DE3149254A1

DE3149254A1 - Magnetkonstruktion zum fokussieren eines linearen elektronenstrahls

Info

Publication number: DE3149254A1
Application number: DE19813149254
Authority: DE
Inventors: Albert Edward San José Calif. Berwick
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1980-12-15
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB2089562B; DE3149254C2; GB2089562A; FR2496337B1; JPS57123632A; FR2496337A1; US4387323A; JPH0313698B2

Description

3149254 Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

Vl P545 D

Varian Associates, Inc. Palo AUo, CA 94303, USA

Magnetkonstruktion zum Fokussieren eines linearen Elektronenstrahls

Priorität: 15. Dezember 1980 - USA - Serial No. 216 590

Die Erfindung betrifft Magnete zum Fokussieren von Strahlen in Mikrowellen-Elektronenröhren mit linearem Strahl. In Hochleistungsröhren mit linearem Elektronenstrahl wird ein längs der Strahlachse ausgerichtetes, gleichförmiges Magnetfeld "benutzt, um den Strahl in zylindrischem Umriß begrenzt zu halten, während er den Wellenwechselwirkungsbereich durchläuft. Nach dem Verlassen des Wechselwirkungsbereichs wird das Magnetfeld auf Null abgeschwächt. Der Strahl expandiert aufgrund seiner eigenen Raum-Ladungs-Abstoßkraft und wird in einem erweiterten, hohlen Kollektor mit geringer Leistungsdichte gesammelt. Wenn aber im Kollektor ein magnetisches Streufeld besteht, wirkt dies wie eine magnetische Linse, die den Strahl erneut auf einen kleinen Bereich der Kollektorwand fokussieren kann, der dadurch überhitzt wird. Wenn zum Fokussieren Permanentmagnete benutzt werden, bestehen von Natur aus Streufelder außerhalb der primären Magnetkonstruktion um den linearen fokussierten Abschnitt des Strahls herum, die einen schädlichen Einfluß auf das gewünschte Entfokussieren im Kollektor haben können. Wenn der Kollektor mit Rippen für die Luftkühlung versehen wird, ist die magnetische Abschirmung schwierig, weil für den Luftdurchtritt große Öffnungen nötig sind.

Als Fokussiermagnete aus Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen hergestellt wurden, machte es die geringe Koerzitivkraft meistens nötig, dem Magnet eine größere Länge zu geben als es der Länge des fokussierten Strahls entspricht. Folglich wurden Magnete in Hufeisenform oder in C-Form benutzt oder schalenförmige Magnete, die rotationssymmetrische Gestalten dieser Art aufweisen. Dabei hat es sich als sehr schwer erwiesen, den Kollektor gegenüber den sehr starken äußeren Streuflüssen dieser Magnete abzuschirmen. Bei Wasserkühlung des Kollektors konnte man eine Eisenabschirmung, klar um ihn selbst, die Wasserkühlkanäle usw. herum vorsehen. Wenn jedoch der Kollek-

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tor mit Hippen für die Luftkühlung versehen war, konnte er nicht vollkommen umgeben werden, weil für das Einströmen und Ausströmen großer Mengen Luft große Öffnungen nötig waren.

Es wurde auf verschiedene Weise versucht, eine Abschirmung innerhalb der Hippen anzuordnen. Ein Eisenzylinder zwischen dem Kupferkörper des Kollektors und den Kupferrippen hatte kein ausreichendes Wärmeleitvermögen. Eisenstäbe, die zwischen einer radial kontinuierlichen Kupferkonstruktion verteilt angeordnet wurden, ergaben keine angemessene Abschirmung»

Aus US-PS 3 450 93O geht ein breiterer Lösungsversuch her-VOr₀ gemäß dem ein kleiner Kompensationsmagnet benutzt wurde, um zu versuchen^ das Streufeld auszuschalten. Es erwies sich ,jedoch als schwierig, dieses über eine ausreichend lange Entfernung aufzuheben.

Mit dem Aufkommen von Magneten aus seltenen Erden und Kobalt wurde durch die zur Verfügung stehende hohe Koerzitivkraft ein Teil der Einschränkungen für die Magnetanordnung aufgehoben, denn ein viel größerer Teil des Magnetkreises konnte nunmehr aus Eisen hergestellt werden. In US-PS 3 896 329 ist ein symmetrisches Paar radial magnetisierter Magnete beschrieben, die ein Eisenjoch mit koaxialen Eisenpolstücken verbinden. Wegen der kurzen Länge der Magnete wurde das Streufeld auf einen niedrigeren Wert herabgesetzt als bei den Eisen-Nickel-Kobalt-Magneten. Allerdings war damit das Problem des Streuflusses noch nicht vollständig gelöst.

Ein weiterer Versuch, den Streufluß im Kollektor zu verringern, ist in der weiter unten beschriebenen Figur 2 gezeigt und besteht einfach darin, den in das Kollektorende

des Eisenjochs eingesetzten Magneten wegzulassen, so daß in diesem Bereich kein Streufluß erzeugt wird. Bei dieser Anordnung hat es sich als äußerst schwierig und wenig wirksam erwiesen, ein gleichförmiges Feld über die nötige Wechselwirkungsstrecke hinweg zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Permanentmagnetkonstruktion zum Fokussieren zu schaffen, die im. Bio 11 ekt orb ere ich. einen sehr geringen Streufluß aufweist. Weiter soll die Konstruktion leicht an Gewicht sein; ferner soll die Konstruktion nur eine geringe Menge Magnetmaterial erfordern.

Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die Schaffung eines unsymmetrischen Magneten. Am Kathodenende wird das Magnetmaterial radial magnetisiert. Dadurch wird die bestmögliche Ausnutzung von Magnetmaterial erzielt. Am Kollektorende wird das Magnetmaterial axial magnetisiert, weiter vom Kollektor entfernt und auch eine gewisse Abschirmung durch das Kollektorpolstück selbst erzielt, welches sich bis zum äußeren Radius der Konstruktion erstreckt. Das reduzierte Streufeld kann weiter abgeschirmt werden durch eine Abschirmung für den Streufluß, die sich vom Polstück am Kollektorende erstreckt und die Kühlrippen umgibt.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine bekannte Permanentmagne tkons trukti on;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine andere bekannte Permanentmagnetkonstruktion;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der axialen Magnetfeldstärke des Permanentmagneten gemäß Fig. 2;

Fig» 4 einen axialen Querschnitt durch eine Magnetkonstruktion gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der axialen Magnetfeldstärke des Magneten gemäß Fig. 4.

Der in Fig» I gezeigte schematische axiale Schnitt zeigt die aus US-PS 3 896 329 bekannte Magnetkonstruktion. Die z.B. aus einer Legierung aus seltenen Erden und Kobalt bestehenden Permanentmagnete 10 haben ringförmige Gestalt und sind radial in entgegengesetzte Richtung magnetisiert, wie durch die Pfeile angedeutet. Der RückfluBweg weist ein hohles Joch 11 und zwei ringförmige Polstücke 12, 13 aus einem hochpermeablen Material, wie Eisen oder Weichstahl auf ο Der Magnet eignet sich zum Fokussieren einer Elektronenstrahlröhre mit linearem Strahl. Aus Gründen der Klarheit sind nur diejenigen Teile eier Röhre gezeigt, die mit dem Fokussieren des Strahls zu tun haben. Meistens bilden einige innere Teile der Polstücke 12, 13 einen Teil des Vakuumkolbens der Röhre. Ein Elektronenstrahl 14 wird von einer hohlen Anode 15 aus einem konkaven Kathodenemitter 16 abgezogen, der in einem magnetisch abgeschirmten Hohlraum 17 im eingangsseitigen Polstück 12 angeordnet ist. Der Strahl durchdringt eine kleine Eingangsöffnung 18 im Polstück 12 und gelangt dann in einen Bereich 19 mit verhältnismäßig gleichförmigem Feld zwischen dem Polstück 12 und dem ausgangssei tigen Polstück I3. Dies Feld hält den Strahl in Form eines gleichmäßigen zylindrischen Bleistifts fokussiert und steht gleichzeitig in Wechselwirkung mit einer hier nicht gezeigten, das Feld umgebenden Mikrowellenschaltung, z.B. einer Wanderwellenverzögerungsleitung. Der Elektronenstrahl lh- verläßt den Bereich 19 mit dem gleichförmigen Feld durch eine Ausgangsöffnung 20 im ausgangsseitigen Polstück-13. Im verhältnismäßig feldfreien Bereich außerhalb der Magnetkonstruktion expandiert der Strahl aufgrund der Abstoßkraft seiner eigenen Raumladung und wird im Hohlraum 23 eines Kollektors 2k- gesammelt. Der

Kollektor 2k besteht aus Kupfer, um die entstehende Wärme abzuleiten. Zur Luftkühlung sind in Abständen voneinander radiale Rippen 26 aus Kupfer an der Außenseite des Kollektors 2k angeordnet, über die ein axialer Luftstrom geblasen wird.

Mit der Konstruktion gemäß Fig. 1 kann ein in zufriedenstellender Weise gleichförmiges Feld im Wechselwirkungsbereich 19 erzeugt werden. Allerdings "entsteht außerhalb der hauptsächlichen Flußschaltung ein starkes Streufeld. Die gestrichelten Linien 27 bedeuten Flußlinien, von denen einige durch den Hohlraum 23 im Kollektor laufen. Dieser Fluß bildet eine konvergierende Elektronenlinse, die den Elektronenstrahl Ik erneut auf einen kleinen Fleck 28 am Kollektor 24 fokussieren kann. Durch die verstärkte Leistungsdichte kann es zu einem Ausfall kommen.

Ein bekannter Vorschlag zur Abschwächung des Kollektorflusses sieht eine Anordnung aus Eisenstäben 29 parallel zur Strahlachse vor, die in den Kollektor Zk aus Kupfer eingebettet sind. Es hat sich aber erwiesen, daß die zur ausreichenden Abschirmung nötige Eisenmenge die Wärmeleitfähigkeit durch den Kollektor 2k zu stark herabsetzt.

Eine bekannte Magnetkonstruktion zur Reduzierung des Kollek-' torflusses ist in Fig. 2 gezeigt. Der Permanentmagnet 10' ist in Form eines einzigen ringartigen Elements vorgesehen, welches meistens aus einer Anzahl abgeschrägter Segmente besteht, die in Ringform zusammengesetzt sind. Das Material ist radial magnetisiert, und seine mit dem Polstück 12' in Berührung stehende Innenfläche liegt auf dem kleinsten Radius, der mit den Abmessungen des Polstücks 12' übereinstimmt, wie sie zur Gestaltung des Feldes im Wechselwirkungsbereich 19' unter Umschließung des Elektronenstrahlerzeuger 16' nötig sind. Gemäß der schon genannten US-PS

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3 896 329 ermöglicht die radiale Magnetisierung die wirkungsvollste Nutzung des teuren Magnetmaterials aus seltenen Erden und Kobalt.

Das Ausmaß des Streuflusses im Bereich des Elektronen-Strahlerzeugers 16' läßt sich leicht durch die Form des Polstücks 12' steuern, welches als Abschirmung wirkt. Eine ähnliche Abschirmung kann für den Kollektor 24' nicht geschaffen werden, weil die magnetisch permeablen Stoffe, wie Eisen keine ausreichend guten Wärmeleiter sind, um die hohe Wärmeableitung des Kollektors 2k^l zu bewältigen. Bei dieser Anordnung ist das gesamte Magnetmaterial 10' an dem vom Kollektor 24' am weitesten entfernten Ende der Konstruktion vorgesehen^ so daß der Streufluß um die Außenseite des Jochs II¹ herum, der in den Kollektor 24' aus Kupfer eintritt, ziemlich klein ist. Das ausgabeseitige Polstück 13' hat das gleiche magnetische Potential wie das Joch 11 Ό

Die Schwierigkeit mit der Magnetkonstruktion gemäß Fig. 2 besteht darin^ daß es praktisch unmöglich ist, ein gleichförmiges Feld zwischen den Polstücken 12' und I3¹ zu erzeugen, wenn das das Feld erzeugende Magnetmaterial 10' alles an einem Ende der Konstruktion vorgesehen ist. Fig. 3 zeigt graphisch die Verteilung der Feldstärke längs der Achse, Die axialen Positionen der Strahleinlaßöffnung 18' und der Auslaßöffnung 20' (Fig. 2) sind auch in Fig. 3 angedeutet»

Die Tendenz des Feldes, sich in der Nähe der Strahleinlaßöffnung 18' zu konzentrieren und zur Ausgangsöffnung 20' hin abzufallen^ wird teilweise dadurch kompensiert, daß die Innenfläche 3^ des eingangsseitigen Polstücks 12' konkav und die Fläche 36 des ausgangsseitigen Polstücks 13' konvex oder einspringend gewählt wird. Allerdings

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wirkt dieser Ausgleich nur teilweise, und es bleibt immer noch eine Einbuchtung in der Feldstärke in dem dazwischen liegenden Spalt.

Fig. 4 zeigt eine Magnetkonstruktion gemäß der Erfindung in axialem Schnitt. Der am Kathodenende liegende Magnet 10" ist zur optimalen Nutzung des teuren Magnetmaterials radial magnetisiert. Das am Kollektorende liegende Polstück 38 erstreckt sich radial nach außen bis zum Radius des die FlußrückStrömung bewirkenden Jochs 11". Ein am Kollektorende angeordneter ringförmiger Magnet 40 ist axial magnetisiert und erstreckt sich axial vom Ende des Jochs 11" zum Polstück 38.

Der Ursprung des äußeren Streuflusses liegt also am Außenradius des Jochs 11" und folglich bedeutend weiter weg vom Kollektor 24" als bei dem Radialmagneten gemäß Pig. I. Die Streufeldstärke im Innern des Kollektors 24" ist deshalb durch die Abschwächung des Feldes mit der Distanz bedeutend herabgesetzt.

Eine weitere Herabsetzung läßt sich erzielen, wenn eine Abschirmung 42 aus einem Metall mit geringer Permeabilität außerhalb von Kühlrippen 26" vorgesehen wird. Die Abschirmung 42 ist an der Oberseite offen, um Kühlluft eintreten zu lassen und weist eine Anzahl radial im Abstand voneinander liegender Öffnungen 44 in der Nähe ihres unteren Endes auf, durch die die Luft austritt. Die Abschirmung 42 erstreckt sich in Magnetkontakt mit dem Kollektorpolstück 38. Da sie keine Wärme zu leiten braucht, kann sie massiv genug sein, um eine gute magnetische Abschirmung zu erzielen.

Eine andere Möglichkeit, die Abschirmung zu verstärken, besteht darin, das Polstück 38 bis zu einem größeren

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Außenradius zu verlängern. Dadurch wird jedoch der Gesamtstreufluß erhöht und mehr Magnetmaterial benötigt.

Wie im Fall von Figo 2 sind die Innenflächen 34", 36" des Kathodenpolstücks 12" und des Kollektorpolstücks 38 jeweils konkav bzw. konvex« Das ermöglicht eine stärkere Felderzeugung durch den fern vom Kollektor 24" liegenden Kathodenmagneten 10" und weniger durch den dem Kollektor 24" nahen Kollektormagneten 40.

Fig« 5 zeigt eine Kurve der axialen Feldstärke, wie sie mit der Magnetkonstruktion gemäß Fig. 4 erhalten wird. Sie ist im wesentlichen genauso gut wie die der völlig symmetrischen Konstruktion gemäß Fig. 1, und das Kollektorfeld ist stark reduziert.

Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Magnetkonstruktion zum Fokussieren eines linearen Elektronenstrahls,

gekennze lehne t durch zwei einander gegenüberliegende Polstücke aus einem hochpermeablen Metall, die längs der Strahlrichtung voneinander getrennt und mit Öffnungen für den Durchlaß des Strahls versehen sind, ein Joch aus einem hochpermeablen Metall, welches den Strahl umgibt und sich zwischen den Polstücken erstreckt und mindestens einen Teil eines ersten der beiden Polstücke umgibt, einen ersten Permanentmagneten, der im wesentlichen radial zum Strahl magnetisiert ist und sich zwischen dem Joch und dem ersten Polstück erstreckt, und einen zweiten Permanentmagneten, der im wesentlichen parallel zu dem Strahl magnetisiert ist und sich in Richtung des Strahls zwischen dem Joch und dem zweiten Polstück erstreckt»

2» Magnetkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Magnet so magnetisiert ist, daß er einen Fluß im Joch in der gleichen Richtung induziert, wie der vom ersten Magneten induzierte Fluß.

3. Magnetkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich das 2.5 zweite Polstück radial zum Strahl im wesentlichen bis zur äußeren radialen Erstreckung des zweiten Permanentmagneten erstreckt.

J*-« Magnetkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Flußabschirmung aus einem hochpermeablen Metall so vorgesehen ist, daß sie den Strahl umgibt und sich in Richtung des

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Strahls vom zweiten Polstück erstreckt.

5. Magnetkonstruktion nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Flußabschirmung in Magnetkontakt mit dem zweiten Polstück steht.

6. Magnetkonstruktion nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Flußabschirmung einen inneren offenen Durchlaß zur Aufnahme eines Kollektors für den Strahl hat.

7. Magnetkonstruktion nach Anspruch 5 _t

dadurch gekennzeichnet , daß der offene Durchlaß geeignet ist, Kühlrippen aufzunehmen, die sich von dem Kollektor nach außen erstrecken.

8. Magnetkonstruktion nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Flußabschirmung eine oder mehrere Öffnungen für den Durchlaß eines kühlenden Gases aufweist.