DE2528351A1 - Wanderfeldroehre - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE ? R ? P ^ R 1

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 25. Juni 1975 P/Po - E 2046

ENGLISH ELEGTRIC YALVE COMPANY LIMITED 106 Waterhouse Lane, Chelmsford, Essex, CM1 2^u, England

Wanderfeldröhre

Die Erfindung bezieht sich auf Wanderfeldröhren und betrifft das Magnetfeld, welches zur Fokussierung des Elektronenstrahls in solchen Röhren verwendet wird. Wanderfeldröhren werden bekanntlich dazu herangezogen, sehr hoch-frequente elektrische Signale mit geringer Verzerrung zu verstärken. Dies geschieht dadurch, daß ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) schwacher Leistung auf den Elektronenstrahl der Röhre gekoppelt wird, um eine Geschwindigkeitsmodulation des Strahls zu bewirken. Wegen der gegenseitigen Abstoßung der negativen Elektronen wird ein fokussierendes Magnetfeld angelegt, um das Aufspreizen des Elektronenstrahls zu verhindern. Dieses Magnetfeld kann zwar durch einen die Wanderfeldröhre umgebenden Elektromagneten erzeugt werden, immer häufiger bedient man sich jedoch einer Anordnung aus Permanentmagneten, die ein periodisch magnetisches Feld herstellt. Der Permanentmagnetaufbau kann relativ leicht von Gewicht gemacht werden und erfordert nicht die starken elektrischen Ströme, die zur Erregung der früher verwendeten Elektromagneten notwendig waren. Andererseits gibt es jedoch gewisse Schwierigkeiten, dem periodisch magnetischen Feld

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DR. G. MANlTZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIP L. -ING. W. G R A M K. O W ZENTRA-KASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 727Ο

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am Ort des Eintretens des Elektronenstrahls die richtige Form zu geben. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wanderfeldröhre mit einer verbesserten Fokussierung zu schaffen.

Gemäß der Erfindung enthält die Wanderfeldröhre einen periodischen Permanentmagnetaufbau zur !Fokussierung des Elektronenstrahls, wobei der erste Spitzenwert des periodisch magnetischen Feldes niedriger ist als die unmittelbar nachfolgenden Spitzenwerte, die im wesentlichen einander gleich sind. Die erste vom Elektronenstrahl durchlaufene Nullstelle des Magnetfeldes liegt innerhalb des fokussierenden Permanentmagnetaufbaus, und zwar zwischen dem Ort des ersten Spitzenwertes und dem Ort des nächst folgenden Spitzenwertes«

Vorzugsweise ist die Quelle des Elektronenstrahls eine Elektronenkanone, die einen anfänglich konvergierenden Elektronenstrahl erzeugt, und vorzugsweise erscheint der erste Spitzenwert des periodisch magnetischen Feldes an demjenigen Punkt, wo der Durchmesser des Elektronenstrahls sein erstes Minimum erreicht.

Vorzugsweise befindet sich die Elektronenkanone in einem Magnetfeld, welches Feldlinien aufweist, die den konvergierenden Bahnen der von der Kathode der Elektronenkanone ausgehenden Elektronen folgen.

Der erste Spitzenwert des periodisch-magnetischen Feldes bestimmt sich durch den sogenannten Brillouin-Wert und einen Faktor m, wobei m zwischen 1 und 2 liegt und typischerweise eiwa 1,5 beträgt. Der Brillouin-Wert ist diejenige magnetische Feldstärke in Axialrichtung, die notwendig ist, den Elektronenstrahl um seine eigene Achse zu drehen und dabei den mittleren Durchmesser des Strahls ziemlich konstant zu halten. Die Kopplung eines HF-Signals auf den Elektronenstrahl zum Zwecke einer LeiBtungsverstärkung des Signals führt zu einer Geschwindigkeitsmodulation der einzelnen Elektronen innerhalb des Strahls und gibt Anlaß zu Störungen oder Änderungen des Strahldurchmessers. Dieser Effekt wird in der englischen Fachsprache manchmal mit "scalloping" bezeichnet, was soviel wie "Langettenbildung" bedeutet. TJm das Ausmaß dieser Störungen gering zu halten, wird das axiale Magnetfeld um einen Faktor m

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über den Brillouin-Wert hinaus erhöht. Der V/ert dieses Paktors ra wird oft empirisch ermittelt, jedoch ist ein Wert von etwa 1,5 annehmbar. Vorzugsweise ist der erste Spitzenwert des periodischen Magnetfeldes im wesentlichen gleich dem quadratischen Mittel der besagten unmittelbar folgenden Spitzenwerte.

Lie Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer erfindungsgemäßen Wanderfeldröhre;
Figur 2 ist ein erläuterndes Diagramm.

Die Figur 1, bei der es sich nicht um eine maßstabsgetreue Darstellung handelt, zeigt einen Teil einer Wanderfeldröhre, in der dan fokussierende periodisch magnetische Feld von einem Permanentmagnetaufbau erzeugt wird, der aus einer Folge von Ringmagneten 1 besteht. Diese Ringmagnete folgen in alternierender Polarisierung aufeinander, wie es mit den Buchstaben N und S für die Nord- und Südpole angedeutet ist, um eine regelmäßige Periodizität cles axialen Magnetfeldes längs der Achse AA¹ der Wanderfeldröhre zu bewirken. Jeder Ringmagnet 1 ist von den benachbarten Ringmagneten durch ein Polstück 2 getrennt, welches das Magnetfeld auf die Achse A A' lenkt. Am anderen Ende des fokussierenden Magnetaufbaus befindet sich eine schüsseiförmige Kathode 3, die einen Elektronenstrahl 4 aussendet. Die Kathode 3 selbst ist Teil einer Elektronenkanone, welche die üblichen Beschleunigungselektroden aufweist, um den Elektronenstrahl zu formen und ihm die notwendige Energie zu geben. Diese Elektroden sind herkömmlicher Art und nicht gesondert dargestellt. Der Elektronenstrahl läuft längs der Achse AA' und wird am entfernten anderen Ende der Wanderfeldröhre von einem Kollektor (nicht dargestellt) aufgefangen.

Die Polstücke 2 sind außerdem Teil der Resonatoranordnung der Wanderfeldröhre. Diese Resonatoranordnung besteht im wesentlichen aus einer Anzahl Resonanzkammern, durch welche ein HF-Signal relativ schwacher Leistung dem Elektronenstrahl überlagert werden kann, um den von der Kathode 3 kommenden Elektronen eine Geschwindigkeitsmodulation mitzuteilen. Entweder können zwischen jeweils zwei PoI-

ijfJiUU / / Γι', h2

— Λ —

stücken 2 mehrere solche Resona η zkamiuern liegen, oder jedes Polstückpaar selbst kann die Begrenzung einer Resonanzkaramer dar~

I 31 Il Il I ) ]| H I Mi I I I!

stellen. Die iia^ur unci die Konstruktion von kesonanzkammevn dieaer Art ist bekannt (vergleiche z.B. die auf die Anmelderin lautenden Patentanmeldungen 7632/73, I/576O/V und I/5773/V). Die Resonanzkauraern "bilden in ihrer Gesamtheit die sogenannte "Verzögerungsleitung" (langsamwellenstruktur) der Röhre.

Die Ringmagneten 1 und die Polstücke 2 sind so gewählt, daß der Spitzenwert B. der Induktion des Magnetfeldes gleich ist dem Brillouin-Wert multipliziert mit einem Faktor m. Der Wert von m beträgt etwa 1,5. Wie bereits erwähnt, ist der Brillouin-Wert derjenige Wert, der zu einer Drehung des Elektronenstrahls um die Achse AA' führt, ohne daß (theoretisch) der Strahldurchmesser geändert wird. Dies zielt darauf ab, der gegenseitigen Abstoßung der einzelnen Elektronen im Strahl entgegenzuwirken und ein Aufspreizen des Strahls zu verhindern. Das erste Polstück 5 hat eine größere Mittelöffnung als die Polstücke 2, damit der Spitzenwert B. des Feldes kleiner wird als die unmittelbar folgenden Spitzenwerte B«· Die Anordnung ist so getroffen, daß B₁ gleich ist dem quadratischen Mittel der Werte B₂, das heißt B_? = ~fz B...

Bei einer herkömmlichen Wanderfeldröhre, in der das fokussierende Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, entspricht die im wesentlichen konstante Feldstärke dem Spitzenwert B₁ der erfindunsgemäßen Röhre.

Der Elektronenstrahl wird also bei seinem Eintritt in das periodische Magnetfeld der optimalen Induktion m-B.. ausgesetzt. Durch das Vorhandensein des schwachen^ und zu verstärkenden Signals wird der Elektronenstrahl einer Geschwindigkeitsmodulation unterworfen, womit sich die Tendenz verstärkt, daß der Strahl bei seiner Wanderung längs der Achse der Röhre periodische Änderungen seines Durchmessers erfährt. Diese periodischen Änderungen werden durch das Vorhandensein des bereits erwähnten Feldes mit den Spitzenwerten B_? auf ein zumutbares Maß begrenzt.

Das Polstück 5 hat einen axialen Fortsatz 6 in Form eines kurzen offenen Zylinders aus magnetischem Material (zum Beispiel Weicheisen),

(Ui H 8 A Z I U b h 2

dessen Zweck darin besteht, innerhalb der Elektronenkanone selbst ein axiales Magnetfeld hervorzurufen. Die Induktion des axialen Magnetfeldes ist mit der gestrichelten Linie dargestellt und steigt allmählich von einem Wert B^ an der Kathodenfläche auf einen Wert B am Ort der (nicht dargestellten) Anode der Elektronen-

a

kanone an. Die Werte B_n und B_n stehen durch die Gleichung B_ r

r\ aC d ca

= B r zueinander in Beziehung, wobei r, und t_q die Radien des Elektronenstrahls an der Anode bzw. an der Kathode sind. Ein Feld dieser Gestalt hat Induktionslinien, die annähernd den einzelnen Elektronenbahnen folgen, und daher erfahren die Elektronen ein allmählich stärker werdendes axiales Magnetfeld, bis der erste Spitzenwert B₁ erreicht ist.

Der Wert B_n steht zur Größe B₁ in folgendes Beziehung:

^Bc = ^B1

V^s

wobei r_Q der Radius des Elektronenstrahls am Ort des ersten Spitzenwertes B₁ ist. Wenn m=1, d.h. wenn der erste Spitzenwert B₁ gleich ist dem theoretischen Brillouin-Wert B-g, dann wird B_c gleich 0. Unter Berücksichtigung der oben erwähten Beziehung B₂ = */2 B.J können die verschiedenen Induktionswerte in einer nur von den Strahlradien abhängigen Form geschrieben werden:

2 / 2 2
^B2 = ^{2 B}B ⁺ V

Das Verhältnis von B₁ zu Bp läßt sich durch änderung der Stärke des ersten Ringmagneten 1 weiter modifizieren. Wenn jeder Ringmagnet aus einer Anzahl länglicher axial ausgerichteter Magnete zusammengesetzt wird, die Seite an Seite liegen, dann kann man den Wert von B₁ einfach dadurch verringern, daß man einige dieser länglichen Magnete fortnimmt. Die tatsächliche Gestalt des Magnetfeldes im Bereich der Öffnung des Polstücks 5 ist durch

B0 9842/Ü552 _g

folgende Gleichung gegeben, worin R der Radius dieser Öffnung und die anderen Symbole die in Figur 2 eingezeichneten Maße darstellen:

B_z =

TX

tan

1 +

Der Fortsatz 6 kann aus einem weiteren Ringmagneten bestehen, der entweder im gleichen Sinn oder im entgegengesetzten Sinn wie der erste Ringmagnet 1 gepolt sein kann, um die Verhältnisse B und B./B_n je nach den Erfordernissen entweder größer oder kleiner zu machen.

Die Anode sitzt sehr dicht an der Kathode (typischerweise nur etwa 2,5 cm von dieser entfern^, und der Abstand von der Anode zum Ort des ersten Spitzenwertes B^ beträgt ebenfalls nur etwa 2,5 cm. Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Eintrittsbedingungen für den Elektronenstrahl bei seinem Eintritt in das periodische fokussierende Feld zu erfüllen, ohne daß eine übermäßig lange Elektronenkanone erforderlich ist. Fachstehend werden typische ungefähr· Werte für die verschiedenen Induktionen angegeben, die nur als Beispiel aufzufassen sind, um ein Bild über die Größenordnungen zu geben; B_B = 356 Gauß, B₁ = 534 Gauß, B₉ = 755 Gauß, B_n = 0,12 B₄ und B_n = 3B„ unter der Annahme m = 1,5. Eine Wanderfeldröhre dieser Art ist hauptsächlich für einen Betrieb bei Strahlleietungen von über 1 Megawatt gedacht.

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Claims (1)

1. P atentansprüche

   Wanderfeldröhre rait einem periodischen Permanentmagnetaufbau zur Fokussierung ihres Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spitzenwert des periodischen Magnetfeldes niedriger ist als die unmittelbar folgenden Spitzenwerte, die im wesentlichen einander gleich sind, und daß die erste vom Elektronenstrahl (4) durchlaufene Hullstelle des Magnetfeldes innerhalb des Permanentmagnetaufbaus (1, 2) liegt und sich zwischen dem ersten und dem nächstfolgenden Spitzenwert befindet.

   Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Elektronenstrahls eine Elektronenkanone ist, die einen anfänglich konvergierenden Elektronenstrahl erzeugt.

   Wanderfeldröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spitzenwert des periodischen Magnetfeldes an derjenigen Stelle liegt, wo der Durchmesser des Elektronenstrahls (4) sein erstes Minimum erreicht.

   Wanderfeldröhre nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone in einem Magnetfeld liegt, welches Feldlinien aufweist, die den konvergierenden Bahnen der von der Kathode (3) der Elektronenkanone ausgesandten Elektronen folgen.

   Wanderfeldröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spitzenwert des periodischen Magnetfeldes im wesentlichen gleich ist dem quadratischen Mittel der unmittelbar folgenden Spitzenwerte.

   h Π 9 H k l I U b B 2