DE3302205C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine solenoidförmige elektromagnetische Spule zum Richten eines Stromes geladener Teilchen mit Hilfe eines im wesentlichen gleichmäßigen Magnet­ feldes entlang der Achse der Spule mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Bei den meisten mit Linearstrahl-Elektronenröhren, z. B. bei Klystrons und Wanderwellenröhren, wird der Elektronenstrahl in zylindrischer Form durch ein gleichmäßiges Magnetfeld fokussiert gehalten, das entlang der Achse des Strahls gerichtet ist. Bei Hochleistungsröhren wird das Magnetfeld gewöhnlich durch eine außerhalb der Röhren und gleichachsig mit dem Strahl angeordnete Magnetspule erzeugt. Eine Umhüllung aus Eisen umschließt den Magneten, um das Feld auf den Wechsel­ wirkungsbereich der Röhren zu begrenzen und es in diesem gesamten Bereich so gleichmäßig wie möglich zu halten. Der Durchmesser des Strahls ist gewöhnlich erheblich kleiner als derjenige des Soleniods, so daß nur das sehr nahe der Achse gelegene Feld eine Rolle spielt.

Fig. 1 zeigt ein Klystron 10 bekannter Art in seinem Fokussier­ magneten 20. Die Röhre 10 wird von oben her in den Magneten 20 eingeführt. Zu dem Klystron gehört eine Elektronenschleuder 11 zur Erzeugung eines konvergierenden Elektronenstrahls 12. Der Strahl 12 durchläuft eine hohle Laufzeitröhre 14, in der er mit den elektromagnetischen Feldern von Resonanzkammern 16, 18 in Wechselwirkung tritt, um eine Signalwelle zu verstärken, die in eine Eingangskammer 16 durch eine nicht gezeigte Eingangsleitung eingeführt wird, bei welch letzterer es sich ge­ wöhnlich um ein kleines Koaxialkabel handelt.

Im Bereich der Kammern 16, 18 wird der Strahl 12 durch ein axiales Magnetfeld, das durch den Spulenmagneten 20 erzeugt wird, in Bleistiftform fokussiert gehalten. Jenseits des Wechsel­ wirkungsbereichs verläßt er das Magnetfeld und expandiert infolge seiner Raumladung, um auf die Innenfläche einer großen Auffängerelektrode 22 aufzutreffen.

Der Magnet 20 weist einen ferromagnetische Umhüllung auf, zu der ein Außenzylinder 24 gehört, der mit ferromagnetischen Stirnplatten 26 verbunden ist. Die Stirnplatten 26 stehen mit innerern Polstücken 27 in magnetischem Kontakt, die mit dem Kly­ stron 10 aus einem Stück bestehen. Jedes Polstück 27 weist eine kleine zentrale Öffnung 48 bzw. 50 zum Durchlassen des Strahls 12 auf. Außerhalb der Öffnungen 48, 50 fällt das Magnetfeld schnell auf einen vernachlässigbaren Wert ab.

Zu dem Magneten 20 gehört eine Anzahl von Soleniodspulen 30. Es wird jedoch auch häufig mit einer einzigen langen Soleniod­ wicklung gearbeitet. Zur Erzielung eines wirklich gleichmäßigen Feldes sollten sich die Spulen 30 über die ganze Strecke zwischen den eisernen Stirnplatten 26 erstrecken. Zum Ableiten der hohen Ausgangsleistung des Klystrons 10 muß sich jedoch ein Hohlleiter 32 von einem Kopplungsfenster 34 in der Ausgangskammer 18 durch ein vakuumdichtes dielektrisches Fenster 36 zu einer nicht gezeigten außenliegenden Nutzlast erstrecken. Daher können sich die Spulen 30 bekannter Art axial nur bis zur Bodenfläche 37 des Hohlleiters 32 erstrecken, so daß in der Nähe des Ausgangspolstücks 27 eine magnetisch nicht erregte Lücke 38 verbleibt.

Bei der Konstruktion nach Fig. 1 werden die Kammern 16 und 18 durch Abstimmplatten 40 abgestimmt, die mit Hilfe von Stäben 42 nach innen und außen bewegt werden. Die Spulen 30 sind durch nichtmagnetische Platten 44 voneinander getrennt, die zur mechanischen Unterstützung und zum Kühlen dienen. Die Platten 44 weisen Kanäle für die Abstimmstäbe 42 auf.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der axialen Magnet­ feldstärke, die durch den Magneten 10 erzeugt wird, wenn alle Spulen 30 die gleiche Stromdichte aufweisen. Das Feld weist im größeren Teil des Wechselwirkungsbereichs einen gleichmäßigen Wert 46 auf, der nahe der Eintrittsöffnung 48 und der Austritts­ öffnung 50 der Polstücke 27 schnell fast bis auf Null abfällt. Wegen der jenseits der Spulen 30 vorhandenen Lücke 38 expandieren die Feldlinien in diesem Berich, und die axiale Feld­ stärke 52 nimmt allmählich ab. Würden sich die Spulen 30 fort­ setzen, so würde das Feld 53 fast bis zu der Öffnung 50 gleich­ mäßig aufrechterhalten bleiben. Im Ausgangsbereich einer mit linearem Strahl arbeitenden Hochleistungsröhre weist der Strahl Bündel hoher Raumladungsdichte auf und leidet außerdem unter elektromagnetischen Defokussierungskräften. Das geschwächte Fokussierungsfeld 52 bewirkt, daß Elektronen an der Wechsel­ wirkungskonstruktion abgefangen werden, was zu Leistungsverlust und gefährlicher Erhitzung führt.

Es sind verschiedene Wege eingeschlagen worden, um die Verzer­ rung des Magnetfeldes zu verringern. Eine Erhöhung der Strom­ dichte in dem oberen Spulenabschnitt 30 verstärkt das Feld in dem Ausgangsbereich, führt jedoch vorher zu einer unerwünschten Spitze der Feldstärke. Die US-PS 29 63 616 beschreibt eine Vor­ richtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, in welch letzterer nur der Magnet 20′ und der Ausgangshohlleiter 32′ des Klystrons 10′ gezeigt sind. Hier ist in dem Bereich innerhalb des Fokussierungsmagneten 20′ der Hohlleiter 32′ über einen Impedanz­ wandler 54 zu einem sehr niedrigen Hohlleiter 56 herabgestuft. Die Höhe des nicht erregten Raums 38′ ist somit verringert, so daß der Abfall der Feldstärke kleiner wird.

Eine andere bekannte Vorrichtung ist in der US-PS 29 39 036 beschrieben. Hier verläuft ein niedriger Ausgangshohlleiter an dem Kollektor entlang parallel zur Röhrenachse, anstatt rechtwinklig zu letzterer nach außen zu führen. Leider ist dieses Verfahren auf Röhren verhältnismäßig niedriger Leistung beschränkt. Bei Hochleistungsröhren ist der Kollektor größer als der Röhrenkörper und würde dem Holleiter im Wege sein.

Die Magnetspulen 30 (Fig. 1) bestehen in manchen Fällen aus Drahtwicklungen. Bei einer weiteren, in Fig. 4A und 4B gezeigten zweckmäßigen Konstruktion werden Spulen 30′′ verwendet, die spiralförmig aus dünner Metallfolie gewickelt sind. Gewöhnlich verwendet man Aluminiumfolie, die durch eine eloxierte Oberfläche isoliert ist. Wärme wird aus der Folie axial über einen kurzen, ganz aus Metall bestehenden Weg zu Kühlkörpern 44′′ ge­ leitet, bei denen es sich z. B. um ringförmige Kupferplatten zwischen den Folienwindungen 30′′ handelt. Bei aus Folie be­ stehenden Spulen ist es nach einem Fachleuten bekannten Stand der Technik von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 ausgegangen ist möglich, eine Kerbe 60 in die Endspule 62 einzuschneiden, um den Ausgangshohlleiter hindurchzuführen. Die Kerbe 60 zwingt die Stromflußlinie 64, sich unterhalb der Kerbe 60 dadurch zu konzentrieren, daß dem Fluß axiale Kompo­ nenten hinzugefügt werden. Am verbleibenden Umfang der Spule 62 kann sich der Strom frei über den ganzen Querschnitt der Spule 62 ausbreiten. Eine einzige Kerbe 60 würde daher zu einem asym­ metrischen Strommuster führen, das eine der Achse folgende Mag­ netfeldlinie veranlassen würde, in der Nähe des Ausgangshohl­ endes des Magneten von der Achse abzuweichen. Hierdurch würde sich ein gekrümmter Elektronenstrahl ergeben. Um diese Verzer­ rung zu korrigieren, wird in die Spule 62 in einem Winkelabstand von 180° von der Kerbe 60 eine zweite Kerbe 63 eingeschnitten, die so geformt ist, daß sie unter einem Winkel von 180° rota­ tionssymmetrisch zu der Kerbe 60 ist. Die resultierenden Strom­ flußlinien 64 sind in den Bereichen 66 unterhalb der Kerben 60 und 63 verdichtet, können sich aber in den dazwischenliegenden Bereichen 68 frei ausbreiten. Sie erhalten eine Sattelform, die um die Achse unter 180° rotationssymmetrisch ist. Die durch den Strom erzeugten Magnetfeldlinien weisen die gleiche Symmetrie auf, und die magnetischen Äquipotentialflächen werden durch sattelförmige Flächen gebildet. Die axiale Magnetfeldlinie folgt der Achse über die ganze Länge. Da der Elektronenstrahl sehr viel kleiner ist als der Magnet, spielen die abgeknickten, von der Achse entfernten Felder keine Rolle.

Der Strom kann sich in den Bereichen 68 zwischen den Schlitzen bis an das obere Ende der Spule 62 ausbreiten, so daß die Abnahme der axialen Magnetfeldstärke nicht so drastisch ist wie im Fall von Fig. 1 und 2, wo die gesamte Spule verkürzt ist. Trotzdem ist die Gesamtstromstärke in der oberen Hälfte der Spule 62 geringer als in der unteren Hälfte, so daß sich ein erheblicher Abfall des Feldes ergibt.

In Fig. 5 ist die Kurve 70 eine graphische Darstellung der axialen Magnetfeldstärke, die experimentiell für eine bekannte Spule der in Fig. 4 gezeigten Art gemessen wurde. Zum Vergleich zeigt die Kurve 71 das Feld eines gleichmäßigen Spulenmagneten, der sich voll bis zu dem Polstück erstreckt, welch letzteres eine kleine Öffnung aufweist. Dieser letztere Zustand wäre ideal. Man beachte den Anstieg 72 des Feldes in einem Abstand von dem Polstück, der auf die Stromkonzentration unterhalb der Kerben 60 und 63 zurückzuführen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solenoidförmige elektromagnetische Spule der eingangs genannten Art zu schaffen, die imstande ist, ein konstantes axiales Feld in dem gesamten Wechselwirkungsbereich einer Linearstrahl-Elektrodenröhre aufrechtzuerhalten, und die es dabei gestattet, daß ein Hohlleiter durch das Magnetfeld hin­ durch nach außen geführt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Spule können gleiche Strom­ mittelwerte in der Nähe beider Spulenenden erzielt werden, und das axiale Magnetfeld kann nahezu konstant gehalten werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Klystrons in einem Mag­ neten bekannten Art;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der axialen Magnetfeldstärke des Magneten nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Magneten bekannter Art und eines Teils der zugehörigen Elektronenröhre;

Fig. 4A die Seitenansicht eines verbesserten Magneten bekannter Art;

Fig. 4B einen Axialschnitt des Magneten nach Fig. 4A;

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Magnetfeldern verschiedener Magneten;

Fig. 6 eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßen Magnetspule;

Fig. 7 eine Schrägschicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 8 einen Axialschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Erfindung wird in erster Linie anhand von Magnetspulen mit Folienwicklung beschrieben. Es wird außerdem gezeigt, daß sich die Erfindung auch bei Drahtwicklung anwenden läßt.

Fig. 6 ist eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Magnetspule mit Folienwicklung. Bei der Spule handelt es sich um die Endspule eines Spulenmagneten, die die gleiche Lage am Ausgangs­ ende einer mit linearem Strahl arbeitenden Elektronenröhre einnimmt wie die Endspule 62 in Fig. 4A und 4B. Die Spule 74 weist in ihrem oberen Ende eine Kerbe 60′ zum Hindurchführen eines nicht gezeigten Ausgangshohlleiters auf. Eine gegenüberliegende, zu der Kerbe 60′ symmetrische Kerbe 63′ kompensiert die Krümmung der axialen Feldlinie, wie anhand von Fig. 4 beschrieben. In azimutaler Lage zwischen den Kerben 60′ und 63′ sind am anderen Ende der Spule 74 zwei weitere Kerben 76 vorgesehen. Die Kerben 60′ und 63′ zwingen die Stromflußlinien 78, sich unter ihnen in den Bereichen 66′ des Spulenumfangs zu verdichten.

Die Ausgleichskerben 76 zwingen in ähnlicher Weise die Strom­ flußlinien 78, sich über ihnen in den Bereichen 68′ des Spulen­ umfangs zu verdichten. Infolgedessen folgt der Stromweg 78 einer sattelförmigen Kurve, die oberhalb und unterhalb der Mittelebene der Spule 74 ausschwingt. Die resultierenden mag­ netischen Äquipotentialebenen verlaufen ebenfalls sattelförmig. Wenn die beiden Ausgleichskerben 76 ebenfalls unter einem Win­ kel von 180° um die Achse rotationssymmetrisch angeordnet sind, folgt die Magnetfeldlinie genau der Achse, wie anhand von Fig. 4 beschrieben. Die Auswirkung der rotationssymmetrischen Anordnung ist daraus ersichtlich, daß jede Stromvektorkomponente an jedem Punkt der Achse eine Feldvektorkomponente erzeugt. Wird der Stromvektor um 180° gedreht, so wird der Feldvektor ebenfalls um 180° gedreht und behält seinen ursprünglichen Winkel gegenüber der Achse bei. Der ursprüngliche Vektor und sein Rotationsbild liegen in der gleichen Ebene (die auch die Achse ent­ hält), so daß ihre rechtwinklig zur Achse verlaufenden Kompo­ nenten einander aufheben. Der unter 180° rotationssymmetrisch verlaufende Stromweg muß daher auf der Achse nur eine axiale Feldkomponente erzeugen. Durch die zusätzlich vorgesehenen Aus­ gleichsschlitze 76 kann die verbleibende nach unten gerichtete Verlagerung der Stromlinien 78 durch die notwendigen Schlitze 60′ und 63′ ausgeglichen werden. Dies scheint nahezuliegen, wenn die Schlitze 76 den Schlitzen 60′ und 63′ gleichen, so daß die Konstruktion unter axialer Umkehrung plus einer Dreh­ hung um 90° symmetrisch ist. Es kann jedoch konstruktive oder wärmetechnische Gründe dafür geben, den Schlitzen 76 eine andere Form zu verleihen. Ohne Rücksicht auf ihre Form verläuft das axiale Feld geradlinig, solange die Rotationssymmetrie erhalten bleibt. Durch richtige Bemessung der Schlitze und Wahl der Spulenlänge läßt sich die erforderliche Kompensation des Abfalls der axialen Feldstärke fast vollständig erzielen. Die Kurve 92 in Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der gemessenen axialen Feldstärke für eine Spule mit Ausgleichskerben und zeigt die gegenüber den Spulen bekannter Art nach Fig. 4 (Kurve 70) erzielte große Verbesserung.

Fig. 7 veranschaulicht, auf welche Weise die Erfindung an einer Drahtspule verwirklicht werden kann. Die Drähte 80 sind um einen Zylinder 82 gewickelt. Sie steigen und fallen abwechselnd über bzw. unter eine zentrale Querebene 84. Der Hohl­ leiter 86 würde sich in diesem Fall durch die Öffnung zwischen der Spule 80 und dem Endstück des Magneten an einem Punkt erstrecken, wo die Drähte sich nach unten von dem Endstück entfernen. Diese Spule hat eine gewisse Ähnlichkeit mit den in einigen Plasmaeinschließungsversuchen verwendeten "Baseball"- Spulen. Sie unterscheiden sich von diesen jedoch sowohl der Form als auch der Funktion nach, da sie ein gleichmäßiges Feld anstatt eines zur Einschließung dienenden Magnetspiegelfeldes erzeugt.

Fig. 8 zeigt schematisch den Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Folienspule. Sie veranschaulicht die Tatsache, daß die Aus­ gleichsbereiche nahe dem unteren Ende der Spule nicht den Arbeits­ schlitzen 60′′ und 63′′ zu gleichen und nicht einmal die Form von Schlitzen zu haben brauchen. Ein Paar von Löchern 90 von be­ liebiger geeigneter symmetrischer Form kann das benötigte strom­ formende Hindernis bilden. Die Ausgleichsbereiche brauchen sich auch nicht radial ganz durch die Spule 62′′ zu erstrecken. Bei einer anderen Ausführungsform wird mit schmalen Schlitzen gearbeitet, die den axialen Wärmefluß nicht so stark stören wie breite Schlitze. Jeder Ausgleichsbereich kann eine Anzahl von Schlitzen, Nuten oder Öffnungen aufweisen.

Die Bereiche zum Hemmen des Stromflusses können auch andere Formen haben. Jeder zum Hemmen des Stromflusses an den richtigen Punkten vorgesehener Bereich erfüllt den Zweck. Die von der Achse weg gerichtete sattelförmige Verformung kann dadurch verkleinert werden, daß man mehr als die zwei Paare von stromfluß­ hemmenden Bereichen vorsieht, die jeweils die erforderliche Symmetrie aufweisen. Die Verwendung von mehr als zwei Paaren erhöht natürlich den elektrischen Widerstand der Spule.

Claims (9)

1. Solenoidförmige elektromagnetische Spule zum Richten eines Stromes geladener Teilchen mit Hilfe eines im wesentlichen gleichmäßigen Magnetfeldes entlang der Achse der Spule, bei der eine gerade Anzahl erster Bereiche in Umfangsabständen nahe einem ersten Ende der Spule vorhanden ist, die den Spulenstromfluß hemmen, so daß der Strom gezwungen ist, um die ersten Bereiche herum von dem ersten Ende der Spule abzuweichen, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleich große gerade Anzahl in einem axialen Abstand von dem ersten Ende der Spule angeordneter zweiter Bereiche (68′, 90) vorhanden ist, die den Spulenstrom hemmen und ihn von der Umfangsrichtung in axialer Richtung entgegengesetzt zu den ersten Bereichen ablenken, und daß die zweiten Bereiche in Umfangsabständen zwischen den ersten Bereichen (66′) verteilt sind.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche (66′) unter einem Winkel von 180° um die Achse rotationssymmetrisch angeordnet sind.

3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche (68′) jeweils in der Mitte zwischen den ersten Bereichen (66′) azimutal um die Achse verteilt sind.

4. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche (68′) unter einem Drehwinkel von 180° um die Achse symmetrisch zueinander angeordnet sind.

5. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (82) aus einem Bündel im wesentlichen paralleler drahtförmiger Leiter (80) besteht, und daß die Bereiche (66′ 68′) durch periodische axiale Verlagerung der Leiter (80) aus einer zu der Achse rechtwinkligen Ebene (84) heraus gebildet sind.

6. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (74) einen aus einem in Umfangsrichtung gewickelten Metallband bestehenden Leiter aufweist.

7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche (66′) Kerben (60′, 63′) umfassen, die in dem einen Ende der Spule (74) angebracht sind.

8. Spule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche (68′) Kerben (76) umfassen die in dem zum ersten Ende entgegengesetzten Ende der Spule (74) angebracht sind.

9. Spule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche in der Spule (62′′) angebrachte Löcher (90) umfassen.