DE69528500T2 - Elektronenstrahlröhre - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronenstrahlröhren und insbesondere, aber nicht ausschließlich, Klystrone.
• Ein Klystron ist eine Verstärkungseinrichtung, in welcher ein Elektronenstrahl durch ein hochfrequentes Signal, welches in einen Eingangsresonanzhohlraum eingespeist wird, in der Geschwindigkeit moduliert wird, wobei das verstärkte Ausgangssignal aus einem anderen Resonanzhohlraum ausgekoppelt wird. Fig. 1 zeigt schematisch ein herkömmliches Klystron, welches eine Elektronenkanone 1 zur Erzeugung eines Strahls aus Elektronen beinhaltet, welcher entlang der Längsachse X-X gerichtet ist. Das hochfrequente Signal, das verstärkt werden soll, wird in den Eingangshohlraum 2 über eine Kopplungsschleife 3 eingekoppelt und erzeugt eine Geschwindigkeitsmodulation von Elektronen des durch den Hohlraum 2 laufenden Strahls. Auf den Hohlraum 2 folgen eine Triftröhre 4 und typischerweise mehrere Zwischenhohlräume, von denen zwei, 5 und 6, dargestellt sind, wo eine weitere Bündelung der Elektronen auftritt. Der Ausgangshohlraum 7 enthält eine Kopplungsschleife 8, über welche das verstärkte HF-Signal aus der Einrichtung abgenommen wird. Die Elektronen des Strahls treffen auf einen Kollektor 9 auf, welcher auf den Ausgangshohlraum 7 folgt. Der Elektronenstrahl wird durch um die Außenseite der HF-Wechselwirkungsstruktur herum vorgesehene Permanentmagneten oder Elektromagneten fokussiert, um der Divergenz des Strahls auf Grund der Raumladung entgegenzuwirken und zu verhindern, dass der Strahl die Wände trifft.
• US-A-3,775,635 zeigt ein Klystron, welches Oberwellenhohlräume beinhaltet.
• Die vorliegende Erfindung ergab sich aus der Erwägung der Herstellung eines kostengünstigen Klystrons, sie ist aber auch auf andere Arten von Elektronenstrahlröhren, die Resonanzhohlräume verwenden, anwendbar.
• Erfindungsgemäß wird eine Elektronenstrahlröhre zur Verfügung gestellt, die eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen mit Trifträumen zwischen diesen umfasst und gekennzeichnet ist durch: eine gasdichte Hülle, die einen einstückigen Zylinder umfasst, der eine Innenfläche mit zumindest einer zwischen deren Enden angeordneten Stufe aufweist, und welcher die äußere Ausdehnung der Resonanzhohlräume bestimmt; sowie mehrere quer verlaufende Wände, die nicht integral mit dem Zylinder ausgebildet sind und die quer zu dessen Innenraum angeordnet sind, um teilweise die Resonanzhohlräume zu bestimmen, wobei eine oder mehrere der Querwände an der Stufe oder den jeweiligen Stufen an der Innenfläche des Zylinders angeordnet sind.
• Mit der Bezeichnung "einstückig" ist gemeint, dass der Zylinder aus einem Stück ausgebildet ist, ohne vakuumdichte Verbindungsstellen, und nicht als einzelne Abschnitte, die miteinander verbunden sind. Diese Bezeichnung schließt auch einen Zylinder ein, der aus einem äußeren Teil aus einem bestimmten Material und einem inneren Teil oder einer Auskleidung aus einem anderen Material besteht. Der Zylinder weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, und zwar wegen dessen Symmetrie, er könnte aber auch andere Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise könnte er einen elliptischen oder quadratischen Querschnitt auf weisen.
• Da die Hülle einen Teil der mehreren Resonanzhohlräume bildet, sind weniger vakuumdichte Verbindungsstellen als für eine herkömmliche Gestaltung erforderlich. In einem typischen Beispiel sind nur zwei solcher Verbindungsstellen erforderlich, im Vergleich zu fünfzig oder mehr in einer herkömmlichen Röhre vergleichbarer Größe und Betriebsparameter. Obgleich die Verbindungsstellen an jedem Ende des Zylinders vakuumdicht sein müssen, brauchen Verbindungsstellen zwischen dem Zylinder und anderen Oberflächen, welche die Resonanzhohlräume bilden, nur elektrisch leitfähig zu sein. Eine Röhre entsprechend der Erfindung kann daher einfacher und schneller als eine herkömmliche Einrichtung hergestellt werden. Die Prozedur der Prüfung der Vakuumdichtheit und die Ausführung von Reparaturen werden ebenfalls vereinfacht, da es, wenn ein Leck erkannt wird, relativ wenig zu überprüfen gibt. Es sind weniger Komponenten in einer Röhre erforderlich, was zusätzlich zur Reduzierung der Anzahl von benötigten vakuumdichten Hartlötstellen die Anzahl der erforderlichen Montageschritte reduziert.
• Ein anderer Vorteil besteht darin, dass eine relativ lange Elektronenstrahlröhre entsprechend der Erfindung tendenziell robuster als eine ähnliche herkömmliche Einrichtung ist. Eine herkömmliche Einrichtung würde stärker zum Verbiegen neigen und weist eine erhöhte Neigung zur Rissentstehung auf, mit einem daraus folgenden Verlust der Vakuumdichtheit während der Handhabung, des Transportes und der Installation.
• Die Komponenten der Röhre können mit guter Präzision hergestellt und in dem Zylinder eingebaut werden. Dies ist für jede Elektronenstrahlröhre vorteilhaft, ist aber besonders für Einrichtungen mit mehreren Strahlen nützlich. Beispielsweise sind bei einem Mehrstrahlen-Klystron mehrere separate Kathoden auf dem Umfang eines Kreises verteilt und derart angeordnet, dass sie parallele Elektronenstrahlen erzeugen, die durch individuelle Triftröhren und durch gemeinsame Hohlräume laufen. Die Ausrichtung ist besonders kritisch und kann unter Verwendung der vorliegenden Erfindung anstatt einer herkömmlichen Konstruktion leichter erzielt werden.
• Vorzugsweise sind Einrichtungen vorgesehen, um ein Kühlfluid, welches beispielsweise Luft oder Wasser sein kann, über die Außenfläche des Zylinders strömen zu lassen. Da diese Oberfläche im Gegensatz zu einem herkömmlichen Klystron glatt hergestellt werden kann, ermöglicht der Zylinder eine gleichmäßige Kühlung über seine Oberfläche, wodurch Lufttaschen vermieden werden, die zu lokalen Hitzestellen führen könnten.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Zylinder aus Kupfer, und zwar wegen dessen hoher Wärmeleitfähigkeit, obgleich auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden könnten. In einer Ausführungsform beinhaltet der Zylinder zwei oder mehr Materialien, wobei die innere Oberfläche elektrisch leitfähig ist. Vorausgesetzt, das innere Material ist ausreichend dick, um eine Leitung durch dieses zu ermöglichen, könnte dieses aus einer Metallisierungsschicht auf einem elektrisch isolierenden äußeren Teil bestehen. Eine solche Metallisierung könnte nur auf ausgewählten Bereichen der inneren Oberfläche des Zylinders, wo die Resonanzhohlräume angeordnet sind, vorgesehen sein.
• Die Innenfläche des Zylinders ist abgestuft, und die Komponenten können an den Stufen befestigt in dem Zylinder angeordnet sein. Die Innenkonfiguration des Zylinders kann mit modernen computergesteuerten Bearbeitungsverfahren mit hoher Maßgenauigkeit gearbeitet sein. Die exakte Innenkonfiguration wiederum führt zu einer exakten Positionierung von Komponenten in dem Zylinder, und dies ist relativ leicht erzielbar, verglichen mit den Spannvorrichtungen, die für herkömmliche Gestaltungen erforderlich sind.
• Vorteilhafterweise sind magnetische Fokussierungseinrichtungen um die Außenseite des Zylinders herum vorgesehen. Die Fokussierungseinrichtungen können elektromagnetische Einrichtungen sein oder permanentmagnetisches Material nutzen. Beispielsweise kann eine Spule um die Außenseite des Zylinders herum gewickelt sein. Diese stellt eine teure Komponente einer Elektronenstrahlröhre dar, die bei herkömmlichen Gestaltungen von alten Röhren, wenn diese verschrottet werden, nicht wiederverwertet werden würde. Bei einer erfindungsgemäßen Röhre könnte die elektromagnetische Spuleneinrichtung jedoch wiedergewonnen werden, ohne selbige zu beschädigen. Elektromagnetische Spulen können direkt auf die Außenfläche des Zylinders selbst gewickelt sein oder können auf einem separaten Rahmen um diesen herum gehalten werden.
• Vorteilhafterweise sind die Trifträume zwischen den Resonanzhohlräumen von Triftröhren umgeben. Bei einigen Gestaltungen könnten diese weggelassen werden, die Verwendung von Triftröhren stellt jedoch sicher, dass Resonanzen, die aus Volumina zwischen benachbarten Resonanzhohlräumen entstehen, nicht den Betrieb der Röhre stören.
• Vorzugsweise beinhalten einer oder mehrere der Resonanzhohlräume eine Wand, die quer zu der Längsachse des Zylinders angeordnet ist und eine mittige Öffnung aufweist, durch welche bei der Verwendung ein Elektronenstrahl gerichtet wird. Wenn Triftröhren um die Trifträume herum verwendet werden, können diese vorteilhafterweise mit zwei Querwänden verbunden sein, welche jeweilige benachbarte Resonanzhohlräume bestimmen. Durch diese Integration wird die Anzahl der Komponenten, die in dem Zylinder zu befestigen sind, reduziert.
• Es kann vorzuziehen sein, dass der Zylinder die äußere Ausdehnung aller Resonanzhohlräume, die in der Elektronenstrahlröhre enthalten sind, bestimmt. Die Endhohlräume könnten jedoch separat umschlossen sein, aber eine solche Anordnung erhöht die Anzahl der erforderlichen vakuumdichten Verbindungsstellen und mindert die Vorteile, die aus dem Einsatz der Erfindung erzielbar sind.
• Bei einer anderen vorteilhaften Anordnung ist zumindest einer der Hohlräume auf einer höheren Frequenz als die anderen resonant. Dies kann beispielsweise ein Hohlraum für eine zweite Oberwelle sein. Das Kammervolumen kann verringert werden, indem die Querwände in geringerem Abstand voneinander angeordnet sind als bei den restlichen Hohlräumen, es wird aber bevorzugt, dass der Außendurchmesser des Hohlraums geringer ist. Dies macht es möglich, das optimale Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des Hohlraums beizubehalten. Dies kann erzielt werden, indem die Innenfläche des Zylinders derart geeignet konfiguriert wird, dass der Innendurchmesser dort, wo der Hohlraum für die zweite Oberwelle vorgesehen ist, reduziert ist. In einer alternativen Ausführungsform ist eine zylindrische Wand mit dem erforderlichen Durchmesser innerhalb des und koaxial zu dem Zylinder angeordnet.
• Einige Möglichkeiten der Ausführung der Erfindung werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 2 schematisch eine Resonanzhohlraumstruktur darstellt;
• Fig. 3 schematisch ein Klystron entsprechend der Erfindung darstellt, welches die Struktur aus Fig. 2 verwendet; und
• Fig. 4 schematisch eine andere Resonanzhohlraumstruktur darstellt.
• Mit Bezug auf Fig. 2 weist eine HF-Hohlraumstruktur 10, die in einem Klystron verwendet wird, einen Kupferzylinder 11 auf, der einen Teil der Vakuumhülle bildet und einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Die Außenfläche ist glatt und sein Innendurchmesser verringert sich stufenweise wie gezeigt von der linken zur rechten Seite. Innerhalb des Zylinders 11 sind mehrere Wände 12 bis 19 vorgesehen und sind quer zu der Längsachse X-X, entlang welcher während der Verwendung ein Elektronenstrahl gerichtet ist, angeordnet. Die Querwände bestimmen Resonanzhohlräume 20, 21, 22 und 23 und weisen mittige Öffnungen auf, durch welche der Elektronenstrahl geschickt wird. Die Bereiche 24, 25 und 26 zwischen den Resonanzhohlräumen sind Trifträume und sind von Triftröhren 27, 28 bzw. 29 umgeben.
• Die drei Triftröhren 27, 28 und 29 sind jeweils als integrale Komponenten mit einigen der Querwände ausgebildet. So bildet die Triftröhre 27 einen Teil einer einzelnen Komponente, welche außerdem die Wände 13 und 14 beinhaltet. Analog bildet die Triftröhre 28 eine Komponente mit den Wänden 15 und 16, und die Triftröhre 29 ist mit den Wänden 17 und 18 kombiniert. Die erste und letzte erwähnte Komponente, welche die Triftröhren 27 bzw. 29 beinhalten, weisen eine identische Länge und Konfiguration auf, außer dass die rechte Komponente wie gezeigt einen kleineren Außendurchmesser auf weist, damit sie an dem Ende des Zylinders 11 mit kleinerem Innendurchmesser positioniert werden kann.
• Die abgestufte Bohrung des Zylinders 11 erleichtert den Einbau und stellt die Positionierungsgenauigkeit sicher. Da die Innenfläche des Zylinders 11 und die Querwände exakt gearbeitet und angepasst werden können, stellt dies sicher, dass die Konzentrizität aufrechterhalten bleibt.
• Der Resonanzhohlraum 20 ist durch die Querwände 12 und 13 und durch die Innenfläche des Zylinders 11 bestimmt. Der ringförmige Bereich 30, der durch die Wände 13 und 14 und die Triftröhre 27 begrenzt ist, trägt nicht zum Betrieb der Einrichtung bei und stellt effektiv "toten" Raum dar. In den Wänden 13 und 14 sind Öffnungen (nicht gezeigt) vorgesehen, damit der Bereich 30 evakuiert werden kann, sobald die Struktur zusammengebaut ist, und analog weisen die anderen Querwände ebenfalls solche Öffnungen auf.
• Die Verbindungsstellen, die zwischen den Wänden 13 bis 18 und der Innenfläche des Zylinders 11 hergestellt werden, brauchen nicht vakuumdicht zu sein. Dies ist nur an den Stellen 31 und 32 an den Enden des Zylinders 11 erforderlich.
• Fig. 3 stellt die Struktur aus Fig. 2 dar, und zwar in einem Klystron enthalten, das eine Elektronenkanonenanordnung 33 aufweist, die wie gezeigt am linken Ende angeordnet ist, sowie einen Kollektor 34 mit Kopplungsschleifen 35 und 36. Ein Rahmen 37 trägt elektromagnetische Spulen 38 zur Fokussierung, und über die Außenfläche des Zylinders 11 wird über die Rohrleitung 39 Luft gelenkt.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Zylinder 11 einen äußeren Bereich aus einem Material und eine innere Auskleidung aus einem anderen Material. Beispielsweise kann der Zylinder 11 eine äußere Röhre aus keramischem Material aufweisen, sowie eine innere Metallisierungsschicht, die ausreichend dick für eine gute Stromleitung ist.
• Bezug nehmend auf Fig. 4 ähnelt eine Resonanzhohlraum- Struktur zur Verwendung in einer Röhre entsprechend der Erfindung der in Fig. 2 gezeigten, enthält jedoch anstatt eines der größeren Hohlräume einen Resonanzhohlraum 40 für eine zweite Oberwelle. Die Außenfläche des Hohlraums 40 wird durch eine zylindrische Wand 41 gebildet, die an ringförmigen Flanschen 42 und 43 an der Querwand 16 und 17 angeordnet ist.

Claims (13)

1. Elektronenstrahlröhre, umfassend eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen (20 bis 23) mit Trifträumen (24 bis 26) zwischen diesen und gekennzeichnet durch:

eine gasdichte Hülle, die einen einstückigen Zylinder (11) umfasst, der eine Innenfläche mit zumindest einer zwischen deren Enden angeordneten Stufe aufweist, und welcher die äußere Ausdehnung der Resonanzhohlräume (20 bis 23) bestimmt; und

mehrere quer verlaufende Wände (12 bis 19), die nicht integral mit dem Zylinder (11) ausgebildet sind und die quer zu dessen Innenraum angeordnet sind, um teilweise die Resonanzhohlräume (20 bis 23) zu bestimmen, wobei eine oder mehrere der Querwände (12 bis 19) an der Stufe oder den jeweiligen Stufen an der Innenfläche des Zylinders (11) angeordnet sind.

2. Röhre nach Anspruch 1, welche außerdem eine Triftröhre (27 bis 29) zwischen benachbarten Hohlräumen (20 bis 23) umfasst.

3. Röhre nach Anspruch 2, bei welcher außerdem die Triftröhre (27 bis 29) mit zwei quer verlaufenden Wänden (12 bis 18) verbunden ist, die teilweise jeweilige benachbarte Resonanzhohlräume (20 bis 23) bestimmen.

4. Röhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher außerdem alle Resonanzhohlräume (20 bis 23), die in der Röhre enthalten sind, teilweise durch den einstückigen Zylinder (11) bestimmt sind.

5. Röhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, welche außerdem zumindest einen Resonanzhohlraum (40) umfasst, der eine äußere Ausdehnung auf weist, die durch eine zylindrische Wand (41) bestimmt ist, welche innerhalb des Zylinders (11) angeordnet ist und von diesem beabstandet ist.

6. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem einen Resonanzhohlraum (40) mit höherer Frequenz als die anderen, in der Röhre enthaltenen Hohlräume aufweist.

7. Röhre nach Anspruch 6, bei welcher der Resonanzhohlraum mit der höheren Frequenz (40) ein Hohlraum für eine zweite Oberwelle ist.

8. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Zylinder (11) vollständig aus Metall besteht.

9. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem eine Einrichtung (39) aufweist, um eine Kühlflüssigkeit über die Außenfläche des Zylinders strömen zu lassen.

10. Röhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem eine elektromagnetische Spuleneinrichtung (38) um die Außenseite des Zylinders herum aufweist.

11. Röhre nach Anspruch 10, bei welcher die Spuleneinrichtung (38) auf einen Rahmen (37) gewickelt ist, der außerhalb des Zylinders angeordnet ist.

12. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die außerdem permanentmagnetische Fokussierungsmittel um die Außenseite des Zylinders herum aufweist.

13. Klystron entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche.