DE2224122A1

DE2224122A1 - Höchstfrequenzröhre

Info

Publication number: DE2224122A1
Application number: DE19722224122
Authority: DE
Inventors: Paul LHaye les Roses; Her vier Jean Paris; Aucouturier (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-05-18
Filing date: 1972-05-17
Publication date: 1972-11-30
Also published as: FR2137311A1; DE2224122C2; GB1366754A; JPS5642097B1; FR2137311B1; US3753031A

Description

Unser Zeichen; 3? 1216

THOMSON-CSP .
173, Bd.Haussmann
Paris 8e, Frankreich

Höchstfrequenzröhre

Die Erfindung bezieht sich auf Höchst frequenzröhren, insbesondere Klystrons, und sie befaßt sich insbesondere mit den Aüsgangsanordnungen für die Abnahme der Hochfrequenzenergie, die von Verstärker klystrons abgegeben wird, die beträchtliche Leistungen liefern können, wobei diese Leistungen außerdem so große Frequenzbänder einnehmen können, daß sich Anpassungsprobleme argeben.

Bei Röhren dieser Art wird die Hochfrequenzenergie durch eine Koppelschleife im letzten Hohlraum vor dem Auffänger abgenommen, wobei die Ausgangsanordnung außer dieser Koppelschleife einen Abschnitt einer Übertragungsleitung, beispielsweise einer Koaxialleitung aufweist, der in einem Flansch endet, an den der Verbraucher kreis angeschlossen ist.

Die praktische Ausführung solcher Ausgangsanordnungen ergibt gewisse Probleme, von denen einige umso schwieriger zu lösen sind, je größer die abgegebene Leistung und je breiter das eingenommene Frequenzband sind. Lei/Ba

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Bei den bisher verwendeten Klystrons sind die Kopplungsschleife und der Leitungsabschnitt, welche die Ausgangsanordnung bilden, direkt am Kolben des Klystrons auf der Höhe des letzten Hohlraums an dem dichten Fenster befestigt, das die Trennung zwischen dem evakuierten Klystronkolben und dem Verbraucherkreisen bewirkt, die auf dem Atmosphärendruck liegen oder sogar unter Druck gesetzt sind. Diese Ausbildung ergibt schwerwiegende Nachteile.

Der Leitungsabschnitt bzw. der Plansch, der zur Verbindung der Röhre mit dem^verbraucherkreis dient, befindet sich nämlich an einer Stelle, an der die Fokussierung des Elektronenstrahls des Klystrons noch gewährleistet sein muß, und zwar besonders gut; gerade in diesem Bereich ist die von der Bremswirkung im letzten Hohlraum bewirkte Defokussierung des Elektronenstrahls am kritischsten. ···

Bei den hier besonders betrachteten Hoch le is tu ngslclystrons erfolgt die Fokussierung im allgemeinen durch magnetische Linsen, die durch Spulen gebildet sind, deren Magnetkreise gemäß einer allgemein bekannten Technik durch Weicheisen-Polschuhe geschlossen sind.

Bei den bisher bestehenden Ausgangsanordnungen ist es für den Anschluß des Verbraucherkreises an den Röhrenausgang notwendig, daß die Fokussierungsspule vor dem Bereich aufhört, in welohem die Ausgangsanordnung befestigt ist, wodurch die Fokussierung gestört wird, die nicht mehr ausreichend bis zum Auffänger gewährleistet ist. Um die Bedeutung dieser Störung zu verringern, ist bei bestimmten Ausführungen eine Hilfsfokussierungsspule auf der der ersten Spule entgegengesetzten Seite der Ausgangsanordnung hinzugefügt, d.h. zwischen der Aus gangs-

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anordnung und dem auf der Höhe des Auffängers liegenden Polschuh der Röhre. Diese Ausführung erhöht den Raumbedarf, das Gewicht und die Kosten der Fokus sierungseinrichtung. In allen Fällen besteht eine Unterbrechung der Fokussierung, die umso beträchtlicher ist, je dicker der Ausgangsleitungsabschnitt ist, was bei Hochleistungsröhren der Fall ist.

Ferner sind die für die Verbindung der Röhre mit dem Verbraucherkreis erforderlichen Maßnahmen sehr unbequem, da der Anschluß in einer besonders schmalen Zone zwischen den Fokussierungsspulen erfolgt. Die Probleme der Kühlung dieser Ausgangsanordnungen, die umso wichtiger ist, je größer die übertragene Leistung ist, sind ziemlich schwierig und erfordern beispielsweise ziemlich komplizierte Kühlwasserkreise. Schließlich ist eine Impedanzanpassung nicht ohne weiteres möglich, was umso unangenehmer ist, als das Klystron in-einem breiten Frequenzband arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer breitbandigen Höchstfrequenzröhre, insbesondere eines Verstärkerklystrons, deren Ausgangsanordnung hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Anordnung so verbessert ist, daß sie die Fokussierung des Elektronenstrahls der Höchstfrequenzröhre nicht beeinträchtigt, eine leichte Verbindung mit dem Verbraucherkreis ermöglicht und selbst bei großen Ausgangsleistungen leicht zu kühlen ist.

Nach der Erfindung ist eine Höchsifrequenzröhre, insbesondere Klystron,mit einer Ausgangsanordnung für die Abnahme der von der Röhre gelieferten Hochfrequenzenergie in einem Wellenlängenbereich, der sich zu beiden Seiten einer mittleren Wellenlänge λ erstreckt, mit einer an der Röhre angebrachten Koppelschleife, einem Ausgangs^Koaxialleitungsabschnitt, der außerhalb der Röhre liegt und mit

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dem Verbraucher kreis für die Hochstfrequenzenergie verbunden ist, und mit einem dichten Isolierfenster zur Abdichtung zwischen dem evakuierten Röhrenkolben und dem Verbraucher kreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Koppelschleife und dem Ausgangs-Koaxialleitungsabschnitt über eine parallel zu der Richtung des Elektronenstrahls der Röhre liegende Hilfskoaxialleitung erfolgt, deren Länge im wesentlichen gleich (2n + 2) λ/4 iat, wobei η eine ganze Zahl ist, und die an ihren beiden Enden kurzgeschlossen ist, und daß die Koppelschleife, und der Ausgangs-Koaxialleitungsabachnitt mit der 'Hilfskoaxialleitung jeweils an einer Stelle verbunden sind, die im wesentlichen im Abstand λ/4 von deren einem bzw. anderem Ende liegt, so daß die Lage des Ausgangs-Koaxialleitungsabschnitts entlang der Röhre.nachse von der V/ahl der Zahl η abhängt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine sehr schematische Schnittansicht eines Verstärkerklystrons mit magnetischer Fokussierung, das mit einer Ausgangsanordnung bekannter Art ausgestattet ist,

Fig.2 eine sehr schematische Schnittansicht zur Darstellung des Prinzips einer Ausgangsanordnung bei einem Klystron nach der Erfindung, von dem nur ein Teil gezeigt ist,

Fig.3 eine Schnittansicht zur schematischen Darstellung einer Aus führungsform der Ausgangsanordnung von Fig.2,

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_ 5 —

Fig.4 eine andere Ausführungsform der Anordnung- von Fig.2 und

Fig.5 eine schema tische Ansicht eines einstellbaren kurzgeschlossenen Endes der Koaxialleitung,mit welcher die Ausgangsanordnungen des Klystrons nach der Erfindung ausgestattet sind.

Fig.1 zeigt sehr schematisch ein Hoch le itungs-Verstärkerklystron, das hier beispielshalber mit drei Hohlräumen 1, 2 und 3 ausgestattet ist. Die Elektronenquelle, die den 3ich entlang der Achse des Klystrons ausbreitenden Elekt t'unerjstrahl F erzeugt, tes teht hier beispielsweise aus einer Elektronen emittierendenKatoüe 4, die durch einen. Heizdraht 6 geheizt wird. Ein System von geeignet angeordneten und an geeignete Vorspannungen gelegten .-Elektroden, hier scheraatisch bei 7 dargestellt, bewirkt die Konzentration des von der Katode 4 emittierten Elektronenstrahls F entlang der Achse des Klystrons,

Der Elektronenstrahl F, der durch das elektrische Feld beschleunigt wird, das aus den Vorspannungen resultieret, die in klassischer Weise durch hier nicht dargestellte Spannungsversorgungsanordnungen angelegt werden, wird durch die zu verstärkende Hochfrequenz-Eingangs spaηηung moduliert, die dem ersten Hohlraum 1 durch, eine Koppelschleife 8 zugeführt wird, und er wird schließlich von dem Auffänger 9 aufgefangen. Die verstärkte Hochfreiquenzenergie wird durch eine Anordnung abgenommen, die eine Koppelschleife 10 und eine Ausgangs koaxialleitung 11 enthält. Ein dichtes -Isolierfenster 5 gewährleistet eine diehteDurehführung zwischen der Röhre und der Ausgangs koaxialleitung.

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Wegen der großen Ausgangsleistung ist der Durchmesser der Ausgangskoaxialleitung 11 verhält η is maß ig groß, so daß es notwendig ist, daß die das Klystron für die Fokussierung des Elektronenstrahls P umgebenden Fokussierspulen 12 vorher aufhören oder eine beträchtliche Unterbrechung aufweise». Die Teile 13 und 14 stellen schetnatisch die den Foku3siorspulen zugeordneten Polschuhe dar.

Fig. 2 zeigt seht; schema tisch das Prinzip der Ausgangsanordnung nach UeL¹ Erfindung. Die Abnahme der Hochfrequenzenergie erfolgt wieder im letzten Hohlraum 3 durch die Koppoiochleife 10, l)L:r>i> Koppelochleife 10 ist aber nicht mehr direkt mit dem Aimgnnggkoaxialleitungsabschnitt verbunden, der /.um Anschluß des.Verbraücherkreises an das Klystron dient-; W el sehr erfolgt die Verbindung über eine Koaxialleitung 15₃ die parallel zu der Au3breitungarichtung den Elok tr'oneiia trahls" in der Röhre liegt. Diese Koaxialleitung \^v> ist an ihren beiden Enden 16 und 17 kurzgeschlossen, Di« Koppolachleife 10 überträgt die von ihr in der Höhre abgenommene Energie auf diese Koaxialleitung 15 dadurch, daß sie mit deren Innenleiter in einem Abstand vom Ende 16 verbunden ist, der gleich einem Viertel der mittleren V/ellenlänge λ der vom Klystron gel i* f ehrten Energie, also im Abstand λ/4 verbunden ist, Der Auag-ingskoaxialieibungsabachnitt 11 empfängt diese Auegangsenergie dadurch, daß er seinerseits mit der Koaxial leitung 15 in einem Abstand in der Nähe von λ/4 vom anderen Ende 17 dieser Koaxialleitung verbunden ist.

Der Abstand zwischen den beiden Anachlußpunkten der Koppelschleife 10 und der Koaxialleitung 11 an. der Koaxialleitung 15 liegt in der Nähe von einem ungeraden

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ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge, also (2n + ΐ)λ/4. Die Gesamtlänge der Koaxialleitung 15 beträgt somit (2n + 3) λ/4. .

Infolge dieser Anordnung erfolgt die Energieübertragung einwandfrei von der Koppelschleife 10 zum Koaxial le it ungsabschnitt 11, wobei die beiden im Abstand λ/4 von diesen beiden Teilen liegenden Kurzschlüsse die Energieübertragung nicht stören, und der Koaxialleitungsabschnitt 11, dessen Lage entlang der Röhrenachse durch die Wahl der Zahl η bestimmt ist, liegt außerhalb der von den Fokussierspulen 12 eingenommenen Zone, die sich somit ohne Unterbrechung bis zur Höhe des Auffängers 9 erstrecken können. Es braucht nur ein etwas größerer Innendurchmesser für diese Fokussierspulen vorgesehen zu werden, damit diese den durch das Ende 16 abgeschlossenen Teil der Koaxialleitung 15 umgeben. Hinsichtlich des Polschuhs 13 genügt es, daß darin eine Öffnung für die Durchführung der Koaxialleitung 15 angebracht ist.

Um eventuelle magnetische Streuflüsse infolge der Durchführung der Koaxialleitung 15 durch den Polschuh 13 zu vermeiden, kann eine Buchse 18 aus Weicheisen in der angegebenen Weise rings um die Koaxialleitung 15 angebracht werden.

In Fig.2 ist das dichte Fenster nicht dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die beschriebene Anordnung besonders für Klystrons mit magnetischer Fokussierung wegen des Problems der Spulen von Vorteil ist. Sie kann jedoch auch bei Klystrons mit elektrostatischer Fokussierung aus Gründen des Raumbedarfs und der leichteren Herstellung oder wegen des Anschlusses desVerbraucherkreises angewendet werden.

Somit hält ein in der beschriebenen Weise verbessertes Klystron eine gute Fokussierung entlang dem ganzen Weg des Elektronenstrahls aufrecht. Ferner erfolgt der Anschluß des Verbraucherkreises an den Ausgangsleitungsabschnitt 11 bequem in einer sehr gut zugänglichen Zone. Schließlich ist die Kühlung der Ausgangsanordnung beträchtlich erleichtert, wie die Figuren 3, 4 und 5 zeigen werden, und ihre Anpassung in einem großen Frequenzband ist ebenfalls erleichtert.

Fig.3 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform einer Ausgangsanordnung , die dem Prinzip von Fig»2 entspricht, in mehr Einzelheiten«

Wie bereits erwähnt, sind der Außenleiter 19 und der Innenleiⁱ ter 20 der Koaxialleitung 15 an ihren beiden Enden durch Kurzschlußwände 16 und 17 kurzgeschlossen. Der Innenleiter 20 dieser Koaxialleitung kann daher sehr leicht für die Kühlung der Ausgangsänorcfcung verwendet werden» Eθ gelugt zu diesem Zweck, ein Kühlmittel * wie Wasser, in dör dutch die Pfeile 21 und 22 angedeuteten Weise umlaufen zu lassen.

Bei dem hier dargestellten A üs f uhr u ng s be is ρ ieI ist für η der Wert O gewählt* und die Gesamtlänge der Koaxialleitung 15 beträgt 3 λ/4»

Die Koppelschleife ist mit der Koaxialleitung 15 über einen Koaxialleitungsabschnitt verbunden, dessen Außenleiter 23 an den Wänden 24 des Ausgangshohlraums 3 angelötet ist, und dessen Innenleiter 25» der die Koppelschleife 10 trägt, mit dem Innenleiter der Koaxialleitung 15 verbunden ist.

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Bei diesem Auaführungsbeispiel ist das dichte Fenster 26 in dem Ausgangsleitungsabschnitt 11 angebracht, dessen Innenleiter 27 mit dem Innenleiter 20 der Koaxialleitung 15 verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt beispielsweise über ein Teil 28, das auf den Innenleiter 2? aufgeschraubt ist, und das mit dem Innenleiter 20 der Koaxialleitung 15 über eine nachgiebige Membran 29 verbunden ist, die infolge ihrer Elastizität die KoBpensation der bestehenden mechanischen Ungenauigkeiten ermöglicht und dadurch einen einwandfreien elektrischen Kontakt zwischen diesen verschiedenen Teilen gewährleistet. Der das dichte Fenster bildende Keramikring 26 ist beispielsweise an dem Innen leiter 27 und an dem Außenleiter 30 des Koaxialleitungsabschnitts 11 angelö.tet, wobei der Außenleiter 30 über einen konischen Übergang 31 klassischer Art mit dem Außenleiter 19 der Koaxialleitung 15 verbunden ist.

Die Kühlung des dichten Fensters 26 erfolgt durch einen Wasserumlauf 32, 33 in einem Mantel 34. F earner ist das Teil 28 bei 280 in das den Innenleiter 20 der Koaxialleitung 15 bildende Rohr hinein derart verlängert, daß die insbesondere von der nachgiebigen Membran 29 verursachte thermische Impedanz kurzgeschlossen wird.

Für Röhren sehr großer Leistung kann es notwendig sein, die Koppelschleife und das dichte Fenster noch wirksamer zu kühlen. Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung. Die Koppe!schleife ist dann durch zwei parallele Rohre 10 und 101 gebiLdet, durch die das Kühlwasser strömt, das in der Richtung des Pfeils 21 ankommt . In gleicherweise ist für dieKühlung des dichten Fensters ein doppelter Kreislauf vorgesehen, der die Zuführung und Rückführung des Kühlwassers von dem Innenleiter 20 der Koaxialleitung 15 bis zu dem dichten Fenster 26 ermöglicht.

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Bei einer nicht dargestellten anderen A usführungsform kann das dichte Fenster an einem beliebigen Punkt zwischen dem Ausgangsleitungsabschnitt 11 und dem Röhrenkolben, insbesondere in der Koaxialleitung 15 angeordnet werden.

Eine noch andere Ausführungsform besteht darin, daß die die Koaxialleitung 15 abschliessenden Kurzschluöwände 16 und einstellbar sind, damit die Anpassungsparameter der Ausgangs an Ordnung möglichst gut eingestellt werden können.

Pig.5 zeigt eine Ausführungsform solcher einstellbarer Kurschlußwände. Die Enden des Innenleiters 20 und des Außenleiters 19 der Koaxialleitung 15 sind, wie in Fig.5 für die KurzSchlußwand 16 als Beispiel dargestellt ist, durch zwei nachgiebige Membranen 51 und 52 verlängert, deren Durchmesser denjenigen der Leiter 19 bzw. 2 0 entsprechen. He Kurzschlußwand 16 ist am Ende dieser Membranen befestigt.

Die lage dieser Kurz.schlußwand kann durch einen Mechanismus eingestellt werden, der beispielsweise eine Gewindestange 53 enthält, die für die Durchführung des Kühlwassers hohl ist, und an der die Kurzschlußwand 16 , befestigt ist. Auf diese Gewindestan £9 ist eine Rändelmutter 54 aufgeschraubt, die sich an einer Hülse 55 abstützt, die fest mit dem Außenleiter 19 verbunden 1st. Die Einstellung der Kurzschlußwand ermöglicht die Veränderung der von der Ausgangsanordnung, und insbesondere von dem dichten Fenster eingeführten Impedanz und demzufolge die Änderung der Lastimpedanz der Röhre. Eine solche Verbesserung ermöglicht die Verwendung der Klystrons in einem breiten Frequenzbereich.

Patentansprüche 209849/0840

Claims

Pat en t. ana x> r.ü ο ti e.

Höchstfrequenzröhre, insbesondere Klystron, mit eiüer Ausgangsanordnung für die Abnahme äer von der Röhre gelieferten HochfrequBOzenergie in einem Wellenlängenbereich, der öich zu beiden Seiten einer mittleren Wellenlänge X erstreckt, mit einer an der Röhre angebrachten Koppelsehlei- tei einem Ausgangsr-Koaxialleitungsabschnitt* der außerhalb der Röhre liegt und mit dem Verbraucherkreis für die Höchst frequenzenergie verbünden ist, und mit eiiem dichten Isolierfenster zur Abdichtung zwischen dem evakuierten Röhrenkolben und dem"\ferbraucherkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Koppelschleife (1Ö) und dein Ausgangs-Koaxialleitungsabschnitt (11) über eines parallel zu der Richtung des Elektronenstrahls (3?) der Röhre liegende Hilf skoaxiäl leitung (15) erfolgt* deren Ii äuge im wesentlichen gleich (2n + 3) λ/4 iöt* wobei ti eine gaöze Zahl ist, und die an ihren beiden Ünd§n geschlossen ist, und daß die Köppelsehleife (IG) und der Aüsgangs-Koäxiälleitungsabschnitt (11) mit deS köäxiälleituüg (15) jeweils an einer Stelle verbunden sind< die im wesentlichen im Abstand λ/4 von deren einem bzw. anderem iEnde liegte so daß die Lage dfes A us gangs-KoaxialleitutigSäbsdhnitts (11) entlang der ftöhrenächse vbü der,Wah der Zahl η abhängt»
2. Höchstfrequenzröhre, nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (10) mit dem Innenleiter (25) eines Zwischenkoaxialleitungsabschnitts verbunden ist, dessen Innenleiter (25) mit dem Innenleiter (20) der Hilfskoaxialleitung (15) verbunden ist, unä daß der Innenleiter (27) dee Ausgangs-Koaxialleituhgsabschnitts Öl) seinerseits mit dem Innenleiter (20) der Hilfskoaxialleitung (15) verbunden ist.

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3. Höchstfrequenzröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenleiter (20) der Hilfskoaxialleitung (15) eine Kühlmittelströmung (21, 22) aufrechterhalten wird.
4. Höchatfrequenzröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das (bei 21) in den Innenleiter (20) der Hilfskoaxialleitung (15) eintretende Kühlmittel durch die aus zwei hintereinandergeschalteten Hohlrohren gebildete Kopplungsschleife (1Θ, 101 ) und dann durch den Innenleiter (27) des Ausgangs-Koaxialleitungsabschnitts (11) fließt, bevor es (bei 22) aus dem Innenleiter (20) der Hilfskoaxialleitung (15) austritt.
5. Hochstfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Hilfskoaxialleitung (15) durch einstellbare Furzschlußkolben (16, 17) kurzgeschlossen sind.
6. Höchstfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung des Elektronstrahls der Röhre durch Magnetspulen (12) erfolgt, deren Enden durch Polschuhe (13, 14) abgeschlossen sind, daß die Magnetspulen (12) den ganzen Röhrerkolben und das mit der Koppelschleife (10) verbundene Ende der Hilfskoaxialleitung (15) umgeben, daß der auf der Seite der Ausgangsanordnung liegende Polschuh (13) an der. Stelle der Hilfskoaxial leitung (15) durchbohrt i3t, und daß eine Weicheisenbuchse (18) die Hilfskoaxialleitung (15) auf der den Magnetspulen (12) entgegengesetzten Seite von dem Polschuh an umgibt.

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