DE10111817A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz mit einer Kathodenanordnung mit beheizbaren Kathoden zum Emittieren von Elektronen, zwei Gitteranordnungen zum Steuern und Fokussieren des Elektronenflusses und einer Anode zum Empfangen der durch die Gitteranordnungen hindurchgehenden Elektronen vorgeschlagen. Die Kathodenanordnung und die erste Gitteranordnung sowie ein Sperr- oder Drosselelement definieren eine eine Resonanzkavität bildende Eingangskavität und eine Anode und die zweite Gitteranordnung eine gleichfalls eine Resonanzkavität bildende Ausgangskavität. Die Kathodenanordnung weist ein Kathodengehäuse auf, an oder in dem die Kathode als von dem Gehäuse getrenntes Teil mit Abstand zur Gehäusewand angeordnet ist, derart, daß eine Verformung der Kathodenanordnung aufgrund von unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen beheizbarer Kathode und umgebendem Gehäuse vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz ist in den US Patenten 5 883 367, 5 883 369 und 5 883 386 offenbart. Diese Vorrichtung weist zwei Resonanzkavitäten auf, eine Eingangskavität und eine Ausgangskavität, wobei die Eingangskavität eine Ka­ thode zum Emittieren eines linearen Elektronen­ strahls, einen Sperr- oder Drosselaufbau zum Abbloc­ ken eines Gleichstroms und zum Weiterleiten einer schwachen Schwingung und ein Gitter zum Fokussieren des Elektronenstrahls und zum Modulieren desselben hinsichtlich seiner Dichte umfaßt. Die Ausgangskavität weist ein Gitter und eine Anode auf, die den in der Dichte modulierten Elektronenstrahl bzw. dessen Elektronen empfängt, wobei eine Mikrowellenschwingung erzeugt wird. Ein Rückkopplungsstab, durch den die Resonanzkavitäten miteinander gekoppelt sind, ist mit der Eingangskavität verbunden und ragt in die Aus­ gangskavität hinein, wodurch eine Teil der Mikrowel­ lenenergie in die Eingangskavität rückgekoppelt wird. Die Mikrowellenenergie wird mittels einer mit der Ausgangskavität gekoppelten Antenne aus der Vorrich­ tung geleitet.

Diese bekannte Vorrichtung wird im wesentlichen für Mikrowellenofen verwendet, wobei in Mikrowellenofen als Mikrowellenquelle häufig ein zylindrisches Magne­ tron verwendet wird. Die oben beschriebene Vorrich­ tung weist gegenüber dem Magnetron den Vorteil auf, daß keine Magnete benötigt werden, um Elektronen zu fokussieren. Die Betriebsspannung ist mit etwa 500 bis 600 Volt niedriger als bei einer Mikrowellenquel­ le mit Magnetron und ein Transformator wird nicht be­ nötigt. Die Ausgangsleistung ist veränderbar durch Verwendung eines Widerstandes zwischen Gitter und der Kathode. Der elektromagnetische Rauschpegel der Vor­ richtung ist sehr niedrig, da die Mikrowellenenergie durch eine Linearbewegung der Elektronen erzeugt wird.

Bei der bekannten Vorrichtung ist eine präzise Aus­ richtung der Bauelemente, d. h. der Kathode, zwei Git­ ter und einer Anode wichtig. Die Zwischenabstände liegen in dem Bereich von 0,1 bis 1 mm, die üblicher­ weise bei einer kalten Anordnung kein Problem dar­ stellen. Allerdings liegt die Temperatur der Katho­ denflächen im Bereich von 600°C bis 1.000°C. Bei sol­ chen hohen Temperaturen ist es aufgrund der thermischen Deformationen schwer, die präzise Ausrichtung beizubehalten, wodurch es beispielsweise zu einem Kontakt zwischen dem Gitter und der Kathode, aber auch zwischen den Gittern selbst oder zwischen dem Gitter und der Anode kommt. Dies ist ein kritisches Problem zum Betreiben der oben genannten Vorrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Fre­ quenz zu schaffen, bei der elektrische Kurzschlüsse, insbesondere zwischen Kathode und Gitter aufgrund thermischer Deformationen weitgehend vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen mög­ lich.

Dadurch, daß die Kathodenanordnung ein Kathodengehäu­ se aufweist, an oder in dem die Kathode als von dem Gehäuse getrenntes Teil mit Abstand zur Gehäusewand angeordnet ist, wird eine Verformung der Kathodenan­ ordnung aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten zwischen beheizbarer Kathode und umgebenden Gehäuse vermieden. Das Kathodengehäuse hält die Kathode gegebenenfalls mittels eines Katho­ denkörpers unter Einhaltung einer Lücke zwischen den Teilen. Die Lücke dient als Puffer für die Ausdehnung aufgrund von Wärme.

Vorzugsweise ist das Kathodengehäuse als Zylinder mit an der Umfangsfläche des Zylinders angesetztem Flansch ausgebildet, wobei die Kathode in dem Zylinder mit Lücke angeordnet ist. Auf diese Weise wird entsprechend der Erfindung in der Eingangskavität ei­ ne klare Trennung zwischen der Elektronen emittieren­ den Fläche und der Resonanzfläche vorgegeben. Die Gitteranordnung besteht in vorteilhafter Weise aus einem ringförmigen Gitterhalter mit speichenförmigen Stegen, das heißt es ist ein Innenring und ein Außen­ ring vorgesehen, der durch Speichen verbunden ist, und das Gitter liegt auf dem Rand und den Stegen des Gitterhalters auf und ist kraft- und/oder formschlüs­ sig an diesem festgelegt.

In vorteilhafter Weise ist das Kathodengehäuse, ein zwischen Kathodengehäuse und Gitterhalter der ersten Gitteranordnung angeordnetes ringförmiges Sperr- oder Drosselelement und die Gitterhalter der zwei Git­ teranordnungen mittels Ausrichtstiften zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage zueinander festgelegt, wodurch die Ausgangskavität sicher oberhalb der Ein­ gangskavität und parallel zu ihr ausgerichtet ist, wobei die elektrische Isolierung zwischen den zwei Kavitäten unter Verwendung von keramischen Abstands­ elementen, die die Ausrichtstifte abschirmen, reali­ siert ist.

Aufgrund der obigen Anordnung wird ein optimales De­ sign und eine optimale Anordnung der Komponenten ge­ währleistet und eine thermische Deformation, wie ein Durchsacken der Gitter, wird aufgrund der Brücken- oder Stegstruktur erfolgreich reduziert, wobei auf­ grund der sauberen Abstandshaltung und Ausrichtung der Komponenten zueinander Kurzschlüsse zwischen den Komponenten vermieden werden und wodurch eine gute Fokussierung der Elektronenstrahlen gewährleistet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorrichtung zur Er­ zeugung von Mikrowellen nach einem Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch den unteren Teil der Vor­ richtung nach Fig. 1 mit Eingangskavität und Ausgangskavität,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch Teile der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 2 mit Ein­ gangskavität,

Fig. 4 eine Aufsicht von unten auf ein Kathodenge­ häuse sowie eine Seitenansicht des Kathoden­ gehäuses,

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Kathodenkörper sowie eine Schnittansicht und eine Aufsicht auf ein Elektronen emittierenden Plättchen,

Fig. 6 eine Aufsicht auf eine Kathode und eine Schnittansicht entsprechend den Schnittlinien A-B nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 eine Aufsicht und eine Schnittansicht A-B auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung,

Fig. 8 eine Aufsicht und eine Schnittansicht A-B ei­ ner Kathode nach einem weiteren Ausführungs­ beispiel der Erfindung,

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Rück­ kopplungsanordnung,

Fig. 10 eine Aufsicht auf ein Sperr- bzw. Drosselele­ ment,

Fig. 11 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der ersten Gitteranordnung,

Fig. 12 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der zweiten Gitteranordnung, und

Fig. 13 eine Aufsicht auf die Anode von unten gese­ hen.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist eine von einem Gehäuse 32 umgebene Vakuumkammer 2 auf, in der eine Kathodenanordnung, eine Gitteranord­ nung und teilweise eine Anodenanordnung aufgenommen sind, die näher in Fig. 2 zu erkennen sind. Ein Teil der an dem Gehäuse 32 der Vakuumkammer 2 festgelegten Anode 3 ragt in eine Kühlkammer 4 hinein, in der Kühlrippen 5 zur Ableitung der Wärme von der Anode 3 zwischen Anode 3 und einem Gehäuse 6 angeordnet sind. Eine stabförmige Antenne 7 ist mittig zur Anode 3 ausgerichtet und durch eine Keramikscheibe 8 gegen die Anode 3 isoliert. Sie endet anodenseitig in einem Koppelelement 9 während das andere Ende in einer Kap­ pe 10 aufgenommen ist, wobei ein keramischer Zylinder 11 die Antenne 7 vom übrigen Gehäuse isoliert.

In Fig. 2 sind die Bestandteile, die in der Vakuum­ kammer 2 aufgenommen sind, genauer dargestellt. Es sind zwei Resonanzräume bzw. Resonanzkavitäten paral­ lel übereinander angeordnet, eine Eingangskavität 12 und eine Ausgangskavität 13. Die als Ringraum ausge­ bildete Eingangskavität 12 wird begrenzt von einer Ringanordnung, die von einem Kathodengehäuse 14, ei­ ner Sperr- oder Drosselanordnung 16 und einem Gitter­ halter 17 gebildet wird. In das Kathodengehäuse 14 ist eine Kathode 15 eingesetzt und auf dem Gitterhal­ ter 17 ist ein Gitter 18 angeordnet. Eine Rückkopp­ lungsanordnung 19 ist im mittleren Bereich innerhalb des Kathodengehäuses 14 vorgesehen. Die Eingangskavi­ tät 12 ist im Bereich zwischen Gitter 18 und Kathode 15 sehr eng bemessen, d. h. der Abstand zwischen den Bauelementen liegt etwa im Bereich von 0,1 mm. Daher müssen die Abstände auch im Betrieb eingehalten wer­ den, damit keine Kurzschlüsse auftreten.

Oberhalb der Eingangskavität 12 ist in paralleler An­ ordnung die Ausgangskavität 13 vorgesehen, die als toroidaler Raum ausgebildet ist und die von der Anode 3, einem Gitterhalter 20 für ein Gitter 21 sowie ei­ ner die Ausgangskavität 13 ringförmig umgebenden Wand 22, die Bestandteil der Anode 3 ist, begrenzt. In ei­ nen mittleren Raum zwischen Anode 3 und Gitterhalter 20 ragt das mit der Antenne 7 verbundene Kopplungs­ element 9 hinein. Weiterhin durchgreift ein Abstimm­ stift 23 die Umgebungswand 22, der zur Änderung der Resonanzfrequenz in der Ausgangskavität 13 dient.

In Fig. 3 ist die Kathodenanordnung, die das Katho­ dengehäuse 14 und die Kathode 15 aufweist, die Dros­ selanordnung 16 und die erste Gitteranordnung mit Gitterhalter 17 und Gitter 18 näher dargestellt. Dazu ist zu bemerken, daß zur Verdeutlichung der Abstand zwischen Kathode 15 und Gitter 18 sehr viel größer dargestellt ist, als er maßstabgetreu wäre.

Die Kathode 15 ist als thermoionische Kathode ausgebildet, daher ist unterhalb der Kathode 15 eine Heiz­ vorrichtung 24 angeordnet, die einen spiralförmigen Heizdraht 25 aufweist. Die Heizvorrichtung 24 ist in einem zylinderförmigen Gehäuse 26, das einen Schenkel parallel zur Kathode 5 aufweist, aufgenommen, wobei ein mit dem Kathodengehäuse 14 z. B. durch Schweißen verbundener Zylinder 75 mit abgebogenem Schenkel das Gehäuse 26 nach oben drückt. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 26 und der Zylinder 75 aus Tantal. Der spiralförmige Heizdraht 25 ist über keramische Ringe 27 an dem Heizgehäuse 26 befestigt, wobei die elek­ trischen Anschlüsse 28 für den Heizdraht 25 mittels einer keramischen Durchführung 29 mit zwei Bohrungen realisiert ist. Das Heizgehäuse 26 weist in dem Be­ reich der Durchführung 29 einen Zylinderansatz 30 auf, der die Durchführung 29 abstützt. Die elektri­ schen Anschlüsse 28 sind mit einem Stecker 31 verbun­ den, der an dem die Vakuumkammer 2 umgebenden Gehäuse 32 befestigt ist (s. Fig. 1).

Das Gehäuse 26 der Heizvorrichtung 24 wird am äußeren Umfang vom Kathodengehäuse 14 umgriffen, wobei das Kathodengehäuse näher in Fig. 4 dargestellt ist. Das Kathodengehäuse 14 weist einen Innenzylinder 33 auf, an dem ein Flansch 34 angesetzt ist. Der Flansch ist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 35, die, wie spä­ ter beschrieben wird, zur Ausrichtung über Ausricht­ stifte dienen. Der Innenzylinder 33 weist über seinen Umfang gesehen vier Einschnitte 36 auf, die mit dem Gitterhalter 17 zusammenarbeiten. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, weist der Zylinder eine nach innen ge­ richtete Abbiegung 37 auf.

In dem Zylinder 33 des Kathodengehäuses 14 ist die Kathode 15 aufgenommen, die in verschiedenen Ausfüh­ rungsbeispielen in den Fig. 5 bis 8 dargestellt ist und die einen Kathodenkörper 38 und eine Elektronen emittierende oder sensitive Fläche 39 aufweist. In Fig. 5 ist die Elektronen emittierende Fläche 39 als ringsegmentartige Plättchen ausgebildet, die mittels Stiften 40 an dem Kathodenkörper 38 befestigbar sind. Der Kathodenkörper 38, der gleichfalls ringförmig ausgebildet ist, weist an seinem inneren und äußeren Umfang Abstufungen 41 auf, die zur Festlegung in Be­ zug auf das Kathodengehäuse 14 dienen. Dazu greift die Abbiegung 37 über die Abstufung.

Die Kathode 15 ist in das Kathodengehäuse 14 einge­ setzt, wobei der Kathodenkörper 38 einerseits auf dem zylinderförmigen Heizgehäuse 26 aufliegt und anderer­ seits von einem Zylinder 42 abgestützt wird, der auf einer Abstufung eines zentral angeordneten Rückkopp­ lungskörpers 43 aufliegt. Der Rückkopplungskörper 43 ist Bestandteil der Rückkopplungsanordnung 19, die weiter unten beschrieben wird. Weiterhin ist eine Ab­ deckung 44 mit dem Rückkopplungskörper 43 z. B. durch Schweißen verbunden, wobei die Abdeckung 44 den Ka­ thodenkörper umgibt und die Abstufung 41 am Innen­ durchmesser des Kathodenkörpers übergreift. Zwischen dem äußeren Umfang des Kathodenkörpers 38 und gegebe­ nenfalls der sensitiven Fläche und dem Innenumfang des Zylinders 33, auch im Bereich der Abbiegung 37 des Kathodengehäuses sowie den entsprechenden Um­ fangsflächen der Abdeckung 44 ist ein Spalt oder eine Lücke vorgesehen, so daß sich bei Erwärmung durch die Heizvorrichtung 24 die Kathode ausdehnen kann, ohne daß sie sich verbiegt. Die Lücke ist ein Puffer zum Ausgleich der Unterschiede des thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten zwischen dem Kathodengehäuse 14 und der Kathode 15.

Wie aus den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, liegen in Übereinanderlage auf dem Flansch 34 des Kathodenge­ häuses 14 das ringförmige Sperr- oder Koppelelement 16, das näher in Fig. 10 dargestellt ist, und darüber der äußere Randbereich des Gitterhalters 17, der nä­ her in Fig. 11 dargestellt ist. Das Sperr- oder Kop­ pelelement 16 besteht aus einer keramischen Scheibe 45 mit einem Mittelloch und einer Metallbeschichtung 46 um den äußeren Rand- und Kantenbereich herum, wo­ bei die Metallbeschichtung 46 keinen Kontakt mit dem Kathodengehäuse 14 oder dem Gitterhalter 17 hat. Ent­ sprechend dem Kathodengehäuse 14 weist das Drossel­ element 16 bzw. die keramische Scheibe 45 Durchgangs­ löcher 47 für Ausrichtstifte auf.

Der Gitterhalter 17 entsprechend Fig. 11 weist einen Innenring 47 und einen Außenring 48 auf, die durch vier Speichen oder Brückenglieder 49 verbunden sind. Der Außenring ist mit einer Abstufung versehen, um den Abstand zur Kathodenanordnung sicherzustellen. Im Außenring 48 sind Durchgangslöcher 50 für die Aus­ richtstifte vorgesehen. Das Gitter 18 mit einer Viel­ zahl von Löchern liegt auf dem Gitterhalter 17 auf, wobei die Speichen 49 ein Durchsacken des Gitters 18 bei hohen Temperaturen der Kathode 15 verhindern. Der Abstand zwischen dem Gitter 18 und der Kathode 15 liegt etwa zwischen 0,1 und 1 mm und der Durchmesser der Kathode und des Gitters ist etwa 40 mm. Das Git­ ter 18 wird durch vier rechteckige Ausschnitte 51 und Stifte 52 an dem Gitterhalter 17 festgelegt. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, durchgreifen Ausrichtstifte 53, die mit einer elektrisch isolierenden Hülse, z. B. einer Keramikhülse 54 umgeben sind, die Ausrichtlö­ cher 50 des Gitterhalters 17, die Durchgangslöcher 55 des Sperrelementes 16 und die Durchgangslöcher 35 des Flansches 34 des Kathodengehäuses 14. Die Ausricht­ stifte 53 werden jeweils unter Zwischenschaltung eines Abstandsringes 57 und eines Isolierringes 58 ein­ geschraubt. Für die Ausrichtung des Kathodengehäuses 14 mit Kathode 15 und des Gitterhalters 17 mit Gitter 18 sind am Umfang des Flansches 34 des Kathodengehäu­ ses und des Gitterhalters 17 Kerbmarken 59 vorgese­ hen, bei deren Übereinanderlage sichergestellt wird, daß die Stege 49 des Gitterhalters 17 in radiale Ver­ tiefungen 60 in dem Kathodenkörper 38 (siehe Fig. 5) unter Wahrung eines Abstandes dazwischen eingreifen können. Die Vertiefungen 60 des Kathodenkörpers 38 greifen in die Einschnitte 36 im Zylinder 33 des Ka­ thodengehäuses 14 ein.

Die zweite Gitteranordnung, die den Gitterhalter 20 und das Gitter 21 aufweist, liegt über der ersten Gitteranordnung. Die zweite Gitteranordnung, die in Fig. 12 dargestellt ist, ist ähnlich der ersten Git­ teranordnung nach Fig. 11 aufgebaut und weist einen mit Durchgangslöchern 77 versehenen Außenring 61 und einen Innenring 62 auf, die durch Speichen 63 verbun­ den sind. Das Gitter 21 liegt zur Vermeidung seines Durchsackens auf den Speichen 63 auf und ist gleich­ falls über rechteckige Einschnitte 64 und Stifte 65 festgelegt. Eine Kerbmarke 66 dient zur Positionie­ rung in Bezug auf die anderen Bauelemente. Die Aus­ richtstifte 53 mit den keramischen Hülsen durchgrei­ fen auch die Durchgangslöcher 77. Der Gitterhalter 20 ist fest mit der Anodenwand 22 verbunden und die Aus­ richtstifte 53 sind fest mit dem Gitterhalter 20 ver­ bunden

Die die Ausrichtstifte 53 umgebenden keramischen Hül­ sen 54 dienen gleichzeitig als Abstandselemente zwi­ schen dem Gitterhalter 20 und dem Gitterhalter 17, wodurch die Ausgangskavität und die Eingangskavität unter Einhaltung eines genauen Abstandes parallel zueinander angeordnet sind.

Die Anode 3 ist in Fig. 13, von unten gesehen, darge­ stellt. Sie weist vier segmentartige Vorsprünge 67 auf, wodurch ein äußerer Ringraum 68, der die Aus­ gangskavität darstellt, und ein innerer Ringraum 69 gebildet werden. In der den äußeren Ringraum 68 umge­ benden Anodenwand sind drei Durchgangslöcher 70 für die Abstimmstifte 23 vorgesehen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und 9 wird nun die Rückkopplungsanordnung 19 beschrieben. Die Rück­ kopplungsanordnung 19 weist den zentral angeordneten Rückkopplungskörper 43 auf, in den mittig ein Zylin­ der 73 und eine Schraubhülse 74 eingesetzt sind, wo­ bei alle drei Elemente vorzugsweise aus Molybdän be­ stehen. Ein Rückkopplungsstab 70 aus Kupfer ist in die Schraubhülse 74 eingeschraubt, wobei der Rück­ kopplungsstab auf einer ersten keramischen Scheibe 71 aufliegt, die an den Stirnflächen des Zylinders 73 und der Schraubhülse 74 angeordnet ist, wobei eine zweite keramische Scheibe 72 an den anderen Stirnflä­ chen und dem Rückkopplungskörper 43 anliegt.

Über den Stecker 31 wird, wie in Fig. 1 angedeutet, Massepotential oder eine positive Spannung an die An­ ode und eine negative Spannung an das Kathodengehäuse angelegt, wobei ein nicht dargestellter Trimmwider­ stand zwischen dem Gitterhalter 17 und dem Kathoden­ gehäuse 14 vorgesehen ist. Der Trimmwiderstand führt zu einer Potentialsperre in dem Gitter 18 für Elek­ tronen, wodurch die Menge der durch die Löcher in dem Gitter 18 hindurchgehenden Elektronen begrenzt wird. Daher ist eine Leistungssteuerung möglich.

Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Eine Anfangsmikrowellenschwingung wird der in der Ein­ gangskavität 2 erzeugt, wobei diese Schwingung einen Elektronenfluß in der Dichte moduliert. Der in der Dichte modulierte Elektronenstrom wird durch die Git­ ter 18, 21 fokussiert und zu der Anode 3 durch die zwischen Kathode und Anode liegende Spannung be­ schleunigt. Die Ausgangskavität 13 transformiert die kinetische Energie der Elektronen in Mikrowellenener­ gie. Ein Teil der Mikrowellenenergie wird zu der Ein­ gangskavität 12 rückgekoppelt. Dies führt dazu, daß die Schwingungen in der Eingangskavität und der Aus­ gangskavität harmonisiert werden.

Die Drossel- bzw. Sperranordnung 16 bewirkt, daß eine Anfangsmikrowellenschwingung in der Eingangskavität 12 erzeugt wird. Wenn die Heizvorrichtung die ther­ moionische Kathode 15 auf eine bestimmte Betriebstem­ peratur, z. B. zwischen 800 und 1000°C aufgeheizt wird, emittiert sie Elektronen. Durch die hohe Span­ nung, z. B. einer Gleichspannung von 550 V, zwischen der Kathode 15 und der Anode 3 fließen die Elektronen durch die ausgerichteten Löcher in dem Gitter 18 und dem Gitter 21 zu der Anode. Ein kleiner Anteil an Elektroden wird durch das Gitter 18 gefangen, wodurch ein negatives Potential gegen die Kathode 15 gebildet wird. Ein kleiner Strom fließt auf der Oberfläche in der Eingangskavität und die Stromrichtung wird durch die Drosselanordnung 16 geändert, die eine schwache Schwingung induziert. Die Drosselanordnung hat dabei die Funktion, einen Gleichstrom zwischen dem Gitter­ halter 17 und dem Kathodengehäuse 14 abzublocken. Das negative Potential an dem Gitter 18 steigt auf einen stabilisierten Wert, der durch den Trimmwiderstand vorgegeben wird. Als Ergebnis ist die Schwingungsam­ plitude stabilisiert und ein Elektronenstrom wird durch das Gitter 18 aufgrund der Schwingung in der Dichte moduliert. Das negative Potential an dem Git­ ter 18 induziert ein elektrostatisches Feld, das den Strom der Elektronen fokussiert. Die in der Dichte modulierten Elektronen werden zu den Vorsprüngen 67 der Anode 3 hin über das Gitter 18 und das Gitter 21 beschleunigt. In dem äußeren Ringraum 68 wird die ki­ netische Energie der Elektronen in Mikrowellenenergie transformiert. Das in den inneren Ringraum 69 hinein­ ragende Koppelelement überträgt den überwiegenden An­ teil der Mikrowellen an die Antenne 7, die die Ener­ gie an einen nicht dargestellten Wellenleiter auskop­ pelt. Der in den inneren Ringraum 69 hineinragende Rückkopplungsstab 70 überträgt einen Teil der Mikro­ wellenenergie an die Eingangskavität 12 über die ke­ ramischen Scheiben 71, 72, wodurch eine Kohärenz der Schwingungen sichergestellt wird.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Kathode entsprechend Fig. 4 beschrieben, die ei­ ne Kombination aus einem Kathodenkörper 38 mit steg­ förmigen Erhebungen und Metallplättchen 39 ist, die auf den Stegen befestigt sind. Diese Art der Kathode ist in der Herstellung relativ aufwendig, da die an­ gegebene Kombination eine besondere Herstellungstech­ nik verlangt. In Fig. 6 ist ein anderes Ausführungs­ beispiel einer Kathode 15 dargestellt, wobei Katho­ denkörper und Elektronen emittierende Kathodenfläche eine Baueinheit darstellen und als Formkörper aus po­ rösem Wolfram ausgebildet sind. Der Aufbau ist somit relativ einfach. Er hat jedoch den Nachteil, daß auf­ grund des kompakten Körpers die Aufheizzeit bis zur Kathodenbetriebstemperatur relativ länger ist. Die Aufheizzeit wird durch einen Formkörper nach Fig. 7 verringert, bei dem auf der dem Gitter abgewandten Seite eine Höhlung 75 eingeformt ist.

Die Kathode nach Fig. 8 besteht aus einem gepreßten Nickelblech auf das die Elektronen emittierende Flä­ che aufgesprüht oder aufgedruckt ist.

Die Kathoden nach Fig. 6 und 7 sind geeignet, wenn eine Vorratskathode für die erfindungsgemäße Vorrich­ tung verwendet werden soll. Eine Vorrats- oder Dis­ penserkathode weist einen Formkörper aus porösem Wolfram auf, in den bariumbasierende Metalloxide im­ prägniert sind. Diese Kathode emittiert einen großen Strom, aber die Betriebstemperatur ist sehr hoch liegt etwa zwischen 900°C und 1000°C. Der Kathoden­ aufbau nach Fig. 6 ist, wie schon erwähnt, relativ einfach in der Herstellung, aber nicht für einen schnellen Betrieb geeignet. Die Kathode nach Fig. 7 ist hinsichtlich des schnellen Betriebes verbessert, aber es ist ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt, das Aushöhlen der Unterseite, notwendig.

Neben den Dispenserkathoden können Oxidkathoden ver­ wendet werden. Die Oxidkathode weist Metalloxide auf der Basis von Barium auf, die auf ein Nickelblech ge­ druckt oder gesprüht sind. Eine solche Kathode ist in Fig. 8 dargestellt. Dabei ist die Betriebstemperatur relativ niedrig, z. B. 800°C, und sie ist insbesondere für die Massenfertigung geeignet und daher kostengün­ stig, aber sie emittiert einen niedrigen Strom. Eine dritte Art von Kathoden ist eine Metalllegierungska­ thode, die jedoch nicht weit verbreitet ist, da sie kostenintensiv ist. Diese Kathode ist ein Metallblech aus Pd-Ba oder Pt-Ba. Der Vorteil dieser Kathode liegt in der Betriebstemperatur, die relativ niedrig ist, z. B. zwischen 600°C und 700°C.

Der Kathodenaufbau nach Fig. 5 ist für alle drei oben beschriebene Verfahren anwendbar. Dabei können die als Plättchen ausgebildeten Elektronen emittierenden Flächen aus Formkörpern aus porösem Wolfram, in das Metalloxide auf der Basis von Barium imprägniert sind, aus einem Nickelblech, auf das Metalloxide auf der Basis von Barium aufgedruckt oder aufgesprüht sind und aus einem Legierungsblech aus Pd-Ba oder Pt- Ba bestehen.

Die Art der Kathoden wird aufgrund der gewünschten Ergebnisse gewählt.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen hoher Frequenz mit einer Kathodenanordnung mit beheiz­ barer Kathoden zum Emittieren von Elektronen, zwei Gitteranordnungen zum Steuern und Fokussie­ ren des Elektronenflusses und einer Anode zum Empfangen der durch die Gitteranordnungen hin­ durchgehenden Elektronen, wobei die Kathodenan­ ordnung und die erste Gitteranordnung eine eine Resonanzkavität bildende Eingangskavität und die Anode und die zweite Gitteranordnung eine gleichfalls eine Resonanzkavität bildende Aus­ gangskavität definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung ein Kathodengehäuse (14) aufweist, an oder in dem die Kathode (15) als von dem Gehäuse getrenntes Teil mit Abstand zur Gehäusewand angeordnet ist, derart, daß eine Verformung der Kathodenanordnung aufgrund von unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen be­ heizbarer Kathode (15) und umgebendem Gehäuse vermieden wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathodenanordnung einen in dem Gehäuse (14) aufgenommen ringförmigen Kathoden­ körper (38) aufweist, auf dem die Elektronen emittierende Fläche (39) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektronen emit­ tierende Fläche (39) mindestens ein auf dem Kathodenkörper als getrenntes Teil aufgebrachtes Metallplättchen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kathode (15) ein­ stückig ist, wobei der Kathodenkörper (38) mit der Elektronen emittierenden Fläche beschichtet ist oder die Fläche Bestandteil des Kathodenkör­ pers ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Git­ teranordnung (17, 18; 20, 21) einen ringförmigen Gitterhalter (17, 20) mit speichenförmigen Ste­ gen (49, 63) aufweist, wobei das jeweilige Git­ ter (18, 21) auf dem Rand und den Stegen des Gitterhalters aufliegt und kraft- und/oder form­ schlüssig an diesem festgelegt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gitter­ halter (17) der ersten Gitteranordnung und dem Kathodengehäuse (14) ein ringförmiges Sperr- oder Drosselelement (16) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sperr- oder Drosselelement (16) als teilweise metallisch beschichtete Kera­ mikscheibe ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodengehäuse (14), Drosselelement (16) und Gitterhalter (17, 20) der zwei Gitteranordnungen mittels Ausricht­ stiften (53, 54) zueinander ausgerichtet und in ihrer Lage zueinander festgelegt sind, wodurch Eingangskavität (12) und Ausgangskavität (13) parallel zueinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Git­ teranordnungen über elektrisch isolierende Ab­ standselement (54) beabstandet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstandselemente Bestandteil von keramischen Hülsen sind, die die Abstands­ stifte (53) umgreifen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplungs­ anordnung (19) zwischen Ein- und Ausgangskavität (12, 13) vorgesehen ist, die einen durch die Gitteranordnungen hindurchgreifenden Koppelstab (70) aufweist, der in einen Rückkopplungskörper (43, 71-74) eingesetzt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodengehäuse (14) einen Zylinder (33) mit angesetztem Flansch (34) aufweist, wobei innerhalb des Zylinders die Kathode, sowie ein in einem Gehäuse aufgenomme­ nes Heizelement (25) und die Rückkopplungsanord­ nung (19) aufgenommen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (15) und/oder die Elektronen emittierende Fläche (39) aus einem Körper aus mit Metalloxiden auf der Basis von Barium imprägnierten porösem Wolfram besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (15) aus einem Metallblech, vorzugsweise Nickelblech mit aufgesprühten oder aufgedruckten Metalloxiden, vorzugsweise auf der Basis von Barium besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und/oder die Elektronen emittierende Fläche aus einem Me­ tallblech aus Pd-Ba oder Pt-Ba besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterhalter (20) der zweiten Gitteranordnung mit einer die Ausgangskavität (13) begrenzenden Umfangswand der Anode (3) fest verbunden ist.