DE2327665A1

DE2327665A1 - Elektronenentladungseinrichtung mit linearem strahl

Info

Publication number: DE2327665A1
Application number: DE19732327665
Authority: DE
Inventors: Martin Elia Levin; Erling Louis Lien
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1972-05-31
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1973-12-13
Also published as: JPS576657B2; NL7307637A; JPS4957762A; FR2186729B1; NL183373B; DE2327665C2; US3806755A; FR2186729A1; GB1394042A; CA973635A; NL183373C

Description

Vl P352 D

VARIAN Associates, Palo Alto« CaI₀₅ USA

Elektronenentladungseinrichtung mit linearem Strahl

Priorität; 31. Mai 1972 - USA - S₀N₀ 258 305

Zusammenfassung

Der Kollektor weist am strahlabwärtigen Ende eine Aufprallfläche auf ₉ mit der im wesentlichen alle Elektronen im Elektronenstrahl aufgefangen werden_o Die Äufpral!fläche nähert sich eng der Ortskurve für alle Punkte an, die gleichen Abstand vom verengten Eintritt des Kollektors haben. Auf diese Weise wird eine Amplitudenmodulation der wenigen reflektierten Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit, die vom Kollektor zurückkehren und durch den Strahltunnel zurückrefokussiert werden_s herabgesetzt_β

Hintergrund der Erfindung

UHF-Pernsehsenderohren, die im Frequenzbereich von 450 MHz ■bis 900 MHz arbeiten^ leiden unter Störsignalen und Schwingungen, die durch Sekundärelektronen (durch Aufprall erzeugte Elektronen) verursacht werden^ die vom Kollektor der Röhre zurückkehren und manchmal sogar das Eingangsende der Röhre

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erreichen. Diese Sekundärelektronen, die allgemein in solche mit hoher Geschwindigkeit und solche mit niedriger Geschwindigkeit aufgeteilt werden können, werden durch die Aufprallenergie der Primärelektronen des Strahls im . Kollektor erzeugt. Durch Mechanismen, 'die im folgenden näher erläutert werden, zeigen Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit, die potentiell die am stärksten störenden sind, Amplitudenmodulation bei der gleichen Frequenz wie die Amplitudenmodulation eines aufgedrückten Signals in der Röhre. Aus diesem Grunde rufen sie Störsignale hervor, die im Durchlaßband der Röhre liegen«

Sobald diese Erscheinung einmal erkannt worden ist, fallen die Versuche, Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit, die vom Kollektor zurückkehren, zu eliminieren oder deren Anzahl und Effekt deutlich herabzusetzen_s in drei Kategorien: (1) Herabsetzung der Anzahl von Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit, die durch den Strahlaufprall im Kollektor erzeugt werden; (2) Herabsetzung des Prozentsatzes an Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit, die im Kollektor erzeugt werden und in den Wechselwirkungsbereich der Röhre entweichen können; (3) Herabsetzung der Modulation der Sekundärelektronen, oder wenigstens des Teils der Modulation, die im interessierenden Frequenzbereich liegt» Die erfindungsgemäßen Maßnahmen greifen das Sekundlrelektronenproblem nach allen diesen drei Ansätzen auf»

Stand der Technik

In der US-Patentschrift 3 368 104 ist ein Kollektor beschrieben, der ein gewölbtes Ende aufweist, das oberflächlich einem Kollektor der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnelt» Das bekannte gewölbte Ende ist jedoch nicht so bemessen und positioniert, daß es den

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Aufprall aller Strahlelektronen empfängt_s von denen einige auf die zylindrischen Seitenwände des Kollektors gestreut werden, so daß einige der Probleme entstehen^ die durch die Erfindung gelöst werden_o

Auch in der US-Patentschrift 3 450 930 ist ein Kollektor mit einer gewölbten Endfläche gezeigte Wieder ist der Kollektor jedoch in der Weise dimensioniert_s daß die Strahldivergenz einen Aufprall bis weit hinein in die virtuell zylindrische Seitenwand des Kollektors verursachte

Weiterhin sind Kollektorentwürfe bekannt ₉ bei denen die Endwand des Kollektors ein Teil einer Kugel ist, insbesondere eine Halbkugel» In jeder dieser bekannten Konstruktionen trifft jedoch ein erheblicher Teil der Elektronen auf die zylindrische Seitenwand des Kollektors auf_o

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß kann der Effekt von Sekundärelektronen₅ die vom Kollektor ausgehen^ auf das Betriebsverhalten von Mikrowellenröhren mit linearem Strahl dadurch beseitigt, oder wesentlich herabgesetzt i»/erden_v daß am strahlabwärtigen Ende des Kollektors eine Elektronenaufprallfläche vorgesehen wirdg die im wesentlichen eine Ortskurve für Punkte .gleichen Abstandes von der verengten,, strahl auf i-järtigen Eintritts— Öffnung des Kollektors haben-«," Indem diese Fläche so angeordnet wird-«, daß im wesentlichen alle die primären Strahlelektronen auf diese Aufprallfläche auf treffen und ein Auf·= treffen irgendx-jelcher Strahlelektronen auf die zylindrischen Seitem-rände des Kollektors vermieden wird₉ werden Sekundär*= elektronen so weit td.® möglich entfernt von der Öffnung des Kollektors erzeugt» Dadurch wird der Prozentsatz an Sekundär= elektronen- die im Kollektor erzeugt werden und in die Wech— selwirkungssektion der Röhre zurückkehren können^ herabge=

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setzt, weil der Bereich, in dem diese Sekundärelektronen erzeugt werden, so weit wie möglich von der Öffnung des Kollektors entfernt ist. Weiterhin ergibt eine Modulation des Elektronenstrahls, die einen proportionalen Grad an Strahlspreizung innerhalb des Kollektors mit der Modulationsfrequenz bewirkt, keine entsprechende Modulation der Sekundärelektronen. Schließlich wird eine wesentliche Herabsetzung der Gesamtzahl an Sekundärelektronen hoher Geschwindigkeit dadurch verwirklicht, daß die Aufprallfläche des Kollektors mit einem Werkstoff mit geringem Atomgewicht beschichtet wird.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es also, eine verbesserte Mikrowellenröhre mit linearem Strahl verfügbar zu machen, bei der die Anzahl und die Wirkung von Sekundärelektronen, die vom Kollektorbereich in den Wechselwirkungsbereich der Röhre zurückkehren, erheblich herabgesetzt ist.

Weiter soll durch die Erfindung eine Röhre dieser Art verfügbar gemacht werden^ bei der der Elektronenkollektor eine Aufprallfläche aufweist, die durch die Ortskurve für Punkte definiert ist, die im wesentlichen gleiche Abstände von der Mitte der Mittelebene der verengten Kollektoröffnung haben.

Ferner soll durch die Erfindung eine Röhre dieser Art verfügbar gemacht werden_s bsi der die Aufprallfläche aus einer kegelstumpfförmigen ümfangsfläche besteht, deren weites Ende strahlaufwärts weist und deren strahlabwartiges Ende mit einer Endplatte geschlossen ist»

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung\ es zeigern

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine be-

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kannte UHF-Mehrkammer-Klystronverstärkerröhre und

Figur 2 Einzelheiten eines Elektronenkollektors zur Illustration der Prinzipien der Erfindung.

In Figur 1 ist ein UHF-Mehrkammer-Klystronverstärker 1. dargestellt. Die Röhre 1 weist eine konventionelle Elektronenkanone 2 auf, mit der ein Elektronenstrahl 3 geformt und über einen länglichen Strahlweg 4 zum konventionellen Strahlkollektor 5 projiziert wird. Eine Anzahl Hohlraumresonatoren 6, die aufeinanderfolgend längs des Strahlweges 4 angeordnet sind, bilden zusammen einen Wechselwirkungskreis Schwingung-Strahl zur elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Strahl 3.

Ein zu verstärkendes Eingangssignal wird in den Eingangshohlraumresonator 6' über eine Eingangskoppelschleife 7 und Eingangskoaxialleitung 8 eingespeist.» Ein segmentierter Driftröhrentunnel 9, durch den der Strahl 3 hindurchtritt, stellt eine Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden Hohlraumresonatoren 6 her. Die einander gegenüberliegenden Enden der Driftröhrentunnelsegmente, die jeweils in die Hohlraumresonatoren 6 hinein vorstehen, definieren elektronische Wechselwirkungsspalte 11.

Ein in den Eingangshohlraumresonator 6' eingespeistes Eingangssignal regt-die Resonanz des Eingangshohlraums 6» an, so daß ein elektrisches Wechselfeld über dem Eingangsspalt II¹ gebildet wird. Das elektrische Feld des Spaltes 11' geschwindigkeitsmoduliert den Strahl 3. Im folgenden Driftröhrentunnel segment 9' wird diese Geschwindigkeitsmodulation innerhalb des Driftraums in eine Stromdichte-Modulation umgewandelt, die die Resonanz der nächsten beiden Treibehohlräume 6' · anregt. Diese beiden folgenden Treibeihohlräume geschwindigkeitsmodulieren den Strahl 3 weiter, und diese

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Geschwindigkeitsmodulation wird im Drifttunnel 9 in eine stärkere*Stromdichte-Modulation des Strahls 3 umgewandelt, während sich die Elektronen zum Kollektor 5 Ün bewegen«.

Im Ausgangs-Hohlraumresonator 6^tir erzeugt die Stromdichte-Modulation des Strahls 3 im Hohlraum ein verstärktes Ausgangssignal, das mittels einer Ausgangskoppelschleife 12 abgezogen wird. Das Ausgangssignal wird dann in eine geeignete Last eingespeist, beispielsweise eine nicht dargestellte Sendeantenne, und zwar über eine Ausgangskoaxialleitung 13. Eine Zylinderspule 14 umgibt die Röhre 1, um ein axiales Magnetfeld B zu erzeugen, das die Elektronen des Strahls auf den gewünschten Strahlweg 4 einschränkt. Kapazitive Abstimmplatten 15 überbrücken die Spalte 11 innerhalb der Hohlräume 6, um die Arbeitsfrequenz ,der Röhre innerhalb eines gewünschten Frequenzbereiches abzustimmen, beispielsweise 470 MHz bis 560 MHz.

In einem typischen Ausführungsbeispiel einer bekannten Röhre nach Figur 1 liefert das Elektronenkanonenrohr einen Strahl 3 mit einer Strahlspannung von 18 kV und 4,8 A mit einer Perveanz von 2 χ 10~ . Der Kathodenemitter 17 hatte eine

Emissionsdichte von 0,8 A/cm Emissionsfläche. Die Hohlräume 6 waren zylindrisch und hatten einen Innendurchmesser von 203 mm (8 Zoll) und eine Länge von 137 mm (5,4 Zoll). Die Driftröhrentunnelsegmente 9 bestanden aus Kupfer und hatten einen Innendurchmesser von 22,2 mm (0,875 Zoll) und einen Außendurchmesser von 37,5 nun (1,475 Zoll).

Der Kollektor 5 der bekannten Röhre nach Figur 1 besteht aus einem massiven zylindrischen Block, beispielsweise aus Kupfer, mit einer zentralen Zylinderbohrung 18, die in einem sich verjüngenden Ende 19 ausläuft, wobei das Ganze isoliert gegen den Hauptkörper der Röhre 1 montiert ist. Im Betrieb würde der Kollektor typischerweise auf Erd-

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potential betrieben werden (ÖV) und mit einer nicht dargestellten Flüssigkeitskühlung ausgestattet₉ die die Außenfläche umgibt. Da der Kollektorbereich aus einem von elektrischen Feldern freien Raum besteht, in dem auch eine sehr geringe Magnetfeldstärke herrscht, divergiert der Strahl schnell nach dem Eintritt in den Kollektorbereich unter dem Einfluß von Raumladungskräften«

Nach dem Auftreffen auf die Kollektorfläche 18-19 rufen die Strahlelektronen einen gewissen Prozentsatz an durch Aufprall erzeugten Sekundärelektronen hervor ₉ die im Kollektorraum freigesetzt werden und verschiedene Geschwindigkeiten und Richtungen haben*, Aus hier keine Rolle spielenden Gründen sind diese Elektronen jedoch ziemlich scharf in eine Hochgeschwindigkeitsgrupp® und eine Niedergeschwindigkeitsgruppe unterteilt. Ein gewisser Prozentsatz der schnellen Elektronen haben ausreichend Energie und werden in der richtigen Richtung freigegeben, um in den Wechselwirkungsbereich der Röhre zurückzukehren, wobei sie'dem Weg der Strahlelektronen in umgekehrter Richtung folgen»

Da die Strahlelektronen im Kollektor 5 in Bündeln oder Gruppen mit HF-Frequenz ankommen, und weil die HF-Frequenz . mit dem Eingangssignal im Eingangshohlraum 6' moduliert ist und HF-Energie vom Strahl abgezogen wird, ändert sich die Dichte und Geschwindigkeit der im Kollektor ankommenden Elektronen zeitlich in erheblichem Umfang„ Zu den Zeitpunkten, an denen die Strahldichte sehr hoch ist und/oder die Axialgeschwindigkeit an der Kollektoröffnung niedrig ist, divergiert der Strahl schnell auf dem Wege durch den Kollektor unter dem Einfluß von ziemlich großen Raumladungskräften, zusätzlich zu der radialen Ablenkung, die am Ausgang vom magnetischen Fokussierfeld hervorgerufen wird» Dementsprechend trifft eine relativ große Anzahl von Elektronen aus dem Strahl im Kollektor nahe der Öffnung auf, wie das durch den

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mit A bezeichneten Weg dargestellt ist. Irgendwelche schnellen Sekundärelektronen, die durch den Aufprall von Strahl elektronen erzeugt v/erden, die dem Weg A folgen, werden relativ nahe an der KollektorÖffnung freigesetzt und haben eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit dafür, in den Wechselwirkungsbereich der Röhre 1 zurückzukehren. Umgekehrt, zu solchen Zeitpunkten, an denen die am Kollektor ankommende Strahldichte sehr niedrig ist oder die axiale Elektronengeschwindigkeit hoch ist, ist die Strahldivergenz geringer, so daß sich Elektronenbahnen ergeben, die eher dem Weg B in Figur 1 entsprechen. Schnelle Sekundärelektronen, die von Strahlelektronen auf dem Weg B erzeugt werden, haben eine relativ geringe Wahrscheinlichkeit dafür, in den Wechselwirkungsbereich der Röhre zurückzukehren«, Da, wie erwähnt, die Dichte der Primärelektronen sowohl durch die HF- als auch die^: Signal-Frequenzen.** moduliert ist₉ ergibt sich aus obigem, daß die Punkte, an denen die Strahlelektronen die zylindrische Oberfläche 18 des Zylinders treffen, entsprechend beiden Frequenzen variieren. Daraus folgt, daß Sekundärelektronen- die in die WechselwirkungsSektion der Röhre zurückkehren, das in der Weise tun, daß ihnen eine Modulation sowohl mit den HP*- als auch den Signal-Frequenzen aufgedrückt ist. Wie leicht ersichtlich ist, führt diese Situation zur Erzeugung von StörSignalen, Schwingungen und "Klingeln" im Ausgang der Röhre»

In Figur 2 ist ein Kollaktor 5*- nach den Prinzipien der Erfindung dargestellt«, Der Kollektor 5« besteht aus einer Stirnplatte 20, die isolierend und vakuumdicht mit dem 'Röhrenkörper 1 verbunden ist und eine verengte₉ zentrale Eingangsöffnung 21* definiert,, die in Übereinstimmung mit einer sich erweiternden Ausgangs-Driftröhren-Tunnel-Sektion 22 der Röhre 1 abgestützt ist«. An die strahlabwärtige Seite der Frontplatte 20 sind aufeinanderfolgend drei im wesentlichen zylindrische Ringe 23 angesetzte Erfindungsgemäß schließt eine

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Endwand 24 das offene Ende der Elemente 23; Die Elemente 20, 23 und 24 können aus sauerstoffreiem Kupfer hoher Leitfähigkeit bestehen, die zusaramengelötet sind.

Die Endwand 24 besteht grundsätzlich aus einem ümfangsteil 25, der im wesentlichen ein rechtwinkliger Kegelstumpfabschnitt eines Kreiskegels ist, dessen weiteres Ende strahlaufwärts weist. Das kleinere Ende des Urafangsteils 25 ist mit einer im allgemeinen kreisförmigen, flachen Endsektion 26 verschlossen. Allgemein ist die Endwand 24 so dimensioniert und hinsichtlich der übrigen Teile der Röhre positioniert, daß unter den Bedingungen maximaler Strahldivergenz ₉ die von der Röhre zu erwarten ist und die durch die Grenzlinien L angedeutet ist, immer noch alle Elektronen des Strahls auf den Teil 24 aufprallen, praktisch gesprochen bedeutet das einfach, daß, je weiter der Teil 24 vom Öffnungsteil 21 entfernt ist, umso größer ist der Teil 24.

Ein zweites Konstruktionskriterium ist das₉ daß alle Punkte auf der Aufprallfläche 24 so weit wie möglich auf der Ortskurve für Punkte liegen, die gleichen Abstand vom Punkt C im Zentrum der Mittelebene der verengten Öffnung 21 des Kollektors haben. Die Bedeutung dieses Kriteriums kann in Anbetracht der vorangegangenen Diskussion der Modulation von Sekundärelektronen gewürdigt werden - insbesondere, wenn unterschiedliche Strahldivergenzgrade innerhalb des Kollektors 5· in der Erzeugung von Elektronen innerhalb eines relativ großen Distanzbereiches von der Öffnung des Kollektors resultieren, wie das beim bekannten Kollektor 5 nach Figur 1 der Fall ist, so daß diejenigen Sekundärelektronen_s die nahe an der Kollektoröffnung erzeugt werden, eine wesentlich höhere Wahrscheinlichkeit für Rückkehr in die Röhre haben. Da die Strahldivergenz eine Funktion der Modulationsfrequenz und ebenso der HF-Trägerfrequenz ist_? ist es also wichtig, eine Situation zu vermeiden, in der die Distanz der Aufprall-

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punkte von der Öffnung des Kollektors sich ebenfalls mit den HF- und Modulations-Frequenzen ändert. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß gewährleistet wird, daß unter allen Bedingungen der Strahldivergenz Elektronenaufprall auf einer Fläche erfolgt, die im wesentlichen gleichen Abstand von der KollektorÖffnung hat.

Idealerweise sollte eine solche Fläche natürlich die Form einer Kugel haben, deren Zentrum am Punkt C liegt, und eine solche imaginäre Fläche ist durch die Linie S dargestellt, die mit einem Radius R. vom Punkt C gezeichnet ist. Der Wert R ist in Figur 2 so gewählt, daß die Abweichungen Δ der tatsächlichen Aufpralloberflächenteile 25 identisch sind, so daß S als Spur einer Mediankugel betrachtet werden kann, die eine idealisierte Aufprallfläche repräsentiert.

In der Praxis haben Verarbeitungsüberlegungen, und insbesondere die Notwendigkeit, einen Satz Kühlfahnen 27 auf den externen Oberflächenteilen der Aufprallfläche 24 vorzusehen, die Verwendung einer Oberfläche diktiert, die sich der idealen Kugel annähert« Es wurde festgestellt, daß bei Abweichungen ^d , die kleiner sind als 15% von R {.Δ /R =»O,15) eine sehr wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Kollektoren der in Figur 1 dargestellten Art, bei denen ein Aufprall auf die zylindrischen Seitenwände des Kollektors auftritt, erreicht werden kann»

Diese verbesserte Kollektorkonstruktion vermeidet große Änderungen im Abstand zwischen dem Elektronenaufprall und auf der Kollektoroberfläche und der Öffnung des Kollektors bei variierender Strahldivergenz. Dadurch, daß die Aufprallfläche das Ende des Kollektors bildet, erfolgt der Strahlaufprall auch an einem Punkt, der deutlich weiter von der Kollektoröffnung entfernt ist als bei bekannten Konstruktionen. Die Menge der Sekundärelektronen, die in die Röhre zurückkehren, ist also herabgesetzt. Die Menge der Sekundär—

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elektronen kann darüberhinaus noch dadurch herabgesetzt werden, daß auf die Innenoberfläche des Aufprallteilä 24 eine Schicht aufgebracht wird₉ die aus einem Material mit niedrigem Atomgewicht bestehtj, beispielsweise Kohlenstoff ο

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Claims

Patentansprüche

/1·/Elektronenentladungseinrichtung mit linearem Strahl, ^v ' mit eiaer Strahlformungseinrichtungj, mit der ein Elektronenstrahl geformt und über einen länglichen Strahlweg projiziert wird, einer Einrichtung zur Geschwindigkeitsmodulation des Strahls j, und einem Kollektor, der am strainlabwärtigen Ende der Einrichtung angeordnet ist, um den Elektronenstrahl aufzufangen und dessen Energie abzuführen§ dadurch gekennzeichnet_a daß der Kollektor eine AnfpralIfISehe am strahlabwärtigen Ende aufweist_f die mit dem Elektronenstrahl im i-resentlichen ausgefluchtet ist, u&ä einen verengten Eingang an strahlaufwartigen Ende, durch den dar Elektronenstrahl in den Kollektor eintritt, und daß die Aufprallfläche im wesentlichen die Ortskurve von Punkten ist_g die gleichen Abstand von der Mitte der Hittelebene des verengten Eingangs haben _f und so -dimensioniert nnü angeordnet ist₉ daß sie im itfesentlichen alle Elektronen des Strahls aufnimmt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 in Forss einer Mikrowellenröhre für Betrieb innerhalb vorgegebener Spezifikationen«, wobei die Elektronen im Strahl quer sur Längsachse des Kollektors entsprechend" der Geschwindigkeitsmodulation des Strahls gestreut werden^ wobei die Strahlstreuung für Eohreabetrieb innerhalb der vorgegebenen Spezifikationen ein Maximum hafer, jdadurch gekennzeichnet« daß die Aufprallfläche sich quer sur Achse entsprechend einer Distanz in Proportion zur maximalen Strahlstreuung erstreckt«,

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3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2₉ d^adur Ch^ jgjBkennzeieh— net, daß die Aufprallfläche des Kollektors von der Ortskurve für Punkte gleichen Äbstandes voa dem Mittelpunkt um weniger als 15 % abweichte
4. Einrichtung nach Anspruch I₉2 oder 3₉ dadurch gekennzeichnet« daß die Aufprallfläche aus einer kegelstumpfforralgen Umfangsflache besteht, deren weites Ende .strahlaufwärts weist, und einer Endplatte^ di© das strahlabt-rärtige Ende abschließt«
5. Einrichtung nach einem der Anspruch© 2 bis 4_S ,dadurch gekennzeichnet» daß die 2Slektronenentladungse±nr±chtung ein Mehrkammer-Verstärker- ist und daß der- Wschsalwirkungsteil aus einer Anzahl HohlrauraresonatoE'en besteht» di© mit dem Strahlweg ausgefluchtet sind und diesen uisfassan, sowie eine Reihe, von axial ausgefluchteten Briftrohren-=* tunnel, die benachbarte -Hohlräum© des Hohlraumresonators in Ausfluchtung mit dem hindurchtretenden Strahl miteinander verbinden^ wobei die Driftröhreatunnel einander gegenüberliegende Enden aufweisen^ die einspringend in die Hohlraumresonator^ hineinreichen₉ um elektronische Wechselwirkungsspalte zwischen sich su definieren^ und eine Einrichtung am strahlaufwärtigen End® das Wechsel=· Wirkungsteils, um ein zu verstärkendes Eingangssignal einzuführen. .

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Le'e rs e i t e