DE2828873C2 - Magnetron - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetron mit einem evakuierten Gehäuse, in welchem eine Resonatoren enthaltende Anodenanordnung eine Kathode umgibt, nahe welcher innerhalb des Gehäuses Permanentmagnete zur Erzeugung eines zur Elektronenbewegungsrichtung senkrechten Magnetfeldes angeordnet sind und welche mit Endabschirmungen ausgestattet ist

Ein derartiges Magnetron ist zum Beispiel aus der DE-OS 25 32 960 bekannt Die Unterbringung der Permanentmagnete innerhalb des evakuierten Gehäuses ermöglicht die Herstellung leichterer und kleinerer Magnetrons, sowie durch eine gleichförmige Flußverteilung im Wechselwirkungsraum die Unterdrückung von unerwünschten Schwingungen bei gleichzeitiger Begrenzung des Temperaturanstieges der Permanentmagnete, was wiederum die Intensitätsänderung des Magnetfeldes und damit die Änderung der Magnetronausgangsleistung begrenzt

Trotzdem lassen sich in bestimmten Betriebsphasen, zum Beispiel während der Aufwärmperiode, axiale Schwingungen nicht vollständig unterdrücken. Diese Schwingungen werden vor allem durch die von den Endabschirmungen ausgehende Sekundäremission verursacht und können zur plötzlichen Unterbrechung des von der Kathode zur Anode fließenden Stromes und damit zu schädlichen Überspannungen am Magnetron führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Magnetron mit verbesserten Betriebseigenschaften zu schaffen, bei dem insbesondere die Sekundäremission der Endabschirmungen weitgehend unterdrückt wird.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Endabschirmungen mit einander gegenüberliegenden Nuten versehen sind.

Diese zusätzlichen Nuten gemäß der Erfindung haben zur Folge, daß von den Endabschirmungen austretende und auf die jeweils gegenüberliegende Endabschirmung auftreffende Elektronen keine ausreichende Sekundäremission mehr bewirken können, da das zwischen den Anodenelemer.ten und der Kathode bestehende elektrische Feld vor allem am Boden Nuten keine ausreichenden Feldgradienten erzeugt und dadurch feldfreie Bereiche oder wenigstens solche mit abgeschwächtem Feld geschaffen werden.

Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt entlang der Linie 1-1 in F i g. 2 durch ein Magnetron und

Das in F i g. 1 und F i g. 2 dargestellte Magnetron 10 weist einen Anodenzylinder 12 auf, der zum Beispiel aus einem Material hoher Permeabilität wie Stahl hergestellt und mit Kupfer beschichtet ist Vom Zylinder 12 verlaufen zahlreiche Anodenelemente 14 radial einwärts zur Mittelöffnung 16 hin, in der die Kathode 18 angeordnet ist welche eine direkt beheizte Kathode mit

ίο carbonisiertem Wolframfaden 20 ist der als Wendel ausgebildet und mit seinem oberen Ende an einem zentralen Haltestab 22 befestigt ist

Das untere Ende des Fadens 20 ist an einem leitenden Trägerzylinder 24 befestigt der den Haltestab 22 koaxial umgibt und gegenüber diesem durch einem Keramikzylinderabschnitt 26 und abdichtende Abschlußringe 28 und 78 abgestützt ist Endabschirmungen 30 bzw. 32 am oberen bzw. unteren Ende der Kathode 18 sind mit dem oberen Enae des Haltestabes 22 bzw. mit dem oberen Ende des Trägerzylinders 24 verbunden.

Permanentmagnetelemente 34 und 36 sind als oberer bzw. als unterer Ring aus einem Permanentmagnetmaterial der seltenen Erden, wie SmCos, koaxial zur Kathode 18 und oberhalb bzw. unterhalb der Endabschirmungen 30 und 32 angebracht

Wie das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt sind die Permanentmagnetelemente 34 und 36, die vorzugsweise beide in derselben Richtung axial zur Kathode 18 gepolt sind, um ein Magnetfeld zu erzeugen, praktisch koaxial zur Kathode 18 angebracht und erstrecken sich in radialer Richtung von einem Punkt innerhalb des Durchmessers des Kathodenfadens 20 bis zu einem Punkt außerhalb des Durchmessers der Öffnung 16. Die Permanentmagnete 34 und 36 sind so nahe wie möglich an den Wirkungsbereich zwischen den inneren Enden der Anodenelemente 14 und dem Kathodenfaden 20 angeordnet um die Menge an magnetischem Material, die zum Hervorbringen der gewünschten magnetischen Induktion erforderlich ist so klein wie möglich zu halten.

Magnete aus Substanzen der seltenen Erden in einer inerten Umgebung, wie etwa einem Vakuum, können hohen Temperaturen standhalten und dabei stabile magnetische Eigenschaften behalten. So sind beispielsweise Temperaturen im Bereich zwischen 15O⁰C und 250⁰C während des Dauerbetriebs und höhere Temperaturen bis zu 500⁰C während kürzerer Zeitspannen von Stunden bis zu Tagen zulässig. Das in der Zeichnung dargestellte Magnetron läßt sich zum Beispiel für einen Miso krowellenherd einsetzen und arbeitet dabei mit einer Spannung zwischen dem Kathodenfaden 20 und den Anodenelementen 14 von etwa 4000 V. Bei einem mittleren Stromwert von etwa 300 mA stellt sich eine Erwärmung der Kanten der Anodenelemente 14 von mehreren 100° C ein. Außerdem wird der Kathodenfaden 20 vorzugsweise auf Temperaturen aufgeheizt die im Bereich zwischen 1400⁰C bis 1700° C liegen. Die Wärme von den Kanten der Anodenelemente 14, die keine nützliche Funktion hat, wird von diesen Kanten dem Anodenzylinder 12 zugeleitet, wo sie zum Beispiel durch nicht dargestellte Kühlrippen die auf die Außenseite des Zylinders 12 aufgesetzt sein können, abgegeben wird. Die Wärmestrahlung von den inneren Enden der Anodenelemente 14 und die Wärmestrahlung vom Kathodenfaden 20 jedoch, die von den glänzenden Kupferflächen der Anodenelemente 14 und des Zylinders 12 reflektiert werden, kann in Richtung auf die Magnete 34 und 36 gestrahlt werden. Zusätzlich können sich auch

noch Streuelektronen, welche aus dem Aktionswechselwirkungsraum der Öffnung 16 zwischen den Endabi^hirmungen 30,32 entweichen können, in Richtung auf die Magnete 34 und 36 bewegen. Es wird deshalb die thermische Energie, die durch die Magnete M und 36 aufgenommen wird, vorzugsweise abgeleitet, damit diese Magnete im Betrieb nicht auf Temperaturen kommen, die höher als beispielsweise 150°C bis 250⁰C liegen.

Die Magnete 34 und 36 sind deshalb von ringförmigen Wannen 44 iut«i 46 aus einem Material mit hoher Wärmereflexionsfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, umschlossen, um auf diese Weise die thermische Energie, die in Richtung auf die Magnete 34 und 36 gestrahlt wird, abzuleiten und um auch die Streuelektronen aus dem Aktionsraum aufzufangen, so daß diese die Wannen 44 oder 46 und nicht die Oberflächen der Magnete 34 und 36 treffen. Die Wannen 44 und 46 sind an einer oberen bzw. an einer unteren Abschlußplatte 40 bzw. 42 befestigt, die aus Stahl oder einem anderen Material von hoher Permeabilität und guter Leitfähigkeit bestehen und die mit dem oberen bzw. unteren Ende des Zylinders 12 verbunden sind. Die Wannen 44 und 46 sind hinreichend steif, damit sie die Magnete 34 und 36 dicht gegen die Abschlußplatten 40 bzw. 42 ziehen, und mit öffnungen 33 versehen, durch die während des Evakuierens und des Ausbackens des Magnetrons Gase aus den Magneten 34 und 36 entweichen können.

Da der Zylinder 12 und die Abdeckplatten 40 und 42 aus einem Material hoher Permeabilität bestehen, stellen sie einen magnetischen Rückleitpfad mit niedrigen? magnetischen Widerstand dar, so daß der überwiegende Teil des durch die Magnete 34 und 36 bewirkten Magnetflusses, der durch den Aktionswechselwirkungsraum der Elektronen zwischen den Kanten der Anodenelemente 14 und der Kathode 118 hindurchgeht, durch die Abdeckplatten 40 und 42 und den Anodenzylinder 12 zurückfließt Daraus ergibt sich, daß im Aktionsraum eine Induktion von beispielsweise 1500 bis 2000 Gauß bereits mit relativ kleinen Permanentmagneten aus Substanzen der seltenen Erden erreicht wird, die, da sie innerhalb des magnetischen Rückflußkreises angeordnet sind, außerhalb des Magnetrons äußerst schwache magnetische Streufelder erzeugen. Die Abdeckwannen 44 und 46 sind mit den Deckplatten 40 und 42 vorzugsweise durch Punktschweißung mit Abstand von den Magneten 34 und 36 befestigt, zum Beispiel an den Punkten 48 und 50, damit eine Überhitzung der Magnete 34 und 36 vermieden wird. Es versteht sich, daß Größe, Form und räumliche Gestaltung der Magnete 34 und 36 so abgestimmt werden, daß die gewünschte Intensität des Magnetfeldes im Aktionswechselwirkungsraum hervorgerufen wird und daß das Magnetfeld sich im Bereich der Endabschirmungen verjüngen kann, damit es mit axial von der Kathode wegstrebenden Streuelektronen zusammenwirkt.

Dadurch, daß das Material der Magnete 34 und 36 mit den Substanzen der seltenen Erden auf einer Temperatur unter 250° C gehalten wird, kann das Magnetron Tausende von Stunden betrieben werden, ohne daß sich die Charakteristik der Magnete 34 und 36 derart verändert, daß die Eigenschaften des; Magnetrons dadurch wesentlich beeinflußt werden. Nach dem Zusammenbau des Magnetrons kann dies sogar auf 400° C bis 450° C oder sogar auf 500° C während des Evakuierens und Ausbackens der Innenteile erhitzt werden.

Im Betrieb wird die vom Magnetron erzeugte Mikrowellenenergie aus der Resonanzanodenanordnung 14 mit Hilfe einer Ausgangskoppelleitung 62 abgenommen, die mit der Oberkante eines Anodenelementes 14 verbunden ist und eine öffnung 64 in der oberen Abdeckplatte 40 durchstößt und weiter nach oben durch einen Metaüzylinder 66 koaxial zur Röhrenachse bis zu einem Schmelzabschluß 68 verläuft, durch den die Röhre evakuiert wurde. Das Schmelzabschlußrohr 68 ist mit dem Zylinder 66 über einen Keramikzylinder 70 verbunden und ergibt auf diese Weise einen vakuumdichten

ίο Abschluß, in welchem das Abschlußrohr 68 gegenüber dem Zylinder 66 isoliert ist, und stellt außerdem eine Austrittsöffnung dar, über die die Mikrowellenenergie durch die Auskopplungssonde 62 an eine Mikrowellenlast, wie etwa einen Mikrowellenherd, abgegeben wer- den kann. Das Abschlußrohr 68 wird durch eine Kappe 72 überdeckt, die Schutzfunktion hat und für eine Vergleichmäßigung der Oberflächenabstrahlung sorgt Die oberen und die unteren Kanten der Anodenelemente 14 sind nahe den Innenkanten in bekannter Weise in ver setzter und abwechselnder Folge durch Ringstreifen 82 ah ihren Ober- und Unterkanten miteinander verbunden.

Die Kathodenanordnung 18 ist starr in die öffnung 16 eingesetzt und zwar durch eine isolierende abdichtende Verbindung des Metallzylinders 24 mit der unteren Abdeckplatte 42 über den Metallverbindungsring 78, den Keramikzylinder 76 und den Metallzylinder 74.

Bedingt durch das starke elektrische Feld zwischen den Anodenelementen 14 und der Kathode 18 sowie durch das starke magnetische Feld zwischen dem Permanentmagneten 34 und 36 können normalerweise von einer Endabschirmung 30 bzw. 32 austretende Elektronen auf spiralförmigem Weg zur anderen Endabschirmung gelangen und beim Auftreffen Sekundärelektro- nen auslösen, die ebenfalls auf spiralförmigem Weg zur gegenüberliegenden Endabschirmung zurückgelangen und dadurch eine Art von Schwingung verursachen. Diese Schwingung wird gedämpft wenn der Heizfaden 20 der Kathode 18 so weit aufgeheizt ist, daß eine ther mische Emission entsteht und das Magnetron zu schwingen beginnt. Vor Erreichen einer ausreichenden thermischen Emission kann jedoch die sich zwischen den Endabschirmungen 30 und 32 ausbildende Schwingung schnell zusammenbrechen und dadurch den Stromfluß zwischen der Kathode 18 und den Anodenelementen 14 abrupt beenden.

In Auswirkung der Erfindung sind daher die Endabschirmungen 30 und 32 mit einander gegenüberliegenden Nuten 84 versehen. Wenn diese Nuten ausreichend tief sind, kann das zwischen den Anodenelementen 14 und der Kathode 18 bestehende elektrische Feld am Boden dieser Nuten keine ins Gewicht fallenden Feldgradienten ausbilden. Demzufolge können auf die Endabschirmung auftreffende Elektronen bei niciit vorhan- dcner thermischer Emission in den Bereichen mit ausreichenden Feldgradienten nicht mehr genügend Sekundärelektronen für den Aufbau einer Schwingung auslösen. Eine abrupte Unterbrechung des Anodenstroms während der Aufwärmperiode des Magnetrons ist daher nicht mehr möglich.

Gleichzeitig wird die Gesamtleistung des Magnetrons durch die Unterdrückung der Sekundäremission verbessert. Durch die Sekundäremission an den Endabschirmungen 30 und 32 freigesetzte und zur Anode übertre- tende Elektronen werden nämlich weniger wirkungsvoll in Mikrowellenleistung der gewünschten Frequenz umgesetzt als die vom Heizfaden der Kathode emittierten Elektronen, was unter anderem durch die Lage der End-

abschirmungen mit Bezug auf die Enden der die Resonanzeigenschaften des Magnetrons bestimmenden Anodenanordnung bedingt ist Verringert sich daher der Anteil an sekundär emittierten Elektronen, so kann das Magnetron effektiver arbeiten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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60

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Magnetron mit einem evakuierten Gehäuse, in welchem eine Resonatoren enthaltende Anodenanordnung (14) eine Kathode (18) umgibt, nahe weicher innerhalb des Gehäuses Permanentmagnete (34, 36) zur Erzeugung eines zur Elektronenbewegungsrichtung senkrechten Magnetfeldes angeordnet sind und welche mit Endabschirmungen (30,32) ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschirmungen (30,32) mit einander gegenüberliegenden Nuten (84) versehen sind.

   Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von