EP1364382B1 - Vorrichtung zur erzeugung von mikrowellen hoher frequenz - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von mikrowellen hoher frequenz Download PDF

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EP1364382B1
EP1364382B1 EP02726132A EP02726132A EP1364382B1 EP 1364382 B1 EP1364382 B1 EP 1364382B1 EP 02726132 A EP02726132 A EP 02726132A EP 02726132 A EP02726132 A EP 02726132A EP 1364382 B1 EP1364382 B1 EP 1364382B1
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EP
European Patent Office
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cathode
grid
housing
array
cavity
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EP02726132A
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Chun Prof. Dr. Lee
Hyeck-Hee Dr. Lee
Min-Suk Lee
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Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH
Original Assignee
Korea Institute of Science and Technology Europe Forschungs GmbH
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    • H01J23/18Resonators
    • H01J23/20Cavity resonators; Adjustment or tuning thereof
    • HELECTRICITY
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    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/04Tubes having one or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the modulation produced in the modulator zone is mainly density modulation, e.g. Heaff tube

Definitions

  • a device for generating microwaves higher Frequency is disclosed in US Patents 5,883,367, 5,883,369 and 5,883,368.
  • This device has two Resonance cavities on, an entrance cavity and a Exit cavity, wherein the entrance cavity is a cathode for emitting a linear electron beam, a blocking or throttle assembly for Abblokken a direct current and to forward a weak vibration and a grid for focusing of the electron beam and modulating it in terms of its density.
  • the exit cavity has a grid and anode, which correspond to the in the density modulated electron beam or its Receiving electrons, wherein a microwave vibration is produced.
  • the plug 31 is, as indicated in Fig. 1, Ground potential or a positive voltage to the anode and a negative voltage to the cathode housing created, with an unillustrated trim resistor between the grid holder 17 and the cathode housing 14 is provided.
  • the trim resistor leads to a potential barrier in the grating 18 for electrons, causing the amount of through the holes in the Lattice 18 passing electrons is limited. Therefore, power control is possible.
  • a Initial microwave vibration becomes that in the input cavity 12 generates, this oscillation a Electron flux modulated in density.
  • the Indian Density modulated electron current 78 ( Figure 3) focused through the grids 18, 21 and to the anode. 3 through the voltage between cathode and anode accelerated.
  • the output cavity 13 is transformed the kinetic energy of the electrons in microwave energy. Part of the microwave energy becomes fed back to the input cavity 12. this leads to to the fact that the vibrations in the entrance cavity and be harmonized the output cavity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs 1.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz ist in den US Patenten 5 883 367, 5 883 369 und 5 883 368 offenbart. Diese Vorrichtung weist zwei Resonanzkavitäten auf, eine Eingangskavität und eine Ausgangskavität, wobei die Eingangskavität eine Kathode zum Emittieren eines linearen Elektronenstrahls, einen Sperr- oder Drosselaufbau zum Abblokken eines Gleichstroms und zum Weiterleiten einer schwachen Schwingung und ein Gitter zum Fokussieren des Elektronenstrahls und zum Modulieren desselben hinsichtlich seiner Dichte umfaßt. Die Ausgangskavität weist ein Gitter und eine Anode auf, die den in der Dichte modulierten Elektronenstrahl bzw. dessen Elektronen empfängt, wobei eine Mikrowellenschwingung erzeugt wird. Ein Rückkopplungsstab, durch den die Resonanzkavitäten miteinander gekoppelt sind, ist mit der Eingangskavität verbunden und ragt in die Ausgangskavität hinein, wodurch eine Teil der Mikrowellenenergie in die Eingangskavität rückgekoppelt wird. Die Mikrowellenenergie wird mittels einer mit der Ausgangskavität gekoppelten Antenne aus der Vorrichtung geleitet.
Diese bekannte Vorrichtung wird im wesentlichen für Mikrowellenofen verwendet, wobei in Mikrowellenofen als Mikrowellenquelle häufig ein zylindrisches Magnetron verwendet wird. Die oben beschriebene Vorrichtung weist gegenüber dem Magnetron den Vorteil auf, daß keine Magnete benötigt werden, um Elektronen zu fokussieren. Die Betriebsspannung ist mit etwa 500 bis 600 Volt niedriger als bei einer Mikrowellenquelle mit Magnetron und ein Transformator wird nicht benötigt. Die Ausgangsleistung ist veränderbar durch Verwendung eines Widerstandes zwischen Gitter und der Kathode. Der elektromagnetische Rauschpegel der Vorrichtung ist sehr niedrig, da die Mikrowellenenergie durch eine Linearbewegung der Elektronen erzeugt wird.
Bei der bekannten Vorrichtung ist eine präzise Ausrichtung der Bauelemente, d.h. der Kathode, zwei Gitter und einer Anode wichtig. Die Zwischenabstände liegen in dem Bereich von 0,1 bis 1 mm, die üblicherweise bei einer kalten Anordnung kein Problem darstellen. Allerdings liegt die Temperatur der Kathodenflächen im Bereich von 600°C bis 1.000°C. Bei solchen hohen Temperaturen ist es aufgrund der thermischen Deformationen schwer, die präzise Ausrichtung beizubehalten, wodurch es beispielsweise zu einem Kontakt zwischen dem Gitter und der Kathode, aber auch zwischen den Gittern selbst oder zwischen dem Gitter und der Anode kommt. Dies ist ein kritisches Problem zum Betreiben der oben genannten Vorrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz zu schaffen, bei der elektrische Kurzschlüsse, insbesondere zwischen Kathode und Gitter aufgrund thermischer Deformationen weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Durch die präzise Positionierung mindestens der ersten Gitteranordnung und der Kathodenanordnung über Positioniermittel sowie das Vorsehen einer die Verformung der Kathode unter Reduzierung des Abstandes zwischen Gitteranordnung und Kathodenanordnung vermeidenden Halterung für die Kathode wird eine thermisch stabile Anordnung geschaffen, die kleine Abstände zwischen Kathode und Gitter ohne Kurzschlüsse erlaubt.
Die Halterung umfaßt ein Kathodengehäuse, an oder in dem die Kathode als von dem Gehäuse getrenntes Teil mit Abstand zur Gehäusewand angeordnet ist, wodurch eine Verformung der Kathodenanordnung aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beheizbarer Kathode und umgebenden Gehäuse vermieden wird. Die das Kathodengehäuse umfassende Halterung hält die Kathode gegebenenfalls mittels eines Kathodenkörpers unter Einhaltung einer Lücke zwischen den Teilen. Die Lücke dient als Puffet für die Ausdehnung aufgrund von Wärme.
Das Kathodengehäuse isoliert die Kathode von der eingangsresonanzkavität und wird für eine Anordnung der Kathodenfläche und des ersten Gitters im Mikrometerbereich verwendet. Es minimiert einen radialen Verlust von Wärmeenergie der Kathode und verringert eine radiale Ausdehnung der Kathode die die Dimension der Eingangsresonanzkavität beeinflussen könnte.
Vorzugsweise ist das Kathodengehäuse als Zylinder mit an der Umfangsfläche des Zylinders angesetztem Flansch ausgebildet, wobei die Kathode in dem Zylinder mit Lücke angeordnet ist. Auf diese Weise wird entsprechend der Erfindung in der Eingangskavität eine klare Trennung zwischen der Elektronen emittierenden Fläche und der Resonanzfläche vorgegeben. Die Gitteranordnung besteht in vorteilhafter Weise aus einem ringförmigen Gitterhalter mit speichenförmigen Stegen, das heißt es ist ein Innenring und ein Außenring vorgesehen, der durch Speichen verbunden ist, und das Gitter liegt auf dem Rand und den Stegen des Gitterhalters auf und ist kraft- und/oder formschlüssig an diesem festgelegt.
Die Ausbildung der Kathode als Kombination eines Kathodenkörpers und Elektronen emittierenden Metallplättchen minimiert eine thermische Verformung durch hohe Betriebstemperaturen.
In vorteilhafter Weise ist das Kathodengehäuse, ein zwischen Kathodengehäuse und Gitterhalter der ersten Gitteranordnung angeordnetes ringförmiges Sperr- oder Drosselelement und die Gitterhalter der zwei Gitteranordnungen mittels Ausrichtstiften zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage zueinander festgelegt, wodurch die Ausgangskavität sicher oberhalb der Eingangskavität und parallel zu ihr ausgerichtet ist, wobei die elektrische Isolierung zwischen den zwei Kavitäten unter Verwendung von keramischen Abstandselementen, die die Ausrichtstifte abschirmen, realisiert ist.
Aufgrund der obigen Anordnung wird ein optimales Design und eine optimale Anordnung der Komponenten gewährleistet und eine thermische Deformation, wie ein Durchsacken der Gitter, wird aufgrund der Brücken-oder Stegstruktur erfolgreich reduziert, wobei aufgrund der sauberen Abstandshaltung und Ausrichtung der Komponenten zueinander Kurzschlüsse zwischen den Komponenten vermieden werden und wodurch eine gute Fokussierung der Elektronenstrahlen gewährleistet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
einen Schnitt durch die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2
einen Schnitt durch den unteren Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 mit Eingangskavität und Ausgangskavität,
Fig. 3
einen vergrößerten Schnitt durch Teile der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 2 mit Eingangskavität,
Fig. 4
eine Aufsicht von unten auf ein Kathodengehäuse sowie eine Seitenansicht des Kathodengehäuses,
Fig. 5
eine Aufsicht auf einen Kathodenkörper sowie eine Schnittansicht und eine Aufsicht auf ein Elektronen emittierenden Plättchen,
Fig. 6
eine vergrößerte Schnittdarstellung der Rückkopplungsanordnung,
Fig. 7
eine Aufsicht auf ein Sperr- bzw. Drosselelement,
Fig. 8
eine Aufsicht auf und einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der ersten Gitteranordnung,
Fig. 9
eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der zweiten Gitteranordnung, und
Fig. 10
eine Aufsicht auf die Anode von unten gesehen.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist eine von einem Gehäuse 32 umgebene Vakuumkammer 2 auf, in der eine Kathodenanordnung, eine Gitteranordnung und teilweise eine Anodenanordnung aufgenommen sind, die näher in Fig. 2 zu erkennen sind. Ein Teil der an dem Gehäuse 32 der Vakuumkammer 2 festgelegten Anode 3 ragt in eine Kühlkammer 4 hinein, in der Kühlrippen 5 zur Ableitung der Wärme von der Anode 3 zwischen Anode 3 und einem Gehäuse 6 angeordnet sind. Eine stabförmige Antenne 7 ist mittig zur Anode 3 ausgerichtet und durch eine Keramikscheibe 8 gegen die Anode 3 isoliert. Sie endet anodenseitig in einem Koppelelement 9 während das andere Ende in einer Kappe 10 aufgenommen ist, wobei ein keramischer Zylinder 11 die Antenne 7 vom übrigen Gehäuse isoliert.
In Fig. 2 sind die Bestandteile, die in der Vakuumkammer 2 aufgenommen sind, genauer dargestellt. Es sind zwei Resonanzräume bzw. Resonanzkavitäten parallel übereinander angeordnet, eine Eingangskavität 12 und eine Ausgangskavität 13. Die als Ringraum ausgebildete Eingangskavität 12 wird begrenzt von einer Ringanordnung, die von einem Kathodengehäuse 14, einer Sperr- oder Drosselanordnung 16 und einem Gitterhalter 17 gebildet wird. In das Kathodengehäuse 14 ist eine Kathode 15 eingesetzt und auf dem Gitterhalter 17 ist ein Gitter 18 angeordnet. Eine Rückkopplungsanordnung 19 ist im mittleren Bereich innerhalb des Kathodengehäuses 14 vorgesehen. Die Eingangskavität 12 ist im Bereich zwischen Gitter 18 und Kathode 15 sehr eng bemessen, d.h. der Abstand zwischen den Bauelementen liegt etwa im Bereich von 0,1 mm. Daher müssen die Abstände auch im Betrieb eingehalten werden, damit keine Kurzschlüsse auftreten. In der Darstellung wurde der Abstand zwischen Gitter 18 und Kathode 15 sehr viel größer gewählt, in der Realität liegt z.B. die untere Fläche des Gitterhalters im Bereich des oberen Abschlusses des Kathodengehäuses 14 und darunter, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Oberhalb der Eingangskavität 12 ist in paralleler Anordnung die Ausgangskavität 13 vorgesehen, die als toroidaler Raum ausgebildet ist und die von der Anode 3, einem Gitterhalter 20 für ein Gitter 21 sowie einer die Ausgangskavität 13 ringförmig umgebenden Wand 22, die Bestandteil der Anode 3 ist, begrenzt. In einen mittleren Raum zwischen Anode 3 und Gitterhalter 20 ragt das mit der Antenne 7 verbundene Kopplungselement 9 hinein. Weiterhin durchgreift ein Abstimmstift 23 die Umgebungswand 22, der zur Änderung der Resonanzfrequenz in der Ausgangskavität 13 dient.
In Fig. 3 ist die Kathodenanordnung, die das Kathodengehäuse 14 und die Kathode 15 aufweist, die Drosselanordnung 16 und die erste Gitteranordnung mit Gitterhalter 17 und Gitter 18 näher dargestellt. Dazu ist zu bemerken, daß zur Verdeutlichung der Abstand zwischen Kathode 15 und Gitter 18 ebenso wie in Fig. 2 sehr viel größer dargestellt ist, als er maßstabgetreu wäre.
Die Kathode 15 ist als thermoionische Kathode ausgebildet, daher ist unterhalb der Kathode 15 eine Heizvorrichtung 24 angeordnet, die einen spiralförmigen Heizdraht 25 aufweist. Die Heizvorrichtung 24 ist in einem zylinderförmigen Gehäuse 26, das einen Schenkel parallel zur Kathode 15 aufweist, aufgenommen, wobei ein mit dem Kathodengehäuse 14 z.B. durch Schweißen verbundener Zylinder 76 mit abgebogenem Schenkel das Gehäuse 26 nach oben drückt. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 26 und der Zylinder 76 aus Tantal. Der spiralförmige Heizdraht 25 ist über keramische Ringe 27 an dem Heizgehäuse 26 befestigt, wobei die elektrischen Anschlüsse 28 für den Heizdraht 25 mittels einer keramischen Durchführung 29 mit zwei Bohrungen realisiert ist. Das Heizgehäuse 26 weist in dem Bereich der Durchführung 29 einen Zylinderansatz 30 auf, der die Durchführung 29 abstützt. Die elektrischen Anschlüsse 28 sind mit einem Stecker 31 verbunden, der an dem die Vakuumkammer 2 umgebenden Gehäuse 32 befestigt ist (s. Fig. 1).
Das Gehäuse 26 der Heizvorrichtung 24 wird am äußeren Umfang vom Kathodengehäuse 14 umgriffen, wobei das Kathodengehäuse näher in Fig. 4 dargestellt ist. Das Kathodengehäuse 14 weist einen Innenzylinder 33 auf, an dem ein Flansch 34 angesetzt ist. Der Flansch ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 35, die, wie später beschrieben wird, zur Ausrichtung über Ausrichtstifte dienen. Der Innenzylinder 33 weist über seinen Umfang gesehen vier Einschnitte 36 auf, die mit dem Gitterhalter 17 zusammenarbeiten. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, weist der Zylinder eine nach innen gerichtete Abbiegung 37 auf.
In dem Zylinder 33 des Kathodengehäuses 14 ist die Kathode 15 aufgenommen, die in Fig. 5 dargestellt ist und die einen Kathodenkörper 38 und eine Elektronen emittierende oder sensitive Fläche 39 aufweist. In Fig. 5 ist die Elektronen emittierende Fläche 39 als ringsegmentartige Plättchen ausgebildet, die mittels Stiften 40 an dem Kathodenkörper 38 befestigbar sind. Der Kathodenkörper 38, der gleichfalls ringförmig ausgebildet ist, weist an seinem inneren und äußeren Umfang Abstufungen 41 auf, die zur Festlegung in Bezug auf das Kathodengehäuse 14 dienen. Dazu greift die Abbiegung 37 über die Abstufung.
Die Kathode 15 ist in das Kathodengehäuse 14 eingesetzt, wobei der Kathodenkörper 38 einerseits auf dem zylinderförmigen Heizgehäuse 26 aufliegt und andererseits von einem Zylinder 42 abgestützt wird, der auf einer Abstufung eines zentral angeordneten Rückkopplungskörpers 43 aufliegt. Der Rückkopplungskörper 43 ist Bestandteil der Rückkopplungsanordnung 19, die weiter unten beschrieben wird. Weiterhin ist eine Abdeckung 44 mit dem Rückkopplungskörper 43 z.B. durch Schweißen verbunden, wobei die Abdeckung 44 den Kathodenkörper 38 umgibt und die Abstufung 41 am Innendurchmesser des Kathodenkörpers 38 übergreift. Zwischen dem äußeren Umfang des Kathodenkörpers 38 und gegebenenfalls der sensitiven Fläche 39 und dem Innenumfang des Zylinders 33, auch im Bereich der Abbiegung 37 des Kathodengehäuses sowie den entsprechenden Umfangsflächen der Abdeckung 44 ist ein Spalt oder eine Lücke vorgesehen, so daß sich bei Erwärmung durch die Heizvorrichtung 24 die Kathode ausdehnen kann, ohne daß sie sich verbiegt. Die Lücke ist ein Puffer zum Ausgleich der Unterschiede des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kathodengehäuse 14 und der Kathode 15. An den Abbiegungen 37 ist das Kathodengehäuse 14 elektrisch mit dem Kathodenkörper 38 verbunden.
Wie aus den Fign. 2 und 3 zu erkennen ist, liegen in Übereinanderlage auf dem Flansch 34 des Kathodengehäuses 14 das ringförmige Sperr- oder Koppelelement 16, das näher in Fig. 7 dargestellt ist, und darüber der äußere Randbereich des Gitterhalters 17, der näher in Fig. 8 dargestellt ist. Das Sperr- oder Koppelelement 16 besteht aus einer keramischen Scheibe 45 mit einem Mittelloch und einer Metallbeschichtung 46 um den äußeren Rand- und Kantenbereich herum, wobei die Metallbeschichtung 46 keinen Kontakt mit dem Kathodengehäuse 14 oder dem Gitterhalter 17 hat. Entsprechend dem Kathodengehäuse 14 weist das Drosselelement 16 bzw. die keramische Scheibe 45 Durchgangslöcher 55 für Ausrichtstifte auf.
Der Gitterhalter 17 entsprechend Fig. 8 weist einen Innenring 47 und einen Außenring 48 auf, die durch vier Speichen oder Brückenglieder 49 verbunden sind. Der Außenring 48 ist mit einer Abstufung versehen, um den Abstand zur Kathodenanordnung sicherzustellen. Im Außenring 48 sind Durchgangslöcher 50 für die Ausrichtstifte vorgesehen. Das Gitter 18 mit einer Vielzahl von Löchern liegt auf dem Gitterhalter 17 auf, wobei die Speichen 49 ein Durchsacken des Gitters 18 bei hohen Temperaturen der Kathode 15 verhindern. Der Abstand zwischen dem Gitter 18 und der Kathode 15 liegt etwa zwischen 0,1 und 1 mm und der Durchmesser der Kathode und des Gitters ist etwa 40 mm. Das Gitter 18 wird durch vier rechteckige Ausschnitte 51 und Stifte 52 an dem Gitterhalter 17 positioniert und festgelegt.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, durchgreifen Ausrichtstifte 53, die mit einer elektrisch isolierenden Hülse, z.B. einer Keramikhülse 54 umgeben sind, die Ausrichtlöcher 50 des Gitterhalters 17, die Durchgangslöcher 55 des Sperrelementes 16 und die Durchgangslöcher 35 des Flansches 34 des Kathodengehäuses 14. Die Ausrichtstifte 53 werden jeweils unter Zwischenschaltung eines Abstandsringes 57 und eines Isolierringes 58 eingeschraubt. Für die Ausrichtung des Kathodengehäuses 14 mit Kathode 15 und des Gitterhalters 17 mit Gitter 18 sind am Umfang des Flansches 34 des Kathodengehäuses und des Gitterhalters 17 Kerbmarken 59 vorgesehen, bei deren Übereinanderlage sichergestellt wird, daß die Stege 49 des Gitterhalters 17 in radiale Vertiefungen 60 in dem Kathodenkörper 38 (siehe Fig. 5) unter Wahrung eines Abstandes für die elektrische Isolierung dazwischen eingreifen können. Die Stege 49 greifen ebenfalls in die rechteckigen Einschnitte 36 des Kathodengehäuses 14 ein, kommen aber mit diesem aufgrund der genauen Positionierung nicht in elektrischen Kontakt.
Die zweite Gitteranordnung, die den Gitterhalter 20 und das Gitter 21 aufweist, liegt über der ersten Gitteranordnung. Die zweite Gitteranordnung, die in Fig. 9 dargestellt ist, ist ähnlich der ersten Gitteranordnung nach Fig. 8 aufgebaut und weist einen mit Durchgangslöchern 77 versehenen Außenring 61 und einen Innenring 62 auf, die durch Speichen 63 verbunden sind. Das Gitter 21 liegt zur Vermeidung seines Durchsackens auf den Speichen 63 auf und ist gleichfalls über rechteckige Einschnitte 64 und Stifte 65 festgelegt. Eine Kerbmarke 66 dient zur Positionierung in Bezug auf die anderen Bauelemente. Die Ausrichtstifte 53 mit den keramischen Hülsen durchgreifen auch die Durchgangslöcher 77. Der Gitterhalter 20 ist fest mit der Anodenwand 22 verbunden und die Ausrichtstifte 53 sind fest mit dem Gitterhalter 20 verbunden.
Die die Ausrichtstifte 53 umgebenden keramischen Hülsen 54 dienen gleichzeitig als Abstandselemente zwischen dem Gitterhalter 20 und dem Gitterhalter 17, wodurch die Ausgangskavität und die Eingangskavität unter Einhaltung eines genauen Abstandes parallel zueinander angeordnet sind.
Die Anode 3 ist in Fig. 10, von unten gesehen, dargestellt. Sie weist vier segmentartige Vorsprünge 67 auf, wodurch ein äußerer Ringraum 68, der die Ausgangskavität darstellt, und ein innerer Ringraum 69 gebildet werden. In der den äußeren Ringraum 68 umgebenden Anodenwand sind drei Durchgangslöcher 75 für die Abstimmstifte 23 vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf die Fign. 2, 3 und 6 wird nun die Rückkopplungsanordnung 19 beschrieben. Die Rückkopplungsanordnung 19 weist den zentral angeordneten Rückkopplungskörper 43 auf, in den mittig ein Zylinder 73 und eine Schraubhülse 74 eingesetzt sind, wobei alle drei Elemente vorzugsweise aus Molybdän bestehen. Ein Rückkopplungsstab 70 aus Kupfer ist in die Schraubhülse 74 eingeschraubt, wobei der Rückkopplungsstab auf einer ersten keramischen Scheibe 71 aufliegt, die an den Stirnflächen des Zylinders 73 und der Schraubhülse 74 angeordnet ist, wobei eine zweite keramische Scheibe 72 an den anderen Stirnflächen und dem Rückkopplungskörper 43 anliegt.
Über den Stecker 31 wird, wie in Fig. 1 angedeutet, Massepotential oder eine positive Spannung an die Anode und eine negative Spannung an das Kathodengehäuse angelegt, wobei ein nicht dargestellter Trimmwiderstand zwischen dem Gitterhalter 17 und dem Kathodengehäuse 14 vorgesehen ist. Der Trimmwiderstand führt zu einer Potentialsperre in dem Gitter 18 für Elektronen, wodurch die Menge der durch die Löcher in dem Gitter 18 hindurchgehenden Elektronen begrenzt wird. Daher ist eine Leistungssteuerung möglich.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Eine Anfangsmikrowellenschwingung wird der in der Eingangskavität 12 erzeugt, wobei diese Schwingung einen Elektronenfluß in der Dichte moduliert. Der in der Dichte modulierte Elektronenstrom 78 (Fig. 3) wird durch die Gitter 18, 21 fokussiert und zu der Anode 3 durch die zwischen Kathode und Anode liegende Spannung beschleunigt. Die Ausgangskavität 13 transformiert die kinetische Energie der Elektronen in Mikrowellenenergie. Ein Teil der Mikrowellenenergie wird zu der Eingangskavität 12 rückgekoppelt. Dies führt dazu, daß die Schwingungen in der Eingangskavität und der Ausgangskavität harmonisiert werden.
Die Drossel- bzw. Sperranordnung 16 bewirkt, daß eine Anfangsmikrowellenschwingung in der Eingangskavität 12 erzeugt wird. Wenn die Heizvorrichtung die thermoionische Kathode 15 auf eine bestimmte Betriebstemperatur, z.B. zwischen 800 und 1000°C aufgeheizt wird, emittiert sie Elektronen. Durch die hohe Spannung, z.B. einer Gleichspannung von 550 V, zwischen der Kathode 15 und der Anode 3 fließen die Elektronen durch die ausgerichteten Löcher in dem Gitter 18 und dem Gitter 21 zu der Anode. Ein kleiner Anteil an Elektroden wird durch das Gitter 18 gefangen, wodurch ein negatives Potential gegen die Kathode 15 gebildet wird. Ein kleiner Strom fließt auf der Oberfläche in der Eingangskavität und die Stromrichtung wird durch die Drosselanordnung 16 geändert, die eine schwache Schwingung induziert. Die Drosselanordnung hat dabei die Funktion, einen Gleichstrom zwischen dem Gitterhalter 17 und dem Kathodengehäuse 14 abzublocken. Das negative Potential an dem Gitter 18 steigt auf einen stabilisierten Wert, der durch den Trimmwiderstand vorgegeben wird. Als Ergebnis ist die Schwingungsamplitude stabilisiert und ein Elektronenstrom wird durch das Gitter 18 aufgrund der Schwingung in der Dichte moduliert. Das negative Potential an dem Gitter 18 induziert ein elektrostatisches Feld, das den Strom der Elektronen fokussiert. Die in der Dichte modulierten Elektronen werden zu den Vorsprüngen 67 der Anode 3 hin über das Gitter 18 und das Gitter 21 beschleunigt. In dem äußeren Ringraum 68 wird die kinetische Energie der Elektronen in Mikrowellenenergie transformiert. Das in den inneren Ringraum 69 hineinragende Koppelelement überträgt den überwiegenden Anteil der Mikrowellen an die Antenne 7, die die Energie an einen nicht dargestellten Wellenleiter auskoppelt. Der in den inneren Ringraum 69 hineinragende Rückkopplungsstab 70 überträgt einen Teil der Mikrowellenenergie an die Eingangskavität 12 über die keramischen Scheiben 71, 72, wodurch eine Kohärenz der Schwingungen sichergestellt wird.
Die Kathode 15 nach Fig. 5 ist eine Kombination eines Kathodenkörpers 38 mit Stiften 40 und Metallplättchen 39, bei denen die Stifte 40 verwendet werden, um die Metallplättchen zum Kathodenkörper 38 auszurichten. Der Kathodenkörper 38, der aus Metall mit einem relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, dient zur Reduzierung der thermischen Verformung aufgrund der hohen Betriebstemperaturen. Wenn eine Metalloxid-Kathode angewendet wird, bestehen die Plättchen aus einem Nickelblech auf dem eine dicke Schicht einer BaO-Mischung abgeschieden ist.
Die dicke Schicht wird durch Aufsprühen oder Siebdruck hergestellt. Die Betriebstemperatur beträgt etwa 850°C. Wenn eine Metalllegierungskathode verwendet wird, ist das Metallplättchen ein Legierungsmetall, z.B. Pd-Ba, Pt-Ba. Diese Kathode ermöglicht die Emittierung von Elektronen bei relativ niedriger Betriebstemperatur (ungefähr 650°C), aber sie ist sehr teuer.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz mit einer Kathodenanordnung mit beheizbarer Kathoden zum Emittieren von Elektronen, zwei Gitteranordnungen zum Steuern und Fokussieren des Elektronenflusses und einer Anode zum Empfangen der durch die Gitteranordnungen hindurchgehenden Elektronen, wobei die Kathodenanordnung und die erste Gitteranordnung eine eine Resonanzkavität bildende Eingangskavität und die Anode und die zweite Gitteranordnung eine gleichfalls eine Resonanzkavität bildende Ausgangskavität definieren,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenanordnung und zumindest die erste Gitteranordnung Positioniermittel zur präzisen Festlegung und Positionierung zueinander unter Einhaltung eines Abstandes umfassen und dass die Kathodenanordnung eine Halterung (14, 44) zur Aufnahme der Kathode in der Weise aufweist, dass eine Verformung der Kathode unter Reduzierung des Abstandes zwischen Kathode und Gitteranordnung vermieden wird, wobei die Halterung ein die Kathode aufnehmendes Kathodengehäuse aufweist und die Kathode unter radialem Abstand zur Gehäusewand angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung in Bezug auf die Kathode derart ausgebildet ist, dass eine radiale Wärmeausdehnung ohne Verringerung des Abstandes zwischen Kathode und Gitteranordnung möglich ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung eine innerhalb des Kathodengehäuses (14) angeordnete Auflagefläche (26, 42) aufweist, auf der die Kathode aufliegt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen ringförmigen Kathodenkörper (38) aufweist, auf dem die Elektronen emittierende Fläche (39) befestigt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen emittierende Fläche (39) mindestens ein auf dem Kathodenkörper als getrenntes Teil aufgebrachtes Metallplättchen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitteranordnungen jeweils einen Gitterhalter (17, 20) und mindestens ein Gitterfilter (18, 21) aufweisen, wobei die Gitterhalter derart ausgebildet sind, dass ein Durchsacken der Gitter im Betrieb vermieden wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Gitteranordnung (17, 18; 20, 21) einen ringförmigen Gitterhalter (17, 20) mit speichenförmigen Stegen (49, 63) aufweist, wobei das jeweilige Gitter (18, 21) auf dem Rand und den Stegen des Gitterhalters aufliegt und kraft- und/oder formschlüssig an diesem festgelegt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gitterhalter (17) der ersten Gitteranordnung und dem Kathodengehäuse (14) ein ringförmiges Sperr-oder Drosselelement (16) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperr- oder Drosselelement (16) als teilweise metallisch beschichtete Keramikscheibe ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kathodengehäuse (14), Drosselelement (16) und Gitterhalter (17, 20) der zwei Gitteranordnungen mittels Ausrichtstiften (53, 54) zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage zueinander festgelegt sind, wodurch Eingangskavität (12) und Ausgangskavität (13) parallel zueinander angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Gitteranordnungen über elektrisch isolierende Abstandselement (54) beabstandet sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente Bestandteil von keramischen Hülsen sind, die die Abstandsstifte (53) umgreifen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsanordnung (19) zwischen Ein- und Ausgangskavität (12, 13) vorgesehen ist, die einen durch die Gitteranordnungen hindurchgreifenden Koppelstab (70) aufweist, der in einen Rückkopplungskörper (43, 71 - 74) eingesetzt ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodengehäuse (14) einen Zylinder (33) mit angesetztem Flansch (34) aufweist, wobei innerhalb des Zylinders die Kathode, sowie ein Heizelement (25) aufgenommen sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (15) aus einem Metallblech, vorzugsweise Nickelblech mit aufgesprühten oder aufgedruckten Metalloxiden, vorzugsweise auf der Basis von Barium besteht.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode und/oder die Elektronen emittierende Fläche aus einem Metallblech aus Pd-Ba oder Pt-Ba besteht.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterhalter (20) der zweiten Gitteranordnung mit einer die Ausgangskavität (13) begrenzenden Umfangswand der Anode (3) fest verbunden ist.
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