DE3045450C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fensterbaugruppe für Wellenleiter. Solche Wellenleiterfenster werden benötigt, wenn die Wellenenergie sich zwischen evakuierten und nicht evakuierten Abschnitten ausbreiten soll, beispielsweise zwischen einer Elektronenröhre oder einer Plasmakammer bzw. einem unter Druck stehenden Abschnitt des Wellenleiters.

Wellenleiter vom runden Querschnitt zum Fortleiten von Wellen in Form eines kreisrunden elektrischen Feldes werden in Fällen verwendet, in denen es auf die höchstmögliche Leistung ankommt und in denen es wichtig ist, dafür zu sorgen, daß nur geringe Übertragungsverluste eintreten. Die US-PS 33 24 427 zeigt ein Wellenfenster zur Einfügung in einen Wellenleiter, und zwar besteht das Wellenfenster aus einem einzelnen und einheitlichen gasdichten, für elektromagnetische Wellen durchlässigen Körper mit einem Hohlraum, dem über Rohranschlüsse Kühlflüssigkeit zu- und abgeführt werden kann und dessen Außenseite mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Die beiden Abschnitte des Wellenleiters sind somit galvanisch miteinander verbunden, d. h. es existiert kein umlaufender Spalt.

Zur Unterdrückung unerwünschter Wellentypen sind Schlitze in den Wänden der Hohlleiter bekannt (Meinke, H.H. "Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen", Band 2, Springer-Verlag 1966, Seiten 138 bis 140).

Wellenfenster enthalten Wände aus dielektrischem Material, welches sich bei hindurchtretender Wellenenergie stark erwärmt. Bei dieser Erwärmung sind die zentralen Teile des Wellenfensters mehr betroffen als die Randteile, so daß es zu mechanischen Spannungen in dem Wellenfenster kommt, die sogar so hoch werden können, daß das Fenster zu Bruch geht. In dem belasteten Bereich des Wellenfensters können Wellentypen oder -moden auftreten, die sich nicht im leeren Wellenleiter fortpflanzen und "Geister" oder gefangene Moden darstellen, die stehende Wellen oder Resonanzen mit einem hohen Q-Wert darstellen und sich an die Nutzwellenart infolge geringfügiger Asymmetrien in der Struktur ankoppeln können. Diese Erscheinungen können sich zu einer großen Wellenamplitude aufbauen, bis das dielektrische Fenster infolge seiner thermischen Beanspruchung beschädigt wird oder bis ein hochfrequenter Lichtbogen entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Wellenleiter für ein kreisrundes elektrisches Feld eine Mikrowellenfensterbaugruppe zu schaffen, welche die Übertragung einer hohen Leistung bei hohen Frequenzen ermöglicht. Weiter soll keine auf eingeschlossene Schwingungen zurückzuführende Resonanz auftreten. Ferner soll ein Fenster verfügbar gemacht werden, das als absorptionsfähiges Filter für nicht zylindersymmetrische Schwingungsarten geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon gerichtet.

Zwischen den Platten ist in der Wand des Wellenleiters ein Spalt vorhanden, der zwei Vorteile ergibt. Erstens ermöglicht es der Spalt, ein Kühlfluid zwischen den Platten zirkulieren zu lassen, um eine Kühlung zu bewirken. Zweitens erstreckt sich der Spalt über die Innenfläche des Wellenleiters hinaus, und er steht in Verbindung mit einem Bereich, der ein Wellen absorbierendes Material, z. B. Wasser, enthält. Nicht zylindersymmetrische Schwingungsarten werden durch den Spalt hindurch zu dem absorbierenden Material übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Fensterbaugruppe; und

Fig. 2 einen Axialschnitt einer etwas abgeänderten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Fensterbaugruppe dargestellt, die zwischen zwei Abschnitten eines Wellenleiters 10 mit kreisrundem Querschnitt angeordnet sind, deren Innenflächen gerade Kreiszylinder mit einer Achse 12 bilden. An einem Ende des Wellenleiters ist ein Flansch 14 zum Herstellen einer Verbindung zu anderen Teilen angeordnet. Bei dem anderen Ende 16 kann es sich um den Ausgangswellenleiter handeln, der z. B. zu einer Elektrodenröhre zum Erzeugen von Mikrowellen gehört. Bei den eigentlichen vakuumdichten Fenstern handelt es sich um zwei kreisrunde Platten 18 aus dielektrischem Material, die sich im rechten Winkel zu der Achse 12 erstrecken. Als Dielektrikum kann man keramisches Material mit hohem Gehalt an Aluminiumoxid oder Berylliumoxid oder Einkristallsaphir verwenden. Die Platten 18 sind durch einen kleinen Abstand getrennt, so daß es möglich ist, ein Kühlfluid zwischen ihnen hindurchzuleiten. Nahe ihren Rändern sind die Platten 18 durch eine Metallisierung mit kreisrunden Bändern 20 versehen, mittels welcher sie mit den Flanschen 22 von dünnen Metallzylindern 24 und 25 durch Hartlöten verbunden sind; die Zylinder bestehen z. B. aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung. Die Zylinder 24 und 25 sind mit den Wellenleiterabschnitten 10 durch Hartlöten verbunden und bilden elektrische Fortsetzungen dieser Abschnitte. Die Wellenleiterabschnitte 10 sind an Tragflanschen 26 befestigt, die durch Kopfschrauben mit einem gemeinsamen Tragring 28 verbunden sind, um die Abschnitte 10 gleichachsig und in einem Abstand voneinander zu unterstützen. Der Tragring 28 weist Nuten 30 auf, in denen O-Ringe 32 angeordnet sind, um eine gasdichte Abdichtung der Fensterbaugruppe zu bewirken.

Ein Kühlfluid mit niedrigem dielektrischem Verlust, z. B. ein gasförmiger oder flüssiger Fluorkohlenstoff, wird der Fensterbaugruppe gemäß Fig. 1 über eine Kühlmittelleitung 34 zugeführt. Das Kühlmittel strömt durch einen Kanal 36, der durch einen Zylinder 38 aus dielektrischem Material, z. B. einem Fluorkohlenstoffpolymerisat, abgegrenzt wird. Gemäß Fig. 1 strömt das Kühlmittel über die Oberfläche des dünnwandigen Zylinders 24, um ihn abzukühlen. Die Zylinder 24 und 25 sind dünnwandig ausgebildet, so daß sie in radialer Richtung hinreichend flexibel sind, um die unterschiedliche Wärmedehnung der Platten 18 an den Hartlötverbindungen aufzunehmen. Da somit nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, erweist sich die Verwendung eines strömungsfähigen Kühlmittels als vorteilhaft. Im unteren Teil 40 des Kanals 36 strömt das Kühlmittel in der durch Pfeile angedeuteten Weise durch eine Reihe von Spalten 42 eines nach außen vorspringenden Flansches 44 des Zylinders 38 aus dielektrischem Material. Von dort aus strömt das Kühlmittel zwischen den Platten 18 des Fensters nach oben, um alle Teile der Platten zu kühlen.

Im oberen Teil ist der Flansch 44 geschlossen, doch weist der andere Flansch 46 mehrere Spalte 48 auf, so daß das Kühlmittel zu einem zweiten kreisrunden Kanal 50 und von dort aus über den zweiten dünnwandigen Zylinder 25 strömen kann, um ihn zu kühlen. Im unteren Teil des Kanals 50 strömt das Kühlmittel durch eine Öffnung 52 zu einem äußeren kreisrunden Kanal 54. In dem Kanal 54 befindet sich ein Wellen absorbierendes Material 55, z. B. Wasser, das in Rohre 56 aus Kunststoff eingeschlossen ist. Das Kühlmittel durchströmt den Kanal 54, um aus den Rohren 56 Wärme abzuführen, die durch die absorbierte Mikrowellenenergie erzeugt wird; das Kühlmittel wird gemäß Fig. 1 aus dem oberen Teil der Fensterbaugruppe mittels eines Auslaßrohrs 58 abgeführt. Außerdem wird Wärme dadurch abgeführt, daß das Kühlmittel 55 durch die Rohre 56 geleitet wird.

Während des Betriebs entweicht nur sehr wenig Wellenenergie des zylindersymmetrischen elektrischen Feldes, z. B. bei der Schwingungsart TE_O₁, über den engen Spalt 60 zwischen den Flanschen 20 und 22 aus dem Wellenleiter 10, denn die in der Wand fließenden elektrischen Ströme haben keine axialen Komponenten, die den Spalt 60 kreuzen und Felder in dem äußeren Wellenbegrenzungskanal induzieren, der durch die Flansche 26 und den Ring 28 abgegrenzt wird. Jedoch führen zahlreiche andere unerwünschte Schwingungsarten zum Entstehen axialer Ströme, die durch Kopplungsvorgänge in den äußeren Kanal gelangen, wo ihre Energie durch das verlustbehaftete Material 55 absorbiert wird.

Das zirkulierende Kühlmittel dient ferner dazu, Wärme abzuführen, die auf den dielektrischen Verlust in den Platten 18 sowie auf die Erhitzung der dünnwandigen Zylinder 24 und 25 durch den hochfrequenten Strom zurückzuführen ist. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion werden somit zahlreiche im übrigen nicht in Beziehung zueinander stehende Ursachen beseitigt, die zu einer Beschädigung des Fensters führen könnten.

Fig. 2 zeigt in einem Fig. 1 ähnelnden Axialschnitt eine etwas abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, bei der die dünnwandigen Metallzylinder 24′ und 25′, welche die einander gegenüberliegenden Enden der Wellenleiter 10 bilden, im Gegensatz zu Fig. 1 nicht mit Flanschen versehen, sondern an ihren offenen Enden 70 mit den Rändern der Platten 18 durch Hartlöten verbunden sind, um die vakuumdichten Abdichtungen für das Fenster zu bilden. Der Spalt 60 zwischen den Platten 18 bildet wiederum eine Leitung für das Kühlmittel. Wiederum werden die axialen Stromkomponenten der nicht kreisrunden Schwingungsarten durch den Spalt 60 unterbrochen, so daß Wellen in dem äußeren elektrischen Hohlraum 54 angeregt werden, die durch das verlustbehaftete Material 55 gedämpft werden. Das Kühlmittel wird in Richtung des Pfeils über das Einlaßrohr 34 zugeführt. Es strömt zu einer oberen Verteilerkammer 36 und vor dort aus durch den runden Kanal 40 der Trennwand 38′ nach unten, um den dünnwandigen Zylinder 24′ zu kühlen.

Dann strömt das Kühlmittel durch mehrere Öffnungen 42 des Flansches 44 des Behälters 38′ zum unteren Teil des Spaltes 60 zwischen den Wellenleiterzylindern 24′ und 25′. Weiterhin strömt das Kühlmittel zwischen den dielektrischen Platten 18 nach oben, um sie abzukühlen und dann durch mehrere Öffnungen 48 eines zweiten Flansches 46 des Behälters 38′ zu entweichen, in den runden Kanal 50 einzutreten und in diesem nach unten zu strömen, so daß der dünnwandige Zylinder 25′ gekühlt wird. Schließlich strömt das Kühlmittel durch eine Öffnung 52 zu dem äußeren Kühlmittelkanal 54, den es von unten nach oben durchströmt, um das verlustbehaftete Material 55 zu kühlen und dann über die Austrittsleitung 58 zu entweichen.

Claims (5)

1. Fensterbaugruppe für Wellenleiter von kreisrundem Querschnitt mit folgenden Merkmalen:

• a) in Fortsetzung zu benachbarten Wellenleiterabschnitten (10) erstrecken sich (innere) leitfähige Wände (24, 25; 24′, 25′) bis zum Erreichen einer über den gesamten Umfang des Wellenleiters offenen Lücke;
• b) die sich an der Lücke gegenüberstehenden Ränder (20, 22; 70) der leitfähigen Wände (24, 25; 24′, 25′) sind jeweils mit einer dielektrischen Platte (18) abgedichtet verbunden;
• c) die Platten (18) sind in kleinem Abstand voneinander angeordnet, so daß ein enger Zwischenraum gebildet wird, der über einen umlaufenden Spalt (60) nach außen offen ist;
• d) eine Kühlmittelzirkulationseinrichtung (34, 36, 40, 42, 48, 58) führt Kühlmittel durch den Spalt (60) in den Zwischenraum;
• e) eine Wellenabsorptionseinrichtung (55, 56) ist außen um den Spalt (68) herum angeordnet.

2. Fensterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenabsorptionseinrichtung (55, 56) außerhalb des Wellenleiters eine dielektrische Flüssigkeit (55) als wellenabsorbierendes Material und eine Umwälzeinrichtung für diese Flüssigkeit enthält.

3. Fensterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenabsorptionseinrichtung ein festes Dielektrikum als wellenabsorbierendes Material enthält.

4. Fensterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzirkulationseinrichtung (34, 36, 40, 42, 48, 58) Einrichtungen (50, 52, 54) zum Leiten des Kühlmittels längs des wellenabsorbierenden Materials (55) enthält.

5. Fensterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit als wellenabsorbierendes Material benutzt ist.