DE2528351C3 - Wanderfeldröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wanderfeldröhre mit einer Elektronenkanone, die "inen anfangs konvergierenden Elektronenstrahl erzeugt, ir d mit einer aus κ Permanentmagneten bestehenden Fokussierungsanordnung. bei der der erste Scheitelwert des periodischen Magnetfeldes, auf den der Elektronenstrahl trifft, kleiner ist als die unmittelbar nachfolgenden Scheitelwerte.

Bekanntlich dient das periodische Magnetfeld dazu, ein ansonsten aufgrund der gegenseitigen Abstoßung der negativen Elektronen eintretendes Aufspreizen des Elektronenstrahls /u verhindern. Anstelle des früher zur Erzeugung dieses fokussierenden Magnetfeldes die Wanderröhre umgebenden Elektromagneten bedient man sich in zunehmendem Maße einer Anordnung aus Permanentmagneten, die ein periodisch magnetisches Feld erzeugen. Ein solcher Permanentmagnetaufbau besitzt ein geringeres Gewicht und erfordert nicht die starken elektrischen Ströme, die zur Erregung des früher verwendeten E/ektromagneten erforderlich waren. Auch hat sich gezeigt, daß ein geeignet dimensioniertes Wechselfeld einen Elektronenstrahl stabiler führt als ein magnetisches Gleichfeld.

Wanderfeldröhren der eingangs beschriebenen Art sind bei· pielsweise aus »Siemens-Zeitung« 1960, Heft 11. Seiten 787 bis 789 oder der DE-AS 12 96 276 bekannt. Bei diesen bekannten Wanderfeldröhren wird der Elektronenstrahl zunächst durch ein magnetisches Vorfeld mit einstellbarer positiver und negativer Induktionsamplitude vorfokussiert und dann auf seinem weiteren Weg durch ein von Permanentmagneten erzeugtes periodisches Hauptfeld gebündelt gehalten, Allerdings sind diese bekannten Vorrichtungen nicht in völlig zufriedenstellender Weise in der Lage, ein Aufspreizen des Elektronenstrahls über die gesamte Laufstrecke hinweg zu verhindern, Der Anteil an Elektronen, der auf dem Weg durch die Röhre mit den Seitenwänden oder anderen Teilen, wie z. B. den Polschuhen in Berührung kommt und somit den Auffänger nicht erreicht, ist immer noch erheblich und bewirkt insbesondere bei Röhren mit sehr hohen Sendeleistungen eine unerwünschte, zusätzliche Schwierigkeiten heraufbeschwörende Aufheizung der Röhre.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wanderfeldröhre der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Fokussierung des Elektronenstrahls verbessert und somit der Anteil an Elektronen, die schließlich den Auffänger erreichen, erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dati der Ort des ersten Scheitelwcrtes mit der Stelle zusammenfällt, an der der Durchmesser des Elektronenstrahls sein erstes Minimum annimmt, und daß die erste Nullstelle des Magnetfeldes innerhalb der aus einem periodischen Aufbau von Permanentmagneten bestehenden, eine regelmäßige Periodizität des axialen Magnetfeldes bewirkenden Fokussieranordnung Hegt.

Dieser erfindungsgemäßen Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Erfolg, mit dem der Elektronenstrahl durch das periodische Magnetfeld von den Wandbereichen der Röhre ferngehalten werden kann, sowohl von einer sorgfältigen Formgebung dieses Magnetfeldes als auch von der relativen Lage des durch die elektrostatische Fokussierungsanordnung der Elektronenkanone bestimmten ersten Minimums des Durchmessers des Elektronenstrahls bezüglich des ersten Scheitelwertes des periodischen Magnetfeldes abhängt. Durch die Einhaltung der oben beschriebenen Bedingungen wird insbesondere der Durchmesser des Elektronenstrahls sehr genau gesteuert und die Amplitude der periodischen Aufweitungen des Elektronenstrahls innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten. Somit ergibt sich ein äußerst hohes Elektronenstrahl-Übertragungsverhältnis, d. h. ein sehr großer Anteil an Elektronen, die den Auffänger erreichen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß diese optimalen Eintrittsbedingungen für den Elektronenstrahl in das periodische Fokussierfeld erfüllt werden können, ohne daß eine übermäßig lange Elektronenkanone erforderlich ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Elektronenkanone in einem Magnetfeld liegt, dessen Feldlinien den konvergierenden Bahnen der von der Kathode der Elektronenkanone ausgesandten Elektronen folgen.

Der erste Scheitelwert des periodischen Magnetfeldes bestimmt sich durch den sogenannten Brillouin-We. t und einen Faktor m, wobei m zwischen 1 und 2 liegt und typischeweise etwa 1.5 beträgt. Der Brillouin-Wert ist diejenige magnetische Feldstärke in Axialrichtung, die notwendig ist, den Elektronenstrahl um seine eigene Achse zu drehen und dabei den mittleren Durchmesser des Strahls im wesentlichen konstant zu halten. Die Kopplung eines HF-Signals auf den Elektronenstrahl zum Zwecke einer Leistungsverstärkung des Signals führt zu einer Geschwindigkeits modulation der einzelnen Elektronen innerhalb des Strahls und gibt Anlaß zu Störungen oder Änderungen des Strahldurchmessers. Dieser Effekt wird in der englichen Fachsprache manchmal mit »scalloping« bezeichnet, was soviel wie »Langettenbildung« bedeu' tet. Um das Ausmaß dieser Störungen gering zu halten, wird das axiale Magnetfeld um einen Faktor m über den

Brillouin-Wert hinaus erhöht. Der Wert dieses Faktors /77 wird oft empirisch ermittelt, jedoch ist ein Wert von etwa 1,5 annehmbar. Vorzugsweise ist der erste Scheitelwert des periodischen Magnetfeldes im wesentlichen gleich dem quadratischen Mittel der nachfolgenden Scheitelwerte.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer erfindungsg^mäßen Wanderfeldröhre;

F i g. 2 ist ein erläuterndes Diagramm.

Die Fig. 1, bei der es sich nicht um eine maßstabsgetreue Darstellung handelt, zeigt einen Teil einer Wanderfeldröhre, in der das fokussierende periodisch magnetische Feld von einem Permanentmagnetaufbau erzeugt wird, der aus einer Folge von Ringmagneten 1 besteht. Diese Ringmagnete folgen in alternierender Polarisierung aufeinander, wie es mit den Buchstaben N und S für die Nord- und Südpole angedeutet ist, um eine regelmäßige Periodizität des axialen Magnetfeldes längs der Achse AA' der Wanderfeldröhre zu bewirken. Jeder Ringmagnet 1 ist von den benachbarten Ringmagneten durch ein Polstück 2 getrennt, welches das Magnetfeld juf die Achse A/t'lenkt. Am anderen Ende des fokussierenden Magnetaufbaus befindet sich eine schüsseiförmige Kathode 3, die einen Elektronenstrahl 4 aussendet. Die Kathode 3 selbst ist ein Teil einer Elektronenkanone, welche die üblichen Beschleunigungselektroden aufweist, um den Elektronenstrahl zu formen und ihm die notwendige Energie zu geben. Diese Elektroden sind herkömmlicher Art und nicht gesondert dargestellt. Der Elektronenstrahl läuft längs der Achse AA 'und wird am entfernten anderen Ende der Wanderfeldröhre von einem Kollektor (nicht dargestellt) aufgefangen.

Die Polstücke 2 sind außerdem Teil der Resonatoranordnung der Wanderfeldröhre. Diese Resonatoranordnung besteht im wesentlichen aus einer Anzahl Resonanzkammern, durch welche ein HF-Signal relativ schwacher Leistung dem Elektronenstrahl überlagert werden kann, um den von der Kathode 3 kommenden Elektronen eine Geschwindigkeitsmodulation mitzuteilen. Entweder können zwischen jeweils zwei Polstücken 2 mehrere solche Resonanzkammern liegen, oder jedes Polstückpaar selbst kann die Begrenzung einer Resonanzkammer darstellen. Die Natur und die Konstruktion von Resonanzkammern dieser Art ist bekannt (vergleiche z. B. die auf die Anmelderin lautenden Patentanmeldungen 7682/73. 1/5760/V und I/5773/V). Die Resonanzkammern bilden in ihrer Gesamtheit die sogenannte »Verzögerungsleitung« (Langsamwellenstruktur) der Röhre.

Die Ringmagneten 1 und die Polstücke 2 sind so gewählt, daß der Spitzenwert ßi der Induktion des Magnetfeldes gleich ir-t dem Brillouin-Wert multipliziert mit einem Faktor m. Der Wert von m beträgt etwa 1,5. Wie bereits erwähnt, ist der Brillouin-Wert derjenige V/ert, der zu einer Drehung des Elektronenstrahls um die Achse AA' führt, ohne daß (theo'etisch) der Strahlendurchmesser geändert wird. Dies zielt darauf ab, der gegenseitigen Abstoßung der einzelnen Elektronen im Strähl entgegenzuwirken und ein Aufspreizen des Strahls zu verhindern. Das erste Polstück 5 hat eine größere Mittelöffnung als die Polstücke 2, damit der Spitzenwert B\ des Feldes kleiner wird als die unmittelbar folgenden Spitzenwerte B₂. Die Anordnung ist so getroffen, daß B\ gleich ist dem quadratischen Mittel der Wertr B₂, das heiüt B₂ = tfi B\.

Bei einer herkömmlichen Wanderfeldröhre, in der das fokussierende Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, entspricht die im wesentlichen konstante Feldstärke dem Spitzenwert ßi der erfindungsgemäßen Röhre.

Der Elektronenstrahl wird also bei einem Eintritt in das periodische Magnetfeld der optimalen Induktion m ■ B₁ ausgesetzt. Durch das Vorhandensein des schwachen und zu verstärkenden Signals wird der

ίο Elektronenstrahl einer Geschwindigkeitsmodulation unterworfen, womit sich die Tendenz verstärkt, daß der Strahl bei seiner Wanderung längs der Achse der Röhre periodischen Änderungen seines Durchmessers erfährt. Diese periodischen Änderungen werden durch das Vorhandensein des bereits erwähnten Feldes mit den Spitzenwerten B₂ auf ein zumutbares Maß begrenzt.

Das Polstück 5 hat einen axialen Fortsatz 6 in Form eines kurzen offenen Zylinders aus magnetischem Material (zum Beispiel Weicheisen), dessen Zweck darin besteht, inns/halb der Elektronenkanone selbst ein axiales Magnetfeld hervorzurufen. D'-. Induktion des axialen Magnetfeldes ist mit der gestrichelten Linie dargestellt und steigt allmählich von einem Wert B₁ an der Kathodenfläche auf einen Wert B_a am Ort der (nicht dargestellten) Anode der Elektronenkanone an. Die Werte £'„ und B_c stehen durch die Gleichung Bj rj = B_c /v² zueinander in Beziehung, wobei r_d und /y die Radien des Elektronenstrahls an der Anode bzw. an der Kathode sind. Ein Feld dieser Gestalt hat

jo Induktionslinien, die annähernd den einzelnen Elektronenbahnen folgen, und daher erfahren die Elektronen ein allmählich stärker werdendes axiales Magnetfeld, bis der erste Spitzenwert B\ erreicht ist.

Der Wert ß, steht zur Größe Si in folgender Beziehung:

ß.

B,

Tl

I nr

wobei /ο der Radius des Elektronenstrahls am Ort des ersten Spitzenwertes ß. ist. Wenn m = 1, d. h. wenn der erste Spitzenwert B, gleich ist dem theoretischen Brillouin-Wcrt B_n, dann wird ß₍ gleich 0. Unter Berücksichtigung der obenerwähnten Beziehung Bi = j/2 ßi können die verschiedenen Induktionswerte in einer nur von den Strahlradien abhängigen Form geschrieben werden:

Bi

Das Verhältnis von B\ zu Bi läßt sich durch Änderung der Stärke des ersten Ringmagneten 1 weiter modifizi'.rcn. Wenn jeder Ringmagnet aus einer Anzahl länglicher axial ausgerichteter Magnete zusammengesetzt wird, die Seite ai. Seite liegen, dann kann man den Wert von B\ einfach dadurch verringern, daß man einige dieser länglichen Magnete fortnimmt. Die tatsächliche Gestalt des Magne;feldes im Bereich der Öffnung des Polstücks 5 ist durch folgende Gleichung gegeben, worin R der Radius dieser Öffnung und die anderen Symbole die in F i g. 2 eingezeichneten Maße darsteJIen:

B_x =

B₁

tan'

Y-Z

Der Fortsalz 6 kann aus einem weiteren Ringmagneten bestehen, der entweder im gleichen Sinn oder im entgegengesetzten Sinti wie der erste Ringmagnet 1 gepolt sein kann, Um die Verhältnisse BJBi und BJB₃)C riach den Erfordernissen entweder größer oder kleiiier zu machen.

Die Anode sitzt sehr dicht an der Kathode (typischerweise nur etwa 2,5 cm von dieser entfernt), Und der Abstand von der Anode zum Ort des ersten Spitzenwertes B\ beträgt ebenfalls nur etwa 2,5 cm. Mf der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Einlrittsbcdirigungcn für den -Elektronenstrahl bei

seinem Eintritt in das periodische fokussiercnde Feld zu erfüllen, ohne daß eine übermäßig lange Elektronenkanone erforderlich ist. Nachstehend werden typische ungefähre Werte für die verschiedenen Induktionen angegeben, die nur als Beispiel aufzufassen sind, um ein Bild über die Größenordnungen zu geben: Bb = 356 Gauß, B\ = 534 Gauß, B₂ = 755 Gauß, Be = 0,12 fli und B_a = 3 ß_runter der Annahme m = 1,5. Eine Wanderfeldröhre dieser Art ist hauptsächlich für einen Betrieb bei Strahlleistungcn von über 1 Megawatt gedacht.

Hierzu 2 Bliill Zeichnungen

U^ ^

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wanderfeldröhre mit einer Elektronenkanone, die einen anfangs konvergierenden Elektronenstrahl 5 erzeugt, und mit einer aus Permanentmagneten bestehenden Fokussierungsanordnung, bei der der erste Scheitelwerl des periodischen Magnetfeldes, auf den der Elektronenstrahl trifft, kleiner ist als die unmittelbar nachfolgenden Sche.ielwerte, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort des ersten Scheitelwertes (B_x) mit der Stelle zusammenfällt, an der der Durchmesser des Elektronenstrahls (4) sein erstes Minimum fro) annimmt, und daß die erste Nullstelle des Magnetfeldes innerhalb der aus einem periodischen Aufbau von Permanentmagneten (1,2) besiehenden, eine regelmäßige Periodizität des axialen Magnetfeldes bewirkenden Fokussieranordnung liegt

Z Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone in einem Magnetfeld hegt, dessen Feldlinien den konvergierenden Bahnen der von der Kathode (3) der Elektronenkanone ausgesandten Elektronen folgen.

3. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Scheitelwert des periodischen Magnetfelder im wesentlichen gleich ist dem quadratischen Mittelwert der unmittelbar nachfolgenden Scheitelwerte.