DE3401087A1

DE3401087A1 - Elektronenentladungs-oszillator mit gekreuzten feldern

Info

Publication number: DE3401087A1
Application number: DE19843401087
Authority: DE
Inventors: William Allen Andover Mass. Gerard
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1984-07-19
Also published as: IL70609A0; GB8401097D0; FR2539554A1; JPS59141148A; GB2133614A; GB2133614B; US4480235A; FR2539554B1; IL70609A

Description

Die Erfindung betrifft Elektronenentladurigs-Oszillatoren rait gekreuzten Feldern, die geförderte Anschwingcharakteristiken haben, und bezieht sich insbesondere auf Kathodenkonstruktionen, die in koaxialen Magrietronen gesteigerte Anschwingoharakteristi-. ken erzeugen.

Magnetron-Oszillatoren sind weit verbreitet zum Erzeugen von Mikrowellenimpulsen bei Hochleistungs-Radarsystemen. An die Kathode des Magnetrons angelegte Hochspannungsimpulse erregen die Röhre und verursachen Schwingungen. Das Magnetron sollte mit minimaler Verzögerung nach dem Anlegen eines Hochspanmmgsimpulses mit der Schwingung bei der gewünschten Ausgangsspannung und Frequenz beginnen. Das ist besonders wichtig, wenn der Ausgangsimpuls eine sehr kurze Dauer hat von z.B. 0,1 Mikrosekunde.

Schwierigkeiten haben sich beim Anschwingen koaxialer Magnetrons

gezeigt. Beim Anlegen von Spann"ng kann das Magnetron im ungewünschten TE₁₂₁- Schwingungsmodus schwingen, wodurch der Beginn des gewünschten ΤΈ ,·,« Schwingungsmodus verzögert wird. Es sind schon die verschiedensten Techniken mit Erfolg angewandt worden, um nach dem Anschwingen unerwünschte Schwingungsmoden zu unterbinden. Aber die Transientenantwort während des Anschwingens bleibt weiterhin problematisch.

Zum Unterdrücken des Anschwingens des TE₁₂₁- Schwingungsmodus sind verschiedene Verfahren benutzt worden. Dazu hat man die Kathode geringfügig gegenüber der Achse der Röhre versetzt angeordnet, um dadurch die Dimension des Wechselwirkungsraums in einer Richtung zu verkleinern. Das Anschwingverhalten ist zwar verbessert worden, aber die Ausgangsleistung des Magnetrons wurde stark verringert. Auch wurde der Kathode ein größerer Durchmesser gegeben. Aber die größere Kathode erfordert eine erhebliche Verstärkung des Magnetfeldes, Um die gleiche Betriebsspannung beizubehalten. Es sind um die Kathode herum symmetrische Ringe

angesetzt worden, die sich aber insgesamt als unwirksam hinsichtlich des Anschwingverhaltens erwiesen haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, neuartige Elektronenentladungs-Oszillatoren mit gekreuzten Feldern zu schaffen. Insbesondere sollen diese ein verbessertes Impulsanschwingverhalten haben; ferner soll das Anschwingen in einem gewünschten Schwingungsmodus verbessert werden, ohne merkliche Verringerung der Leistungsabgabe des Oszillators.

Mit dem Elektronenentladungs-Oszillator mit gekreuzten Feldern sollen Schwingungen in unerwünschten Schwingungsmoden während des Anschwingens unterdrückt werden.

Dazu wird ein Elektronenentladungs-Oszillator mit gekreuzten Feldern geschaffen, der eine Kathode zum Erzeugen eines Elektronenstroms, eine Vakuumhülle, die ein Vakuum um den Elektronenstrom herum aufrechterhält, eine Mikrowellenleitung zum Stützen elektromagnetischer Felder in Wechselbeziehung mit dem Elektronenstrom und eine Koppeleinrichtung für elektromagnetische Wellenenergie von der Leitung aufweist. Zu der Vorrichtung gehört ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Leitung sowie eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes rechtwinklig zum elektrischen Feld im Bereich des Elektronenstroms. Zu der Kathode gehört ein Elektronenemitter mit einer insgesamt zylindrischen Oberfläche, von der sich mindestens ein Vorsprung radial wegerstreckt, der zur Achse der zylindrischen Oberfläche ' asymmetrisch ist. Der Vorsprung hat die Aufgabe, das Anschwingen der Vorrichtung in einem gewünschten Schwingungsmodus zu steigern, ohne die Leistungsabgabe der Vorrichtung wesentlich zu verringern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Vorsprung die Form eines sich in T^Tmfangsrlchtung erstreckenden Wulstes, der sich über weniger als den vollen Umfang ^{der zv}· lindrischen Oberfläche des Elektronenemitters erstreckt.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Magnetron-Oszillator gemäß der Erfindung

Pig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Kathode mit einem Umfangswulst zur Förderung des Anschwingens des Magnetrons gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Querschnittsschema eines Magnetron-Oszillators gemäß der Erflndungi

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Anschwingverhaitens eines Magnetrons gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten Magnetrons.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist das Magnetron als Kathode einen Elektronenemitter 10, z.B. aus mit Bariumaluminat imprägniertem Wolfram mit einer allgemein zylindrischen Oberfläche auf. An Jedem Ende des Elektronenemitters 10 steht eine Kappe 12 für das Ende der Kathode vor, die aus nichtemittierendem Material, wie Hafnium besteht. Die Kathode ist an einem Ende auf einer Kathodenschaf tkonstruktion abgestützt. Der Elektronenemitter 10 wird von einer Strahlungsheizvorrichtung 1^₁ beispielsweise einer Spule aus Wolframdraht erhitzt.

Der Elektronenemitter 10 ist von einer koaxialen, kreisförmigen Anordnung von Anodenfahnen 16 umgeben, die sich von einem Anodenmantel 18 nach innen erstrecken. Die inneren Enden der Anodenfahnen 16 liegen auf einem zylinder, der die Außenwand eines ringförmigen Wechselwirkungsraums 20 bestimmt. Die Anodenfahnen 16 sind in Hmfangsrichtung in regelmäßigen Abständen voneinander vorgesehen, so daß zwischen einander benachbarten Fahnen

Hohlräume oder Kammern abgegrenzt sind, die etwa bei der gewünschten Schwingungsfrequenz in Resonanz sind.

An der Außenwand jedes zweiten Hohlraums führen axiale Schlitze durch den Anodenmantel 18 und stellen eine Verbindung mit einer ringförmigen Stabilisierungskammer 2k her. Die Stabil isierungskammer 2k hat Wände 26, 27, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, um die Anodenfahnen 16 durch Leitung zu kühlen und einen hohen Q-Faktor für die Frequenzstabilisierung zu schaffen. Die Stabilisierungskammer 2k wird mittels eines ringförmigen Abstimmkolbens 28 abgestimmt, der durch eine Vielzahl von Schubstangen 30, welche gleichzeitig von einer Abstimmanordnung angetrieben werden, axial bewegbar ist. Die Stabilisierungskammer 2k ist mittels einer Iris 32 mit einem Ausgangshohneiter 3^ verbunden, der durch ein dielektrisches Fenster 36 vakuumdicht abgeschlossen ist.

An entgegengesetzten Seiten des Elektronenemitters 10 und der

Anodenfahnen 16 sind koaxiale ferromagnetische Polschuhe 38, 39 axial versetzt angeordnet. Die Polschuhe 38, 39 sind gegenüber dem Röhrenkörper abgedichtet und mit einem Permanentmagnet ^O verbunden. Der Permanentmagnet kO und die Polschuhe 38, 39 sind so gestaltet, daß sie entgegengesetzten Enden des Wechselwirkungsraums 20 entgegengesetzte Pole darbieten, und daß ein allgemein gleichförmiges,allgemein axiales Magnetfeld im Wechselwirkungsraum 20 erzeugt wird.

Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Magnetrons wird der Strahlungsheizvorrichtung 14 Wechselstrom als Heizstrom zugeführt

wi pd
und die Kathode/gegenüber dem geerdeten Röhrenkörper und den

Anodenfahnen 16 negativ gepulst. Elektronen werden vom Elektronenemitter 10 der Kathode zu den Anodenfahnen 16 gezogen und von dem kreuzenden Magnetfeld in Bahnen gelenkt, die

um den ringförmigen Wechselwirkungsraum 20 zirkulieren, wo sie in Wechselwirkung treten mit elektrischen Streu-Mikrowellenfeldern der zwischen den Fahnen liegenden Hohlräume und Mikrowellenenergie erzeugen. Mikrowellenenergie wird von den Hohlräumen zwischen den Fahnen durch die axialen Schlitze

der Stabilisierungskammer 24 zugeführt. Durch den kreisförmigen elektrischen Schwingungsmodus der Stabilisierungskammer 24 wird die Frequenz des jf-. Schwingungsmodus der erregten Anodenfahnen 16 mit der Resonanzfrequenz der Stabilisierungskamraer verrastet · Das bedeutet, daß bei einer Änderung der Resonanzfrequenz der Stabilisierungskammer 24 durch ein Bewegen des Abstimmkolbens 28 auch die Betriebsfrequenz des Magnetrons geändert wird.

Wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt, hat der Elektronenemitter 10 allgemein

eine zylindrische Außenfläche, die koaxial mit der Hauptachse des Magnetrons verläuft. Gemäß der Erfindung ist der Elektronenemitter 10 mit mindestens einem radial vorstehenden Vorsprung 50 versehen, der gegenüber der Achse der zylindrischen Oberfläche asymmetrisch ist. Der Vorsprung 50 hat vorzugsweise eine Oberfläche , die im Vergleich zur Fläche

der zylindrischen Oberfläche des Elektronenemitters 10 klein ist. Aufgabe des Vorsprungs 50 ist es, das Anschwingen des Magnetrons in einem gewünschten Schwingungsmodus zu steigern, ohne dessen Leistungsabgabe wesentlich zu reduzieren. Diese Erfordernisse werden von einem Vorsprung erfüllt, der asymmetrisch und im Vergleich zum Elektronenemitter klein ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Vorsprung die Form eines ^TTmfangswulstes an der zylindrischen Oberfläche des Elektronenemitters 10. Der Wulst erstreckt sich etwa über die Hälfte des T^Tmfanges der zylindrischen Oberfläche und ist zentral an der Oberfläche angeordnet. Die Dicke des Wulstes kann sie an beiden Enden auf Null verjüngen. Vorzugsweise hat der Vorsprung 50 eine Oberfläche kleiner als 20 % der

Fläche der zylindrischen Oberfläche des Elektronenemitters 10. Ferner wird bevorzugt, daß sich der Vorsprung 50 um etwa 10 % bis 20 % der radialen Abmessung des Wechselwirkungsraums 20 radial nach innen in den ringförmigen Wechselwirkungsraum 20 erstreckt. Bei einem bestimmten Beispiel eines CBand-Magnetrons hat der Elektronenemitter 10 einen Durchmesser von

22,^5 mm (0,884 Zoll) und eine Länge von 7,874 mm (0,310 Zoll). Der Vorsprung 50 hat eine Breite w von 0,762 mm (0,030 Zoll) (siehe Fig. 2) und eine Dicke t von 0,508 mm (0,020 Zoll) (siehe Fig. 3)· Der Vorsprung 50 ist vorzugsweise unter einem Winkel O von 45° gegenüber dem Ausgangshohl leiter 34 ausgerichtet (siehe Fig. 3).

Bei anderen Ausführungsformen kann der Elektronenemitter mehr als einen sich radial erstreckenden Vorsprung aufweisen. Ferner kann der Vorsprung axial an der Zylinderoberfläche des Elektronenemitters 10 an einer beliebigen Stelle längs der Länge desselben vorgesehen sein. Der Vorsprung kann auch die Form eines axialen Wulstes auf der zylindrischen Oberfläche statt eines sich in ^mfangsrichtung erstreckenden Wulstes haben.

Die Kammer des koaxialen Magnetrons arbeitet im TE_n^,- Schwingungsmodus. Bei diesem Schwingungsmodus ist das elektrische Feld nur in einem durchgehenden Ring vorhanden. Dieser Schwingungsmodus koppelt über alternierende Schlitze im Anodenmantel 18 in die Anode hinein und erzeugt in der Anode ein ^"-Modus-Feld. Die Erfahrung zeigt, daß der TE,,,,-Schwingungsmodus derjenige Hohlraummodus ist, der beim Anschwingen die größte Konkurrenz bildet. Es ist die Theorie aufgestellt worden, daß in einem Oszillator mit zwei oder mehr Freiheitsgraden jede mögliche Schwingung anläuft. Das bedeutet, daß in der Elektronennabe im Magnetron Elektronen sich synchron mit dem T Schwingungsmodus zu bewegen beginnen, andere synchron mit dem Schwingungsmodus, und wieder andere synchron mit weiteren möglichen Betriebsschwingungsmoden. Wenn eine Schwingung den nichtlinearen Zustand erreicht, d.h. einen Zustand, bei dem sich starke, wohl definierte Elektronengefüllte Speichen bilden, werden von den Phasenfokussierkräften die schwächeren Speichen, die den übrigen Schwingungsmoden zugeordnet sind, zerstört, und es bleibt nur ein Schwingungsmodus als beherrschend zurück. Während der Anlaufperiode kann der TE,

Schwingungsmodus stark schwingen. Diese Erscheinung ist in Fig. 4 graphisch dargestellt, wobei die Kurve 60 die Magnetroneingangsspannung wiedergibt. Die Amplitude für den TEq,,-Schwingungsmodus bei bekannten Magnetrons ist durch eine Kurve 62 wiedergegeben, während die Amplitude für den TE^-Schwingungsmodus durch eine Kurve 64 dargestellt ist. Die relativen Amplituden für den TE₀₁₁- und TE^i-Schwingungsmodus sind in Fig. 4 zwecks größerer Deutlichkeit übertrieben dargestellt. Tatsächlich ist eine Amplitude für den TE₁^i-Schwingungsmodus, die um 30 dB unterhalb der Amplitude für den TEq,,-Schwingungsmodus liegt, bei bekannten Magnetrons üblich und kann für bestimmte Anwendungsfälle unannehmbar sein. Häufig wird eine Differenz von 50-60 dB gefordert. Wie die Kurve 64 in Fig. 4 zeigt, ist die Amplitude des TE^-Schwingungsmodus während des Anschwingens erheblich. Wenn der vorstehend beschriebene Vorsprung dem Elektronenemitter hinzugefüft ist, erreicht der TEq₁, Schwingungsmodus die volle Amplitude in kürzerer Zeit, wie durch die Kurve 70 in Fig. 4 gezeigt. Ferner wird die Amplitude des TE₁₂₁-Schwingungsmodus reduziert, wie durch die Kurve 72 angedeutet. Da der Vorsprung im Vergleich zu dem Elektronenemitter klein ist, ist die Auswirkung auf die Leistungsabgabe des Magnetrons vernachlässigbar. Der Vorsprung am Elektronenemitter hat vermutlich das Unterdrücken des TE^-Schwingungsmodus aufgrund der Winkelabhängigkeit des elektrischen Feldes beim TE,„,-Schwingungsmodus zur Folge. Im Gegensatz dazu variiert der TE_Q11 -Schwingungsmodus nicht mit dem Laufwinkel um die Kammer herum und wird von dem Vorsprung nicht wesentlich beeinflußt.

-AA-

- Leerseite

Claims

Elektronenentladungs-Oszillator mit gekreuzten Feldern

Priorität: 18. Januar 1983 - U S A - Serial No. 459 013

Patentansprüche

1.) Elektronenentladungs-Oszillator mit gekreuzten Feldern

ekennzeichnet durch

- eine Kathodeneinrichtung, die einen Elektronenstrom erzeugt
und einen Elektronenemitter aufweist, der eine allgemein zylindrische Oberfläche hat, von der mindestens ein Vorsprung radial vorsteht, der zur Achse der zylindrischen Oberfläche asymmetrisch ist,

- eine Vakuumhülle, die um den Elektronenstrom herum ein Vakuum aufrechterhält,

- eine Mikrowellenleitung, die elektromagnetische Felder in
Wechselwirkung mit dem Elektronenstrom stützt,

- eine Einrichtung, die elektromagnetische Wellenenergie von
der Mikrowellenleitung koppelt,

- eine Einrichtung, die ein elektrisches Feld zwischen der Kathodeneinrichtung "nd der Mikrowellenleitung anlegt, und

- eine Einrichtung, die ein Magnetfeld rechtwinklig zu dem elektrischen Feld im Bereich des Elektronenstroms anlegt, wobei der

Vorsprung an dem Elektronenemitter das Anschwingen des Oszillators in einem gewünschten Schwingungsmodus steigert, ohne die Leistungsabgabe des Oszillators wesentlich zu reduzieren.

2. Oszillator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Vorsprung die Form eines ^TTmfangswuistes an der zylindrischen Oberfläche hat.

3. Oszillator nach Anspruch I₁

dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche

des Vorsprunges kleiner als 20 % der Fläche der zylindrischen Oberfläche ist.

k* Oszillator nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß sich der Wulst über weniger als den vollen Umfang der zylindrischen Oberfläche erstreckt und an seinen Enden zu Null-Dicke ausläuft.

5. Oszillator nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Kathodeneinrichtung und der Mikrowellenleitung ein ringförmiger Wechselwirkungsra"m gebildet ist, Und daß sich der Vorsprung radial um etwa 10 bis 20 % der radialen Abmessung des Wechselwirkungsraums in den Wechselwirkungsraum hineinerstreckt.

6. Oszillator nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Koppeln elektromagnetischer Energie von der Mikrowellenleitung eine Stabilisierungskammer, die mit den elektromagnetischen Feldern der Mikrowellenleitung verbunden ist, und eine Ausgangskoppel blende aufweist, die elektromagnetische Felder von der Stabilisierungskammer koppelt, und daß der Vorsprung unter einem Winkel von ca. 45° in bezug auf die Blende ausgerichtet ist.

7. Oszillator nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß der Wulst auf der zylindrischen Oberfläche axial zentriert ist.

8. Oszillator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Vorsprung an dem Elektronenemitter geeignet ist, das Anschwingen des Oszillators in einem TE, ₂ η- Schwing¹ >ngs zu stand zu unterdrücken.