CH658749A5

CH658749A5 - Elektronenstrahlroehre.

Info

Publication number: CH658749A5
Application number: CH2678/82A
Authority: CH
Inventors: Vladimir Innoken Perevodchikov; Pavel Ivanovich Akimov; David Abramovich Skibityansky; Valentina Nikolaevna Shapenko; Lev Vladimirovich Loginov; Alexandr Lvovich Shapiro; Arkady Nikolaevich Yakovlev; Vitaly Mikhailovi Kosmachevsky
Original assignee: Vsesoyuzny Elektrotekhnichesky
Priority date: 1980-08-27
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1986-11-28
Also published as: JPS57501552A; WO1982000734A1; DE3050541A1; US4469982A; JPS6347105B2

Description

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine Gesamtansicht der axonometrisch dargestellten Elektronenstrahlröhre,

Fig. 2 einen Modul der Elektronenstrahlröhre nach Fig. 1 im Querschnitt, und

Fig. 3 einen Modul einer anderen Ausführungsform der Elektronenstrahlröhre ebenfalls im Querschnitt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die erfindungsgemässe Elektronenstrahlröhre enthält in einem Mantel 1 (Fig. 1) im Elektronenstrahlengang hintereinander koaxial angeordnet eine Kathode 2, eine Steuerelektrode 3, eine Schutzelektrode 4 und eine Mehrkammeranode 5.

Die Kathode 2 besteht aus einzelnen Streifen 6, die in der Längsrichtung der Röhre angeordnet sind und deren Oberflächen als Emissionsbereiche der Kathode 2 dienen. Die Streifen 6 sind in Rohren 7 untergebracht, die Längsschlitze 8 (Fig. 2) zum Austritt des Elektronenstrahls aufweisen. Die Wände jedes Schlitzes 8 bilden eine kathodennahe Fokussierelektrode 9 auf, die mit der Kathode 2 elektrisch verbunden ist.

Für jeden Kathodenstreifen kann auch eine kathodennahe Fokussierelektrode anderer Bauart vorgesehen werden.

Die Steuerelektrode 3 (Fig. 1) ist in Form von Stangen 10 ausgeführt. Für jeden Streifen 6 (Fig. 2) ist ein Stangenpaar 10 vorgesehen, die bezüglich des Streifens 6 in der Weise angeordnet sind, dass der gesamte durch die Fokussierelektrode 9 gebündelte Elektronenstrahl zwischen diesen Stangen

10 hindurchkommt.

Die Schutzelektrode 4 (Fig. 1 ) ist koaxial zur Kathode 2 zwischen der Mehrkammeranode 5 und in der Nähe der Steuerelektrode 3 angeordnet und ist in Form eines Zylinders

11 mit Längsschlitzen 12 (Fig. 2) nach der Zahl der Streifen 6 der Kathode 2 ausgeführt, die als Fenster für den Durchgang des durch die kathodennahe Fokussierelektrode 9 gebün-. delten Elektronenstrahls zur Mehrkammeranode 5 dienen.

Die Schutzelektrode kann auch anderer Bauart sein, wobei jedoch Fenster für den Durchgang des durch die kathodennahe Fokussierelektrode gebündelten Elektronenstrahls zur Mehrkammerkathode vorhanden sind.

Jede Kammer 13 der Mehrkammeranode 5 ist durch einen einen Teil des für sämtliche Kammern 13 gemeinsamen Zylinders darstellenden und gegenüber einem Emissionsbereich der Kathode 2, in der gegebenen Ausführungsform der Röhre gegenüber dem Streifen 6, liegenden Boden 14, gebildet. Im Abstand vor dem Boden 14 und senkrecht zu diesem sind Hauptrippen 15 und vor jeder Rippe 15 im Elektronenstrahlengang senkrecht zu dieser Rippe 15 Zusatzrippen 16 angeordnet. Die Rippen 16 liegen so entfernt voneinander, dass die Schmalseiten der zugehörigen Rippen 16 einen Eintrittsspalt 17 für den Elektronenstrahl der Kamme 13 begrenzen.

s Der eine Streifen 6 der Kathode 2, das Paar der Stangen 1( der Steuerelektrode 3, die Schutzelektrode 4 in Form des Zylinders 14 mit dem Schlitz 12 und die Kammer 13 der Mehrkammeranode 5, die oben beschrieben sind, bilden einen in Fig. 2 gezeigten Modul 18 der Elektronenstrahl-lo röhre. Insgesamt sind im geschilderten Ausführungsbeispie der Röhre achtzehn Module 18 vorgesehen.

Für jeden Modul 18 der vorgeschlagenen Röhre sind die Breite jedes Streifens 6 der Kathode 2, die geometrischen Abmessungen jeder Kammer 13 der Anode 5 und der 15 Abstand zwischen den Streifen 6 der Kathode 2, den Stangei 10 der Steuerelektrode 3 und den Rippen 16 der Kammer 13 der Anode 5 entsprechend folgenden Beziehungen gewählt:

r--4(l);I <-< 10 (2); e > b (3).

b d c

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Dabei bedeuten:

a - Breite des Streifens 6 der Kathode 2,

b - Breite des Eintrittsspaltes 17 für den Elektronenstrahl de Kammer 13 der Anode 5,

25 c - Abstand zwischen dem Streifen 6 der Kathode 2 und den Stangen 10 der Steuerelektrode 3,

d - Abstand zwischen den Stangen 10 der Steuerelektrode 3 und den Rippen 16 der Kammer 13 der Anode 5,

e - Tiefe der Kammer 13 der Anode 5.

30 Zwischen dem den Boden 14 sämtlicher Kammern 13 bildenden Zylinder und dem Mantel 1 ist ein mit einem Kältemittel, z.B. mit Wasser 19, gefüllter Raum vorhanden.

Die Isolierung der Anode 5 (Fig. 1 ) von der Kathode 2 erfolgt durch übereinander angeordnete Isolatoren 20 und 35 21, die miteinander an deren einen Stirnseiten durch einen Übergangsring 22 verbunden sind. Die Verbindungsstelle de Isolatoren 20 und 21 ist durch einen elektrostatischen Schirr 23 abgeschlossen. Die anderen Stirnseiten der Isolatoren 20 und 21 sind mit dem Stirnteil des Bodens 14 der Mehr-40 kammeranode 5 bzw. mit einem Flansch 24 verbunden, der als Aussenanschluss der Kathode 2 und als Fuss der Elektronenstrahlröhre dient. Auf dem Flansch 24 sind eine magnetische Vakuumpumpe 25, zwei Isolatoren 26 für die Zuführungeiner Heizspannung und ein Isolator 27 für die Zufüh-45 rung einer Steuerspannung angeordnet. Auf dem Mantel 1 sind Stutzen 28 und 29 für die Zu- bzw. Ableitung von die Mehrkammeranode 5 abkühlendem Wasser 19 angeordnet.

Vorstehend ist eine Ausführungsform der Elektronenstrahlröhre beschrieben, in der die Stangen 10 der Steuerele so trode 3 und die Rippen 15, 16 der Kammer 13 der Anode 5 massiv ausgeführt sind. Diese Ausführungsform der Röhre ist am zweckmässigsten bei einem Anodenstrom von mehreren zehn Ampere zu verwenden.

Bei einem Anodenstrom von mehreren hundert Ampere 55 kann aber mit Erfolg eine Elektrodenstrahlröhre nach Fig. I angewendet werden, die ähnlich der Röhre nach Fig. 1 ausgi führt ist, mit dem Unterschied dass bei dieser die Stangen 3( der Steuerelektrode 3 hohl und die jede Kammer 13 der Anode 5 bildenden Rippen 31 und 32 in Form von Hohl-60 stangen ausgeführt sind. Alle genannten Hohlstangen sind mit einem Kältemittel, nämlich Wasser 19, gefüllt, was eine Anodenverlustleistung bis zu 1000 kW zulässt.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Elektronenstrahlröhre:

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Durch eine (in der Zeichnung nicht gezeigte) fremde Spai nungsqueiie wird ein zur Sicherung eines vorgegebenen Anodenstroms benötigtes Potential der Steuerelektrode 3

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(Fig. 1 ) geliefert. In jedem Modul 18 (Fig. 2,3) wird ein Elektronenstrahl vom Streifen erzeugt, der es gestattet, den durch die Röhre durchzulasenden Strom wesentlich zu erhöhen, weil der stabile Grenzstrom des Elektronenstrahls des Streifens in dem Masse einer Verlängerung des Streifens 6 (Fig. I) anwächst, der in der vorliegenden Konstruktion der Röhre -recht lang sein kann und real 40 cm ausmacht. Bei einem bestimmten Wert der Beschleunigungsspannung können also durch Vergrösserung der Gesamtlänge des Streifens 6 der Kathode 2 hohe Stromwerte pro Volumeneinheit der Röhre erzielt werden. Nach dem Durchgang der Steuerelektrode 3 bewegen sich die Elektronen in einem Bremsfeld der Anode 5, dessen Potential zwischen dem der Kathode 2 und dem der Steuerelektrode 3 liegt. Das Potential der Anode 5 wird möglichst nahe am Potential der Kathode 2 nur aber von solcher Grösse gewählt, dass keine Reflexion des Elektronenstrahls stattfindet. Der durch die Röhre fliessende Strom wird durch Änderung des Potentials an der Steuerelektrode 3 gesteuert. Der Abstand zwischen den benachbarten Stangen 10 der Steuerelektrode 3 wird so gewählt, um deren Beschuss durch die Primärelektronen zu eliminieren. Der Bremsweg der Elektronen bestimmt den Pegel der Betriebsspannung und dementsprechend die elektrische Festigkeit des Zwischenraumes zwischen der Steuerelektrode 3 und der Anode 5. Die Breite jedes Elektronenstrahls des Streifens steigt im Bremsfeld in dem Masse der Annäherung an die Anode 5 an, wobei die vorgeschlagene Beziehung für die geometrischen Abmessungen der Elektroden der erfindungsgemässen Röhre einen vollständigen Durchgang des Elektronenstrahls in die entsprechende Kammer 13 (Fig. 2,3) der Anode 5 sichert. Die Bedingung ( 1 ) entspricht einer Betriebsart mit einem stabilen Grenzstrom des Elektronenstrahls des Streifens.

Die Ungleichung (2) kennzeichnet die Hochvoltzahl der Röhre, den zulässigen Wert der an die Anode 5 (gegen die Kathode 2) aussen angelegten Spannung und den Wirkungsgrad. Die Ungleichung (3) kennzeichnet die Geometrie der Kammer 13, wenn die Sekundäremission vom Boden 14 der Kammer 13 der Anode 5 gering ist.

Zur Verringerung eines zur Steuerelektrode 3 fliessenden Stroms bei einer Betriebsart, wo das Potential der Anode 5 niedriger als das Potential der Steuerelektrode 3 liegt, dient die Schutzelektrode 4, an die ein dem Potential der Kathode 2 gleiches Potential gegeben wird. Die von der Anode 5 reflektierten Elektronen treffen erneut auf diese wegen des Minimums eines zwischen den Zusatzrippen 16 der Anode 5 und der Steuerelektrode 3 liegenden Potentials auf.

Der Wirkungsgrad T| der erfindungsgemässen Elektronenstrahlröhre wird durch Bremsverluste des Elektronenstrahls und den Pegel des zur Steuerelektrode 3 fliessenden Stroms bestimmt: . .

Uz - Spannung zwischen der Kathode 2 und der Anode 5 im leitenden Zustand der Röhre,

Um - Maximalwert der Spannung an der Anode 5 im gesperrten Zustand der Röhre.

s Der Ausdruck-(4) ergibt sich zu :

M

i-'-ir <5)

Darin bedeuten

M = + y- (6) und N = ^

Ui Iz Ui

10

(7).

TI- 1

Ii • Ui + h . Ui Um - h

(4)

wobei bedeuten:

Ii - Strom der Steuerelektrode 3, Ui - Potential der Steuerelektrode 3, h- Strom der Anode 5,

Der zweite Summand kann im Ausdruck (6) praktisch ver-15 nachlässigt werden. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad der Röhre bei einem bestimmten Wert M der Bremsverluste, der durch einen mindestmöglichen Spannungsabfall an der Röhre in deren leitendem Zustand festgelegt ist, von dem Parameter N abhängig, der ein Verhältnis des Potentials an 20 der Anode 5 im gesperrten Zustand der Röhre zum Potential der Steuerelektrode 3 kennzeichnet. Vom Standpunkt der Elektronenoptik ist der Parameter N proportional einem Verhältnis des Abstandes von der Steuerelektrode 3 bis zur Anode 5 zum Abstand von der Steuerelektrode 3 bis zur 25 Kathode 2, d.h.,

N = — c

(8)

Es ist offensichtlich, dass mit einer Vergrösserung des Ver-30 hältnisses £ der Wirkungsgrad der Elektronenstrahlröhre anwachsen wird. Die obere Grenze des Verhältnisses j? < 10 ist durch ein Anwachsen der Abmessungen der Röhre und durch eine Komplizierung der herstellungstechnischen Vakuumbehandlung von Baugruppen bedingt. Bei einem 35 Wertf < 1 dieses Verhältnisses fällt der Wirkungsgrad der vorliegenden Konstruktion der Röhre beträchtlich ab.

Die Elektronenstrahlröhre sichert die Kommutierung eines Stroms von der Grössenordnung 150 A bei einer Anodenspannung von ca. 150 kV im gesperrten Zustand der 40 Röhre. Die Höchstspannung an der Steuerelektrode beträgt 5 kV.

Der Betrag des Verhältnisses £ ist in diesem Fall gleich 5 gewählt, was eine Erhöhung des Abstandes zwischen der Steuerelektrode und der Anode auf 60 mm erlaubte. Die 45 Wahl des Kathodenstreifens mit einer Breite von 6 mm und die Erfüllung der Beziehungen ( 1 ) und (2) gestattete es, den Anteil des im Bremsbetrieb zur Steuerelektrode fliessenden Stromes auf eine Wert unterhalb von 0,01 des Wertes des Anodenstroms zu reduzieren. Bei der Arbeit der Röhre als so leistungsstarker Elektronenstrahlschalter erreicht der Wirkungsgrad etwa 99%.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Die Elektronenstrahlröhre kann in Leistungsumformern, 55 die für Leistungen in der Grössenordnung von mehreren zehn MW ausgelegt sind, als Elektronenstrahlventil und -Schalter eingesetzt werden.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Elektronenstrahlröhre, die im Elektronenstrahlengang hintereinander koaxial angeordnet eineiCathode (2), eine in Form von Stangen ausgeführte Steuerelektrode und eine Mehrkammeranode enthält, deren Kammern einen Eintrittsspalt aufweisen und durch Rippen und einen gegenüber den Kathodenemissionsbereichen liegenden Boden gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) aus in der Längsrichtung der Röhre angeordneten Streifen (6) besteht, deren Flächen als Kathodenemissionsbereiche dienen, und dass für jeden Streifen (6) der Kathode (2) in unmittelbarer Nähe desselben eine mit der Kathode (2) elektrisch verbundene Fokussierelektrode (9) vorhanden ist und dass die als Stangenpaar (10) ausgebildete Steuerelektrode (3) bezüglich der Streifen (6) in der Weise angeordnet ist, dass der gesamte, durch die Fokussierelektrode (9) gebündelte Elektronenstrahl zwischen diesen Stangen (10) hindurchkommt, wobei die Breite jedes Streifens (6) der Kathode (2), die geometrischen Abmessungen jeder Kammer (13) der Anode (5) und der Abstand zwischen den Streifen (6) der Kathode (2) und den Stangen ( 10) der Steuerelektrode (3) sowie der Abstand zwischen den Stangen (10) der Steuerelektrode (3) und den den Eintrittsspalt (17) bildenden Rippen (16) der Kammer (13) der Anode (5) nach den folgenden Beziehungen gewählt sind:

a c d

7:1 < —< 10;e>b b d c wobei a - Breite des Streifens (6) der Kathode (2),

b - Breite des Eintrittsspaltes ( 17) für den Elektronenstrahl der Kammer (13) der Anode (5),

c - Abstand zwischen dem Streifen (6) der Kathode (2) und den Stangen (10) der Steuerelektrode (3),

d - Abstand zwischen den Stangen (10) der Steuerelektrode (3) und den den Eintrittsspalt (17) bildenden Rippen ( 16) der Kam mer ( 13) der Anode (5), und e - Tiefe der Kammer (13) der Anode (5) bedeuten.
2. Elektronenstrahlröhre nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (6) der Kathode (2) in Rohren (7) untergebracht sind, die Längsschlitze (8) zum Austritt des Elektronenstrahls aufweisen, wobei die Wände jedes Längsschlitzes (8) als kathodennahe Fokussierelektrode (9) dienen.
3. Elektronenstrahlröhre nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen (30) der Steuerelektrode (3) hohl ausgeführt und mit einem Kältemittel gefüllt sind.
4. Elektronenstrahlröhre nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor jeder Rippe ( 15) der Kammer (13) der Anode (5) senkrecht zur Mittelebene dieser Rippe (15) und im Abstand davon eine Zusatzrippe ( 16) angeordnet ist, wobei die Zusatzrippen ( 16) einen Abstand voneinander aufweisen und mit ihren zueinander gekehrten Stirnseiten den Eintrittsspalt (17) für den Elektronenstrahl jeder Kammer (13) der Anode (5) begrenzen.
5. Elektronenstrahlröhre nach einem der Patentansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass die jede Kammer (13) der Anode (5) bildenden Rippen (31,32) in Form von mit einem Kältemittel gefüllten Hohlstangen ausgeführt sind.
6. Elektronenstrahlröhre nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Schutzeiektrode (4) aufweist, die koaxial zur Kathode (2) zwischen der Mehrkammerançde (5) und der Steuerelektrode (3) in deren Nähe angeordnet ist und Fenster nach der Zahl der Streifen (6) der Kathode (2) für den Durchgang des durch die kathodennahe Fokussierelektrode (9) gebündelten Elektronenstrahls zu den Kammern (13) der Anode (5) aufweist.
7. Elektronenstrahlröhre nach Patentanspruch 6, dadurch s gekennzeichnet, dass die Schutzelektrode (4) in Form eines Zylinders (11) mit Längsschlitzen (12) ausgeführt ist, die als Fenster für den Durchgang des durch die kathodennahe Fokussierelektrode (9) gebündelten Elektronenstrahls zu den Kammern ( 13) der Anode (5) dienen.

Technisches Gebiet is Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektronengeräte und betrifft insbesondere Elektronenstrahlröhren.

Stand der Technik

Es sind Elektronenstrahlventile bekannt, bei denen die 2o Kathode in Form einer Zylinderpille ausgeführt und zwischen der Kathode und der Anode eine Zusatzelektrode mit einem gegen die Anode höheren Potential angeordnet ist (s. beispielsweise den SU-Urheberschein 367 482, Klasse HOIj 21/10, veröffentlicht im Bulletin «Entdeckungen, Erfin-25 düngen, Industriemuster, Warenzeichen», Nr. 8,1973).

Derartige Ausführung dieser Ventile gestattet es, Werte der Kommutierungsspannung bis zu mehreren hundert Kilovolt bei einem recht hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Die genannten Ventile formieren aber einen Elektronenstrahl 30 von einer begrenzten Kathodenemissionsfläche, was es nicht gestattet, die Leistung der Ventile auf Werte in der Grössen-ordnung von mehreren zehn MW zu steigern.

Einer der möglichen Wege zur Schaffung von leistungsstarken Geräten ist die Anwendung eines Mehrstrahlprin-35 zips im Konstruieren eines elektronenoptischen Systems mit ausgedehnten Kathodenemissionsflächen.

So sind Elektronenstrahlröhren bekannt, die im Elektronenstrahlengang hintereinander koaxial angeordnet eine Kathode, eine in Form von Stangen ausgeführte Steuerelek-40 trode und eine Mehrkammeranode enthalten, deren Kammern durch Rippen und einen gegenüber den Kathodenemissionsbereichen liegenden Boden gebildet sind (siehe beispielsweise den SU-Urheberschein 291 607, Klasse HOIj 21/10, veröffentlicht im Bulletin «Entdeckungen, Erfin-45 düngen, Industriemuster, Warenzeichen», Nr. 29,1976).

In diesen Röhren ist die Kathode auf einem Zylinderkern montiert und weist Oberflächen von Zylinderringen darstellende Emissionsbereiche auf, wobei die Breite eines jeden scheibenförmigen Elektronenstrahls von der Kathode bis zur so Anode konstant ist. Derartige konstruktive Ausführung gestattet es nicht, die Abmessung des Entrittsspaltes der Anodenkammer wesentlich grösser als die Breite des Elektronenstrahls an der Kathode zu machen, deshalb ist der Abstand von den Stirnseiten der Rippen der Anodenkam-55 mern bis zum Steuergitter (Elektrode) ungefähr gleich dem Abstand vom Steuergitter bis zur Kathode. Derartige Röhren sind in der höchsten Betriebsspannung und im Wirkungsgrad stark begrenzt. Die Erhöhung der Betriebsspannung durch Vergrösserung des Abstandes von der Anode bis zum Steuer-60 gitter und von diesem bis zur Kathode wird zu einem starken Stromabfall in der Röhre und also auch zu einem Leistungsabfall führen.

Darstellung der Erfindung 65 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlröhre zu schaffen, in der der Kathodenblock und die in seiner unmittelbaren Nähe angeordneten Elektrodenblöcke derart ausgeführt und geometrisch derart bemessen

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sind, dass es möglich wird, Betriebsspannungen von mehreren hundert Kilovolt und Ströme von mehreren hundert Ampere bei einem Wirkungsgraden ca. 99% zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit Hilfe einer Elektronenstrahlröhre, die die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.

Zweckmässigerweise können bei bevorzugten Ausführungsformen zusätzlich Merkmale vorhanden sein, die in den Ansprüchen 2—7 aufgeführt sind.

Die vorgeschlagene konstruktive Ausführung der erfin-dungsgemässen Elektronenstrahlröhre ermöglicht die Erhaltung einer Leistung in der Grössenordnung von mehreren zehn MW im Dauerbetrieb.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen