DE2804717A1

DE2804717A1 - Wanderfeldroehre mit wendel-verzoegerungsleitung

Info

Publication number: DE2804717A1
Application number: DE19782804717
Authority: DE
Inventors: Erling L Lien; Allan Woodburn Scott
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1977-02-10
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1978-08-17
Also published as: JPS5399758A; IT7820152A0; CA1099817A; FR2380633A1; IT1093279B; IL53941A0; US4158791A

Description

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es sich um ein metallisiertes Muster auf einem dielektrischen Stab, der zum Abstützen der Wendel verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft breitbandige Wanderfeldröhren, insbesondere Röhren, in denen Wechselwirkungskreise verwendet werden, die von der Wendel abgeleitet sind. In allen breitbandigen Wanderfeldröhren, insbesondere bei hohen Leistungspegeln, ergeben sich Probleme mit Instabilitäten und Schwingungen bei Frequenzen nahe den Bandkanten der Leitungen, wo die Wellengruppengeschwindigkeit sehr klein wird und die.Wechselwirkungsimpedanz entsprechend groß.

Zwei grundsätzliche Techniken sind in weitem Umfang verwendet worden, um Instabilitäten in Wanderfeldröhren zu bekämpfen. Die eine besteht darin,die Verzögerungs-Wechselwirkungsleitung aufzutrennen, so daß sie in mehrere kürzere Leitungen unterteilt wird, zwischen denen keine Wellenkupplung herrscht, so daß die Verstärkung in einem Leitungsabschnitt auf Werte unterhalb denen beschränkt wird, an denen Schwingungen auftreten können. Unterteilungen haben schwerwiegende Nachteile dadurch, daß eine erhebliche Signalverstärkung dadurch verlorengeht, daß die Leitungsschwxngungsenergie weggeworfen und eine neue Schwingung im folgenden Abschnitt begonnen wird. Eine Begrenzung der Verstärkung im Ausgangsabschnitt bringt auch einen Verlust an Wirkungsgrad mit sich, wenn der Ausgangsabschnitt zu kurz ist.

Eine zweite in weitem Umfang in Wanderfeldröhren vom Wendeltyp verwendete Technik besteht darin, eine Schwingungsdämpfung über ein Stück der Leitung zu verteilen, um die Verstärkung zu begrenzen und unerwünschte

rückwärts reflektierte Schwingungen zu absorbieren. Eine solche verteilte Dämpfung absorbiert Leistung bei allen Frequenzen über das Betriebsband der Röhre. Sie erzeugt deshalb Probleme, insbesondere in Hochleistungsröhren, bei der Abfuhr der absorbierten Energie, durch Herabsetzung der Verstärkung und durch Herabsetzung des Wirkungsgrades.

In Hochleistungs-Wanderfeldröhren, in denen Bandpasskreise, etwa gekoppelte Hohlräume, verwendet werden, war es üblich, eine Leitungsdämpfung zu verwenden, die frequenzselektiv ist, so daß sie nahe einer Bandkantenfrequenz am größten ist. Das wurde manchmal in der Weise durchgeführt, daß verlustbehaftete Resonanzelemente, beispielsweise Hohlräume, mit den Wechselwirkungs-Lei tungshohlräumen gekoppelt wurden. In der US-PS 3 59'+ 605 wird eine Resonanzhohlraumbelastung veranschaulicht. Diese Technik ist bei Röhren mit Leitungen vom Wendeltyp nicht praktikabel, weil es sehr schwierig wäre, solche Elemente mit der Wendel zu koppeln, die ein geringes elektromagnetisches Feld außerhalb ihrer Umhüllenden hat. Wanderfeldröhren vom Wendeltyp müssen im allgemeinen auch in kleine Bohrungen in Strahlfokussiermagneten passen, so daß kein Raum für einen massigen Dämpfer, wie einen Resonanzhohlraum, vorhanden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wanderfeldröhre vom Wendeltyp mit frequenzempfindlicher Dämpfung verfügbar zu machen, ohne den Röhrendurchmesser zu vergrößern.

Weiter soll durch die Erfindung eine Wanderfeldröhre vom Wendeltyp verfügbar gemacht werden, in der störende Schwingungen und Instabilitäten nahe einer Bandkantenfrequenz unterdrückt sind.

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Veiter soll durch die Erfindung eine stabile Wanderfeldröhre verfügbar gemacht werden, die klein, leicht und einfach herzustellen ist.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß ein oder mehrere verlustbehaftete Resonanzleitungselemente in das Vakuumgefäß der Wanderfeldröhre eingeschlossen und mit dem elektromagnetischen Feld der Wechselwirkungsleitung gekoppelt werden. Der verlustbehaftete Kreis ist an einem dielektrischen Träger befestigt, bei dem es sich um einen der dielektrischen Stäbe handeln kann, die zum Abstützen der Wendel verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der verlustbehaftete Kreis ein Abschnitt einer Verzögerungsleitung mit reflektierenden Abschlüssen ausreichender Länge, um bei der gewünschten Frequenz in Resonanz zu kommen.

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

Fig. 1 ein Dispersionsdiagramm einer Verzögerungsleitung vom Wendeltyp;

Fig. 2 _t schematisch einen Längsschnitt durch eine Wanderfeldröhre mit einer Wendelleitung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Röhre nach Fig. 2;

Fig. 4- einen Fig. 3 entsprechenden Schnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen Teil einer Wanderfeldröhre ähnlich der in Fig. 2 mit einer Alternative für

ein verlustbehaftetes Eesonanzelement;

ent spre chende Fig. 6 eine Fig./J Darstellung einer weiteren

Ausführungsform;

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Fig. 7 graphisch die Wellentransmission und -reflexion einer Wendelleitung ohne Resonanzdämpfung; und

Fig. 8 graphisch die Wellentransmission und -reflexion einer Wendelleitung mit Resonanzdämpfung.

Fig. 1 zeigt das wohlbekannte to- ^J, - oder Dispersions-Diagramm einer Verzögerungs-Wechselwirkungsleitung, beispielsweise einer Wendel oder einer von der Wendel abgeleiteten Leitung. Von der Wendel abgeleitete Leitungen sind beispielsweise Mehrleiter-Wendeln, wie die verschachtelte bifilare Wendel, die gegengewickelte Wendel und ihr topographisches Äquivalent, die Ring-und-Stab-Leitung. Diese Leitungen haben keinen Gleichstrom-Erdanschluß. Sie führen Frequenzen bis herab zu Null, d.h., Gleichstrom. Die Abszisse in Fig. 1 ist fi L, d.h., die Phasenverschiebung der durchgelassenen Schwingung pro Periode der Leitung, d.h., pro Wendelsteigung, in Radiant. Die Ordinate ist υ! , die durchgelassene Frequenz. Der fundamentale, untere Zweig der Dispersionskurve besteht aus einem Teil F positiver Neigung, der eine Vorwärtsschwingung anzeigt, und einem Teil B negativer Neigung, der eine Rückwärtswelle repräsentiert. Die übliche Konvention hinsichtlich Richtungen ist, daß steigende Phasenverschiebungen in Richtung der Strahlfortpflanzung der Wanderfeldröhre genommen werden. Da die Verzögerungsleitung in beiden Richtungen in identischer Weise überträgt, ist das Dispersionsdiagramm symmetrisch um β L=//. Wenn keine Kopplung zwischen einer Vorwärtswelle und einer BückwärtswelIe vorhanden wäre, würde der Vorwärtswellenteil F einfach als F¹ fortgesetzt, wobei er die Rückwärtswellenkennlinie B kreuzen würde, die als B' weiterlaufen würde. Tatsächlich gibt es jedoch immer einige Asymmetrien, die die

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Schwingungen miteinander koppeln. Das führt dazu, daß die beiden Zweige sich trennen anstatt schneiden, so daß sich eine Grenzfrequenz Co für den Fundamentalzweig bei /3 L = /» ergibt. Bei der Grenzfrequenz wird die Wellengruppengeschwindigkeit Null, was dadurch angezeigt wird, daß die Dispersionskurve horizontal wird. Da Energie die Wendel herab nicht geführt wird, wird deren Wechselwirkungsimpedanz sehr groß für Frequenzen in der Nähe der Grenzfrequenz. Die resultierende starke Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl bewirkt Instabilitäten und möglicherweise Schwingung nahe der Grenzfrequenz. In Fig. 1 sind die Bereiche der Betriebsfrequenzen von Co-. bis c-^ '^an<^ ^.er Bereich höherer Frequenzen von (.c·-, bis t*>^, in denen Instabilitäten anzutreffen sind, angezeigt. Ein Ziel der Erfindung ist es, Schwingungen mit Frequenzen im Instabilitätsbereich stark zu dämpfen, ohne daß Schwingungen im Betriebsbereich merklich gedämpft werden. Für diesen Zweck ist eine Dämpfungseinrichtung mit einer selektiven Frequenzabhängigkeit erforderlich.

Fig. 2 ist ein vereinfachter schematischer Schnitt durch eine Wanderfeldröhre mit Merkmalen der Erfindung. Ein Elektronenstrahl wird von einer Glühkathode 10, beispielsweise einer üblichen Bariumoxyd-Kathode auf einer Nickelbasis gezogen. Die Kathode 10 hat typischerweise eine konkave sphärische Form und ist auf einer Basis mit einem elektrisch leitenden aber thermisch isolierenden Stützelement 13 abgestützt". Um die Kathode 10 herum befindet sich eine Strahlfokussierelektrode 14·, die ebenfalls auf der Basis 12 abgestützt ist. Die Kathode 10 wird durch Strahlung von einem drahtförmigen Heizer 15» typischerweise mit einer Aluminiumoxydschicht isolierter Wolframdraht, geheizt.Ein Schenkel 16 des Heizers 15 ist mit der Basis 12 verbunden, und der andere Schenkel

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wird zum äußeren Anschluß über eine isolierende Dichtung 20 aus dem Vakuumgefäß herausgeführt. Die Basis 12 ist mit einem Hochspannungsisolator 24 dicht an das Haupt-Vakuumgefäß 22 angesetzt. Innerhalb des Kolbens 22 zieht eine projizierende Anodenelektrode 26, die auf einem gegen die Kathode 10 positiven Gleichpotential betrieben wird, den Elektronenstrahl 28 von der Kathode 10, konvergiert ihn durch eine öffnung 29 in der Anode 26 und projiziert ihn als einen zylindrischen Strahl. Jenseits der Anode 26 wird der Strahl 28 typischerweise mit einem axialen Magnetfeld fokussiert gehalten, das durch eine Zylinderspule oder ein Permanentmagnetsystem (nicht dargestellt) erzeugt wird. Der Strahl 28 passiert innerhalb einer Verzögerungswechselwirkungsleitung 30, die so ausgelegt ist, daß sie eine elektromagnetische Schwingung bei einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die synchron mit der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls 28 ist. Die in Fig. 2 illustrierte Leitung 30 ist die einfachste und meist verwendete Type, ein metallisches Band mit rechteckigem Querschnitt, das zu einer Wendel gewickelt ist. Die Leitung 30 wird auf ihrer Länge mit einer Anzahl sich axial erstreckender dielektrischer Stäbe 32 abgestützt, die beispielsweise aus Saphir oder Aluminiumoxydkeramik bestehen. Die Stützung kann eine rein mechanische Halterung sein oder stattdessen können die Stäbe 32 durch Bindeglas mit der Leitung 30 verbunden sein. Die Tragstäbe 52 sind mechanisch innerhalb eines zylindrischen Teils 34- des Vakuumkolbens enthalten, der typischerweise aus einem unmagnetischen Metall besteht, beispielsweise austenitischer rostfreier Stahl. Die Tragstäbe 32 können kreisförmige Zylinder sein, geeignet für Wanderfeldröhren niedriger Leistung, oder in Hochleistungsröhren können sie gemäß Fig. 3 allgemein rechteckigen Querschnitt haben, wobei die inneren und

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äußeren Flächen gekrümmt sind, um an die Wendel und den Röhrenkolben zu passen, um die Wärmeleitung zu verbessern. Die Enden der Wendel 30 sind mit Metallstiften 36, 40, die an die Enden der Wendel geschweißt sind und sich durch den Vakuumkolben 34 über isolierende dielektrische Dichtungen 38, 42 erstrecken, mit externen Übertragungsleitungen verbunden. In einem Vorwärtswellen-Wanderfeldverstärker würde das Eingangssignal an den Eingangsanschluß 36 gelegt und der verstärkte Ausgang würde am Ausgangsanschluß 40 abgenommen. Nach dem Verlassen der Wendel 30 tritt der Elektronenstrahl 28 in einen hohlen metallischen Kollektor 44 ein und der Strom wird durch eine nicht dargestellte externe Stromversorgung abgenommen. Der Kollektor 44 ist mit einer dielektrischen Vakuumdichtung 46, beispielsweise aus Aluminiumoxydkeramik, an den Kolben 34 montiert, wodurch der Vakuumkolben vervollständigt wird.

Auf wenigstens einem der Tragstäbe 32 ist das frequenzempfindliche, verlustbehaftete Dämpfungselement 50 befestigt, das das Herz der Erfindung darstellt. In Fig. ist das Verlustelement 50 als Mäanderleitung dargestellt, die aus einem Streifen Widerstandsleiter gebildet ist, der an die Oberfläche des Tragstabes 32 gebondet ist. Flache Seitenflächen der Stäbe 32 (Fig. 3) sind gut zum Niederschlag des Dämpfers 50 geeignet. Der Streifen 50 kann nach irgendeiner der wohlbekannten Techniken zum Niederschlag eines metallisierten Musters auf der Keramik gebildet werden. Zum Beispiel kann Bond-Metall, beispielsweise Chrom, durch eine Maske auf den Stab gesprüht werden, um das gewünschte Muster zu formen, und dann kann zusätzliches Metall elektrisch auf- . plattiert werden, um die Dicke zu erhöhen. Stattdessen kann pulverförmige Metallisierfarbe, die Molybdän und Magnesiumpulver enthält, etwa durch eine Siebdrucktechnik aufgebracht werden. Stattdessen kann auch ein

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vorgeformtes metallisches Leiterelement 50 an dem dielektrischen Stab befestigt werden, etwa durch Glasieren. Die Mäanderleitung 50 ist eine Verzögerungsleitung. Ihre Länge ist so ausgewählt, daß sie bei der zu unterdrückenden Frequenz als Übertragungsleitung mit offenem Ende in Eesonanz kommt, die eine Länge von N/2 elektrischen Wellenlängen hat, wobei N irgendeine ganze Zahl ist. Wenn N=I und die Verlustleitung eine halbe Wellenlänge lang ist, ist sie vorzugsweise so hergestellt, daß ihre körperliche Länge nicht größer ist als die Wendelsteigung und daß sie zwischen benachbarten Wendelwindungen zentriert ist, so daß bei einer Phasenverschiebung *7 zwischen Windungen die Leitung 50 sich in einem unidirektionalen Feld befindet. Eine alternative Verlustleitung 51 ist dargestellt, die zwei Wendelwindungen überbrückt. Sie würde vorzugsweise eine volle Wellenlänge lang sein, so daß sie durch die gegenphasigen Felder des '//"-Modus auf der Wendel in Vollwellenresonanz angeregt wird. Die Länge des verlustbehafteten Elementes wird so ausgewählt, daß der gewünschte Kopplungsgrad mit den elektromagnetischen Feldern der Verzögerungs-Wechselwirkungsleitung erreicht wird.

In Fig. 3 ist die Verlustleitung 50 auf der Oberfläche eines dielektrischen Tragstabes 32 liegend dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der das verlustbehaftete Leitungselement 50' auf einem unabhängigen dielektrischen Tragstab 52 abgestützt ist, der seinerseits innerhalb des Vakuumkolbens 34-' abgestützt ist. Die in Fig. 4- dargestellte Konstruktion erlaubt es, die Oberfläche zum Abstützen des Verlustelementes 50' so groß wie gewünscht zu machen.

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Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Resonanz-Verlustelementes. Hier ist ein leitender Streifen 54-als Resonanzring geformt, der einen kapazitiven Spalt enthält.

Fig. 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der eine kleine metallne Wendel, beispielsweise aus Wolframdraht, am Tragstab 32''' befestigt ist, beispielsweise durch Glasieren. Die Verzögerungswendelleitung 56 ist in ihren Abmessungen so gewählt, daß sie eine Leerlaufresonanz bei der zu unterdrückenden Frequenz hat. Das heißt, sie ist allgemein N/2 elektrische Wellenlängen lang.

Fig. 7 zeigt die Transmissions- und Reflexions-Kennlinien einer typischen Wendelleitung. Diese spezielle Leitung hatte ein Stop-Band bei etwa 7»8 GHz. Eine Wanderfeldröhre mit dieser Ausgangsleitung neigte zum Schwingen.

Fig. 8 zeigt die Kennlinien der gleichen Leitung wie in Fig. 7 mit der Hinzufügung von Verlustleitungen, die bei 7,2 GHz und 8,2 GHz in Resonanz sind. Die Instabilitätsfrequenzen wurden stark gedämpft und eine Wanderfeldröhre mit dieser Leitung war sehr stabil. -

Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind als Illustration und nicht als Einschränkungen aufzufassen, da viele Abweichungen für den Fachmann offensichtlich sind. Beispielsweise kann irgendeine Leitung aus der Familie der von der Wendel abgeleiteten Verzögerungsleitungen als Wechselwirkungsleitung verwendet werden. Auch viele Formen einer Verzögerungsleitung und anderer Resonanzleitungen können als frequenzempfindliches verlustbehaftetes Element verwendet

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werden, und viele Möglichkeiten zum Abstützen des Verlustelementes werden erkennbar. Es wird angenommen, daß für beste Ergebnisse die verlustbehafteten Elemente symmetrisch mit Bezug auf jedes Leitungstragelement angeordnet werden sollten, so daß die Verlustelemente selbst nicht zu einem Stop-Band führen. Es ist auch vorauszusehen, daß mehrere Verlustelemente auf jeder Stütze angeordnet werden können.

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Claims

Vl P4-66 D Patentansprüche

1. Wanderfeldröhre mit einer Wechselwirkungsleitung in Form einer Wendel-Verzögerungsleitung, gekennzeichnet durch Resonanz-Verlusteinrichtungen bestehend aus dielektrischen Abstützeinrichtungen und Widerstands-Leitern, die im elektromagnetischen Feld der Verzögerungs-Wechselwirkungsleitung angeordnet sind, wobei der Leiter an dem dielektrischen Träger befestigt und so geformt ist, daß er eine Resonanzleitung bildet.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsleitung dazu geeignet ist, mit einem Elektronenstrahl über einen gewählten Bereich von Frequenzen zu wechselwirken und die Resonanzleitung bei einer Frequenz außerhalb dieses Bereiches in Resonanz kommt.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz sich nahe einer Bandkante der Wechselwirkungsleitung befindet.

4-. Röhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzleitung ein Abschnitt einer Verzögerungsleitung mit wellenreflektierenden Enden ist.

5. Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenreflektierenden Enden offen sind.

6. Röhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsleitungsabschnitt eine ganze Anzahl

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ORiGINAL INSPECTED

elektrischer halber Wellenlängen bei der Resonanzfrequenz lang ist.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzleitung elektromagnetische Schwingungen im wesentlichen in der Portpflanzungsrichtung der Wechselwirkungsleitung führt.

8. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Abstützung ein Tragstab der Wechselwirkungsleitung ist, der sich in Fortpflanzungsrichtung erstreckt.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzleitung über im wesentlichen ihre ganze Länge an dem dielektrischen Träger befestigt ist.

10. Röhre nach einem der Ansprüche 4 bis 9i dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzleitung als Mäanderleitung geformt ist.

11. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter ein metallisiertes Muster auf dem dielektrischen Träger ist.

12. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Träger ein Stab ist, der sich axial parallel zu der Wechselwirkungsleitung erstreckt und in Umfangsrichtung zwischen zwei elektrischen Tragstäben der Wechselwirkungsleitung angeordnet ist.

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13. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsleitung auf einem geraden Kreiszylinder liegt.

14. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragstab zwischen der Leitung und einem sie umgebenden Vakuumgefäß angeordnet ist.

15· Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumkolben metallisch ist.

16. Röhre nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Kolbens ein gerader Kreiszylinder ist.

17. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Tragstäben, die zwischen der Leitung und dem Kolben sowie im Abstand voneinander angeordnet sind.

18. Röhre nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Abstützung und die Tragstäbe Zylinder sind, die sich axial parallel zur Wechselwirkungsleitung erstrecken, und der dielektrische Träger außerhalb der Leitung im Abstand von dieser und zwischen zwei Tragstäben angeordnet ist.

19. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustleitung an dem Tragstab unter Isolation gegen die Wechselwirkungsleitung und den Kolben befestigt ist.