnittbereich der strichpunktiert eingezeichneten Achsen befindet
sich die Kathode 8 des Magnetrons; aus dem Sektor 6e ist dabei über eine Auskopplung
1 die Hochfrequenzenergie dem Magnetron nur an einer Stelle ausgekoppelt.
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Dem ebenfalls an sich bekannten Magnetron nach Fig. 2 wird die Hochfrequenzenergie
aus zwei benachbarten Sektoren 6a und 6e entnommen und auf einer gemeinsamen Energie-Auskopplung
1 ausgekoppelt. Hierbei erhöht sich zwar durch die Verteilung der Energie auf zwei
Koppelschleifen die Belastungsfähigkeit dieser Scileiren. Es bleibt migllcherweise
aber inner noch die vorstehend erwähnte thermische Begrenzung der Koaxialleitung
bestehen.
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Abweichend gegenüber den Magnetrons nach Fig. 1 und 2 sind
entsprechend
dem Hauptanspruch beim Dauermagnetron nach Fig. 3Yzwei Auskopplungen 1 und 2 vorgesehen,
die sich z.B. diametral gegenüberliegen, die aber auch anders angeordnet sein können.
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ebenfalls Nach Fig. ii slndXz.B. drei Auskopplungen 3, 4 und 5 vorhanden,
die symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dabei sind Sene Lamellen, die die Sektoren
bzw. Resonatoren 6 der Verzögerungsleitung bilden, wiederum mit 7 bezeichnet. Auch
befindet sich bei diesem Magnetron im Schnitt bereich der strichpunktiert eingezeichneten
Achsen seine Kathode 8.
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In der Darstellung nach Fig. 5 und 6 eines konstruktiv ausgeführten
Magnetrons nach Fig. 3 sind die übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen. In Ubereinstimmung mit dieser Fig. 3 sind erkennbar die sich im wesentlichen
diametral gegenüberliegenden Auskopplungen 1 und 2, die an die entsprechenden Lamellen
7 angekoppelt sind. Die Kathode ist wieder mit 8 bezeichnet. Die radial stehenden
Lamellen 7 sind Teile ihres sie ringförmig umgebenden Anodenkörpers 9. Diese Teile
7 und 9, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, bilden die sogenannte Verzögerungsleitung.
Die Auskopplungen 1 und 2 werden hierbei gebildet durch den Innenleiter la und den
Außenleiter 1b bzw. 2a und 2b, die jeweils zusammen eine sogenannte Koaxialleitung
darstellen. Mit 10 und 11 ist jeweils ein Hülsenkörper bezeichnet, der auf das Ansatzstück
12 bzw. 13 des Anodenkörpers 9 aufgesetzt ist. Die beiden Hülsenkörper 10 und 11
dienen, wie an sich bekannt, zum Halten eines quer daran anzusetzenden
Hohlleiters
(nicht dargestellt), in den die Energie durch die Antennen 11C bzw. 15 eingekoppelt;
wird, welche Antennen die Verlängerung des Innenleiters la bzw. 2a bilden. An die
Außenleiter 1b und 2b schließt sich als Vakuumabschluß Je ein Kolben 16 bzw. 17
an, bestehend aus verlustarmem dielektrischem Material, bevorzugt aus Glas oder
Keramik. Diese Kolben L6 und 17 ragen dabei in ihren vorstehend erwähnten EIohllelter
hinein.
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Die indirekt geheizte Kathode 8 hat die hohle Zuleitung 18, In der
auch die Rückleitung für die Kathode untergebracht ist. Mit 19 ist die Halterung
des Magnetrons bezeichnet.
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Die Teile 20 und 21 stellen die Polschuhe des Magnet@n des Magnetrons
dar. Mit 22 und 2) sind Kurzschlußringe für die Lamellen 7 bezeichnet, die, wie
an sZl bekannt, zur Stabilisierung der Grundfrequenz lllenen Durch die im Hauptpatent
erfasste Mehrfach-Auskopplung der Energie erreicht; man noch den weiteren großen
Vorzug, daß sich die Energie raummäßig vom Magnetron aus vorteilhafter verteilen
läBt. Dies ist besonders wichtig z.B. für die Erreichung der gleichmäßigen Energieverteilung
in Schwingunshohlräumen.
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Zur Erläuterung der für das Magnetron bezüglich der Energiedichte
im Elektronenlaufraum gegebenen physikalischen Vorgänge wird vereinfachend angenommen
und vorausgesetzt, daß fast alle im Elektronenlaufraum der ringförmig geschlossenen
Verzögerungsleitung
erzeugte Hochfrequenzenergie durch die angeschlossene Energie-Auskopplung entnommen
wird. Die Energiedichte des Hochfrequenzfeldes bzw. der umlaufenden Welle wird dabei
dann hinter dem Auskoppel-Resonator bzw. Auskoppel-Sektor mit einem Minium beginnen
und entlang der Verzögerungsleitung durch die Wechselwirkung mit; dem Elektronenfeid
bis zum nächsten Auskoppel-Resonator zu einem Maximum anwachsen. Im gleichn VerhäLtnis
wird auch die Phasenfokussierung der umlaufenden Elektronenwolke zunehmen. Die maximal
mögliche Elektronendichte in der fokussierten Elektronenwolke wird also für die
hochfrequenzleitung bestimmend sein.
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Befindet sich min rtur eine einzige Energie-Auskopplung auf der ringförmigen
Verzögerungsleitung, wie dies bekannt ist, so werden die Energiedichte des Hochfrequenzfeldes
und die Elektronendichte in der fokussierten Elektronenwolke nur einmal bei einem
vollen Uiauf ihr Maximum erreichen. Bei zwei oder mehreren, symmetrisch verteilten
Energie-Auskopplungen, wie dies bei dem Magnetron nach der Erfindung der Fall ist,
wird sich entsprechend das gleiche Maximum mehrmals bei einem einzigen vollen Umlauf
einstellen.
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GegenUber einem Magnetron mit nur einer einzigen Auskopplung läßt
sich bei zwei oder mehreren symmetrisch auf die Verzögerungsleitung verteilten Auskopplungen
die mittlere Energiedichte des Hochfrequenzfeldes und die mittlere Elektronendichte
im
Elektronenlaurraum wesentlich erhöhen und damit die Hochfrequenzielstung des Magnetrons
entsprechend vergrößern. Allgemein kann über die Arbeitsweise eines Magnetrons noch
auf das Buch "Magnetrons" von Dr. K. Hinkel, 1961 Philips Technische Bibliothek,
verwiesen werden.
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Von Bedeutung ist bei der Funktion eines Magnetrons auch noch folgendes
Die abgegebene Hochfrequenzleistung eines normalen Magnetrons mit nur einer Energie-Auskopplung
ist bei höherer Energiereflexion stark abhängig von der Phasenlage der reflektierten
Welle zur Primärwelle. Leistung und Wirkungsgrad sinken in der Regel im wthermischen
Gebiet", also dem Gebiet der Leistungsverringerung, stark ab und steigen im Gebiet
der Leistungsverstärkung, also im "elektronthchen Gebiet", leicht an.
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Bei einem Magnetron mit zwei Auskopplungen tritt nun Uber die Verzögerungsleitung
eine Energiekarespondenz ein. Wird an einer Auskopplung, z.B. an der Auskopplung
1, Energie reflektiert, so läuft die reflektierte Welle über die Verzögerungsleitung
und verstärkt die Primärenergie der anderen Auskopplung, also der Auskopplung 2.
Dies tritt besonders dann ein, wenn beide Auskopplungen nicht gleichzeitig im thermischen
Gebiet liegen, sondern wenn sie sich nach vorliegender Zusatzerfindung in verschiedenen
Phasengebieten befinden. Gemäß dieser Erfindung ist daher die äußere Anordnung so
getroffen, daß sich zwischen den beiden Energie-Auskopplungen eine konstante Phasendifferenz
von angenähert
einer Viertel-Wellenlänge befindet. Dadurch ergeben
sich bei allen Phasenwerten und Reflexionswerten für die Gesamtleistung und den
Magnetron-wirkungsgrad ein Optimalwert und nur geringe Schwankungen. Diese Anpassung
kann z.B. sch@@ @rreicht werden durch entsprechende Wall1 der Differenz der beiden
zum Verbraucher hin führenden Energiezuleitungen.
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Zu einem nachstehend vorgenommenen Leistungsvergleich wird z.B. jenes
Magnetron herangezogen, wie es den Fig. 3 bzw. 5 und 6 entspricht. Es handelt sich
dabei also um ein sogenanntes Zwölf-Schlitz-Magnetron mit zwölf Lamellen 7, das
im Gebiet von 2.450 KIz arbeitet; und dessen Anodendurchmesser 10 mm groß geält
ist. Mit diesem Magnetron erhält man im Fall der Verwendung nur einer einzigen Auskopplung
bei einem maximalen Magnetfeld von 1.400 Gauss und einem maximalen Anodenstrom von
1,1 Ampere eine Hochfréquenzleistung von 2,4 kW und einen Wirkungsgrad von 70 %.
Das gleiche Anodensystem kann aber unter s@nst gleichen Bedingungen bei Verwendung
von zwei symmetrischen Auskopplungen bis zu einem Magnetfeld von 1.500 Gauss und
einem Anodenstrom von 1,25 Ampere belastet werden. hierbei wird eine Hochfrequenzleistung
von 3,25 kW und ein Wirkungsgrad von 76 % erreicht. Durch die Einfitlirung der zweiten
Auskopplung ergibt sich demnach also eine Erhöhung der Hochfrequenzleistung um 35
%.
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Das vorstehend behandelte Zwölf-Schlitz-Magnetron mit symmetris@er
Auskopplung analog Fig. 3 bzw. 5 und 6 und mit den oben angegebenen Belastungswerten
zeigt, wie Messungen nachweisen, bei
einem Welligkeitsfabtor der
Energierefle@ion von s = 4 über alle Phasenwerte gegenüber dem Mittelwert eine Schwankung
von 6 % nach oben und 12 % nach unten für die Gesamtleistung. Das gleiche Magnetron
mit nur einer einzigen Auskopplung besitzt für den gleichen Welligkeitsfaktor eine
Leistungsschwankung von 4 % nach oben und 27 % nach unten.
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Die der Erfindung entsprechenden Magnetron@ beschränken sich nicht
auf einen bestimmten Frequenzbereich.