DE2741045A1

DE2741045A1 - Verfahren zum betrieb eines kreuzfeldverstaerkers und dazu geeigneter kreuzfeldverstaerker

Info

Publication number: DE2741045A1
Application number: DE19772741045
Authority: DE
Inventors: George Kenneth Farney; Fred Alfred Feulner
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1977-09-12
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS5342548A; US4082979A; JPS6122409B2; GB1582205A; IL52898A0; CA1099348A; FR2366742A1; FR2366742B1; DE2741045C2

Description

- τ S

Das Feld kann dadurch erhöht werden, daß der Abstand zwischen der Kathode und der Driftelektrode verringert wird, oder dadurch, daß eine Vorspannung an eine isolierte Elektrode angelegt wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Kreuzfeldverstärker, bei denen ein Elektronenstrom mit einer elektromagnetischen Schwingung in einer Verzögerungsleitung wechselwirkt und die nicht aufgefangenen Elektronen rezirkulieren, und zwar durch einen Driftraum, um ihre HF-Modulation zu reduzieren, und dann wieder in den Wechselwirkungsbereich eintreten. Kreuzfeldverstärker mit Wiedereintritt haben einen besseren Wirkungsgrad, weil ein Teil der im Elektronenstrom verbliebenen Energie bei folgenden Durchläufen in Schwingungsenergie umgewandelt wird.

Es ist lange bekannt, daß Kreuzfeldverstärker mit wiedereintretendem Strom höhere Rauschpegel haben als viele andere Typen von Mikrowellenverstärkern. Rauscherscheinungen werden beschrieben in "Electronic Engineers Handbook" McGraw-Hill 1975, Seiten 9 bis 57. Es wurde vage angenommen, daß das zu starke Rauschen auf nichtphasenverrastete Elektronen im wiedereintretenden Strom zurückzuführen sei, es wurde jedoch keine klare Erläuterung vorgeschlagen. Es ist bekannt, daß das Rauschen reduziert wird, wenn das hochfrequente Eingangs-Treibsignal erhöht wird, so daß die Elektronen, die nahe der Verzögerungsleitung zirkulieren, schneller in unterschiedlichen "Speichen" verrastet werden. Das inhärente Opfer an Verstärkung ist natürlich unerwünscht. Es ist ein Verfahren zur Erhöhung der Verstärkung und gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Stabilität bekannt, bei dem die Phasenver-

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Schiebung pro Sektion der Verzögerungsleitung variiert wird (US-PS 3 069 59*0. Eine Variation des Abstandes Leitung-Kathode über die Länge der Leitung ist ebenfalls als Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wechselwirkung offenbart.

In einer älteren US-Anmeldung ist ein weiteres Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Verstärkung durch Variation der Steigung der periodischen Leitung beschrieben. Es werden auch Variationen des Leitungs-Kathoden-Abstandes über die Länge der Wechselwirkungsleitung beschrieben, um die Größe des HF-Feldes in der Nähe der Kathodenoberfläche zu steueren.

Für völlig andere Zwecke ist eine Variation des Magnetfeldes im Driftbereich bekannt, um einen Teil des Elektronenstroms in diesem Bereich aufzufangen, so daß die Anzahl der Elektronen, die wieder in den Wechselwirkungsbereich eintritt, nicht ausreicht, eine Schwingung zu führen, wenn das Treibsignal weggenommen wird (US-PS 3 560 867). Auf diese Weise wird der Verstärker selbst moduliert, während er durch einen gepulsten HF-Treiber gesteuert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Kreuzfeldverstärkers mit reduziertem Rauschen verfügbar zu machen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kreuzfeldverstärkerröhre verfügbar zu machen, die einen reduzierten

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Rauschpegel erzeugt.

Weiter soll durch die Erfindung ein Verstärker verfügbar gemacht werden, der mit reduzierter Treibleistung betrieben werden kann.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß im Driftraum ein Bereich mit höherem elektrischen Gleichfeld vorgesehen wird, in dem Elektronen auf Laufbahnen, die sie nahe zur Anode führen, durch die Driftelektrode aufgefangen werden. Der in den Wechselwirkungsbereich wiedereintretende Elektronenstrom enthält dann sehr wenige Elektronen, die nahe am Eingangsende der Verzögerungsleitung laufen. Solche Elektronen könnten erhebliche Rauschströme in der Leitung nahe am Eingangsende induzieren, von wo aus das induzierte Rauschsignal durch die Verstärkung des Verstärkers verstärkt wird. Um die Erzeugung großer zykloider Bewegungen derElektronen durch die Änderung des elektrischen Feldes zu vermeiden, werden die Felder an den Enden des Driftraums vorzugsweise gleich den Feldern im angrenzenden Wechselwirkungsraum gemacht. Das Feld wird dann allmählich bis zur Mitte des Driftraums erhöht, um das erwünschte "Abschöpfen" des Strahls zu erreichen. Die Feldänderung kann dadurch erhalten werden, daß der Abstand zwischen Kathode und Driftelektrode variiert wird, oder daß eine Elektrode mit einer Gleichvorspannung hinzugefügt wird.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt senkrecht zur

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Achse eines Kreuzfeldverstarkers nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch

eine Ausführungsform mit einer Vorspannungsanode;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine

andere Ausführungsform mit einer Vorspannungskathode ;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Ausführungsform mit einer nicht kreisförmigen Kathode; und

Fig. 5 eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einstellbarem Elektrodenabstand.

Der Kreuzfeldverstärker nach Fig. 1 weist eine zylindrische Kathode 10 auf, die beispielsweise aus porösem Wolfram besteht, das mit Bariumaluminat imprägniert ist. Die Kathode 10 wird mit einem Strahlungsheizer 12, beispielsweise einer mit Tonerdeisolation beschichteten bifilaren Wolframwendel beheizt. Um die Kathode 10 herum ist in radialem Abstand eine Anodenstruktur angeordnet, um eine grob gesprochen toroide Passage 14 für einen rezirkulierenden Elektronenstrom 16 zu schaffen. Die Anodenstruktur besteht aus einer Verzögerungsleitung 18, die schematisch als eine Reihe von in periodischen Abständen angeordneten Stäben 20 dargestellt ist, beispielsweise den vertikalen Teilen einer Mäanderleitung. Es können jedoch viele andere Typen von Verzögerungsleitungen verwendet werden.

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Die Verzogerungsleitiang 18 erstreckt sich um den größeren Teil des Umfangs der Kathode 10, wobei der Wechselwirkungsbereich 22 zwischen diesen beiden Teilen definiert wird. Ein HF-Treibsignal wird an das Eingangsende 24 der Leitung 18 von einer Eingangs-Ubertragungsleitung 26, beispielsweise einer Koaxialleitung, durch ein Keramikfenster 28 im Vakuumgefäß 34 angelegt. Das Ausgangsende der Leitung 18 ist an eine ähnliche Übertragungsleitung angeschlossen, um das verstärkte Signal abzuführen. Die Leitung 18 wird auf dem Gleichstrompotential des Röhrenkolbens 3^· betrieben, gewöhnlich geerdet.

über den Teil 40 der Passage 14- zwischen dem Ausgang und dem Eingang 24 besteht die Anodenstruktur aus einer Wellen nicht leitenden Driftelektrode 32, die strukturell ein nach innen vorstehender Ansatz am Röhrengefäß 34, beispielsweise aus Kupfer, sein kann. An den Enden 36 und 38 hat die Innenfläche der Driftelektrode 32 den gleichen Abstand von der Kathode 10 wie die angrenzenden Enden 30 und 24 der Leitung 18. Der Elektronenstrom kann also in den Driftraum 40 zwischen Elektrode 32 und Kathode 10 ohne Störungen ein- und aus diesem herausströmen, die durch abrupte Änderungen im Gleichfeld verursacht werden.

Einwärts von den Enden 36 und 38 der Elektrode 32 ist deren Innenfläche 42 so geformt, daß sie allmählich und fließend den Abstand zwischen der Fläche 42 und der Kathode 10 verkleinert.

Es wurde festgestellt, daß die beschriebenen Veränderungen des Abstandes eine beachtliche Verbesserung im vom Kreuzfeldverstärker erzeugten Rauschen mit sich bringen können.

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Es wurde eine Röhre mit einem sehnenförmigen Einsatz in die normalerweise zylindrische Driftelektrode gebaut. Diese Röhre zeigte eine überraschende Reduzierung des Rauschens um 5dB verglichen mit ansonsten identischen bekannten Röhren mit gleichförmigen Abständen.

Tie Elektronenlaufbahnen und Wechselwirkungen in einer Kreuzfeldröhre sind sehr kompliziert und nicht voll verständlich. Es wird jedoch angenommen, daß das verbesserte Betriebsverhalten auf die Erhöhung der elektrischen Feldstärke zurückzuführen ist, die durch den verringerten Abstand verursacht ist. Dementsprechend müßten auch andere Einrichtungen zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke eine Verringerung des Rauschens mit sich bringen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das stärkere elektrische Feld durch einen Abschnitt 50 der Driftelektrode 32' hervorgerufen wird, der mit einem leitenden Stab 52 getragen wird, der mit einer isolierenden Dichtung 5^- an den Röhrenkörper 34-' montiert ist. Eine Vorspannung 56 wird an den Abschnitt 50 gelegt, die positiv gegen den Körper 34-' ist. Damit wird ohne Verringerung des Abstandes von der Kathode das elektrische Feld zwischen Elektrode 50 und Kathode 10' lokal erhöht. Die Stirnfläche der Elektrode 50 braucht nicht auf der zylindrischen Fläche zu liegen, die durch die Leitung 18' definiert ist, sondern kann so konturiert sein, daß sie die gewünschte Rate der Feldänderung mit dem Abstand längs des Driftraums 40' bewirkt.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der das verstärkte Feld durch eine isolierte Elektrode 60 erzeugt wird, die einen Teil des Umfangs der sonst zylindrischen Kathode 10" gegenüber der Driftelektrode 32" ersetzt.

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In diesem Falle wird eine Vorspannung negativ gegen das Potential der Kathode 10" an die Elektrode 60 über eine diese tragende Leitung 62 von einer nicht dargestellten Vorspannungsquelle gelegt. Eine Elektrode, die körperlich der Elektrode 60 etwas ähnelt, ist bekannt (US-PS 3 255 422). Diese bekannte Elektrode wurde dazu verwendet, die Impulse dadurch abzuschalten, daß Elektronen aufgefangen wurden, wenn eine Impulsspannung positiv gegen Kathode an diese Elektrode angelegt wurde. Erfindungsgemäß könnte die Elektrode 60 sowohl dazu dienen, durch negative Vorspannung das Rauschen zu reduzieren, wenn der Impuls eingeschaltet ist, als auch dazu, durch einen positiven Impuls abzuschalten, um eine Beendigung des HF-Impulses herbeizuführen.

Fig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der der Abstand zwischen Kathode 10"' und Driftelektrode 3?"' dadurch verringert ist, daß eine Kathode 10"' mit einem nicht kreisförmigen Abschnitt versehen wird, der aus einem Vorsprung 64 besteht.

Fig. 5 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 1, bei der der Abstand eines Teils der Driftelektrode 32"" von der Kathode 10"" einstellbar gemacht ist, so daß die optimalen Bedingungen für niedriges Rauschen und hohen Wirkungsgrad für jede Röhre eingestellt werden können. Ein zentraler Teil der Driftelektrode 32"" ist als relativ dünner Streifen 66, beispielsweise aus Kupfer, ausgeführt, so daß er verformt werden kann. Die Enden 68 des Bügels sind eingerollt, so daß dieser sich biegen kann, ohne zu knicken oder sich zu strecken. Eine Stoßstange 70 ist am Bügel 66 befestigt, sie führt durch das Vakuumgefäß 34"" über einen flexiblen Metallbalgen 72 nach außen. Das äußere Ende der Stoßstange 70 wird radial zum Kreuzfeldverstärker

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Al

mit einer Differential-Treibschraubenniutter 74- bewegt, die in einer Montage 76 gelagert ist, die am Kolben 3^"" befestigt ist.

Es wird vermutet, daß die beobachtete Rauschreduzierung darauf zurückzuführen ist, daß an der Driftelektrode Elektronen durch Abfangen entfernt werden, die sonst sehr nahe an der Leitung in den Wechselwirkungsbereich wieder eintreten würden, wo sie auf dieser zu starkes Rauschen induzieren können. Den kreisförmigen Drift-Bahnen dieser Elektronen können zykloide Störungen großer Amplitude überlagert sein. Es wird angenommen, daß abrupte Änderungen im Gleichfeld große zykloide Komponenten auf Elektronenlaufbahnen anregen können, die sonst relativ glatt wären. Aus diesem Grunde können gleichmäßige Änderungen des Feldes, wie sie in der experimentellen Röhre verwendet wurden und beispielsweise durch die Konstruktion in Fig. 1 dargestellt sind, besonders günstig sein.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Kreuz feldverstärkers auf niedrigem Kauschpegel, der eine verlängerte wiedereintretende Fassage für einen rezirkulierenden Elektronenstrom aufweist, eine an die Passage über den größten Teil ihrer Ausdehnung angrenzende Kathode, eine Verzögerungsleitung angrenzend an die Passage und der Kathode gegenüber, die sich über einen Wechselwirkungsteil der Passage erstreckt, eine nichtwellenleitende Driftelektrode angrenzend an die Fassage und der Kathode gegenüber, die sich über einen iJriftteil der Fassage erstreckt, dadurch gekennzeichnet., daß ein Magnetfeld allgemein parallel zu der Kathode und senkrecht zur Erstreckung der Passage angelegt wird, eine erste elektrische Feldstärke zwischen die Kathode und die Leitung angelegt wird, und zwischen die Kathode und einen Teil der Driftelektrode eine zweite elektrische Feldstärke angelegt wird, die höher ist als die erste FeIdstärke.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung, die sich von den Spannungen der Kathode und der Leitung unterscheidet, an eine Vorspannungselektrode gelegt wird, die an einen Peil des Abschnittes angrenzt und von der Kathode und der Leitung isoliert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungselektrode der Kathode gegenüberliegt.

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4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungselektrode und die Kathode sich auf der gleichen Seite der Passage befinden.

5- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung gleich der Spannung zwischen der Kathode und der Leitung zwischen die Kathode und einen Teil der Driftelektrode angelegt wird, wobei der Abstand zwischen diesem Teil und der Kathode kleiner ist als zwischen der Kathode und der Leitung.

6. Kreuzfeldverstärker mit einer ausgedehnten wiedereintretenden Passage für eine rezirkulierenden Elektronenstrom, die aus einem Wechselwirkungsteil und einem Driftteil besteht, eine· Kathode, die sich über den größten Teil der Passage erstreckt, einer Verzögerungsleitung, die an die Passage angrenzt und sich über den Wechselwirkungsteil erstreckt und der Kathode gegenüberliegt, und einer nichtwellenleitenden Driftelektrode, die an die Passage angrenzt, der Kathode gegenüberliegt und sich über wenigstens einen Teil des Driftteils erstreckt, sowie einer Einrichtung, mit der eine erste elektrische Feldstärke zwischen die Kathode und die Leitung gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der zwischen die Kathode und die Driftelektrode eine zweite elektrische Feldstärke angelegt wird, die an den Enden

■ des Driftteils im wesentlichen gleich der ersten Feldstärke ist und die allmählich mit dem Abstand von diesen Enden auf einen Wert steigt,der erheblich höher ist als die erste Feldstärke.

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7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der zweiten Feldstärke aus einem ersten Abstand zwischen einem Teil der Kathode und einem Teil der Driftelektrode besteht, der kleiner ist als der Abstand zwischen der Kathode und der Leitung.

8. Röhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine aktive Oberfläche aufweist, die im wesentlichen auf der Oberfläche eines ersten geraden Kreiszylinders liegt, und daß die Oberflächen der Leitung und der Enden der Driftelektrode, die zur Kathode weisen, im wesentlichen auf der Oberfläche eines zweiten geraden kreisförmigen Zylinders parallel zum ersten Zylinder liegen, und daß der Teil der Driftelektrode von der Oberfläche des zweiten Zylinders zum ersten Zylinder hin vorsteht.

9. Röhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftelektrode und die Leitung elektrisch miteinander verbunden sind.

10. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der zweiten Feldstärke aus einer VorspannungssLektrode besteht, die an den Driftteil der Passage angrenzt und gegen die Kathode und die Leitung isoliert ist.

11. Röhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorspannungselektrode ein Teil der Driftelektrode ist.

12. Röhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungselektrode der Driftelektrode gegenüberliegt.

13- Röhre nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur mechanischen Einstellung des ersten Abstandes.

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