DE1044181B - Klystronverstaerker mit Abstimmvorrichtungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen nachstimrnbaren Klystronverstärker mit Temperaturkompensation der Abstimmung. Sie bezieht sich besonders auf ein Hochleistungsimpulsklystron, das mit hohem Verstärkungsgrad arbeitet und bei dem ein veränderliches Verhältnis von Impulsdauer zu Impulsfrequenz eingestellt werden kann und das sich zur Verwendung in Sendern mit konstanter Frequenz eignet.

Bei vielen Anwendungszwecken, z. B. bei Radargeräten, ist es erwünscht, einen impulsgesteuerten Verstärker großer Leistung mit hohem Verstärkungsgrad und fester Frequenz zu verwenden. Bisher waren derartige Senderverstärker im allgemeinen nicht verfügbar, da es schwierig oder unmöglich war, alle diese gewünschten Eigenschaften in ein und derselben Röhre zu verwirklichen. Eine Hochleistungsröhre zeigt häufig Frequenzabweichungen, oder wenn die Frequenz starr gesteuert wurde, dann waren die Ausgangsleistung und der Verstärkungsgrad der Röhre stark beeinträchtigt.

Es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, eine neue Röhrenanordnung zu schaffen, deren Resonanzkammern Abstimmvorrichtungen enthalten, welche mit Temperaturkompensationseinrichtungen zusammenwirken, damit die Röhre auch bei starken Schwankungen der umgebenden Temperatur und der Röhrentemperatur stabil arbeitet.

Es ist bekannt, bei einer Röhre mit einem verstellbaren Resonator zur Kompensation von Frequenzänderungen eine parallele Verstellung des Resonators durch drei einander gleiche Ausdehnungskörper vorzunehmen. Diese Ausdehnungskörper befinden sich im Innern der evakuierten Röhrenhülle und sollen von außen beheizt werden, um eine entsprechende Veränderung des Resonators zu bewirken.

Es ist ferner bekannt, bei einer Entladungsröhre einen flexiblen Wandteil vorzusehen, der über starre, im Vakuum angeordnete Zwischenglieder die flexible Wand eines Resonators verstellt. Dabei ist im Innern der Röhre eine ausdehnungsfähige Stütze angeordnet, die auf eine andere Wand des Resonators einwirkt, wodurch eine Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators infolge Erwärmung im wesentlichen reduziert oder beseitigt werden soll.

Weiterhin ist es bekannt, zur Abstimmung eines Resonators die Größe des Resonators dadurch zu verändern, daß im Innern der Röhre ein Organ, das durch den Aufprall eines gesteuerten Elektronenstroms in einstellbarer Weise erwärmt wird, vorgesehen und mit dem frequenzbestimmenden Element mechanisch gekuppelt ist. Hierdurch soll ermöglicht werden, ohne äußeren Eingriff vom Innern der Röhre her die Abstimmung des Hohlraumresonators vorzunehmen.

Klystronverstärker
mit Abstimmvorrichtungen

Anmelder:

Varian Associates,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M.-Eschersheim, Lichtenbergstr. 7

Louis Thomas Zitelli, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Es ist auch bekannt, bei einem Hohlraumresonator eine Kompensationseinrichtung vorzusehen, indem eine Abstimmplatte zunächst grob abgestimmt und dann durch Löten mit dem Rohr luftdicht verschlossen wird. Ein an der Abstimmplatte starr befestigter Abstimmstab befindet sich innerhalb der Kammer, die evakuiert wird. Der Stab ist von außen nicht zugänglich, so daß eine Nachstellung im Betrieb nicht mög-Hch ist.

Beim Erfindungsgegenstand dagegen wird ein Abstimmstab außerhalb des Vakuumraumes angeordnet, so daß es möglich ist, eine Feinabstimmung beim Betrieb vorzunehmen.

Gemäß der Erfindung wird die Abstimm vor richtung in an sich bekannter Weise von mehreren Stäben aus Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gebildet; außerdem ist ein Stab daran so angeordnet, daß er von außen leicht zugänglich und verstellbar ist.

Wenn es auch an sich bekannt ist, zur Temperaturkompensation mehrere Stäbe mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, so können doch diese Einrichtungen sehr verschiedenartig ausgebildet sein. Die Erfindung ist daher auch auf die besondere Anordnung der Stäbe gerichtet und unterscheidet sich von bekannten Anordnungen, die z. B. bei Kompensationseinrichtungen von Kondensatoren verwendet wurden, schon dadurch, daß es bei der Verstärkerröhre notwendig ist, den Hochvakuumhohlraum im Innern der Röhre zu beeinflussen, der für den Betrieb frequenzbestimmend ist.

So besteht z. B. bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung der verstellbare Stab aus einem

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Material mit verhältnismäßig hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, der mit dem biegsamen Wandungsteil an einem Ende verbunden ist, während zwei im Abstand daneben angeordnete Stäbe aus einem Material mit verhältnismäßig niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten mit ihren inneren Enden mit der Kammer auf gegenüberliegenden Seiten des verstellbaren Stabes verbunden sind und eine Ouerschiene mit dem äußeren Teil dieser Stäbe und in ihrem mittleren Teil mit dem verstellbaren Stab verbunden ist, derart, daß die Kammer bei Temperaturänderungen durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungen aller Stäbe auf den Sollwert der Eigenfrequenz nachgestimmt wird.

Um eine individuelle Abstimmung der Resonanzkammer zu ermöglichen, ist vorzugsweise ein Differentialgewinde zwischen der Querschiene und dem Betätigungsstab vorgesehen.

Die Anordnung hat den Vorteil, daß die Mittel zur Temperaturkompensation, die auch dem Frequenzabgleich dienen, sich nicht im Vakuumteil der Röhre befinden, so daß sie.leicht zugänglich sind. Sie werden zweckmäßig durch eine Kappe umschlossen, die sie im wesentlichen auf der gleichen Temperatur hält wie die Resonanzkammer bzw. die Röhrenhülle.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht auf einen Verstärker gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch den Verstärker;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie X-X der Fig. 2, und

Fig. 4 ist ein Teilschnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 2.

In der Zeichnung ist eine Mehrkammer-Klystronröhrenanordnung 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Diese enthält einen Röhrenkörper 14, der aus einem massiven Block hergestellt ist. In Fig. 1 ist darüber hinaus nur der Sockel 8, der Rohransatz 9 sowie der Kühlrippenkörper 22 der Auffangelektrode und die Schutztreppe 63 der Abstimmvorrichtung erkennbar.

Die Fig. 2 ermöglicht einen Blick in das Innere der Röhrenanordnung.

Ein Strahlerzeugungssystem 7 mit Fokussierung ist auf den Sockel 8 aufgesetzt, der seinerseits über einen isolierenden Rohransatz 9 und ein metallisches Rohr 10 mit einem ringförmigen Flansch 11 verbunden ist, der auf der Beschleunigungselektrode 12 oder der Anode sitzt. Diese Anode enthält eine zentrale konische Bohrung 13, die gegenüber dem Strahlerzeugungssystem 7 ausgerichtet ist. Das Strahlerzeugungssystem wird von einer Spannungsquelle 41 mit Heizstrom gespeist, während die Anode eine Beschleunigungsspannung von der Spannungsquelle 42 über einen Impulsmodulator 43 enthält.

Der gebündelte Strahl, der das Strahlerzeugungssystem 7 verläßt, durchläuft die Resonanzkammern 3, 4, 5 und 6 und wird von der Bohrung 20 einer Auffangelektrode 21 aufgenommen.

Die Resonanzkammern können alle unabhängig voneinander mit Hilfe einer kompensierenden Abstimmanordnung abgestimmt werden, die aus einem induktiven Seitenwandabstimmer besteht, der eine biegsame im wesentlichen oval geformte Scheibe 48 (s. besonders Fig. 3) aufweist. Die Scheibe 48 ist mit einer im wesentlichen oval verlaufenden Wellung oder Riefen 49 versehen, um die Biegsamkeit zu erhöhen; die Scheibe hat am Rand einen Flansch 51, der in eine Öffnung 50 eingesetzt und mit ihr dicht verbunden werden kann, wobei die abgesetzte Öffnung in der Seitenwandung der Kammer, z. B. der Kammer 6, vorgesehen ist. Die Scheibe 48 ist in der abgesetzten öffnung 50, z. B. durch Hartlöten, befestigt und hat einen Ansatz oder eine Auflage 52, die in ihrem mittleren Teil hart angelötet ist. Eine Schraube 53 aus rostfreiem Stahl ragt in diesen Ansatz hinein und ist in einer Vertiefung des Ansatzes 52 hart eingelötet. Außen ist sie in einen Aluminiumstab 54 eingeschraubt. Eine Madenschraube 55 kann vorgesehen sein, um die Schraube 53 in der eingestellten Lage in dem Stab 54 festzuhalten. Das äußere Ende des Stabes 54 ist bei 56 mit Gewinde versehen und ragt in die innere Gewindebohrung eines Schraubenbolzens 57 aus rostfreiem Stahl hinein, der seinerseits mit Gewinde durch den mittleren Teil einer Ouerschiene 58 hindurchgeht, deren äußere Enden von den äußeren Enden von Molybdänstiften 59 und 59' getragen wird. Die Stäbe 59 und 59' sind mit ihren inneren Enden in passenden Vertiefungen befestigt, die in der Seitenwand 2 der Resonanzkammern, welche auf der Unterseite durch die Abschlußplatte 2' verschlossen sind (s. besonders Fig. 4), vorgesehen sind. Die Stäbe 59 und 59' haben abgesetzte, mit Gewinde versehene äußere Enden zur Aufnahme von Muttern 60, um die Querträger 58 auf den Stäben in Stellung zu halten.

Das äußere Ende des Schraubenbolzens 57 ist mit

einem Schlitz 61 für einen Schraubenzieher versehen, um den Bolzen nach innen und außen gegenüber der Ouerschiene 58 schrauben zu können und ihn auch gleichzeitig gegenüber dem Aluminiumstab 54 nach innen und außen zu bewegen. Die Gewinde des Bolzens 57 und des Stiftes 54 haben eine etwas verschiedene Steigung, so daß eine Differentialwirkung zustände kommt, welche eine winzige Längsbewegung des Stabes 54 bewirkt, wenn der Schraubenbolzen 57 gedreht wird. Hierdurch ergibt sich eine sehr empfindliche Abstimmung der Resonanzkammer durch die Bewegung der biegsamen Scheibe 48. Wenn es also erwünscht ist, die Resonanzräume abzustimmen, um sie einander anzupassen oder die Röhrenfrequenz zu verändern, werden die verschiedenen Schraubbolzen 57 eingestellt, um die gewünschte Abstimmung zu erhalten, wobei die Muttern 62 angezogen werden können, um die gewünschte Abstimmung aufrecht zu erhalten. Infolge der Verwendung der Molybdänstäbe 59 und 59' und der Ouerschiene 58 in Verbindung mit dem Aluminiumstift 54 ergibt sich eine robuste und zuverlässige Vorrichtung zur selbsttätigen Kompensation der Temperatur, die automatisch Änderungen der Abmessungen der Resonanzkammern infolge von Temperaturschwankungen der Röhre und der Außentemperatur ausgleicht.

Wenn sich daher die Röhre beim Betrieb erwärmt, wodurch die Kammern 3, 4, 5 und 6 größer werden würden und sich die Ausgangsfrequenz der Röhre erniedrigen würde, ergibt der Unterschied der thermischen Ausdehnung der Aluminiumstäbe 54 und der Molybdänstäbe 59 und 59' eine Einwärtsbewegung der Membran oder Scheibe 48, die dazu führt, daß die Größe des betreffenden Resonanzraumes vermindert und daher die zunehmende Temperatur automatisch ausgeglichen wird. Um die Vorrichtung zur Kompensation der Temperatur mit der Temperatur des Röhrenkörpers beim Betrieb in noch näheren Austausch zu bringen, ist eine Kappe 63 aus einem plastischen Stoff oder einer plastischen Glasfaserkombination abnehmbar an dem Röhrenkörper befestigt und schließt die Abstimmvorrichtung ein. Wenn die Kappe 63 aufgesetzt ist, stimmt die Temperatur des Röhrenkörpers

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und der Kompensationsvorrichtung im wesentlichen überein, so daß eine automatische Abstimmkompensation gebildet wird, welche Temperaturschwankungen ausgleicht und welche die von der Röhre erzeugte Frequenz im wesentlichen konstant hält. Die Molybdänstäbe 59 und 59' haben einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, während der Aluminiumstab 54 einen hohen Ausdehnungskoeffizienten hat, so daß sich die gewünschte Kompensation ergibt.

Da die Kammern 3, 4, 5 und 6 aus einem massiven Material, wie z. B. Kupfer, herausgearbeitet sind, hat der Körper 2 gute Wärmeleitungseigenschaften und führt überschüssige Wärme schnell ab. Jeder einzelne Hohlraum kann durch Bohren oder durch Bearbeitung von zwei nebeneinanderliegenden Löchern hergestellt werden, die etwas auseinander liegen. Das Metall zwischen den Löchern wird, z. B. durch einen Fräser, entfernt, so daß jede Resonanzkammer zwei gegenüberliegende konkave Wandungen und zwei gegenüberliegende im wesentlichen ebene Wandungen aufweist, wobei eine der ebenen Wandungen die biegsame Abstimmembran oder Scheibe 48 enthält.

Die Röhre gemäß der Erfindung ist besonders beim Bau von Sendern mit fester Frequenz sehr wertvoll. Eine typische Röhre, die im Bereich der Frequenzen von 3000 bis 10 000 MHz arbeitet, hat eine Verstärkung von 55 db und liefert mehr als 5 Kilowatt Impulsleistung in eine angepaßte Ausgangsleitung.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Klystronverstärker mit Abstimmvorrichtungen, die über einen biegsamen Wandungsteil auf die Resonanzkammern einwirken, und mit einer selbsttätigen Temperaturkompensation versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmvorrichtung in an sich bekannter Weise von mehreren Stäben aus Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird und daß ein Stab davon so angeordnet ist, daß er von außen leicht zugänglich und verstellbar ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verstellbare Stab aus einem Material mit verhältnismäßig hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht, der mit dem biegsamen Wandungsteil an einem Ende verbunden ist, während zwei im Abstand daneben angeordnete Stäbe aus einem Material mit verhältnismäßig niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten mit ihren inneren Enden mit der Kammer auf gegenüberliegenden Seiten des verstellbaren Stabes verbunden sind, und daß eine Querschiene mit dem äußeren Teil dieser Stäbe und in ihrem mittleren Teil mit dem verstellbaren Stab verbunden ist, derart, daß die Kammer bei Temperaturänderung durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungen aller Stäbe auf den Sollwert der Eigenfrequenz nachgestimmt wird.

3. Verstärker nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentialgewinde zwischen der Querschiene und dem verstellbaren Stab vorgesehen ist, um eine individuelle Abstimmung der Resonanzkammer zu ermöglichen.

4. Verstärker nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung von einer Hülle eingeschlossen ist, die sie auf der gleichen Temperatur hält wie die Resonanzkammer bzw. die Röhrenhülle.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 807 957, 835 766,
327;

USA.-Patentschriften Nr. 2 109 880, 2 584 717.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen