Radar: Vervaardiging van experimentele magnetrons (1953 – 1955)

Vervaardiging van experimentele magnetrons (1953 – 1955)

In april 1948 benoemde de Nederlandse overheid een Radarcommissie. De taakopdracht was de vraag en markt voor radar in kaart te brengen en aanbevelingen op te stellen. De aanbevelingen moesten gaan over hoe de Nederlandse markt het beste bediend zou worden: eigen R&D en productie, keuze voor buitenlandse apparatuur onder licentie vervaardigd. Voorzitter van de commissie was jhr.ir. J.L.W.C. von Weiler. De commissie kwam al snel met de aanbeveling voor radar-R&D en -productie in Nederland, met als kernen het Physisch Laboratorium in Den Haag, het LEO (latere LEOK) te Oegstgeest en Philips. Om die reden werkte het Physisch Laboratorium TNO en Philips in de begin jaren ’50 nauw samen, met name in de ontwikkeling van magnetrons voor radarsystemen.

Magnetrons werden al in 1921 beschreven. Vanaf 1922 was de split-anode structuur in ontwikkeling. [Radiomuseum]

In de hiernavolgende beschrijving uit 1954 wordt een uiteenzetting gegeven van de fabricage van magnetrons bij TNO zoals beschreven in een intern rapport. De licht geredigeerde tekst geeft een goed inzicht in de inventiviteit bij TNO om magnetrons zelf te vervaardigen:

Er wordt geen gedetailleerde beschrijving gegeven van de verschillende handelingen; deze zijn namelijk te vinden in het Philips rapport no.55100. Slechts over het soldeerproces van de drie tuiten van de magnetrons is wat uitvoeriger geschreven, omdat hier voor de verhitting van het blok een andere methode gevolgd is.

Materialen

Het materiaal en de onderdelen op één uitzondering na, zijn van Philips betrokken. Het oxygen-free high thermal conductivity (O.F.H.C.) koper voor de blokken en de eindplaten is geleverd als staf van 50 mm diameter resp. strip van 50 x 2 mm2. De blokken en deksels worden in eigen (TNO) werkplaats vervaardigd. De kathoden zijn voor een deel gemonteerd geleverd.

Anodedraden, cavity en deksels (Philips)
Kathodedraden met glasdoorvoer, cavity (trilholte) en deksels (Philips).

De glasmetaalverbindingen zijn geheel afgewerkt geleverd, zodat ze meteen, na reinigen, in de blokken gesoldeerd kunnen worden. Het zilversoldeer, gouddraad, molybdeendraad en het koperdraad voor de ‘straps’ [flexibele verbindingen] zijn in lengten voor totaal 10 magnetrons geleverd.
Een uitzondering vormen de koelmantels, die reeds eerder in eigen werkplaats vervaardigd waren.
Voor de opbouw van het hoogvacuüm stel zijn enige glazen onderdelen eveneens van Philips betrokken, evenals een map tekeningen en voorschriften, gemerkt no.55100, voor het vervaardigen van magnetron no. CV 76.
Het blok en de deksels worden, zoals reeds vermeld, in eigen werkplaats vervaardigd, volgens tekening in map no. 55100. Hierbij treden geen speciale moeilijkheden op.
De straps worden in een hiervoor gemaakte mal gebogen en op lengte gemaakt, waarna ze in de in het blok geboorde gaatjes gezet worden. Door de randen van de gaatjes, met een speciaal daarvoor vervaardigd ponsje, naar binnen te drijven, worden de straps vastgezet.
Voordat overgegaan wordt tot het solderen moeten blok en tuiten ontvet en gebeitst worden. Het ontvetten gebeurt in gasoline en het beitsen in resp.:

  • in warm zoutzuur; spoelen in water;
  • in chroomzuur; spoelen in water;
  • in glasbeits; spoelen in water;
  • neutraliseren in ammonia; spoelen in water;
  • spoelen in gedestilleerd water;
  • spoelen in alcohol.

Deze bewerkingen gelden ook voor de 3 tuiten, met uitzondering van het glasbeitsen. Na deze bewerkingen mogen blok en tuiten niet meer met de handen worden aangepakt, omdat hierdoor de zuivere metaaloppervlakken weer verontreinigd zouden worden. Om dit te voorkomen moeten ze met nylon handschoenen worden aangepakt.

Nylon handschoenen (1953)
Nylon handschoenen (1953)
Solderen

De volgende handeling is het insolderen van de tuiten. Het verhitten van de blokken gebeurt bij Philips door middel van HF-verhitting. Dit is wel een zeer zinnelijke methode van werken, die door ons [TNO] echter niet kon worden toegepast, daar wij niet de beschikking over een toestel van een dergelijk vermogen hebben. Er moest dus naar een andere mogelijkheid voor het verhitten gezocht worden, waarbij het mogelijk moest blijven het blok met de tuiten tijdens het soldeerproces in een reducerende atmosfeer te houden. Er werd o.a. aan gedacht het blok door middel van een gasvlam te verhitten; de moeilijkheid daarbij was de verbrandingsgassen en de reducerende atmosfeer gescheiden te houden. Hiervoor is tenslotte een oplossing gevonden, die later in de praktijk uitstekend bleek te voldoen, niet alleen doordat het soldeerproces zonder moellijkheden verloopt, maar mede door de tijdsbesparing van +/- 50%, die verkregen wordt ten opzichte van de hoogfrequente (H.F.)-verhittingsmethode.

Complete opstelling voor het solderen van de magnetron
Complete opstelling voor het solderen van de magnetron

 

Complete opstelling voor het solderen van de magnetron
Tekening van het soldeerapparaat voor magnetrons

Het anodeblok wordt tussen de twee bussen A (zie bovenstaande tekening) geklemd, waarvan er één vast in het huis B is aangebracht, terwijl de andere door middel van twee veren tegen het anodeblok wordt aangetrokken. De eindplaten van deze bussen bestaan uit een chroom-ijzer legering, waarvan het oxide in de reducerende atmosfeer niet gereduceerd wordt. Op die manier wordt voorkomen dat het vloeibare zilversoldeer zich aan deze eindplaten hecht, waardoor het blok eraan gesoldeerd zou worden en na afkoelen dus niet meer te verwijderen zou zijn.
De drie tuitjes worden door middel van in het huis B bevestigde hulpstukken zodanig opgesteld dat ze haaks en diametraal t.o.v. het anodeblok staan; tijdens het solderen worden ze in die stand gehouden.
Om elk tuitje wordt, voordat het in het anodeblok aangebracht wordt, een draadje molybdeen en een ringetje zilversoldeer aangebracht. Het ringetje zilversoldeer moet van tevoren gebeitst en gereduceerd worden.

Opstelling van de tuitjes in het anodeblok, met de hulpstukken, die ze op hun plaats houden.

 

Aanzicht vanaf andere zijde
Aanzicht vanaf de andere zijde

Bovenstaande foto’s geven de opstelling van de tuitjes in het anodeblok, met de hulpstukken, die ze op hun plaats houden. Nadat de tuitjes op de juiste plaats zijn aangebracht worden de beide glazen cilinders aangebracht, evenals het deksel D. Daarna wordt gedurende 5 min menggas doorgevoerd, waarna de beide branders ontstoken worden. De ontwikkelde warmte zal nu via de eindplaten van A in het anodeblok doortrekken. Nadat het zilversoldeer gevloeid heeft worden de beide branders gedoofd.

Een voordeel t.o.v. de H.F.-verhittingsmethode is dat in de bussen A nu perslucht geblazen kan worden, waardoor deze beide bussen en het anodeblok geforceerd worden afgekoeld, iets dat bij de H.F.-verhitting niet mogelijk is. Door deze geforceerde afkoeling wordt een tijdsbesparing van +/- 50% verkregen.

Het menggas moet binnen in het anodeblok toegevoerd worden, opdat het direct in contact komt met de oppervlakken, die gereduceerd moeten worden. Door het menggas boven in het soldeerapparaat in te voeren, hetgeen aanvankelijk werd gedaan, kwam het menggas niet in voldoende mate binnen in het blok: de inwendige oppervlakken werden niet gereduceerd.

Puntlassen en afregelen

Nadat het blok is afgekoeld en uit het soldeerapparaat verwijderd, wordt de kathode erin gepuntlast. Voor het puntlassen wordt de kathode met behulp van twee mallen op de juiste plaats, in de centrale boring, aangebracht en daarna aan de twee molybdeen doorvoerdraden gepuntlast.
De volgende handeling is het instellen van de juiste frequentie waarbij het magnetron moet komen te werken. Dit geschiedt in een hiervoor geschikte meetleiding, door de straps min of meer te verbuigen. Het is nodig gebleken de beide deksels tijdens het meten op het anodeblok te klemmen, omdat anders een verkeerde afregeling wordt verkregen. Hierna worden de deksels gebeitst en de belde randen van het blok worden blank geschuurd.
Op een rand van het blok wordt nu een van tevoren klaargemaakte goudring gelegd met daarop een deksel. Dan wordt het geheel voorzichtig omgekeerd, vervolgens wordt het tweede deksel aangebracht waarna het geheel tussen een paar stevige ijzeren platen geklemd wordt door middel van vier bouten. Bij het aanbrengen van de deksels moet er op gelet worden dat het deksel, gemerkt “kathode”, aan de niet-geïsoleerde kant van de kathode wordt aangebracht. De vier bouten moeten voldoende aangetrokken worden om te voorkomen dat er tijdens het vacuümpompen lucht tussen de goudring en het deksel, resp. blok, naar binnen kan lekken.

Vacuüm

Het hele pakket wordt nu aan een statiefje opgehangen en het glazen buisje, dat zich aan een van de tuiten bevindt, wordt aan de pompstengel van het hoogvacuüm stel gesmolten.

Statiefopstelling
Statiefopstelling

Pompstel en magnetron worden nu met de voorvacuümpomp voorgepompt, waarna de hoogvacuümpomp wordt aangezet. Wanneer nu het voorgeschreven vacuüm is bereikt, hetgeen een teken is dat de goudringen voldoende afdichten, wordt de oven over het magnetron aangebracht en de temperatuur geleidelijk opgevoerd tot 470° C, terwijl de hoogvacuüm pomp blijft pompen. Bij deze bewerking worden ten eerste het blok en de deksels ontgast, hetgeen te merken is aan het aanvankelijk oplopen van de manometer. Het eigenlijke doel van deze behandeling is echter het solderen van de deksels aan het anodeblok, dus het verkrijgen van een goede hoogvacuüm afdichting. Dit geschiedt doordat bij deze temperatuur en druk van het goud op het koper een diffusie plaats vindt van het goud in het koper. Met andere woorden: er wordt ter plaatse van het contact goud-koper een legering gevormd. Door het verschil in uitzettingscoëfficiënt tussen het koper en het staal van de bouten zal namelijk de druk tussen het goud en het koper nog toenemen.

Kathode maken

Een tweede bewerking, die tevens moet gebeuren, is het formeren van de kathode. Hiertoe worden, voordat de oven over het magnetron wordt geplaatst, de beide kathode-aansluitingen met een gloeispanningstrafo verbonden. Wanneer de oven op temperatuur is gekomen wordt de gloeispanning voorzichtig opgevoerd. Op de Penning-manometer wordt nu waargenomen dat er grote hoeveelheden gas vrijkomen, nl. koolzuurgas, doordat het barium-strontium-carbonaat in het oxide wordt omgezet, waarbij C02-gas vrijkomt. Nadat alle handelingen volgens voorschrift zijn geschied is het formeren van de kathode voltooid.
Om het verwijderen van het C02-gas sneller te doen verlopen wordt om de koeler van het hoogvacuümstel in plaats van vloeibare lucht vloeibare stikstof aangebracht. Hiermede bereikt men dat het koolzuurgas niet behoeft te worden weggepompt, maar dat het ten gevolge van de lagere temperatuur van de vloeibare stikstof in de koeler wordt vastgehouden.

Deze totale bewerking neemt ongeveer twee uur in beslag en mag als beëindigd worden beschouwd wanneer het vacuüm een weer nieuw voorgeschreven waarde heeft bereikt. De oven wordt nu uitgeschakeld en moet eerst afkoelen tot +/- 250° C, waarna hij van het magnetron verwijderd mag worden.

Ontgassen

Wanneer het magnetron voldoende is afgekoeld wordt het als diode met 300 V= bedreven, de anodestroom moet dan de voorgeschreven waarde hebben. Hierna volgt het pulsen met hoogspanning. De spanning moet bij deze behandeling zeer geleidelijk worden opgevoerd, om te voorkomen dat zeer heftige ontladingen de kathode zouden beschadigen. Het vacuüm moet hierbij goed in het oog gehouden worden, omdat tijdens de ontladingen grote hoeveelheden gas kunnen vrijkomen.
Deze behandeling wordt beëindigd wanneer de spanning tot +/-14 kV is opgevoerd en er praktisch geen ontladingen meer plaatsvinden. Hierna wordt nog even de 300 V= ingeschakeld en tenslotte wordt de gloeidraad nog enkele seconden overbelast om eventuele gasresten uit te drijven.
Wanneer het vacuüm de uiteindelijk voorgeschreven waarde bereikt heeft kan het magnetron van de pomp worden losgesmolten.

bedieningspaneel met de meetinstrumenten van de formeerapparatuur
Bedieningspaneel met de meetinstrumenten van de formeerapparatuur

 

Binnenkant van de kast met de verschillende aansluitklemmen
Binnenkant van de kast met de verschillende aansluitklemmen

Ten gevolge van de verhitting in de oven is de buitenkant van het magnetron zwaar geoxideerd en gebladerd. Deze oxidelaag moet voor het aanbrengen van de koelribben verwijderd worden. Het gehele magnetron wordt daarom eerst gebeitst in een beitsbad, waardoor het weer blank wordt. Bij dit beitsen moet er echter op gelet worden dat de litzedraadjes, die zich aan de kathode-aansluitingen bevinden, niet in het beitsbad worden gehouden. Het zuur, dat bij de inklemming opgezogen wordt, wordt na het spoelen in water niet meer verwijderd, waardoor de draadjes binnen enkele uren doorgevreten zouden zijn.
Volgens het [Philips] voorschrift zou het blok na het beitsen elektrolytisch vertind moeten worden. Dit is hier echter achterwege gelaten, omdat wij (TNO) niet over een dergelijk bad beschikken. Wanneer echter het magnetron na het beitsen niet meer verontreinigd wordt zal de tin op het roodkoper zeker goed vloeien. Wanneer dan de beide halve koelribben met de drie onderdelen om de outputtuit op de juiste plaats zijn aangebracht, wordt het gehele samenstel met tin aan elkaar gesoldeerd. Hierna wordt het magnetron in warm water gereinigd om het soldeerwater te verwijderen. Na drogen wordt het magnetron met lak gespoten, waarna de glazen klok, ter bescherming van de twee glazen tuiten van de kathode, geplaatst wordt. Nadat ten slotte de beide litzedraden aan de stekerlussen gesoldeerd zijn, is het magnetron gereed om in bedrijf gesteld te worden.

Philips 55100/2 magnetron
Philips 55100/2 magnetron

 

TNO magnetron in complete staat zonder aangebrachte magneten
Door TNO in 1953/54 nagebouwde magnetron

 

Magnetron zonder aangebrachte magneten
TNO magnetron (ander model) zonder aangebrachte magneten

 

TNO magnetron zonder aangebrachte magneten
TNO magnetron (ander model) zonder aangebrachte magneten

Vanaf de midden jaren ’50 werden commerciële magnetrons aangeschaft van Canadese, Engelse en Franse fabrikanten naast Philips magnetrons en werd gestopt met de eigen productie.