DE2901680B2 - Dauerstrich-Magnetron für Mikrowellenherde - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Magnetron für • Mikrowellenherde, mit einem wendeiförmigen direkt beheizten Kathodenheizfaden, der derart ausgebildet ist, daß eine Verringerung der Sekundärelektronenemission eintritt

Ein Dauerstrich-Magnetron für Mikrowellenherde umfaßt eine hohlzylindrische Anode mit einer Anzahl von Rippen und eine koaxial dazu angeordnete, wendeiförmige Kathode. Diese Kathode, die aus Thorium-Wolfram besteht und deren Oberfläche geschwärzt ist, wird direkt beheizt. Die Kathode besitzt also ein schnelles Ansprechen, so daß sie sich für Mikrowellenherde eignet. Sie beginnt mit der Emission von Elektronen innerhalb einer Zeitspanne von einigen Sekunden nach dem gleichzeitigen Einschalten des Anoden- und Kathodenstroms. Bei dtn üblichen Mikrowellenherden ist die Anodenstromversorgung keine perfekte Gleichspannung, weshalb der Anodenstrom ein pulsierender Strom ist.

Zur Verhinderung eines Rauschverlustes vom Kathodenschaft eines solchen Magnetrons ist dessen Ein- αϊ gangsabschnitt mit einem Filterkreis versehen, der von einem Abschirmgehäuse umgeben ist. Der Filterkreis vermag jedoch nicht, das Rauschen in einem vergleichsweise niederfrequenten Band (z.B. 0,5—1,5MHz) zu unterdrücken. Das Rauschen variiert in Abhängigkeit w> von der Belastung des Magnetrons oder von seinem Eingangsstrom. Das Rauschen besitzt beispielsweise die Frequenzverteilung gemäß F i g. 1.

Aus der US-Patentschrift 29 98 544 ist bereits ein Magnetron für Mikrowellenherde bekannt, welches mit ϊϊ einer wendeiförmigen direkt beheizten Kathode ausgestattet ist, die derart ausgebildet ist, daß eine Verringerung der Sekundärelektronenemission erreicht wird. Zu diesem Zweck ist der wendeiförmige Kathodenheizfaden an seiner äußeren Fläche abge- w> flacht ausgebildet, so daß der wendeiförmige Kathodenheizfaden einen Zylinder mit im wesentlichen glatter äußerer Fläche definiert. Durch diese Maßnahme wird die bekannte Erscheinung vermindert, daß sich der Kathodenheizfaden durch Elektronenbeschuß aufheizt, μ

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 20 159 ist ein Hohlraumresonatormagnetron mit einer schraubenlinienförmigen Kathode bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die beiden Kathodenenden an den Endplatten und den zugehörigen entsprechenden Stützstäben je durch eine gemeinsame Schweißverbindung befestigt sind, wobei die Kathode an dem nicht freien Ende tangential ausläuft, und an dem freien Ende zu der Achse hin abgebogen ist. Durch diese konstruktive Maßnahme wird u.a. erreicht, daß die Möglichkeit einer in bezug auf die Achse des Magnetrons falsch ausgerichteten Kathode gering gehalten wird.

Schließlich ist aus der US-Patentschrift 34 03 281 ein Magnetron mit einer Kathodenkonstruktion bekannt, gemäß welcher in einem stabförmigen Kathodenkörper am Umfang desselben eine wendeiförmige Ausnehmung ausgebildet ist in der der Kathodenheizfaden angeordnet wird. Durch diese bekannte Konstruktion wird die durch Sekundärelektronenemission bewirkte Aufheizung der Kathode auf einen relativ niedrigen Temperaturwert gehalten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das Dauerstrich-Magnetron für Mikrowellenherde der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß die Entstehung von Rauschen bei dem Dauerstrich-Magnetron stark unterdrückt wird und eine wesentliche Verringerung der Sekundärelektronenemission erreicht wird.

Ausgehend von dem Dauerstrich-Magnetron der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Verhältnis von Dicke d des Kathodenheizfadens, in Axialrichtung der Kathode gesehen, zur Steigung ρ der Wendeln des Kathodenheizfadens, in Axialrichtung der Kathode, bei 0,3 oder darunter liegt.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß das in einem vergleichsweise niedrigen Frequenzband erzeugte Rauschen eng mit einer Schwingungserscheinung verbunden ist, die in der Wellenform des Anodenstroms zu beobachten ist und die - durch einen Oszillographen wiedergegeben — in Fig. veranschaulicht ist Gemäß F i g. 2 tritt diese Erscheinung bei bestimmten Anodenstrompegeln auf. Außerdem wird das Spektrum des Rauschens sehr stark durch die Lastimpedanz des Magnetrons beeinflußt. Das Spektrum besitzt in diesem Fall einen Scheitel zwischen 0,5MHz und 1,5 MHz. Trägt man nun diese maximalen Rauschpegel zwischen 0,5 MHz und 1,5 MHz auf ein Smithsches Leitungsdiagramm auf, so erhält man die Verteilung der maximalen Rauschpegel gemäß F i g. 3, aus welcher hervorgeht, daß der Rauschpegel im Schwingungsloch niedrig und im Antischwingungsloch hoch ist. Eine Untersuchung dieser Schwingungserscheinung ergibt, daß ein Rauschen der Art gemäß F i g. 1 auf folgende Weise erzeugt wird.

Da das Mikrowellenfeld im Koppelraum beim Antischwingungsloch groß ist, ist das Rückbombardement von Elektronen an der Kathode in diesem Bereich stark. Infolgedessen steigt die Kathodentemperatur bei abnehmender Wärmeemission an. Gleichzeitig nimmt auch die Sekundärelektronenemission zu. Demzufolge erhöht sich die Elektronenwolkendichte in der Nähe der Kathode, so daß nahe der Kathodenoberfläche eine virtuelle Kathode entsteht. Wenn sich der Anodenstrom unter diesen Bedingungen erhöht und einen bestimmten Wert erreicht, wird die Elektronenwolke in der Nähe der Kathode instabil, so daß eine Schwingungserscheinung im Anodenstrom induziert wird. Diese Erscheinung führt zu hochpegeligem Rauschen.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine

vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß die Dicke ddes Kathodenheizfadens 0,4 bis 0,8 mm beträgt

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Frequenzspektrumverteilung des bei einem üblichen Magnetron erzeugten Rauschens,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Wellemorm des Anodenstroms eines bisherigen Magnetrons,

F i g. 3 ein Smithsches Leitungsdiagramm, in welchem die Pegel des von einem bisherigen Magnetron erzeugten Rauschsignals aufgetragen sind,

Fig.4 einen lotrechten Schnitt durch den Hauptteil eines für Mikrowellenherde vorgesehenen Magnetrons mit Merkmaien nach der Erfindung,

Fig.5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen lotrechten Teilschnitt durch einen Abschnitt einer Wendelkathode,

Fig.6A bis 6F graphische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Rauschpegel und der Phase einer stehenden Welle, und die Beziehung entsprechend einem spezifischen Verhältnis d/p zwischen der Dicke d eines die Wendelkathode bildenden Heizfadens, in Axialrichtung der Kathode gesehen, und der Steigung der Windungen der Wendelkathode, ebenfalls in Axialrichtung derselben, und

Fig.7 eine graphische Darstellung, in we..her die Kurve a die Beziehung zwischen dem genannten Verhältnis d/p und dem höchsten Rauschpegel und die Kurve b die Beziehung zwischen diesem Verhältnis, d/p und der Phasenbreite bei einem Rauschpegel von 20 dB oder weniger angeben.

Das in Fig.4 dargestellte Mikrowellenherd-Magnetron umfaßt eine Anode in Form einer Anzahl von Anodenflügeln 2 und eines Anoden-Hohlzylinders 4 sowie eine koaxial zur Anode angeordnete Kathode in Form eines wendeiförmigen Heizfadens 12, napfförmi-

Tabelle

ger Endkappen 14 und 15.. weiche die Enden des Heizfadens 12 haltern, einer die Endkappe 15 tragenden Tragstange 16 und eines die Endkappe 14 halternden Hohlzylinders 18. Der direkt beheizte Kathodenfaden 12 besteht vorzugsweise aus einem Thorium-Wolfram-Draht mit gekohlter Oberfläche. In einem Raum zwischen dem Heizfaden 12 und den freien Enden der Anodenflügel 2 werden Elektronen hin- und hergeschleudert

ίο Gemäß Fig.5 ist die Dicke d des wendeiförmigen Kathoden-Heizfadens 12 in Axialrichtung der Kathode auf die Steigung ρ der Windungen des Heizfadens in Axialrichtung der Kathode abgestimmt Genauer gesagt: Das Verhältnis von Dicke d zu Steigung ρ beträgt 0,3 oder weniger. »Dicke d« und »Steigung p« sind dabei Durchschnittswerte bei einem wendeiförmigen Kathoden-Heizfaden 12. Die den Enden der Flügel 2 zugewandten Oberflächenabschnitte der Windungen des Kathoden-Heizfadens 12 stellen Elektronen emittierende Flächen dar.

Es wurden sechs verschiedene Magnetrons A-F hergestellt, die sich auf die in der folgenden Tabelle angegebene Weise bezüglich der genannten Dicke d und der Steigung ρ voneinander unterschieden. Drei Magnetrons jedes Typs wurden unter verschiedenen Lastimpedanzen untersucht, die durch Einstellung eines Stehwellengenerators auf VSWR (Welligkeitsfaktor) = 2 eingestellt wurden. Die Ergebnisse sind in den Fig.6A bis 6F veranschaulicht Die Magnetrons wurden bei einer Grundschwingungsfrequenz von 2450 MHz betrieben, und der Rauschpegel wurde anhand des höchsten Pegels im Frequenzband von 0,5-1,5MHz gemessen. Die Tabelle zeigt auch die Phasenbreite, bei welcher der Rauschpegel 20 dB oder weniger beträgt wenn die Reflexionsphase durch Einstellung des Stehwellengenerators auf VSWR = 2 geändert wird.

	Magnetron	Typ	C	D	E	F
	A	B	0,4 1,0 0,4	0,6 1,6 0,38	0,6 1,8 0,33	0,6 2,1 0,29
Dicke d(mm) Steigung ρ (mm) Verhältnis d/p	0,6 1,2 0,5	0,6 1,4 0,43	31 35 35	28 39 36	44 50 45	47 54 54
Phasenbreite des Rauschpegels, 20 dB oder darunter (mm)	20 19 21	22 18 24	33,7	34,3	46,3	48,7
Mittlere Phasenbreite	20,0	21,3

Das Magnetron Typ A entspricht den bisherigen Magnetrons. Beim beschriebenen Versuch wurde der Welligkeitsfaktor VSWR mit 2 gewählt, weil nämlich bei den gebräuchlichen Mikrowellenherden uie Lastimpedanz VSWR bei der Phase des Antischwingungsloches, in welchem der Rauschpegel hoch ist, selten über 2 liegt.

Die Ergebnisse des Versuchs sind in F i g. 7 zusammengefaßt, aus der deutlich hervorgeht, daß bei einer Verkleinerung des Verhältnisses d/p von 0,5 aus die l'hasenbrcite, bei welcher der Rauschpegel 2OdB oder weniger beträgt, plötzlich ansteigt, während sich der höchste Rauschpegel verringert. Dies bedeutet, daß mit sich verkleinerndem Verhältnis d/p der Rauschpegel zunehmend verkleinert wird. Wenn das Verhäl'nis d'p ίί auf etwas unter 0,3 verringert wird, nimmt die Phasenbreite, bei welcher der Rauschpegel 20 dB oder weniger beträgt, wieder zu, wenn auch langsam. Wenn jedoch das Verhältnis d/p wesentlich unter 0,3 zu liegen kommt, arbeitet das Magnetron nicht mehr stabil, weil

bo die Kathode weniger Elektronen als erforderlich emittiert.

Die Dicke ddes Kathoden-Heizfadens 12 entspricht in ^H?n meisten Fällen praktisch seinem Durchmesser. Wenn die Dicke ddes Kathoden-Heizfadens 12 zu klein

h) ist. wiro der gekohlte Thorium-Wolfram-Heizfaden 12 mechanisch zu schwach, um in der Praxis eingesetzt werden zu können. Ist der Durchmesser des Heizfadens 12 dagegen zu groß, so win! auch die Steigung ρ zu groß.

um ein geeignetes Verhältnis d/p zu liefern. Dabei wird es schwierig, die Außenfläche des Wndelheizfadens zylindrisch zu gestalten. Versuche haben gezeigt, daß die Dicke d des Heizfadens, in Axialrichtung der Kathode, vorzugsweise 0,4 — 0,8 mm betragen sollte.

Die Erfindung ermöglicht die Reduzierung von Rauschen von etwa 0,5 —1,5MHz auf einen sehr niedrigen Pegel. Diese Rauschpegelreduzierung ist in einem beträchtlichen Bereich um die Senkenphase herum möglich. Auch außerhalb dieses speziellen Bereichs kann der Rauschpegel ausreichend gesenkt werden. Diese Rauschpegelsenkung wird dadurch

möglich, daß beim beschriebenen Magnetron keim überschüssigen Elektronen in der Nähe der Kathode verweilen und im Anodenstrom keine Schwingungser scheinung auftritt.

Üblicherweise befindet sich die Lastimpedanz vor Mikrowellenherden in der Nähe des Senkenbereichs, se daß die Magnetrons der Mikrowellenherde mit hohen Wirkungsgrad arbeiten. Aus diesem Grund kann mi dem neuartigen Magnetron das in Mikrowellenherder erzeugte Rauschen äußerst wirkungsvoll unterdrück werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dauerstrich-Magnetron für Mikrowellenherde, mit einem wendeiförmigen direkt beheizten Kathodenheizfaden, der derart ausgebildet ist, daß eine Verringerung der Sekundärelektronenemission eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Dicke Jdes Kathodenheizfadens (12), in Axialrichtung der Kathode gesehen, zur Steigung ρ der Wendeln des Kathodenheizfadens (12), in Axialrichtung der Kathode, bei 03 oder darunter liegt.

2. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke d des Kathodenheizfadens 0,4 - 0,8 mm beträgt

3. Magnetron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Dicke d und Steigung ρ so groß ist, daß die Kathode genügend Elektronen emittiert

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