DE2901554A1

DE2901554A1 - Permanentmagnetanordnung, damit aufgebauter offener permanentmagnetkreis und mit diesem ausgestattete kreuzfeld-wechselwirkungs-einrichtung

Info

Publication number: DE2901554A1
Application number: DE19792901554
Authority: DE
Inventors: William Allen Gerard
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1979-01-16
Publication date: 1979-07-26
Also published as: GB2013036B; JPS6146961B2; IT7919359A0; FR2415352B1; IL55954A0; IT1110942B; CA1130371A; DE2901554C2; US4187444A; JPS54113099A; IL55954A; GB2013036A; FR2415352A1

Description

PATENTANWiLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstroße 12 · D-8000 München 60 ■ Telefon 832024/5 ? Q Π 1

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Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI. 94303, USA

Permanentmagnetanordnung, damit aufgebauter offener Permanentmagnetkreis und mit diesem ausgestattete Kreuzfeld-Wechselwirkungs-Einrichtung

Priorität: 19. Januar 1978 - USA - Serial No. 870 963

Zusammenfassung

Es wird ein Magnetkreis beschrieben, der in Kreuzfeldröhren und dergleichen brauchbar ist. Es wird wenigstens eine Permanentmagnetanordnung vorgesehen, die einen Magneten mit hoher Flußdichte (beispielsweise Alnico), einen Magneten mit hoher Koerzitivkraft (wie Samarium Kobalt) mit einer Endfläche, die größer ist als das ihr zuweisende Ende des Magneten mit hoher Flußdichte, und diesem entgegen polarisiert, und ein eisernes öbergangselement aufweist, das zwischen den beiden Magneten angeordnet ist. Dieses isoliert den Magneten mit hoher Koerzitivkraft und konzentriert dessen Fluß. Wenn die Magnetanordnung mit einer zweiten solchen Magnetanordnung dazu verwendet wird, eine hohe

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magnetische Flußdichte in einem dazwischenliegenden Spalt zu erzeugen, beispielsweise im Wechselwirkungsraum einer Kreuzfeldröhre, wird im Spalt eine höhere Flußdichte erreicht als der Fall wäre, wenn der Magnet mit hoher Flußdichte allein innerhalb der verfügbaren Abmessungsgrenzen verwendet würde. Das gilt besonders bei einer Anwendung mit offenem Magnetkreis mit nur einem unmagnetischen Rlickflußweg.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Kreuzfeld-Elektronenröhren, beispielsweise Magnetrons, zur Erzeugung und Ausnutzung von Mikrowellen, und Permanentmagnete und Magnetkreise, die in solchen Röhren und anderen Geräten brauchbar sind.

Allgemein wird in Kreuzfeld-Elektronenröhren ein magnetischer Kreis verwendet, der in Reihe einen Vakuumspalt, in dem das nutzbare Wechselwirkungsfeld gebildet wird, eiserne Polschuhe auf beiden Seiten des Spaltes, die ein Magnetfeld in den Spalt richten, Permanentmagnete auf der Rückseite jedes der Pol schuhe, und einen Rückflußweg aufweist, der früher gewöhnlich aus eisenernen Elementen bestand, die einen Weg bilden, der die Außenenden jedes Magneten verbindet.

Kürzlich sind Magnetrons erschienen, bei denen der eiserne Rückflußweg erfolgreich weggelassen wurde. Statt dessen verläuft der Rückflußweg zwischen den äußeren Magnetenden durch Luft, Vakuum und andere unmagnetische Materialien der restlichen Röhrenstruktur (US-PS 3 984 725; Varian Röhrentypen VMS 1177 und VMS 1197). Eine solche Konstruktion mit "offenem Kreis" hat sehr deutliche Vorteile gehabt, beispielsweise der Wegfall des beträchtlichen Gewichtes des eisernen Rückflußweges, eine erheblich kompaktere Konstruktion, und eine leichtere Auswechslung der Magneten beim Benutzer. Sie bringt jedoch eine Herabsetzung der nutz-

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baren Feldstärke im Spalt mit sich, weil der Streufluß ansteigt, wenn auch für viele Anwendungsfälle ein akzeptabler Grad Spaltflußdichte verfügbar ist.

Es wäre deshalb sehr erwünscht, mit der Konstruktion mit offenem Kreis eine Spaltflußdichte in der Nähe derjenigen zu erhalten, die mit Konstruktionen mit einem vollständig aus Eisen bestehenden Rückflußweg, also Konstruktionen mit "geschlossenem Kreis" erzielt wird. Es sind bereits Versuche gemacht worden, die gleiche Kompaktheit und Gewichtsreduzierung dadurch zu erzielen, daß der Flußweg modifiziert statt weggelassen wird, und daß Permanentmagnete verwendet wurden, deren Eigenschaften sich von denen des Alnico, dem typischsten Material, unterscheiden. Beispielsweise wurde das Streufeld dadurch reduziert, daß der Permanentmagnet innerhalb des toroidförmigen Wechselwirkungsraumes positioniert wurde, so daß ein getrennter Rückflußweg außerhalb des Wechselwirkungsraumes nicht erforderlich ist (US-PS 3 843 904). Die Konstruktion begrenzt jedoch den Querschnitt und die Länge des Magnetmaterials, so daß Samariumkobalt oder dergleichen erforderlich ist, um den gehörigen magnetischen Leistungspegel zu erreichen. Weiterhin kann dieses Material durch Temperaturwechsel mit hohen Temperaturen beschädigt werden, so daß ein schwieriges Kühlproblem entsteht.

Es ist auch versucht worden, eine Kombination von Samariumkobalt, das an Alnico befestigt ist, als Ersatz für die gewöhnlichen Alnico-Magnete in den oben erwähnten Magnetrons mit offenem Magnetkreis zu verwenden. Dieser Ersatz hatte jedoch keinen nennenwerten Vorteil.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Kreuzfeldröhre mit reduziertem Gewicht und größerer Kompaktheit zu schaffen.

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Insbesondere soll durch die Erfindung eine Kreuzfeldröhre mit einer verbesserten Konstruktion eines "offenen" Magnetkreises verfUgbar gemacht werden.

Ein spezielleres Ziel der Erfindung ist es, eine Kreuzfeldröhre mit "offenem" Magnetkreis zu schaffen, bei der die nutzbare Spaltflußdichte vergleichbar der bekannter Konstruktionen mit geschlossenem Kreis ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetstruktur verfügbar zu machen, mit der ein verbessertes Leistungsverhalten erzielt werden kann.

Speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, eine "Offenkreis"-Magentstruktur für eine Kreuzfeldröhre verfügbar zu machen, die eine höhere nutzbare Spaltflußdichte ergibt als mit bekannten Konstruktionen möglich.

Eine noch speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, eine "Offenkreis"-Magnetstruktur für eine Kreuzfeldröhre verfügbar zu machen, die, innerhalb der kompakten und begrenzten Abmessungen, die in solchen Röhren verfügbar sind, eine erheblich höhere nutzbare Spaltflußdichte, höheren Widerstand gegen Entmagnetisierung und vergleichbaren Widerstand gegen thermische Effekte bietet als bekannte Konstruktionen.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, das Betriebsverhalten von bekannten Alnico-Magneten zu verbessern.

Diese Ziele und Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Permanentmagnetanordnung geschaffen wird, die einen ersten Magneten mit hoher Flußdichte, beispielsweise aus Alnico, der zwei Enden entgegengesetzter Polarität aufweist, und einen zweiten Magneten mit hoher Koerzitivkraft aufweist, die größer als die des ersten

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Magneten ist, beispielsweise Samariumkobait, und eine geringere Flußdichte als die des ersten Magneten. Wenigstens eines der Enden des zweiten Magneten hat eine größere Fläche und andere Polarität als wenigstens eines der Enden des ersten Magenten. Ein eisernes übergangseiement ist zwischen diese Magnetenden geschaltet und berührt beide, und die Oberfläche des Übergangselementes, die mit dem zweiten Magnet in Berührung steht, ist größer als die Berührungsfläche dieses Elementes mit den ersten Magneten. Auf diese Weise wird die Flußdichte des zweiten Magnets konzentriert, so,daß sie enger an die des ersten Magneten angepaßt ist. Weiter ist der zweite Magnet mit hoher Koerzitivkraft vom ersten Magneten mit hoher Flußdichte isoliert und beeinflußt nicht den Magneten mit hoher Flußdichte in der Weise, daß dieser mit geringerer Flußdichte arbeitet, so daß die Effizienz der Gesamtanordnung verbessert wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden zwei solche Permanentmagnetanordnungen in einem Kreuzfeld-Wechselwirkungsgerät verwendet. Solche Geräte weisen Kathodeneinrichtungen auf, mit denen ein Elektronenstrom erzeugt wird, Mikrowellenkreiseinrichtungen, mit denen elektromagnetische Felder in Wechselwirkungsbeziehung mit dem Elektronenstrom geführt werden, Einrichtungen, mit denen ein elektrisches Feld zwischen die Kathodeneinrichtung und den Kreis gelegt wird, und Einrichtungen, mit denen ein Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld im Bereich des Stroms angelegt wird. Die Einrichtung zum Anlegen des Magnetfeldes weist zwei Permanentmagnetanordnungen auf beiden Seiten des Elektronenstroms auf, wobei die Stirnenden der Einheiten entgegengesetzte magnetische Polaritäten haben. Jede der Magnetanordnungen besteht aus einer Sandwichkonstruktion aus einem ersten Körper aus Magnetmaterial, das vorzugsweise Alnico enthält, einem zweiten Körper aus Magnetmaterial, das vorzugsweise Kobalt in chemischer Vereinigung mit einer Seltenen Erde enthält, und einem Übergangselement, das aus Eisen besteht, zwischen den beiden Magnetkörpern. Der erste Körper der beiden Magnetanordnungen weist

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zum Elektronenstrom, und die beiden Magnetkörper haben jeweils Grenzflächen, die zum Obergangselement weisen. Die Grenzfläche des zweiten Körpers ist flächenmäßig größer als die Grenzfläche des ersten Körpers. Auf diese Weise wird ein Magnetkreis für die Kreuzfeldröhre geschaffen, der eine höhere Flußdichte im Wechselwirkungsbereich ergibt als der Fall wäre, wenn nur ein Magnetmaterial mit hoher Flußdichte verwendet würde, wie Alnico. Tatsächlich ist in Anwendungen mit offenem Kreis, wo die äußeren Enden der einander gegenüberliegenden Magnetanordnungen keinen magnetischen Rückflußweg aufweisen, der erfindungsgemäße Magnetkreis im Betriebsverhalten vergleichbar bekannten Magnetkreisen mit geschlossenem Kreis.

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

Figur 1 teilweise schematisch ein Koaxialmagnetron gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der Axial teil weggeschnitten ist, um den Magnetkreis der Röhre im Querschnitt zu zeigen;

Figur 2 schematisch eine abweichende Form eines Magnetkreises, der für das Magnetron nach Figur 1 geeignet ist;

Figur 3A eine Testanordnung, die zum Testen der Fähigkeit des Magnetkreises nach Figur 1 verwendet wird;

Figur 3B eine Bodenansicht einer der Magnetanordnungen der Testanordnung nach Figur 3A;

Figur 3C eine Seitenansicht eines Endes einer Magnetanordnung nach Figur 3A gegenüber dem Wechselwirkungsspalt; und

Figur 4A- graphisch die Resultate unterschiedlicher Konfigurationen, die nv
sind.

die mit der Testanordnung nach Figur 3A getestet worden

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In Fig.1 ist eine Kreuzfeldröhre in Form eines Magnetrens konventioneller Konstruktion, ausgenommen der Magnetkreis 10, dargestellt. Das Magnetron weist eine hohle Röhrenkörperstruktur 12 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise Kupfer oder Monel auf, die eine zentrale, zylindrische, in vertikaler Richtung längliche Kammer 13 und eine äußere, zylindrische, koaxiale Stabilisierkammer 14 aufweist. Eine zylindrische Kathodenanordnung 15 ist in isolierender und vakuumdichter Weise in die Röhrenkörperstruktur 12 montiert, wobei sich in vertikaler Richtung erstreckende Stützen 16 verwendet werden, die durch axiale, sich in vertikaler Richtung erstreckende öffnungen 17 und 18 in den oberen und unteren Permanentmagnetanordnungen 19 und 20 hindurchführen.

Die Kathodenanordnung 15 umgibt eine koaxiale kreisförmige Anordnung aus Anodenfahnen 22, die sich von einer zylindrischen Anodenmontage 23 einwärts erstrecken. Die Fahnen 22 sind in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen angeordnet, in der üblichen Weise, um zwischen benachbarten Fahnen Hohlräume zu definieren, die bei etwa der gewünschten Schwingungsfrequenz der Röhre in Resonanz kommen. Die inneren Enden der Fahnen 22 definieren die äußere zylindrische Grenze eines toroidförmigen Wechselwirkungsraums 25, während die Außenfläche der Kathode 15 dessen innere Grenze definiert.

Auf der Außenwand alternierender Fahnenhohlräume sind axiale Schlitze 26 durch die zylindrische Anodenmontage 23 geschnitten, die eine Verbindung zum koaxialen, toroidförmigen Stabilisierraum 14 schaffen. Der letztere kann abgestimmt werden, wozu irgendeine von den konventionellen mechanischen Einrichtungen (nicht dargestellt) verwendet werden kann. Die Magnetanordnungen 19 und 20 bieten entgegengesetzte Pole den gegenüberliegenden axialen Enden des Wechselwirkungsraums 25, so daß ein axiales Magnetfeld durch diese hindurch über einen Wechselwirkungsspalt 28 gebildet wird. Ein radial wirkendes elektrisches Feld wird zwischen der Kathode 15 und den geerdeten Anodenfahnen 22 aufgebaut. Von der Kathode zu den Fahnen 22 gezogene Elektronen werden von den gekreuzten elektrischen magnetischen Feldern dazu veranlaßt, in Wegen zu laufen, die rund um den

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toroidförmigen Wechselwirkungsraum 25 zirkulieren, wo sie mit den elektrischen Mikrowellen-Streufeldern der Fahnenhohlräume wechselwirken, um Mikrowellenenergie zu erzeugen.

Um eine effiziente Mikrowellen-Wechselwirkung aufrechtzuerhalten, wie sie oben beschrieben worden ist, muß die Magnetfeldstärke im Wechselwirkungsraum 25 auf hohem Niveau gehalten werden. Geschlossene Kreiswege zwischen den äußeren Enden der Magnetanordnungen 19 und 20, die ganz aus Eisen bestehen, wurden selbstverständlich für den höchsten Feldstärkewert innerhalb des Wechselwirkungsraums 28 für ein bestimmtes Magnetmaterial ergeben. Überlegungen hinsichtlich des Gewichts, das Vorhandensein moderner Magnetmaterialien, und neuentwickelte Konstruktionen begünstigen jedoch Offen-Kreis-, unmagnetische Rückflußwege wie im Magnetron nach Fig. 1. Hier verläuft der Rückflußweg von den äußeren Enden der oberen Magnetanordnung 19 zum äußeren Ende der unteren Magnetanordnung 20 durch Luft, das Vakuum des Wechselwirkungsraums 25, und die Röhrenkörperstruktur 12, die natürlich alle unmagnetisch sind. Eine solche "Offen-Kreis"-Konstruktion hat bisher adäquate Feldstärken ergeben, jedoch nicht Werte in der Nähe einer Konstruktion mit geschlossenem Kreis.

überraschenderweise wurde festgestellt, daß Magneteinheiten, in denen ein Magnet mit hoher Flußdichte (wie Alnico) mit einem mit geringerer FTußdichte, jedoch höherer natürlicher Koerzitivkraft in der noch zu beschreibenden Weise kombiniert wird, im Falle des offenen Kreises eine Spaltflußdichte ergeben, die sehr ähnlich der eines Magneten ähnlicher Abmessungen, aber insgesamt mit hoher Flußdichte in der Konfiguration mit geschlossenem Kreis ist. Es ist auch versucht worden, einfach die Größe eines Magneten mit hoher Koerzitivkraft zu erhöhen, um ausreichende Feldstärke zu erreichen, so daß er all eine verwendet werden kann. Dieser Versuch ist jedoch mit den verfügbaren Magnetmaterialien, wie Samariumkobalt, fehlgeschlagen. Es wurde festgestellt, daß in den Größen, wie sie für die hier interessierende Anwendung benötigt werden,

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ein hoher Spaltfluß nicht aufrechterhalten werden konnte, anscheinend ergibt sich ein "Kurzschluß" des Magnetflusses in sich selbst.

Das Magnetron nach Fig. 1 ist demzufolge mit Magnetanordnungen 19 und 20 ausgerüstet, von denen jede aus einem Magnetkörper 30 mit hoher Flußdichte, der zum Wechselwirkungsspalt 28 weist, einem Übergangselement 32 aus einem Material mit hoher Permeabilität, vorzugsweise Weicheisen, und einem Magnetkörper 34 mit hoher natürlicher Koerzitivkraft besteht. Der Magnet 30 mit hoher Flußdichte ist im vorliegenden Fall aus Alnico 5-7 oder Alnico 9 hergestellt, bekannten Legierungsarten aus Stahl, Aluminium, Nickel und Kobalt. Der Magnet 34 mit hoher Koerzitivkraft ist in diesem Falle aus Samariumkobalt, wenn auch Samarium nicht die einzige Seltene Erde ist, die mit Kobalt verwendet werden kann, um einen solchen Magneten herzustellen. Andere Seltene Erden allein oder in Kombination mit Samarium, und in chemischer Vereinigung mit Kobalt, können ebenso gut verwendet werden. Ein weiteres Beispiel einer solchen Kombination wird kommerziell als Mischmetall bezeichnet. Konventionelle innere Polschuhe 35 und 36 aus Eisen vervollständigen dann die Magnetanordnungen 19 und 20. Beide Anordnungen weisen auch den üblichen axialen Kanal 17 und 18 in der oben beschriebenen Weise auf, um Vorkehrungen für Kathodenbestandteile, -Zuleitungen und -montagen zu schaffen.

Das eiserne Übergangselement mit hoher Permeabilität wurde als notwendig für die Brauchbarkeit des Magnetkreises gefunden, Versuche, Magnete der genannten Art ohne ein solches Element zu kombinieren, wurden durchweg als mangelhaft festgestellt, es ergab sich kein nutzbarer Vorteil im Vergleich mit konventionellen Konstruktionen, die vollständig aus Alnico hergestellt sind. Die Gründe hierfür sind nicht vollständig klar. Eine analytische Untersuchung ist versucht worden, ohne nennenswerten Erfolg, die tatsächlich erhaltenen magnetischen Eigenschaften waren nicht exakt bekannt und die exakten Arbeitspunkte der Magnete, und die Streucharakteristiken des Kreise konnten nicht genau festgestellt werden. Die Einzelheiten der Erfindung wurden also

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allgemein auf empirischer Basis ausgearbeitet. Es wird jedoch theoretisiert, daß zwar die Alnicos allgemein höhere Induktion haben, die Magnetmaterialien auf der Basis Kobalt-Seltene Erde haben jedoch erheblich höhere Energieproduktwerte, und höhere natürliche Koerzitivkräfte als die Alnicos. Die Samarium-Kobalt-Materialien neigen dazu, bei ihren maximalen Energieprodukten zu arbeiten, und befinden sich auf einem solchen Maximum in einer Situation mit offenem Kreis mit einer Permeanz von 1. In einem solchen Falle mit offenem Kreis liefert Samariumkobalt eine Flußdichte von 4.000 Gauß (und eine Induktions-Koerzitivkraft von 4.000 Oersted). Wenn auch Alnico 5-7 bei einer Flußdichte von etwa 14.000 Gauß im Falle des geschlossenen Kreises arbeitet, ist die Induktions-Koerzitivkraft, und das maximale Energieprodukt, erheblich kleiner als das von Samariumkobalt. Es wird deshalb angenommen, daß bei direkter Befestigung an Alnico die erheblich stärkere Koerzitivkraft des Samarium-Kobalt-Materials das Alnico zwingt, nahe dem gleichen Punkt mit 4.000 Gauß Flußdichte zu arbeiten, zu dem das Samariumkobalt neigt zu arbeiten. Die Isolation der hohen Flußdichte des Alnicos von der hohen Koerzitivkraft von Samariumkobalt durch das eiserne Übergangselement 32 ist ein Schlüssel element bei der Beseitigung dieses Problems.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist notwendig, um die vollen Vorteile der Erfindung zu erhalten, und das ist, die einanderzuweisenden Endflächen 40 und 41 der betreffenden Magnete in die richtige Beziehung zu bringen, so daß das Material mit höherer Koerzitivkraft größere Fläche an der Grenzfläche 40 mit dem Eisen hat als die Grenzfläche des Materials mit hoher Induktion. Wieder ist der Grund für diese Forderung nicht voll zu verstehen, es wird jedoch theoretisiert, daß die erwähnte Konstruktion dafür sorgt, daß das Samariumkobalt einen Fluß liefert, der grob an den des Alnico angepaßt ist. Der Fluß über die große Grenzfläche 40 für das Samariumkobalt wird durch das Weicheisen-Übergangselement 32 konzentriert. Dieses Element hat zwei Arbeitsflächen 43 und 44, von denen die erste wenigstens die Fläche des Samariumkobalts hat und dieser zu weist,und läuft dann körperlich in

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eine zweite Fläche 44 aus, die kleinere Fläche hat und an die Endfläche 41 des Alnico angepaßt ist. Der Fluß vom Samariumkobalt wird dadurch auf eine Flußdichte konzentriert, die enger an die des Alnicos mit hoher Flußdichte angepaßt ist. Das letztere verhält sich etwa so, als ob es in einem geschlossenen Kreis wäre, statt in einem konventionellen offenen Kreis. Anscheinend liefert das Samariumkobalt den Fluß im Falle des offenen Kreises, der im Falle des geschlossenen Kreises fließt, so daß das Alnico vom offenen Rückweg isoliert wird, und das Alnico auf Betrieb auf einem höheren Arbeitspunkt oder auf einer höheren magnetischen Scherlinie gehalten wird. Dann gilt im Idealfalle:

wobei B, die Alnico-Flußdichte, A, die Fläche des Alnicos an der Grenzfläche 41 zum Übergangselement 32, B₂ die Samariumkobalt-Flußdichte, und A₂ die Fläche des Samariumkobalts an der Grenzfläche 40 zum Übergangselement 32 sind. Dann gilt

Idealerweise zeigt ein Magnet aus Alnico 5-7 eine Flußdichte von 14.000 G, und das Samariumkobalt eine Flußdichte von 4.000 G. Wenn diese Werte in die obige Gleichung eingesetzt werden, ergibt sich

A₂ = 3 1/3 A₁

Für beste Ergebnisse sollte also bei Verwendung dieser beiden Materialien die Grenzfläche 40 des Samanumkobalts grob etwa 3 1/2 mal so groß sein wie die des Alnico. Die größere Fläche wird benötigt, da, wie wir gesehen haben, das Samariumkobalt dazu neigt, in der Nähe seines maximalen Energieproduktes zu arbeiten, und das ergibt unter Bedingungen des offenen Kreises eine Flußdichte von 4.000 G.

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Diese Betrachtungen gelten unabhängig von der speziellen Konfiguration der Magnetmaterialien und übergangseiemente. Tatsächlich sind viele verschiedene Formen möglich, eine Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Das Magnetmaterial mit hoher Koerzitivkraft liegt in Form eines Samariumkobalt-Rings 46 vor, der in radialer Weise magnetisiert ist, wie dargestellt. Das Obergangselement 47 hat dann einen T-förmigen Axial querschnitt und ergibt einen Spalt 48 zwischen der Innenseite des Ringmagneten und dem Schenkel des T, der die Grenzfläche mit dem Alnico-Magnet 49 bildet. Der letztere hat die Übliche Form, wie oben dargestellt. Diese Konfiguration isoliert wieder das Samariumkobalt vom Alnico und sorgt für eine Grenzfläche mit dem Übergangselement für das Samariumkobalt (längs dessen Südpolende), die die Fläche der Alnico-Grenzflache mit dem Übergangselement am Alnico-Nordpolende übersteigt.

In den illustrierten Ausführungsformen ist die Samariumkobaltlage zwar flächenmäßig größer als die der Alnico-Komponente, jedoch flächenmäßig nicht so groß wie im Idealfall, und zwar durch die Durchmesser- und Längen-Beschränkungen, die durch die Röhrenumgebung aufgezwungen sind. Bei einem Ausführungsbeispiel wurden folgende Dimensionen gewählt: Der Samariumkobalt-Magnetkörper 34 hat die Form einer Ringscheibe von etwa 4" (102 mm) und 0,25" (6,4 mm) Dicke; der zylindrische Magnetkörper 30 aus Alnico 5-7 oder Alnico 9 hat etwa 3" (76 mm) Durchmesser und 4" (102 mm) Länge; das Übergangselement 32 hat eine Dicke von 0,25" (6,4 mm) mit jeweiligen Flächen, die an die Samariumkobaltbzw. Alnico-Körper angepaßt sind, und einen eisernen Polschuh 35 am Innenende des Alnico von 0,4" (10,2 mm)Stärke. Ein Axialkanal 17, der durch die ganze Anordnung hindurchführt, hat einen Durchmesser von etwa 1,2" (30,5 mm). Der Wechselwirkungsspalt 28 zwischen der oberen und der unteren Magnetanordnung 19 bzw. 20 hat eine Höhe von 1,55" (39,4 mm), die Größe, die dazu notwendig ist, eine typische Kathode und Anodenfahnen 22 zu überspannen.

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Der Betrag der Spaltflußdichte, die in einem offenen Magnetkreis unter Verwendung von Magnetanordnungen erhalten werden kann, wie sie oben angegeben sind, hängt von der Art der Magnete mit natürlicher Koerzitivkraft, der Art der Magnete mit hoher Flußdichte, deren Länge und Durchmesser, und der relativen Fläche jeden Magnetmaterials an seiner Grenzfläche mit dem eisernen übergang ab. In jedem Falle wird jedoch eine erhebliche Erhöhung der Spaltflußdichte mit der erfindungsgemäßen Konstruktion erreicht, verglichen mit einer Magnetanordnung ähnlicher Dimensionen, die nur ein Magnetmaterial mit hoher Flußdichte enthält. In wenigstens einigen Fällen, einschließlich der oben beschriebenen kommerziell wichtigen Ausführungsform nach Fig. I₁ ist die Erhöhung des Spaltflusses im Falle des offenen Kreises so, daß der Spaltfluß nahezu gleich dem im Falle des geschlossenen Kreises ist, und ein erheblicher Teil desjenigen, der mit einem geschlossenen Kreis erreicht wird, in dem nur ein Magnetmaterial mit hoher Flußdichte enthalten ist, wie Alnico. Die detaillierten Figuren, die das zeigen, folgen. In allen Fällen wird eine erhebliche Verbesserung in dem Betriebsverhalten mit offenem Kreis erreicht, verglichen mit offenen Kreisen, in denen nur ein Alnico als Magnetmaterial verwendet wird.

Einige spezifische Beispiele illustrieren besser die erhebliche Verbesserung im Betriebsverhalten eines offenen Kreises, die durch die ' Erfindung erwartet werden kann. Der experimentelle Testkreis, der bei der Konstruktion des Prototyps der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet wurde, ist für diesen Zweck brauchbar, da er es erlaubte, eine Anzahl von Varianten in einer Konfiguration zu untersuchen, die der eines Magnetkreises in der Kreuzfeldröhre nahekommt. Fig. 3A bis 3C illustrieren den Testkreis. Die Magnetanordnungen 52 und 53 wurden ähnlich der oben beschriebenen Ausführungsform konstruiert, nur daß die Samariumkobalt-Lage aus einem Mosaik von 12 Quadraten 55 aus solchem Material von 1" (25,4 mm) Seitenabmessung und 1 1/4" (31,2mm) Dicke bestand, die über der Unterseite des Übergangselementes 56 angeordnet waren, wie in Fig. 3B und 3C dargestellt. Das Übergangselement 56 hatte eine Dicke von 0,25" (6,4 mm). Die Alnico-Magnete 58 jeder Magnetanordnung waren entweder aus Alnico 9 oder Alnico 5-7, und ent-

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weder 2" (51 mm) lang, oder bestanden aus zwei solchen Einheiten für eine Gesamtlänge an Alnico von 4" (102 mm). Der Durchmesser des Alnico betrug 3" (76 mm) und die Pol schuhe 59 hatten eine Dicke von 0,4" (10,2 mm). Der Spalt 60 zwischen den Anordnungen betrug wieder 1,55" (39,4 mm) und der Axial kanal 61 durch die Magnetanordnungen hatte einen Durchmesser von 1,5" (38,1 mm).

2 Der schwere Weicheisen-Rückweg 64 (8sq.in.(52 cm) Querschnitt) bestand aus vier demontierbaren Stücken, einschließlich vertikal positionierter Endkappen 65 und 66, und horizontal positionierter länglicher Rückelemente 67 und 68. Dieses Schema wurde dazu verwendet, die Möglichkeiten der Magnetanordnungen zu testen, die mit zwei verschiedenen Magnetmaterialien hoher Flußdichte aufgebaut waren, Alnico 9 und Alnico 5-7, und in zwei unterschiedlichen Längen für jede, d.h. 4" (102 mm) und 8" (203 mm) gesamte Magnetlänge für die ganze Anordnung.

Fig. 4A bis 4D illustrieren diese vier Beispiels graphisch. In jedem Fall wurden zwei getrennte Durchläufe durchgeführt, einer mit der gesamten Magnetanordnungskombination einschließlich Samariumkobalt und die andere mit nur der Alnico-Komponente, und zwei getrennte Kurven für jeden solchen Durchlauf wurden aufgezeichnet, die erstere als durchgezogene Kurve und die letztere unterbrochen. In jedem Falle wurde die Flußdichte im Spalt 60 für jede der fünf Magnetkreisbedingungen gemessen; erstens in einem geschlossenen Kreis, bei dem alle Teile des Weicheisen-Rückflußweges 64 an.Ort und Stelle waren, zweitens nach Entfernung eines der Rückwegelemente 67, drittens nach Entfernung beider Rückwege!emente 67 und 68, so daß nur die "Kappen" verblieben, dann nach Entfernung einer Kappe, so daß nur eine Kappe verbliebt, und schließlich im Falle eines vollständig offenen Kreises.

Fig. 4A zeigt die Resultate im Falle eines Magnetkreises mit 8" (203 mm) Alnico 5-7 (4" (102 mm) in jeder Magnetanordnungen 52 und 53). Ersichtlich fällt die Spaltflußdichte, wenn mehr und mehr Teile des schweren eisernen Rückweges entfernt werden, bis nach Erreichen eines

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offenen Kreises und kein Teil des eisernen Rückflußweges verbleibt, das Alnico selbst nur 45,8 % der ursprünglichen Flußdichte im geschlossenen Kreis ergibt, die in den Spalt geliefert wird. Im Gegensatz dazu wurde der Prozentsatz an ursprünglicher Flußdichte mit geschlossenem Kreis zu 61,8 % beibehalten, wenn das Samariumkobalt und das eiserne Übergangsstück eingeschlossen wurden.

Figur 4B zeigt das Resultat im Falle eines Magnetkreises mit 4" (102 mm) an ähnlichem Alnico 5-7 Material (2" (51 mm) in jeder der Magnetanordnungen 52 und 53). Hier ist der Abfall der Spaltflußdichte im Falle des offenen Kreises noch deutlicher, dennoch hält die neue Magnetanordnungskonstruktion 47 % des Flusses mit geschlossenem Kreis, während die Magnetanordnung aus Alnico allein nur 31,7 % beibehält.

Figur 4C zeigt die Resultate für einen Magnetkreis mit insgesamt 8" (203 mm) Alnico 9. Wenn auch die Spaltflußdichte weder bei der neuartigen Magnetanordnung noch bei der Anordnung nur mit Alnico im Falle des offenen Kreises so stark abfällt wie in den Fällen der Figuren 4A und 4B, so hält doch die neuartige Konstruktion erheblich mehr ihrer Fähigkeiten bei als die Anordnung nur aus Alnico: 86 % im Gegensatz zu 78 %. Im Falle von Figur 4C mit kleineren Magnetanordnungen aus Alnico 9 von 4,0" (101,6 mm) wird wieder das gleiche Vergleichsverhalten beobachtet. Im Falle des offenen Kreises fällt die Kombination Samariumkobalt-Übergangselement-Alnico 9 nur auf 65 % der Spaltflußdichte mit geschlossenem Kreis ab, während die Anordnung mit nur Alnico auf 47 % des Wertes mit geschlossenem Kreis abfällt.

Diese Resultate sind ein unerwarteter Beweis für die überraschenden Vorteile nach der Erfindung. Wenn der Fall Figur 4A mit 8" (203 mm) Alnico 5-7 näher untersucht wird, ist zu erinnern, daß mit allein Alnico 5-7 45 % der Flußdichte bei geschlossenem Kreis bei offenem

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Kreis beibehalten wurden, oder ein Wert von etwa 1200 G. Es wurde auch festgestellt, daß, wenn nur das Samariumkobalt-Element verwendet würde, eine Spaltflußdichte von 200 G aufgebaut würde. Dementsprechend wäre zu erwarten, daß bestenfalls irgendeine Anordnung entworfen werden kann, durch die die endgültige Flußdichte im Spalt sich der Summe der beiden getrennt genommenen Flußwerte nähern würde, d. h. 1400 G. Tatsächlich wurde jedoch festgestellt, daß die komplette erfindungsgemäße Kombination im Falle des offenen Kreises 61,8 % des Wertes für geschlossenen Kreis ergab, oder eine Spaltflußdichte von 1750 G. Das ist ein Gewinn von 350 G gegenüber dem maximalen Wert von 1400 G, der zu erwarten gewesen wäre. Anscheinend wird der Arbeitspunkt des Alnico verbessert, oder es wird veranlaßt, auf einer höheren Scherlinie zu arbeiten als der Fall wäre ohne die erfindungsgemäße Kombination.

Selbst weitere Verbesserungen im Betriebsverhalten des offenen Magnetkreises verglichen zur geschlossenen Version des gleichen Kreises sind erhalten worden. Für die letzte Produktionskonstruktion gemäß Ausführungsbeispiel Figur 1 zeigt die folgende Tabelle A die Resultate in Zeile A. Zum Vergleich zeigt Zeile B die Resultate, die mit einem ähnlichen Magnetkreis, der aber insgesamt aus Alnico besteht, erhalten werden:

Tabelle A

Fluß bei geMagnet Länge schlossenem Offener Kreis Gewicht Kosten

Kreis

A)	Alnico	IX	+ Eisen-	Il	mm)	mm)	2850	2600	14	%	600
	adapter	+	SmCoc 9	Il
			^D (229	3500	2270	22	%	1,000
B)	Alnico	IX	9
			(229

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In beiden Fällen war das Material hoher Flußdichte Alnico 9, und die Gesamtlänge der Anordnung einschließlich Alnico 9, eisernes Übergangselement, und Samariumkobalt betrug 9" (229 mm). Für die Konstruktion nach Zeile A würde die Spaltflußdichte mit geschlossenem Kreis 2850 G sein, und die tatsächliche Ausführung mit offenem Kreis ergab eine Spaltflußdichte von 2600 G, oder 91,3 % des Wertes mit geschlossenem Kreis. Dieser Prozentsatz könnte noch höher gemacht werden, wäre nicht die vorhandenen Abmessungsrestriktionen, insbesondere die Durchmesserzahl von 4" (102 mm), die durch die Röhrenkonstruktionserwägungen erzwungen ist. Die Abmessungsbeschränkungen lassen also nicht genug Samariumkobaltfläche zu, um die ideale Beziehung zwischen der Obergangselementgrenzflache 40 des Samariumkobalts mit hoher Koerzitivkraft, und der Grenzfläche 41 des Alnico 9 mit hoher Flußdichte zu erreichen.

Bei Vergleich mit Zeile B, die einen ähnlichen Magnetkreis von 9" (229 mm) Länge repräsentiert, der insgesamt aus Alnico besteht, wurde festgestellt, daß im Falle eines geschlossenen Kreises 3500 G Spaltfluß geliefert wurden, gegen 2270 G im Falle des offenen Kreises. Es wurde also ein erheblich kleinerer Prozentsatz der Möglichkeit des geschlossenen Kreises im Falle des offenen Kreises beibehalten als mit der erfindungsgemäßen Konstruktion. Weiterhin wurden in der erfindungsgemäßen Konstruktion weniger Alnico 9 verwendet, und trotzdem ergab sich eine um 330 G höhere Flußdichte im Falle des offenen Kreises als im Beispiel der Zeile B für Alnico 9 allein.

Neben der sehr erheblichen Verbesserung des Betriebsverhaltens im offenen Kreis, und der Verbesserung der Spaltflußdichte-Möglichkeit des Alnico, sorgt die Erfindung für eine drastische Verbesserung hinsichtlich Gewichtsherabsetzung und Kosten. Der eiserne Rückweg des geschlossenen Kreises wird sogar noch leichter weggelassen, da die Möglichkeiten mit offenem Kreis durch die Erfindung nun erheblich

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besser geworden sind. Wie aus Tabelle A erkennbar, schließt der reine Alnico-Kreis ein Gewicht von etwa 22 pounds (10 kg) ein, während die Konstruktion nach der Erfindung nur 14 pounds (6,4 kg) wiegt. Die Kosteneinsparungen sind ebenso drastisch, von etwa 1.000 2 für das Beispiel vollständig aus Alnico herab auf 600 % für die neuartige Konfiguration. Wenn auch in einigen Ausführungsformen Vorteile erhalten wurden sogar wenn gleiche Pole der beiden Magnetmaterialien in einander entgegenwirkender Weise zuwiesen, wurden die besten Resultate, und die oben beschriebenen Resultate erhalten, wenn entgegengesetzte Magnetpole der beiden Magnete die Grenzflächen mit dem Übergangselement bildeten, so daß die beiden Magnete in gleicher Richtung wirkten.

Die Erfindung kann selbstverständlich auch auf andere Röhren angewandt werden, einschließlich aller Varietäten von Kreuzfeld-Mikrowellen-Elektronenröhren, wie Linearverstärker und kreisförmige Verstärker mit wiedereintretenden oder nicht wiedereintretenden Strahlen. Tatsächlich kann sie in jedem Anwendungsfall verwendet werden, bei dem eine hohe und gleichförmige Spaltfeldstärke erforderlich ist, insbesondere wo der Raum eingeschränkt ist, und der hohe Widerstand gegen thennische Störungen durch Alnico erwünscht ist.

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Claims

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Patentansprüche

.;Permanentmagnetanordnung, gekennzeichnet durch einen ersten Magneten mit hoher Flußdichte und zwei Polen entgegengesetzter Polarität, einen zweiten Magneten mit hoher Koerzitivkraft, die größer ist als die des ersten Magneten, kleinerer Flußdichte als die des ersten Magneten, und zwei Polen entgegengesetzter Polarität, und ein eisernes Übergangselement zwischen einem Pol des ersten und einem Pol des zweiten Magneten.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Pole des zweiten Magneten eine größere Fläche hat als wenigstens ein Pol des ersten Magneten und entgegengesetzt polarisiert ist,und die mit dem zweiten Magneten in Berührung stehende Fläche des Übergangselementes größer ist als die mit dem ersten Magneten in Berührung stehende Fläche.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetpolen zu weisenden Flächen des Übergangselementes gleiche Ausdehnung wie diese haben.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet erheblich größeres Volumen hat als der zweite Magnet.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnet aus Kobalt in chemischer Vereinigung mit einer Seltenen Erde besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltene Erde Samarium ist.

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7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet aus Alnico 5-7 besteht.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet aus Alnico 9 besteht.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche des einen Pols des ersten Magneten zur Fläche des einen Pols des zweiten Magneten im wesentlichen gleich ist dem Verhältnis der Induktionskraft oder Flußdichte des zweiten Magneten zu der des ersten.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des ersten Magneten größer ist als die des zweiten Magneten.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Länge und Volumen des Übergangselementes erheblich kleiner sind als die der beiden Magnete.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete und das Übergangselement längs einer Zentralachse ausgefluchtet sind, und daß die Enden parallel und konzentrisch zueinander ausgefluchtet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete Zylinderform haben und das Übergangselement kegel stumpfförmig ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement einen sich radial erstreckenden Teil angrenzend an den ersten Magneten und einen sich axial erstreckenden Teil aufweist, der sich vom ersten Magneten weg erstreckt und längs dessen der zweite Magnet an das Obergangselement angrenzt.

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15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnet im Abstand vom radialen Teil des Übergangselementes angeordnet ist und die Grenzfläche zwischen dem zweiten Magneten und dem Übergangselement größer ist als die Grenzfläche zwischen dem ersten Magneten und dem Übergangselement.
16. Offener Permanentmagnetkreis, bestehend aus zwei Permanentmagnetanordnungen, die miteinander ausgefluchtet sind und zwischen sich einen Magnetspalt bilden, dem die erste Magnetanordnung einen Südpol und die zweite einen Nordpol zu weist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Magnetanordnungen eine nach einem der Ansprüche 1 - 15 ist.
17. Kreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein unmagnetischer Rückflußweg für den Magnetfluß zwischen den äußeren Enden der beiden Magnetanordnungen vorgesehen ist.
18. Kreuzfeld-Wechselwirkungs-Einrichtung mit einer Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstroms, einer Mikrowellenleitung, die elektromagnetische Felder in Wechselwirkungsbeziehung zum Elektronenstrom führt, einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Mikrowellenleitung, und einem Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld im Bereich des Elektronenstroms, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes ein Kreis nach Anspruch 16 oder 17 vorgesehen ist.

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