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Die Erfindung betrifft einen Kollektor für eine Wanderfeldröhre und eine Wanderfeldröhre mit einem solchen Kollektor.
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Aus der
US 2007 / 0 030 058 A1 ist ein Verstärker mit einer Elektronenröhre mit axialem Elektronenstrahl bekannt, die mit einer Kathode und mindestens zwei Kollektoren ausgestattet ist, und mindestens zwei Gleichspannungsquellen. Jeder Kollektor ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die eine solche Potentialdifferenz aufweist, dass die Potentialdifferenz zwischen diesem Kollektor und der Kathode umso geringer ist, je weiter der Kollektor von der Kathode entfernt ist. Die Gleichspannungsquellen sind an einem gemeinsamen Punkt miteinander verbunden, der sich an dem Kollektor befindet, dessen Potentialdifferenz zur Kathode zwar geringer, aber nicht null ist.
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Die
US 2005 / 0 067 965 A1 bezieht sich auf Verstärkerelektronenröhren, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten. Die Elektronenröhre umfasst eine Auspumpröhre, die die Erzeugung des Vakuums im Inneren der Elektronenröhre ermöglicht, eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl im Inneren der Elektronenröhre aussendet, und einen Kollektor, der einen ersten Teil des Elektronenstrahls direkt auffängt. Die Auspumpröhre stößt einen zweiten Teil des Elektronenstrahls in Richtung des Kollektors ab. Alle Elektroden des Kollektors sind über seitlich angeordnete Verbindungselemente mit einer Spannungsquelle verbunden.
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Die
WO 2013 / 104637 A1 und die
DE 10 2012 100 132 A1 beschreiben einen Auffänger einer Wanderfeldröhre und eine Wanderfeldröhre mit einem solchen Auffänger. Es wird ein Aufbau angegeben, bei welchem zumindest eine erste Auffängerstufe eine magnetische Strahlbündelung und einen kleineren Durchmesser aufweist und wenigstens eine weitere Auffängerstufe mit gegenüber der ersten Auffängerstufe wesentlich größeren Durchmesser ausgebildet ist.
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Die
US 6,094,009 A beschreibt einen Kollektor zum Sammeln eines Elektronenstrahls in einer Wanderfeldröhre. Der Kollektor hat ein Eingangsende zum Empfangen des Elektronenstrahls von der Wanderfeldröhre. Der Kollektor hat auch eine Vielzahl von Stufen, die auf vorgegebene Spannungen vorgespannt sind und entlang einer gemeinsamen Kollektorachse angeordnet sind und sich an einer anderen axialen Position in Bezug auf das Eingangsende befinden. Eine Stufe ist mit einer Spannung negativer vorgespannt als eine nachfolgende Stufe, die axial weiter vom Eingangsende entfernt ist, um eine elektrostatische Fokussierlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf nachfolgende Stufen zu erzeugen, wodurch die Sammeleffizienz des Kollektors erhöht wird.
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Die
DE 698 16 912 T2 zeigt einen Kollektor zum Sammeln eines Elektronenstrahls in einer Wanderfeldröhre. Der Kollektor verfügt über ein Eingangsende zum Empfangen des Elektronenstrahls aus der Wanderfeldröhre. Der Kollektor weist außerdem mehrere Stufen auf, die auf bestimmte Spannungen vorgespannt sind, entlang einer gemeinsamen Kollektorachse angeordnet sind und sich in unterschiedlichen axialen Positionen in Bezug auf das Eingangsende befinden. Eine Stufe wird mit einer Spannung negativer vorgespannt als eine nachfolgende Stufe, die axial weiter vom Eingangsende entfernt positioniert ist, um eine elektrostatische Fokussierlinse zu erzeugen, die den Elektronenstrahl auf nachfolgende Stufen fokussiert und dadurch die Sammeleffizienz des Kollektors erhöht.
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DE 38 77 004 T2 zeigt einen Elektronenkollektor, der vier achsensymmetrische Elektroden mit außeraxialen Öffnungen aufweist, die einen Elektronenstrahl empfangen. Durch Anlegen einer im Vergleich zur Kathode, die den Elektronenstrahl erzeugt, sukzessive geringeren Spannung an jede Elektrode wird ein elektrostatisches Feld erzeugt, das die Strahlelektronen effizient auf die Elektroden ablenkt, wo sie gesammelt werden.
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In der
US 5,780,970 A wird ein mehrstufiger vertiefter Kollektor zum Empfangen von Energie aus einem kleinen, umlaufenden Elektronenstrahl beschrieben, der mehrere Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen verwendet, um die einzelnen Elektronen auf der Grundlage ihres Gesamtenergieniveaus zu sortieren. Magnetfeld erzeugende Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern und magnetisches Eisen zur Magnetfeldformung erzeugen adiabatische und kontrollierte nicht-adiabatische Übergänge des einfallenden Elektronenstrahls, um die Sortierung weiter zu erleichtern.
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In der
DE 1 791 080 B wird ein System zur Erzeugung eines räumlichen periodischen Magnetfelds zur Fokussierung des Elektronenstrahls eines Hochleistungs-Klystrons durch Anordnung einer Anzahl ringförmiger Magnetringe mit axialer Magnetisierung in derselben Richtung koaxial um die Driftröhren zwischen Resonanzhohlräumen gezeigt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich der Erfinder nun die Aufgabe gestellt, einen Kollektor oder eine Wanderfeldröhre mit einem solchen Kollektor mit einer verbesserten Hochspannungsisolation zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird ein Kollektor für eine Wanderfeldröhre angegeben, der wenigstens zwei Stufen aufweist, der eine Eintrittsöffnung zur Aufnahme eines Elektronenstahls aufweist, an die sich eine erste Kollektorstufe anschließt, wobei die erste Kollektorstufe eine magnetische Fokussierung umfasst und eine letzte Kollektorstufe elektrostatisch ausgeführt ist, wobei ein Hochspannungsanschluss der ersten Kollektorstufe im Bereich der ersten Kollektorstufe benachbart zur letzten Kollektorstufe oder benachbart zu einer weiteren Kollektorstufen über eine Hochspannungsdurchführung radial nach außen geführt ist, wobei sich an eine Außenseite der letzten Kollektorstufe eine keramische Isolationshülle unmittelbar benachbart und frei von Hochspannungsdurchführungen anschließt.
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Erfindungsgemäß wird ein wenigstens zweistufiger Kollektor verwendet, der als Auffänger in einer Wanderfeldröhre betrieben werden kann. Die erste Kollektorstufe weist eine magnetische Fokussierung zur Bündelung eines in der Wanderfeldröhre erzeugten Elektronenstrahls auf. Auf diese Weise ist es möglich, die erste Kollektorstufe im Vergleich zu einer elektrostatischen Kollektorstufe kompakter auszuführen. Der auf diese Weise gewonnenen Platz wird nun zum Bereitstellen einer Hochspannungsdurchführung für die Versorgung der ersten Kollektorstufe verwendet. Die radial nach außen geführte Hochspannungsdurchführung weist im Vergleich zu axialen Durchführungen verbesserte Isolationseigenschaften auf. Auf diese Weise ist es aber auch möglich, die keramische Isolationshülle der benachbarten Kollektorstufe, die im Falle eines zweistufigen Kollektors die letzte Kollektorstufe ist, ohne den im Stand der Technik üblichen axial laufenden Freiraum anzubringen, der dort eine Hochspannungszuführung schafft, welche zu einem einer Eintrittsöffnung des Elektronenstahls gegenüberliegendem Ende des Kollektors geführt wird. An diesem Ende des Kollektors wird erfindungsgemäß lediglich die letzte Kollektorstufe versorgt. Aufgrund des fehlenden Freiraums in der keramischen Isolationshülle verbessert sich die Isolation der hochspannungsführenden Komponenten der Kollektorstufen gegen das sie umgebende Massepotential. Der Begriff "unmittelbar benachbart anschließt" soll hier so erstanden werden, dass sich zwischen der Außenseite der letzten Kollektorstufe und der keramischen Isolationshülle kein Freiraum befindet. Die keramische isolationshülle liegt somit im Idealfall vollflächig auf der letzten Kollektorstufe auf. Auf diese Weise verbessert sich nicht nur die Isolation der hochspannungsführenden Komponenten der Kollektorstufen, die keramische Isolationshülle kann auch mit einem geringeren Durchmesser ausgeführt sein, was zu einer Platzersparnis bei der erfindungsgemäßen Wanderfeldröhre führt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Kollektorstufe einen geringeren Durchmesser als die letzte oder die ein oder mehreren weiteren Kollektorstufen auf.
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Die magnetische Fokussierung ermöglicht eine Verkleinerung der ersten Kollektorstufe in mehrfacher Hinsicht. Neben einem geringeren axialen Bauraum kann auch der Durchmesser der ersten Kollektorstufe verringert werden. Des Weiteren kann mit der magnetischen Fokussierung des Elektronenstrahls eine Asymmetrie zwischen einlaufenden und zurücklaufenden Elektronen erreicht werden, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Rücklaufens der Elektronen aus der Eintrittsöffnung verringert, was einen höheren Wirkungsgrad des Kollektors bei der Verwendung in der Wanderfeldröhre zur Folge hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Ringmagnet zwischen der Öffnung und dem Hochspannungsanschluss zur magnetischen Fokussierung axial verschiebbar angeordnet.
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Auf diese Weise lässt sich die Fokussierung des Elektronenstrahls während der Inbetriebnahme individuell abstimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kollektorstufen wenigstens abschnittsweise mit weiteren keramischen Isolationshüllen und mit einer metallischen Außenfläche versehen.
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Aufgrund des fehlenden Freiraums im keramischen Isolationsmaterial der letzten Kollektorstufe, wie bereits oben beschrieben, entsteht ein kompakter Aufbau des Kollektors, der unter Anbringung einer metallischen Außenfläche verbesserte, thermische Eigenschaften aufweist, da diese zur Wärmeabfuhr herangezogen werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kollektor wenigstens dreistufig ausgeführt, wobei die Hochspannungsanschlüsse der ein oder mehreren weiteren Kollektorstufen über Hochspannungsdurchführungen radial nach außen geführt sind.
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Auf diese Weise wird ein kompakter Aufbau eines mehrstufigen Kollektors erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Hochspannungsanschluss der ersten Kollektorstufe und der oder die Hochspannungsanschlüsse der ein oder mehreren weiteren Kollektorstufen so angeordnet, dass sie einen in einer Ebene senkrecht zum Elektronenstrahl gedachten Kreis in gleich große Kreissektoren teilen.
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Demnach wird der Abstand der spannungsführenden Teile zueinander optimiert, um die Gefahr von Spannungsübersprüngen zu minimieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Kollektorstufe in Bezug zum Elektronenstrahl schräg angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die ein oder mehreren weiteren Kollektorstufen wenigstens teilweise mit einer magnetischen Fokussierung versehen. Dabei können auch alle weiteren Kollektorstufen mit der magnetischen Fokussierung ausgebildet sein.
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Die Erfindung eignet sich für unterschiedliche Konfigurationen von Kollektoren, die magnetische oder elektrostatische weitere Kollektorstufen, auch in Mischformen, aufweisen können.
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Des Weiteren wird eine Wanderfeldröhre angegeben, die eine Elektronenstrahlquelle, eine Verzögerungsleitung und einen Kollektor, wie oben beschrieben, aufweist.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem zweitstufigen Kollektor in einer Schnittansicht;
- Figur 2
- eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem dreistufigen Kollektor in einer Schnittansicht; und
- Figur 3
- eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem fünfstufigen Kollektor in einer Schnittansicht;
- Figur 4
- die Ausführungsform aus Figur 3 in einer schematischen Draufsicht aus einer axialen Richtung; und
- Figur 5
- eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollektors in einer Wanderfeldröhre in einer schematischen Darstellung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Figur 1 ist ein Kollektor 2 in einer Schnittansicht gezeigt. Die Schnittebene ist dabei entlang einer axialen Richtung 4 angeordnet, die im Wesentlichen der Richtung eines eintreffenden Elektronenstrahl entspricht. Der Kollektor 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweistufig ausgeführt. Die erste Kollektorstufe 6 weist eine Eintrittsöffnung 8 auf, durch die der Elektronenstrahl in den Kollektor 2 gelangen kann. Neben Elektroden 10 weist die erste Kollektorstufe 6 eine keramische Isolationshülle 12 auf, an die sich eine metallische Außenhülle 14 anschließt. Außerhalb der metallischen Außenhülle 14 ist ein erster Ringmagnet 16 angeordnet. Der Versorgung der Elektroden 10 der ersten Kollektorstufe 6 mit einer Hochspannung erfolgt über einen Hochspannungsanschluss 18, der über eine keramische Durchführung 20 radial in das Innere des Kollektor 2 geführt wird.
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Der Aufbau der zweiten und in diesem Fall auch letzten Kollektorstufe 22 das Kollektor 2 unterscheidet sich von der ersten Kollektorstufe 6 dadurch, dass hier ein elektrostatischer Aufbau gewählt ist. Die letzte Kollektorstufe 22 weist dazu weitere Elektroden 24 auf, die über einen weiteren Hochspannungsanschluss 30 mit einer Hochspannung beaufschlagt werden können. Der weitere Hochspannungsanschluss 30 ist dabei an einem axialen Ende des Kollektor 2 in etwa mittig angeordnet. Zur Isolation der letzten Kollektorstufe 22 ist die weitere Elektrode 24 von einer keramischen Isolationshülle 26 umgeben, an die sich eine weitere metallische Außenhülle 28 anschließt. Die weitere metallische Außenhülle 28 kann mit der metallischen Außenhülle 14 elektrisch in Verbindung stehen.
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Die magnetische Fokussierung erlaubt es, die erste Kollektorstufe 6 kompakt auszugestalten, sodass Platz für den Hochspannungsanschluss 18 geschaffen werden kann. Dies kann anhand des Außendurchmessers der ersten Kollektorstufe bestimmt werden, wobei beispielsweise der Außendurchmesser der keramischen Isolationshülle 12 als Maß herangezogen werden kann. Dadurch, dass der erste Hochspannungsanschluss 18 zwischen der ersten Kollektorstufe 6 und der letzten Kollektorstufe 22 radial nach außen geführt wird, ist es nicht notwendig, im Inneren der keramischen Isolationshülle 26 wie im Stand der Technik Freiräume vorzusehen, durch die die Hochspannungsleitung zu der ersten Kollektorstufe geführt werden würde. Auf diese Weise lässt sich sowohl die Hochspannungsfestigkeit des Kollektor 2 steigern als auch der Aufbau der letzten Kollektorstufe 22 bezüglich ihres Platzbedarfs optimieren.
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Eine asymmetrische Ausgestaltung des Felds des ersten Ringmagneten 12 verbessert den Wirkungsgrad des Kollektors, da die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass Elektroden zurück in Richtung einer Elektronenstrahlquelle gelangen können. Durch die metallische Außenfläche 14 und die weitere metallische Außenfläche 28 werden die thermischen Eigenschaften in Bezug auf die Wärmeabfuhr des Kollektor 2 verbessert.
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Der erste Ringmagnet 12 kann dabei geringfügig in axialer Richtung verschiebbar sein, sodass bei der Inbetriebnahme eine individuelle Einstellung der Fokussierung der ersten Kollektorstufe 6 erfolgen kann.
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Der in Figur 2 gezeigte Aufbau entspricht einem dreistufigen Kollektor. Neben der ersten Kollektorstufe 6 und der letzten Kollektorstufe 22, die wie in Figur 1 dargestellt aufgebaut sind, ist hier zusätzlich eine weitere Kollektorstufe 32 als zweite Kollektorstufe vorgesehen, die zwischen der ersten Kollektorstufe 6 und der letzten Kollektorstufe 22 angeordnet ist. Die weitere Kollektorstufe 32 weist wiederum eine magnetische Fokussierung mittels eines weiteren Ringmagneten 34 auf. Der weitere Ringmagnet 34 ist über einer weiteren metallischen Außenhülle 36 angeordnet, an die sich eine weitere keramische Isolationshülle 38 anschließt, welche die weiteren Elektroden 40 der weiteren Kollektorstufe 32 elektrisch isoliert. Die erste Kollektorstufe 6 kann einen geringeren Außendurchmesser als die zweite Kollektorstufe aufweisen, was anhand der Außendurchmesser der keramischen Isolationshülle 12 und der weiteren keramischen Isolationshülle 38 bestimmt werden kann.
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Die Hochspannungsversorgung der weiteren Elektroden 40 erfolgt wiederum über einen weiteren Hochspannungsanschluss 42, der über eine radial nach außen weisende, weitere Hochspannungsdurchführung 44 geführt ist. Die weitere Hochspannungsdurchführung 44 ist wiederum zwischen dem weiteren Ringmagnet 34 und der letzten Kollektorstufe 22 angeordnet. Anders als in Figur 2 dargestellt, können die erste Hochspannungsdurchführung 20 und die weitere Hochspannungsdurchführung 44 zwar parallel zueinander angeordnet sein aber in unterschiedliche Richtungen weisen, sodass die Versorgungsleitungen auf gegenüberliegenden Seiten des Kollektors 2 geführt werden können.
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In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kollektors 2 gezeigt. Dieser Kollektor 2 ist fünfstufig ausgeführt. Hierbei ist die erste Kollektorstufe 6 wiederum mit einer magnetischen Fokussierung mittels Ringmagnet 16 ausgeführt, der auf der metallischen Außenfläche 14 vorzugsweise während der Inbetriebnahme beweglich angeordnet ist. Der Hochspannungsanschluss 18 der ersten Elektrode 10 ist wiederum benachbart zum Ringmagnet 16 radial nach außen geführt. Hier wird der Hochspannungsanschluss 18 durch eine weitere keramische Isolationshülle 50 geführt.
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Die zweiten bis vierten Kollektorstufen, welche nachfolgend kollektiv als weitere Kollektorstufen 52 bezeichnet werden, sind jeweils elektrostatisch ausgeführt und weisen dazu in ihrem Inneren weitere Elektroden 54 auf, die jeweils mit weiteren Hochspannungsanschlüssen 56 in der weiteren keramischen Isolationshülle 50 verbunden sind.
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Die letzte Kollektorstufe 22 folgt im Wesentlichen der Beschreibung aus Figur 1 und weist unmittelbar benachbart zur weiteren keramischen Isolationshülle 50 die weitere metallische Außenfläche 28, die keramische Isolationshülle 26 und die letzte Kollektorelektrode 24 auf, die mit dem Hochspannungsanschluss 30 verbunden ist.
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Wie in Figur 4 gezeigt ist, können die weiteren Hochspannungsanschlüsse 56 zusammen mit dem ersten Hochspannungsanschluss 18 räumlich so angeordnet werden, dass ihr Abstand zueinander maximal wird. In einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung 4 wären die Hochspannungsanschlüsse 56 bzw. 18 auf einem gedachten Kreis 60 angeordnet, der von diesen in gleichgroße Kreissektoren geteilt wird. Eine derartige Anordnung lässt sich selbstverständlich auch mit einer anderen Anzahl von Hochspannungsanschlüssen schaffen, wobei hier der gedachte Kreis 60 nicht in 90° Sektoren, sondern beispielsweise in 120° Sektoren bei einem vierstufigen Kollektor oder auch 180° Sektoren bei einem dreistufigen Kollektor geteilt wird.
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In Figur 5 ist der erfindungsgemäße Kollektor 2 in einer Wanderfeldröhre 70 gezeigt. Die Wanderfeldröhre 70 weist eine Elektronenquelle 72 auf, an die sich eine Verzögerungsleitung 74 anschließt. Am Ende der Verzögerungsleitung 74 ist der Kollektor 2 angeordnet. Über einen Hochfrequenzanschluss 76 kann ein Eingangssignal zugeführt werden, welches über den weiteren Hochfrequenzanschluss 78 die Wanderfeldöhre als Ausgangssignal verlässt.
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Wie in den bisherigen Ausführungsbeispielen dargestellt, kann die Erfindung bei unterschiedlich konfigurierten Kollektoranordnungen eingesetzt werden. Gemeinsam ist hierbei, dass die erste Stufe eine magnetische Fokussierung aufweist und in der letzten, elektrostatisch ausgeführten Stufe keine Hochspannungsleitungen vorheriger Stufen an der Außenseite vorbeigeführt werden.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
Liste der Bezugszeichen:
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- 2
- Kollektor
- 4
- axiale Richtung
- 6
- erste Kollektorstufe
- 8
- Eintrittsöffnung
- 10
- erste Elektrode
- 12
- Isolationshülle
- 14
- Außenfläche
- 16
- Ringmagnet
- 18
- erster Hochspannungsanschluss
- 20
- erste Hochspannungsdurchführung
- 22
- weitere Kollektorstufe
- 24
- weiterer Elektrode
- 26
- weitere Isolationshülle
- 28
- weitere Außenfläche
- 30
- weitere Hochspannungsanschluss
- 32
- weitere Kollektorstufe
- 34
- weiterer Ringmagnet
- 36
- weitere Außenhülle
- 38
- weitere Isolationshülle
- 40
- weitere Elektroden
- 42
- weiterer Hochspannungsanschluss
- 44
- weitere Hochspannungsdurchführung
- 50
- weitere Isolationshülle
- 52
- weitere Kollektorstufen
- 54
- weitere Elektroden
- 56
- weitere Hochspannungsanschlüsse
- 60
- Kreis
- 70
- Wanderfeldröhre
- 72
- Elektronenquelle
- 74
- Verzögerungsleitung
- 76
- Hochfrequenzanschluss
- 78
- Hochfrequenzanschluss