DE2410962C3

DE2410962C3 - Bestrahlungsvorrichtung mit einem Magnetron als Oszillator

Info

Publication number: DE2410962C3
Application number: DE2410962A
Authority: DE
Inventors: Masao Komae Tokio Kato; Hirokazu Tokio Takahashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1973-03-07
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2410962B2; US3924196A; FR2220924B1; DE2410962A1; JPS49115642A; GB1436928A; FR2220924A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung mit einem Magnetron als Oszillator, mit einer Stromversorgung und einer am Ausgangsabscnnitt des Magnetrons angeordneten Antenne. Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 31 04 305 bekannt.

Die zweckmäßige Bestrahlung mit Mikrowellenenergie wird verbreitet für die Behandlung von Muskelermüdung bzw. -Überanstrengung, für die therapeutische Behandlung von Neuralgien und für die Schönheitspflege angewandt. Bekannte therapeutische Bestrahlungsvorrichtungen bestehen aus einem Mikrowellenoszillator und einem Mikrowellenstrahler bzw. einer Abstrahlvorrichtung, die durch ein für die Übertragung einer vergleichsweise hohen Leistung dienendes Hochfrequenzkabel miteinander verbunden sind. Bei solchen Vorrichtungen kann sich allerdings der Anschluß des Kochfrequenzkabels lockern, was zu instabilem Betrieb der Vorrichtung und außerdem zum Auftreten von elektrischen Entladungen führen kann. Außerdem

ίο können sich bei dieser Art Schwierigkeiten bezüglich der Übertragung der Ausgangsleistung des Magnetrons auf das Hochfrequenzkabel und von diesem auf die Abstrahlvorrichtung ergeben, wodurch der Betriebswirkungsgrad vermindert wird. Zudem ist eine derartige Vorrichtung kompliziert aufgebaut.

Aus der US-PS 31 04 305 ist bereits eine Bestrahlungsvorrichtung mit einem Magnetron als Oszillator bekannt, bei der ein Magnetron mit einem Ausgangsabschnitt und einem Katodenschaft ausgestattet ist, die in entgegengesetzter Richtung abstehen. Bei dieser bekannten Konstruktion ist auch eine Antenne am Ausgangsabschnitl des Magnetrons angeordnet. Diese bekannte Vorrichtung gelangt insbesondere in einem Mikrowellenheizgerät zur Anwendung wie beispielsweise einem Mikrowellenofen, wobei die Mikrowellenenergie direkt über ein Fenster in den Ofen hineingestrahlt wird. Um dies zu ermöglichen, sind die Magnetron-Oszillatorröhren direkt in der Ofenwand montiert und werden abwechselnd erregt, so daß

J'i dadurch irgendein Gegenstand im Inneren des Ofens erhitzt werden kann.

Aus der US-PS 33 77 562 ist eine Magnetronvorrichtung und eine Schaltkreisanordnung für die Steuerung und Stromversorgung derselben bekannt. Gemäß einer Ausführungsform besteht die Katode dieser bekannten Konstruktion aus einem wendeiförmigen Heizdraht, der einen stabförmigen Leiter umgibt. Bei diesem Aufbau wird die HF-Ausgangsspannung des Magnetrons zwischen den inneren und den äußeren Enden von flügel- oder schaufeiförmigen Teilen entwickelt, welche sich in radialer Richtung zu der genannten Katodenar?- ordnung erstrecken. Die vom Oszillator erzeugte Mikrowellenenergie wird kapazitiv auf einen Ausgangsanschluß übertragen von wo dann die Energie mit Hilfe

4¹J einer Übertragungsleitung weitergeleitet wird.

Auch aus der US-PS 33 04 400 ist eine Bestrahlungsvorrichtung mit einem einen Ausgangsabschnitt aufweisenden Magnetron und einer zugehörigen Stromversorgung bekannt. Hierbei wird die erzeugte Mikrowellenenergie über einen Hohlleiter kapazitiv in eine Kammer, in der Gegenstände wie z. B. Nahrungsmittel erhitzt werden sollen, eingekoppelt. Bei dieser Vorrichtung sind insbesondere Maßnahmen zur Kühlung des Magnetrons ausgestaltet.

Bei einer aus der US-PS 36 81652 bekannten Magnetronanordnung gelangt ein kapazitives Filter zur Anwendung, um dadurch unerwünschte Energiestrahlung auf annehmbare Werte zu bringen. Diese bekannte Magnetronkonstruktion enthält neben einem Oszillator und einer Magnetfeld erzeugenden Einrichtung die kapazitive Filteranordnung und schließlich auch eine Strahlungssonde in einem kapseiförmigen dielektrischen Teil, wobei die Sonde mit dem kapseiförmigen Teil in einem rechteckigen Wellenleiter angeordnet ist, der zu einer Strahlungsverteilervorrichtung führt, die die Strahlungsenergie gleichmäßig verteilt, so daß in einem Ofenraum angeordnete Nahrungsmittel gleichmäßig bestrahlt bzw. erwärmt werden können.

Aus dem Buch von Püschner H. »Wärme durch Mikrowellen«, 1964, Philips Techische Bibliothek, Seite 152 ist es bekannt zur Verbesserung der mechanischen Stabilität einer Wendelantenne in dieser einen Stab anzuordnen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung mit einer'. Magnetron als Oszillator der eingangs genannten Art für eine therapeutische Behandlung in einer möglichst kompakten und gedrängten Bauweise, bei gleichzeitiger Verbessesung des Wirkungsgrades der Vorrichtung zu schaffen.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingangs definierten Art wini diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antenne von einem Mikrowel-Ienreflektor umgeben ist, der die von der Antenne abgestrahlte Mikrowellenenergie in die Form eines gerichteten Mikrowellenstrahles umwandelt, und daß das Magnetron und die Anordnung aus Antenne und Mikrowellenreflektor von einem abschirmenden Gehäuse umgeben sind.

Erfindungsgemäß sind also die Antenne mit dem Mikrowellenreflektor unmittelbar am Ausgang des Magnetrons angeordnet und sind von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben bzw. in diesem untergebracht, so daß dadurch die Ausgangs-Abstrahlungsleistung erhöht wird und die gesamte Anordnung in Kompaktbauweise ausgeführt werden kann. Außerdem gewährleistet der Mikrowellenreflektor einen hohen Wirkungsgrad beispielsweise für eine therapeutische oder kosmetische Behandlung.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergebe sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Bei der Ausführungsform gemäß dem Anspruch 7 ergibt sich der Vorteil, daß die Mikrowellen durch die gemeinsame Wirkung der wendeiförmigen Antenne und des Mikrowellenreflektors in Form von Strahlenbündeln mit wesentlich besserer Richtwirkung abgestrahlt werden können.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer therapeutischen Bestrahlungsvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Schallbild des elektischen Schaltkreises der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 einen in stark vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch den Mikrowellenos'.illator der Vorrichtung nach der Erfindung, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 3 und

F i g. 6 bis 8 Schnittansichten abgewandelter Ausführungsformen der Antennenanordnung nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte therapeutische Vorrichtung weist eine Stromversorgung 11, einen Mikrowellenoszillato-12 und eine flexible Zuleitung bzw. ein Kabel 13 zur Verbindung der Teile 11 und 12 auf. Der Mikrowellenoszillator 12 strahlt Mikrowellenstrahlen W) mit einer Frequenz von z. B. 2450 MHz in der durch den Pfeil 14 angedeuteten Rich'·.^ ■

Gemäß Fig.2 weist die Stromversorgung 11 einen Niederspannungs-Tranforfnator 111 zur Lieferung von Strom zur Beheizung der Kathode eines Magnetrons, 6¹S einen Hochspannungs-Transformator 112 zur Erzeugung einer Spannung, die zwischen die Anode und die Katode eines Magnetrons 15a gelegt wird, eine Speiseleitung 48 zur Speisung des Motors 51 eines Kühlgebläses und einen Hochspannungs-Gleichrichter 113 auf.

Gemäß den Fig.3 bis 5 besteht der Mikrowellenoszillator 12 aus einer Magnetronvorrichtung 15, einer Antennen- bzw. Abstrahlanordnung 16 und einem Kühlgebläse 17, die in einem Abschirmgehäuse 18 untergebracht sind. Die Magnetronvorrichtung 15 weist eine Magnetroneinheit 15a und einen magnetisch damit verbundenen stabförmigen Dauermagneten 29 auf. Die Magnetroneinheit 15a besteht ihrerseits aus einer Elektronen emittierenden Katode 21, einer zylindrischen Anode 22, die konzentrisch zur Katode 21 angeordnet ist, um weiche herum ein Resonanzraum vorgesehen ist, zwei an den beiden Enden der Anode 22 angebrachten magnetischen Polstücken 23, 24, einem vom hinteren Ende der Anode 22 abstehenden Katodenschaft 25 und einem Ausgangsabschnitt 26, der vom vorderen Ende der Anode 22 absteht. Die Magnetroneinheit 15a ist luftdicht unter Vakuum eingekapselt. Der Dauermagnet 29 ist über Magnetjoche 27,28 magnetisch mit den magnetischen Polstücken 23, 24 verbunden. Das eine Magnetjoch 28 ist an einem aus nichtmagnetischem Material bestehenden Anschlußsockel 30 befestigt, der in seinem Zentrum mit einer Bohrung 30a versehen ist, welche vom Stranlerausgangsabschnitt 26 und von einem Strahlerstab 31 durchsetzt wird. Die Außenumfangsfläche der zylindrischen Anode 22 des Magnetrons 15 ist mit einer Anzahl von wärmeabstrahlenden Rippen 32 versehen, die radial um die Mittelachse der Anode 22 herum angeordnet sind. Dem Dauermagneten 29 gegenüberliegend sind die Bauteile eines mit der Katode 21 der Magnetroneinheit 15a verbundenen Filterkreises angeordnet, nämlich eine Zuleitung33,ein Mikrowellendämpfungs-Feiritwulst 34, ein Relaisanschluß 35 und ein Kondensator 36, die sämtlich in ein Isolierglied 37 eingesetzt sind. Eine Abschirmkappe 40 ist auf Abstand vom Katodenschaft 25 des Magnetrons 15 angeordnet, wodurch ein unerwünschter Austritt von über den Katodenschaft 25 geleiteten Mikrowellen nach außen verhindert wird. Die Abschirmkappe 40 ist mit einer großen Zahl von kleinen Belüftungsöffnungen 39 versehen, die jeweils einen Durchmesser von z. B. 5 mm besitzen, so daß sie Mikrowellen blockieren. Hinter der Abschirmkappe 40 ist ein Kühlgebläse mit einem Flügelrad 50 und einem Motor 51 angeordnet.

Die Abstrahlanordnung 16 ist an der dem Ausgangsabschnitt 26 zugewandten Stirnfläche des Magnetrons 15 angeordnet, und sie weist einen wendeiförmigen Strahler 41, der mit dem Ausgangsabschnitt 26 der Magnetroneinheit 15a verbunden ist, sowie einen parabolischen Mikrowellenreflektor 42 auf, der so angeordnet ist, daß er die vom Strahler 41 rückwärts abgestrahlten Mikrowellen in Form von Strahlenbündeln auf ein zu bestrahlendes Objekt bzw. in Richtung des Pfeils 14 reflekth rt. Der Reflektor 42 kann auch Kuppel- oder Kegelform besitzen.

Das zylindrische Abschirmgehäuse 18, welches die Magnetroneinheit 15a, die Abstrahlanordnung 16 und das Kühlgebläse 17 aufnimmt, ist von einem Spannband 38 umgeben und durch dieses in seiner Lage gehaltert. Der Anschlußsockel 30 ist an der Seite des Gehäuses 18 angeschraubt, an welcher das Ende 42a des Mikrowellemeflektors 42 befestigt ist. Das Vorderende des Gehäuses 18 ist mit einer Abdeckung 43 aus einem für Mikrowellen durchlässigen dielektrischen Material, beispielsweise Glas oder Kunstharz, versehen, welche

den wendeiförmigen Strahler 41 abdeckt. Das hinlere Ende des Gehäuses 18 ist mit einer leitfähigen Kappe 46 versehen, die von einer großen Anzahl von Belüftungslöchern 47 durchsetzt wird. Außerdem ist der der Außenseite des Reflektors 42 zugewandte Teil des Gehäuses 18 mit einer großen Zahl von Belüftungslöchern 44 versehen ist, die jeweils einen solchen Querschnitt besitzen, daß der Durchtritt der Mikrowellen verhindert wird. Das mit der Stromversorgung 11 verbundene flexible Kabel 13 umfaßt eine Kühlgebläsezuleitung 48,- eine Katodenleitung 33 und eine nicht dargestellte Masseleitung, wobei alle diese Kabelteile über zugeordnete Durchführungen 49 nach außen geführt sind.

Bei der vorstehend beschriebenen therapeutischen Bestrahlungsvorrichtung sind die Magnetronvorrichtung 15 und die Abstrahlanordnung 16, die gemeinsam den Mikrowellenabschnitt bilden, innerhalb der Vorrichtung in einem einheitlichen Gehäuse untergebracht, wodurch die Ausgangsabstrahlungsleistung erhöht wird und die gesamte Vorrichtung kompakt gebaut werden kann. Außerdem gewährleistet der Reflektor 42, welcher die Mikrowellen gebündelt reflektiert, einen hohen Wirkungsgrad für therapeutische oder kosmetische Behandlung. Wenn das am Mikrowellenoszillator angebaute Kühlgebläse in Drehung versetzt wird, so daß die Kühlluft in der durch den Pfeil 45 in F i g. 3 angedeuteten Richtung strömt, wird die Luft durch die in der Umfangswand des Abschirmgehäuses 18 ausgebildeten Belüftungslöchcr 44 angesaugt, worauf sie zwischen den Wärmeabstrahl-Rippen 32 des Magnetrons 15 sowie zwischen den Bauteilen des Filterkreises hindurchströml und diese Teile kühlt, um schließlich über die Beiüftungsiöcher 39, 47 der hinter dem Katodenschaft angeordneten leitfähigen Abschirmkappen 40,46 abzuströmen. Infolgedessen ist ein mit Mikrowellen zu bestrahlendes Objekt, beispielsweise ein menschlicher Körper, nicht dem Kühlluftstrahl ausgesetzt, so daß auch keine Unbehaglichkeit hervorgerufen wird. Selbst wenn das Kühlgebläse in solcher Richtung umläuft, daß die Kühlluft entgegengesetzt zum Pfeil 45 strömt, trifft die Kühlluft auf die Rückseite des Reflektors 42 auf, um dann seitwärts über die Belüftungslöcher 44 des Abschirmgehäuses 18 abzuströmen, so daß das zu bestrahlende Objekt nur in geringem Maße durch die Küh'Iuft beeinflußt wird.

Bei der in Fig.6 dargestellten abgewandelten Ausführungsform der Antennen- bzw. Abstrahlanordnung 16 sind Löcher bzw. öffnungen 53, 54 im Mikrowellenreflektor 42 und in dem vor ihm befindlichen Teil des Abschirmgehäuses 18, d.h. in dessen Vorderteil ausgebildet, am den wcndclförmigcn Strah ler 41 und den Ausgangsabschnitt 26 der Magnetroneinheit 15a zu kühlen, wodurch eine erhöhte Temperatur der Ausgangsabstrahlanordnung 16 vermieden wird und die Vorrichtung unter stabileren Bedingungen betrieben werden kann. Die genannten Belüftungslöcher 53, 54 besitzen dabei eine solche Querschnittsfläche, daß ein Durchtritt von Mikrowellen verhindert wird.

Bei der in Fig.7 dargestellten Abwandlung der Abstrahlanordnung 16 sind Nebenschluß- bzw. Überbrückungsleisten 61 über die einzelnen Windungen des wendeiförmigen Strahlers 41 der Abstrahlanordnung 16 sowie jeweils über eine Reihe von Windungen gespannt, um die Impedanz der Magnetroneinheit 15a und

ίο diejenige des wendeiförmigen Strahlers 41 aneinander anzupassen und auf diese Weise den Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Magnetroneinheit 15a zu erhöhen. Außerdem können die Mikrowellen durch die gemeinsame Wirkung des wendeiförmigen Strahlers 41 und des Mikrowellenreflektors 42 in Form von Strahlenbündeln mit wesentlich besserer Kichtwirkung abgestrahlt werden. Wenn die einzelnen Windungen des wendeiförmigen Strahlers 41 jeweils eine der Länge der Mikrowellen entsprechende Länge besitzen und die

Nebenschluß- oder Überbrückungsleisten 61 so angebracht sind, daß sie die Punkte auf den jeweiligen Windungen des Strahlers 41 kurzschließen, welche die gleiche Phase besitzen, werden diese Phasen zwangsweise aufeinander abgestimmt, woraus sich stabilere Mikrowellenstrahlen ergeben. Diese Nebenschluß- oder Überbrückungsleisten bieten zudem den weiteren Vorteil, daß sie den wendeiförmigen Strahler 41 mechanisch gegen Stoß und Schwingung verstärken.

Bei der in Fig.8 gezeigten, weiter abgewandelten Ausführungsform der Abstrahlanordnung ist ein dielektrischer Stab 65 konzentrisch in den wendclförmigen Strahler 41 eingesetzt. Das Vorderende dieses Stabs ist in einen ringförmigen Führungssteg 67 eingesetzt, der in der Mitte von der Innenwand einer am Vorderende des Abschirmgehäuses 18 angebrachten dielektrischen Abdeckung 66 absteht. Der dielektrische Stab 65 ist so in den Strahler 41 eingesteckt, daß das Ende seiner hintersten Windung zum Zentrum der hinteren Stirnfläche dieses Stabs 65 geführt und letzterer an mehreren Stellen am wendeiförmigen Strahler 41 befestigt ist Das hintere Ende des Strahlers 41 ist z. B. durch Löten mit dem Strahlerabschnitt 26 des Magnetrons 15 verbunden.

Der dielektrische Stab 65 bewirkt, daß das vom

Strahler 41 abgestrahlte elektrische Feld im Stab 65 konzentriert wird, so daß es nicht nach außen entweichen kann. Auf diese Weise wird die radiale Ausbreitung der Mikrowellenstrahlen einwandfrei korrigiert, und die Mikrowellenstrahlen werden derart gebündelt, daß sie genauestens beispielsweise auf einen zu behandelnden Körperteil eines Patienten gerichtet werden können. Außerdem kann infolge der gebündel ter¹. Mikroweüenstrahlen d'e Zahl der Windungen des wendeiförmigen Strahlers 41 und mithin seine axiale Länge verkleinert werden, wodurch die mechanische Schwingung des Strahlers 41 im Betrieb vermindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bestrahlungsvorrichtung mit einem Magnetron a!s Oszillator, mit einer Stromversorgung und einer am Ausgangsabschnitt des Magnetrons angeordneten Antenne, dadurchgekennzeichnet, daß die Antenne (41) von einem Mikrowellenreflektor (42) umgeben ist, der die von der Antenne

(41) abgestrahlte Mikrowellenenergie in die Form eines gerichteten Mikrowellenstrahles umwandelt, und daß das Magnetron (15) und die Anordnung aus Antenne (41) und Mikroweüenreflek^or (42) von einem abschirmenden Gehäuse (18) umgeben sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Teil (40) des Abschirmgehäuses (18), welcher der von dem Mikrowellenreflektor

(42) abgewandten Seite Hes Magnetrons (15) benachbart ist, ein Kühlgebläse (17) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (18) in dem dem Mikrowellenreflektor (42) benachbarten Teil eine große Zahl von Belüftungsöffnungen (44) aufweist und an seinem vom Mikrowellenreflektor (42) abgewandten Ende durch einen Abschirmdeckel (46) abgedeckt ist, der ebenfalls mit einer großen Zahl von Belüftungsöffnungen (47) versehen ist.

4. Magnetron nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenreflektor (42) und ein vor seinem abstrahlenden Ende liegender Teil des Abschirmgehäuses (18) mit einer großen Zahl von Belüftungsöffnungen (53, 54) verschen sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungsöffnungen (44, 53, 54) jeweils eine solche Querschnittsfläche besitzen, daß der Durchtritt von Mikrowellen verhindert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (41) wendelförmig gestaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (41) mindestens eine schmale Nebenschluß- oder Überbrückungsleiste (61) aus einem leitfähigen Material aufweist, die über mindestens zwei benachbarte Windungen der wendeiförmigen Antenne gespannt ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, daduich gekennzeichnet, daß die Antenne (41) einen konzentrisch in sie eingesetzten dielektrischen Stab (65) aufweist, derart, daß das dem Magnetron (15) zugewandte Ende dieses Stabs (65) der Stirnfläche des Ausgangsabschnitts (26) des Magnetrons (15) mit engem Abstand zugewandt ist.