DE60024140T2 - Magnetron-anoden - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetron-Anoden und im Besonderen, aber nicht ausschließlich, Magnetron-Anoden, die bei relativ hohen Leistungspegeln betrieben werden können.
• In einer bekannten Magnetron-Ausführung ist eine zentrale zylindrische Kathode von einer Anodenkonstruktion umgeben, die im typischen Fall einen leitenden Zylinder umfasst, der eine Mehrzahl von Anodenrippen trägt, die sich von seiner Innenfläche nach innen erstrecken. Während des Betriebs wird ein magnetisches Feld in einer Richtung angelegt, die parallel zur Längsachse der zylindrischen Konstruktion ist, und wirkt in Verbindung mit dem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode auf von der Kathode emittierte Elektronen, was zum Auftreten von Resonanzen und zur Erzeugung von HF-Energie führt. Ein Magnetron kann mehrere Schwingungsmoden unterstützen, je nach der Verbindung zwischen den von den Anodenrippen definierten Hohlräumen, was Ausgangsfrequenz- und Leistungsvariationen ergibt. Eine Methode, die zum Beschränken eines Magnetrons auf einen bestimmten Betriebsmodus verwendet wird, ist das der Verbindung mit Stegen (Verbindungsbänder). Um den Pi-Betriebsmodus zu erhalten und aufrecht zu erhalten, der gewöhnlich der erforderliche ist, werden abwechselnde Anodenrippen durch Stege miteinander verbunden. Meist befinden sich an jedem Ende der Anode zwei Stege oder in einer anderen Anordnung kann es z.B. drei Stege an einem Ende der Anode und keinen am anderen geben.
• Die vorliegende Erfindung entstand aus der Überlegung, wie die Ausgangsleistung eines Magnetrons vergrößert werden könnte, die Erfindung kann aber auch in Anwendungen verwendet werden, wo dies keine Bedingung ist.
• Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 10 und 18 definiert, auf die jetzt verwiesen wird. Weitere Ausgestaltungen sind in den anhängigen Ansprüchen definiert.
• Die Segmente sind im Allgemeinen quer zur Längsachse angeordnet und wenigstens einige der Segmente haben in der Längsrichtung ein gestaltetes Profil, d.h. sie sind nicht einfach geschichtete Platten.
• Bei einem bereits bekannten Typ von Magnetron-Anode umfasst die Anode ein einzelnes einstückiges Teil, das durch Bearbeiten aus einem massiven Block hergestellt wurde. Für Anoden größerer Größe besteht eine typische Konstruktionsmethode darin, dass die Anodenrippen getrennt hergestellt und dann an eine umgebende zylindrische Anodenhülle angefügt werden, wobei eine Aufspannvorrichtung verwendet wird, um die Ausrichtung der Rippen zueinander und zur Hülle während des Montagevorgangs aufrecht zu erhalten. Im Gegensatz dazu hat eine erfindungsgemäße Anode Anodenrippenbeabstandungen, die präzise aufrecht erhalten werden, weil jedes Segment eine Mehrzahl von Anodenrippenabschnitten hat, die vor dem Stapeln der Segmente aufeinander produziert werden. Daher können alle Mängel in einem Segment, die zu einer Fehlausrichtung in der fertigen Baugruppe führen könnten, durch Überprüfen festgestellt werden, bevor es mit anderen Segmenten zusammengefügt wird und dieses Segment verworfen wird. Des Weiteren kann die Verwendung der Erfindung zu einer Anode führen, die robuster ist, da die Stirnflächen der Segmente, an denen sie zusammengefügt werden, eine relativ große Oberfläche haben, verglichen mit dem kleinen Befestigungsbereich in dem Fall, wenn Rippen separat angefertigt und an ihren Endseiten an der Anodenhülle befestigt werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedes Segment ein einstückiges Teil, das zum Beispiel aus einem massiven Material gearbeitet werden kann. Sämtliches Bearbeiten während der Montage der Magnetron-Anode verursacht daher meist nicht, dass sich Anodenabschnitte eines Segments relativ zueinander bewegen, weil es im Segment selbst keine Verbindungsstellen gibt. Auch erfüllt die fertige Magnetron-Anode die idealen Konstruktionsmaße wahrscheinlich eher als eine Anode, die in der vorher bekannten Anordnung hergestellt wurde, und ist mechanisch robuster.
• Das andere bereits bekannte Verfahren, bei dem die Anode aus einem massiven Block gearbeitet wird, ist für kleinere Anodenkonstruktionen durchführbar, wird aber für größere Anoden, die für die Verwendung bei niedrigeren Frequenzen in Magnetrons vorgesehen sind, schwieriger und kostspieliger zu realisieren.
• Die Segmente sind im Wesentlichen ringförmig. Jedes Segment ist ein vollständiger Ring. Vorzugsweise hat jedes Segment Stirnflächen, die in der zusammengefügten gestapelten Baugruppe in einer quer zu der Längsachse der allgemein zylindrischen Anode liegenden Ebene liegen.
• Vorzugsweise ist ein Zylinder um die gestapelten Segmente herum angeordnet und mit ihnen zusammengefügt. Anstatt separat hergestellte Zylinder bereitzustellen, könnten in anderen Anordnungen die Segmente selbst Abschnitte aufweisen, die in der fertigen Anodenbaugruppe die äußere Anodenhülle bilden.
• Die Anode hat eine Mehrzahl von Stegen. Die Stege sind entlang der axialen Länge der Anodenrippen verteilt. Die Segmentierung der Anode bedeutet, dass dies leicht erreicht werden kann, und es bringt bedeutende Vorteile. Normalerweise ist die Verbindung durch Stege nur bei Anoden mit einer axialen Länge von einem Viertel der Betriebswellenlänge effektiv. Für längere Anoden bricht die Modentrennung zusammen und es wird unmöglich, den/die gewünschte(n) Betriebsmodus und -frequenz aufrecht zu erhalten. Durch Verteilen von Stegen entlang der axialen Länge der Anodenrippen, anstatt sie an ihren Enden anzuordnen, wie konventionell üblich ist, kann jede gewünschte Anodenlänge ohne Modentrennungsverlust verwendet werden. So kann die Frequenzstabilität beihalten werden, während die Ausgangsleistung erhöht wird, wobei die Ausgangsleistung von der Länge der Anode abhängt. Man glaubt zum Beispiel, dass ein Magnetron, das eine erfindungsgemäße Anode benutzt und im X-Band betrieben wird, eine Leistungsabgabe im Bereich von 2 MW erreichen kann. Magnetrons mit anderen Frequenzbändern können die Erfindung aber ebenfalls vorteilhaft nutzen.
• Die Stege sind entlang der axialen Länge der Anodenrippen im Wesentlichen einheitlich beabstandet und sie sind bevorzugt über die im Wesentlichen gesamte axiale Länge verteilt. Effektiv kann für jede beliebige erforderliche Anodenlänge eine fast ununterbrochene Stegverbindung erreicht werden.
• Die Anode kann Segmente verschiedener Konfigurationen aufweisen. In einer Ausgestaltung definieren zum Beispiel die Segmente die Anodenrippen und die Stege sind als separate Komponenten bereitgestellt. Jedes Segment hat einen Steg und Abschnitte der Andenrippen. Dies veringert die Zahl der verschiedenen erforderlichen Bauteiltypen und erleichtert dadurch die Herstellung und senkt Kosten. Da der Steg jedes Segments mit den Anodenrippenabschnitten einstückig ist, hat die Anode eine besonders robuste Konstruktion.
• In einer Anordnung, die ein Paar aneinander angrenzender Segmente aufweist, die jeweils einen Steg haben, ist der Steg jedes Segments näher an einem Ende des Segments als an dem anderen und die Segmente sind aneinander angrenzend gestapelt, wobei jeweils eines mit Bezug auf das andere umgekehrt ist. Ein Segment kann somit Abschnitte der Hälfte der Zahl von Anodenrippen haben, die durch seinen Steg miteinander verbunden sind, und das andere Segment umfasst Abschnitte der restlichen Anodenrippen, die durch seinen Steg verbunden sind. Die zwei Segmente werden dann so nebeneinander angeordnet, dass die Abschnitte der Anodenrippen verschachtelt sind und die so positionierten Stege einander nicht stören, da sie sich an verschiedenen Punkten entlang der Längsachse der Anode befinden. Die Segmente haben vorzugsweise eine nominell identische Form, was Herstellungsbeschränkungen erleichtert.
• Nach einem Merkmal der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetron-Anode die folgenden Schritte: Bilden ringförmiger Segmente, wobei jedes Segment Abschnitte von Anodenrippen hat; Stapeln der ringförmigen Segmente und dann Verbinden der gestapelten Segmente miteinander. Die ringförmigen Segmente können zum Beispiel mit funkenerosivem Abtragen (EDM) hergestellt werden, obwohl auch andere Methoden wie Fräsen verwendet werden können. Die ringförmigen Segmente können zum Beispiel durch Hartlöten miteinander verbunden werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Fertigungszeit und ist nicht so arbeitsaufwändig wie das vorherige Verfahren, bei dem die Rippen separat hergestellt wurden, und führt außerdem zu einer besonders robusten Anode mit Potenzial für den Hochleistungseinsatz.
• Die Anode kann in einem Verfahren gebildet werden, bei dem eine Mehrzahl von ringförmigen Segmenten gestapelt wird und sie miteinander verbunden werden und die Anordnung dann mit einer zylindrischen Hülle umgeben wird, die mit den gestapelten Segmenten verbunden wird. Die Segmente und der Zylinder können alle in einem Schritt zusammengefügt werden, nachdem die Teile aneinander angrenzend angeordnet worden sind. In einem alternativen Verfahren kann ein zentraler Kern verwendet werden, wobei die Segmente um ihn angeordnet und mit dem Kern verbunden werden. Nach diesem Schritt kann Teil des Kerns entfernt werden, wobei der verbleibende Teil Abschnitte der Anodenrippen bildet.
• Im Folgenden werden einige Ausführungsarten der Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetrons;
• 2 eine Draufsicht des in 1 gezeigten Magnetrons entlang der Linie II-II;
• 3 eines der Segmente;
• 4 zwei benachbarte Segmente;
• 5 die aufeinander gestapelten Segmente;
• 6, 7, 8, 9 und 10 Schritte, in anderen Magnetron-Anoden verwendete Bauteile und Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung.
• Ein erfindungsgemäßes Magnetron, wobei auf die 1 und 2 Bezug genommen wird, umfasst eine zylindrische zentral angeordnete Kathode 1, die zwischen Magnetpolstücken 2 und 3 liegt, die durch magnetische Rücklaufwege 4 und 5 verbunden sind. Die Kathode 1 ist von einer zylindrischen Anodenkonstruktion 6 umgeben, die eine äußere Hülle 7 und sich nach innen erstreckende Anodenrippen 8 umfasst, wobei die Hülle 7 und die Rippen 8 aus Kupfer sind.
• Die Rippen 8 werden von einer Mehrzahl ringförmiger Segmente 9 gebildet, die entlang der Längsachse X-X des Magnetrons gestapelt sind. Jedes Segment weist Abschnitte der Hälfte der Gesamtzahl von Anodenrippen und einen Verbindungsring auf, der in der fertigen Anode als Steg 10 dient.
• 3 zeigt schematisch ein einzelnes Segment, das durch funkenerosives Abtragen (EDM) aus einem massiven Kupferstück gearbeitet wurde. Das Segment 9 weist einen vollständigen Ring 10 auf, der den Steg bildet, von dem sich nach innen und nach außen Abschnitte 11 erstrecken, die in der fertigen Konstruktion Teile der Anodenrippen 8 bilden. Die inneren Teile 11A der Rippenabschnitte sind abgerundet und sind in der fertigen Vorrichtung der Kathode 1 zugekehrt. Die äußeren Teile 11B weisen in ihren Außenseiten eine Längsnut 12 auf. Wie in der Figur zu sehen ist, befindet sich der Steg näher an einem Ende 13 des Segments 9 als an dem anderen Ende 14.
• Nach der Herstellung einer Mehrzahl derartiger Segmente 9 ist der nächste Herstellungsschritt das Überziehen ihrer oberen und unteren Oberflächen mit einer Silberschicht. Die Segmente 9 werden dann aufeinander zu einem Stapel in der Anodenhülle 7 zusammengesetzt, um eine zylindrische Konstruktion zu erhalten. Bei jedem Paar benachbarter Segmente 9 ist eines mit Bezug auf das andere umgekehrt und auch relativ zu ihm gedreht, wie in 4 gezeigt wird, damit die Rippenabschnitte gleichmäßig voneinander beabstandet um den Ring angeordnet sind. Der komplette Stapel ist in 5 schematisch dargestellt. Hartlötmaterial in der Form von Drähten wird durch die Längsnutaussparungen 12 in den Außenseiten der Segmente 9 vorgeschoben. Zum Aufrechterhalten der relativen Abstände zwischen benachbarten Anodenrippen wird eine Aufspannvorrichtung verwendet und die Anodenhülle erhält die Kreisausrichtung.
• Nachdem die Komponenten zusammengebaut worden sind, wird ein Gewicht auf die Segmente 9 gelegt und die Baugruppe wird erhitzt. Das Silber auf den aneinander angrenzenden Stirnflächen der Segmente schmilzt und lötet sie zusammen und die Segmente werden auch an die Innenfläche der Anodenhülle angelötet.
• Es werden so viele Bauteile wie erforderlich gestapelt, um eine lange Anode zu bilden.
• In diesem Verfahren sind die Segmente 9 identisch. In anderen Montageverfahren können aber bei der Anodenherstellung auch mehrere verschiedene Bauteile verwendet werden.
• In einem weiteren Herstellungsverfahren wird zunächst ein zylindrisches Bauteil wie in 6 bearbeitet. Das Bauteil weist einen zentralen ununterbrochenen zylindrischen Teil 15 und Grate 17 definierende Nuten 16 um die Außenfläche auf. Eine Mehrzahl von Segmenten 18 wie in 7 gezeigt werden hergestellt. Jedes Segment weist einen ununterbrochenen Ring 19 auf, von dem sich in Intervallen Abschnitte 20 in radialer Richtung nach innen und nach außen erstrecken. Schließlich wird ein drittes, in 8 gezeigtes Bauteil hergestellt, das eine ununterbrochene äußere Hülle 21, die die Anodenhülle in dem fertigen Magnetron ist, und eine Innenfläche 22 mit einer Mehrzahl von Nuten 23 in ihr zum Definieren von Rippenabschnitten 24 zwischen ihnen hat. Jedes der Bauteile ist aus Kupfer, wobei jene Oberflächen, die an andere anzufügen sind, mit einem geeigneten Hartlötmaterial überzogen werden. Die in den 6 und 8 gezeigten Bauteile sind mit einer Mehrzahl von Segmenten, wie in 7 gezeigt, die sich in dem Spalt zwischen ihnen befinden, konzentrisch angeordnet. Die Segmente werden drehend relativ zu benachbarten Segmenten verschoben, sodass abwechselnde Stege in der fertigen Anode elektrisch mit den gleichen Anodenrippen verbunden sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung wird zunächst ein in 9 gezeigtes Segment bearbeitet, das einen vollständigen Ring 25, der in dem fertigen Magnetron ein Steg ist, und eine Mehrzahl von sich davon erstreckenden Abschnitten 26 hat, die Teile der Anodenrippen bilden. Wie in den anderen Anordnungen entspricht die Zahl der Abschnitte der Hälfte der Gesamtzahl von Anodenrippen in dem fertigen Magnetron. In 9 gezeigte Segmentpaare werden wie in 10 gezeigt zusammengebaut und dann in einer Hülle aufeinander gestapelt und durch Hartlöten miteinander verbunden.
• In einem alternativen Verfahren und mit Bezug auf 11 wird eine Mehrzahl von Spaltringen 27 auf einem allgemein zylindrischen Former 28 montiert, der den inneren Teil 29 der Anodenrippen 30 um seine Außenfläche hat. Nuten in den Anodenrippen, die z.B. an 31 gezeigt werden, nehmen die Stege auf, die elektrisch mit abwechselnden Rippen verbunden werden. Die Baugruppe wird dann in das in 8 gezeigte Bauteil gesetzt und daran festgelötet. Schließlich wird der zentrale Zylinder 32 entfernt, um die endgültige Anodenkonstruktion zu erhalten.

Claims (18)

1. Magnetron-Anode (6), die eine Mehrzahl gestapelter Segmente (9) umfasst, die miteinander verbunden sind, um Anodenrippen (8) zu definieren, wobei ein oder mehrere Segmente jeweils einen Steg (10) und Abschnitte (11) der Anodenrippen haben, wobei das eine oder die mehreren Segment(e) jeweils einen Ring umfasst/umfassen, der den Steg bildet, von dem sich die Abschnitte in Intervallen in radialer Richtung nach innen (11A) und nach außen (11B) erstrecken, die Teile der Anodenrippen (8) bilden, wobei die Stege (10) entlang der axialen Länge der Anodenrippen (8) verteilt und im Wesentlichen einheitlich beabstandet sind.
2. Anode nach Anspruch 1, bei der wenigstens ein Segment (9) ein einstückiges Bauteil ist.
3. Anode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Segmente (9) im Wesentlichen ringförmig sind.
4. Anode nach Anspruch 1, 2 oder 3 und mit einem Zylinder, der um die gestapelten Segmente (9) angeordnet und mit ihnen verbunden ist.
5. Anode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der jedes Segment (9) Stirnseiten hat, die mit angrenzenden Segmenten verbunden sind und in einer Ebene quer zu der Längsachse liegen.
6. Anode nach Anspruch 1, bei der die Stege (10) entlang im Wesentlichen der gesamten axialen Länge der Anodenrippen (8) verteilt sind.
7. Anode nach Anspruch 1, bei der für ein Paar aneinander angrenzender Segmente (9), die jeweils einen Steg (10) haben, der Steg jedes Segments näher an einem Ende als an dem anderen ist und die Segmente so gestapelt sind, dass eines mit Bezug auf das andere umgekehrt ist.
8. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Segment Abschnitte der Hälfte der Gesamtzahl von Anodenrippen hat und aneinander angrenzende Segmente so angeordnet sind, dass die Abschnitte der Anodenrippen verschachtelt sind.
9. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Segmente nominell eine identische Form haben.
10. Verfahren zum Herstellen einer Magnetron-Anode, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden ringförmiger Segmente (9), wobei jedes Segment Abschnitte von Anodenrippen (8) hat, wobei jedes Segment einen Ring (10) umfasst, der einen Steg (10) bildet, von dem sich die Abschnitte (11A, 11B) in Intervallen in radialer Richtung nach innen und nach außen erstrecken, die Teile der Anodenrippen (8) bilden; Stapeln der ringförmigen Segmente (4) und dann Verbinden der gestapelten Segmente (9), wobei die Segmente so gestapelt werden, dass die Stege (10) entlang der axialen Länge der Anode (6) verteilt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10 und mit dem Schritt des Anordnens eines Zylinders um die Außenseite der gestapelten ringförmigen Segmente herum und des Verbindens der Segmente mit dem Zylinder.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Segmente mithilfe von funkenerosivem Abtragen (EDM) hergestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem die ringförmigen Segmente durch Hartlöten miteinander verbunden werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem wenigstens eines der Segmente einen Steg hat.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 und bei dem für ein Paar aneinander angrenzender Segmente jedes Segment einen Steg hat, der näher an einem Ende des Segments als an dem anderen ist, und die Segmente so gestapelt werden, dass eines mit Bezug auf das andere umgekehrt ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die ringförmigen Segmente nominell eine identische Form haben.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16 und mit dem Schritt des Stapelns der ringförmigen Segmente auf einem zylindrischen Kern, dann des Verbindens der Segmente mit dem Kern und dann des Entfernens von Teil des Kerns, wobei der verbleibende Rest Abschnitte der Anodenrippen bildet.
18. Magnetron mit einer koaxial von einer Anode umgebenen Kathode, wobei die Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist und/oder nach einem der Ansprüche 10 bis 17 hergestellt worden ist.