DE1008417B

DE1008417B - Strahlerzeugungssystem fuer Laufzeitroehren

Info

Publication number: DE1008417B
Application number: DEI5853A
Authority: DE
Inventors: Marcus Campbell Goodall
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1951-05-15
Filing date: 1952-05-14
Publication date: 1957-05-16
Also published as: FR64613E; FR1065473A; DE1016375B; US2752523A

Description

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 16. MAI 1957

Anmelder:
International'

Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom. 15. Mai ,1951

Die Erfindung befaßt sich mit Strahlerzeugung- _f..

Systemen, die geeignet sind, zylinder-oder ringförmige ^mx

Elektronenstrahlen mit großer Raumladungskonstante (d. h. das Verhältnis des Strahlstromes zur 3/2-Potenz der Strahlspannung) hervorzubringen.

In elektrischen Entladungsgefäßen mit Geschwindigkeitsmodulation ist es wichtig, hohe Ausgangssignale zu· erhalten, wahrend die Betriebsspannungen so niedlrig als möglich gehalten werden. Zur Zeit werden Klystrons und andere Arten von Röhren mit Geschwindigkeitsmodu/lation verwendet, welche Beschleunigungsspannungen in der Größe von 1000 Volt erfordern. Die Verwendung solcher Röhren erfordert beachtliche Ausgaben und führt zu Komplikationen, um den Sicherheätsaaforderungen zu genügen. Daraus geht hervor, daß Bedarf an Röhren mit Geschwindigkeitsmodulation besteht, welche genügend Ausgangsleistung bei niederen Spannungen geben.

Die höchste bis jetzt praktisch durch einElektronenstrahlerzeugungssystem mit elektrostatischer oder 20
magnetischer Fokussierung des Elektronenstrahls erreichte Raumladungskonstante war ungefähr 4,4 ■ 10~⁶
(Amp./V^3/2), wobei eine konkave Kathode mit einer
besonders geformten Beschleunigungselektrode verwendet wurde. Bs wird gezeigt, daß mit einer ge- 25
wissen Art eines Elektronenstrahls, die weiter unten
beschrieben und· die mit Brillouin-Strahl bezeichnet werden soll, eine Raumladungskonstante von

25,4 · 10~⁸ theoretisch erreicht werden kann. Die

Schwierigkeit besteht darin, den BriLlouin-StraM 30 ο

!Herzustellen. Hat man ihn einmal, so ist es verhältnis-

mäßig leicht, ihn aufrechtzuerhalten. Der an sich be- koaxial umgebenden zylindrischen Beschleunigungskannte ■Brillouin-Strahl ist äußerst wünschenswert in elektrode mit Hilfe eines axialen magnetischen Feldes elektrischen Entladungsgefäßen mit Geschwindigkeits- zu erzeugen, und die erforderlichen Elektronen aus modulation, da der Strahl ohne Divergenz durch einen 35 der Raumladung durch ein elektrostatisches Feld, zum Tunnel beliebiger Länge geschickt werden kann. Es Teil unter Verwendung eines Steuergitters, zu ziehen, müssen jedoch spezielle Anordnungen getroffen wer- Bei einem Strahlerzeugungssystem für Laufzeit-

den, um die Elektronen mit ihrer untereinander kon- röhren, bei dem von einer in Form eines Rotationsstanten, axialen Auffangsgeschwindigkeit zu ver- körpers ausgebildeten Kathode, die von einer Besehen. So kann der Brallouin-Strahl durch Strahl- 40 ichileunigungselektrode koaxial umgeben ist, eine erzeugungssysteme erhalten werden, bei welchen dlie Elektronenströmung ausgeht, und bei diem ein home-Elektronen zunächst von einer ebenen oder konkaven genes Magnetfeld vorgesehen ist, dessen Kraftlinien Kathode in einen magnetfeldfreien Raum emittiert in Strahl richtung verlaufen, schlägt die Erfindung vor, und dann elektrostatisch durch einen axialen Tunnel eine kegelförmige Kathode und eine kegel stump ffokussiert werden, welcher in einem Paar von Pol- 45 förmige erste Beschleunigungselektrode, welche die schuhen, zwischen welchen ein magnetisches Feld Kathode umschließt und deren kleinster Durchmesser errichtet wird, derart angeordnet ist, daß die Elek- gleich oder größer als der größte Durchmesser des

Marcus Campbell Goodall, London,
ist als Erfinder genannt worden

tronenströmung die Eigenschaften des Brillouin-Strahls zeigt. Die Raumladungskonstante solcher Sysiteme ist aber durch den elektrostatischen Teil des Strahlerzeugungssystems begrenzt.

In diesem Zusammenhang sei ferner erwähnt, daß vorgeschlagen wurde, eine rotierende Raumladung zwischen einer zylindrischen Kathode und einer diiese

emittierenden Teils dar Kathode ist und welche sich in Strahlrichtung als Hohlzylinder unmittelbar oder mittelbar in Form einer zweiten koaxialen Beschleunigungselektrode fortsetzt, zu verwenden. Die Stärke des axialen Magnetfeldes und die Vorspannungen der Beschleunigungselektroden werden dabei insbesondere so bemessen, daß sich eine um die Kathode rotierende

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Raumladung ausbildet, die durch die zweite Beschleunigungselektrode hindurchtritt.

Da sowohl die Kathode als auch die erste Beschleunigungselektrode kegelförmig ausgebildet sind, wird ein gleichmäßigeres Beschleunigungsfeld über dem Strahlquer schnitt erzeugt als bei der bekannten zylindrischen Ausfühningsform. Die Elektronen werden in einem elektrischen Feld emittiert, welches sowohl eine axiale als auch eine radiale Komponente hat. Die radiale elektrische Komponente ruft zusammen mit dem axialen magnetisehen Feld die Rotation des Strahls hervor und- die axiale elektrische Feldfcomponemte die axiale Geschwindigkeit. Bei derartigen Anordnungen können die erste und die zweite Beschleumgungselektrode das gleiche Potential haben.

Die Erfindung sei an Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnungen näher erläutert.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 schließt die konische Kathode 13 das Heizelement 14 ein und ist koaxial von der ersten Beschleunigungselektrode 15 in der Form eines Kegelstumpfeis mit einem minimalen Durchmesser, der nicht geringer als der maximale Durchmesser des emittierenden Teils der Kathode 13 ist, umgeben. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel des Kathoden- und des ersten Beschleunigungselektrodenkegels 45°, und das vordere Ende der ersten Beschleunigungselektrode reicht etwas über das Kathodenende hinaus. Die Kathode 13 wird in dem rückwärtigen zylindrischen Teil 16 der Beschleunigungselektrode 15 durch eine ringförmige Glimmerplatte 17, welche zwischen zwei keramischen Buchsen 18 und 19 gelagert ist, getragen. Der Übergang des zylindrischen Teils 16 zum konischen Teil 15 erfolgt durch den Flansch 20. Ein Ring 21 drückt die Buchsen 18 und 19 und die Platte 17 gegen den Flansch 20 und bringt eine gute Lagerung der Kathode in bezug auf die Beschleunigungselektrode 15 zustande. Eine zweite Beschleunigungselektrode 22 von konstantem Innendurchmesser gleich dem minimalen Durchmesser der ersten Beschleunigungseleiktrode 15 ragt koaxial über das Ende der Kathode 13 hinaus. In der einfachsten Form kann die zweite Beschleoinigungselektrade ein einfacher Hohlzylinder sein. Andererseits kann z. B. bei einer Wanderfeldröhre die Wendel der Rohre ganz oder teilweise die Funktion der zweiten Beschleunigungselektrode übernehmen. Weiterhin kann, wenn der Brillouin-Strahl einmal eingesetzt hat, die Raumladung des Strahls selbst den erforderlichen radialen elektrischen Potentialgradienten zur Auf rechterhaltung des Strahles über beachtliche axiale Längen 'hervorbringen. Daraus folgt, daß die zweite·Beschleunigungselektrode unterbrochen sein und aus einer Folge von koaxialen Zylindern von dem gleichen inneren Durchmesser, beispielsweise den aufeinanderfolgenden Laiufräumen eines Mehrfachklystrons, bestehen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Strahlerzeugungssystem als ein Teil einer Wanderfeldröhre wiedergegeben, welche durch den Eingangshohlleiter 23 hindurchgeht und bei der das axiale Magnetfeld durch die Spulen 24 und 24° erzeugt wird. Die zweite Beschleunigungselektrode 22 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus dem zylindrischen Teil 25 und der Wendel 26. Der zylindrische Teil 25 bildet den Innenleiter einer 2/4-Leitung, die als Drossel gegen die Öffnung in der linken Seite des Wellenleiters 23 dient. Der Außenleiter besteht aus einem ringförmigen Flansch 27, welcher mit der Wand des Wellenleiters 23 verbunden ist. Die Wendel 26 ist mit dem Teil 25 durch den geraden Leiterteil 28 verbunden. Die Anordnung ist derart getroffen, daß die elektromagnetische Energie von dem Wellenleiter 23 auf die Wendel 26 übertragen wird. Da, wie bereits erwähnt, die erste und die zweite Beschleunigungselektrode das gleiche Gleichpotential haben können, ist der Teil 25 als eine Verlängerung der ersten Beschleunigungselektrode 15 ausgebildet. Bei einem Strahlerzeugungssystem, bei dem diie erste und die zweite Beschleunigungselektrode getrennt waren, so daß die darauf fließenden Ströme gemessen werden konnten, war die Kathode 3 mm im ίο Durchmesser an ihrer Grundfläche und 11 mm lang. Die erste Beschleunigungselektrode hatte an der Grundfläche einen Durchmesser von 12 mm und verjüngte sich auf 6 mm bei einer axialen Länge von 12,5 mm. Die zweite Beschleunigungselektrode war ^X5 lV2mm von der ersten entfernt angeordnet und wies eine Länge von 32 mm auf. Die erste und die zweite Beschleundgungselektrode waren an 300 Volt gegen Kathode gelegt und das Magnetfeld so bemessen, daß ein Stromübergang zur ersten Beschleunigungselektrode im wesentlichen nicht stattfand. Unter diesen Bedingungen wurde ein Strahlstrom von 95 mA auf der Auffangelektrode am Ende der Röhre erhalten, das sind 5% weniger als der Gesamtstrom. Es wurde eine Raumladiungskonstante in der Größenordnung von 18 ■ 10~"^e erreicht, was einen sehr beachtlichen Vorteil gegenüber den bekannten Arten von Strahlerzeugungssystemen darstellt.

Der maximale Durchmesser der Kathodengrundfläche ist begrenzt durch den erforderlichen Strahldurchmesser. Der unter diesen Bedingungen erhaltene Strahlstrom ist durch die zulässige Kathodenbelastung begrenzt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist durch Verwendung zweier verschieden starker magnetischer Felder diese Begrenzung beseitigt. Die Strahlstromdichte ist niedriger und der Strahldurchmesser größer in dem Gebiet um die Kathode als in dem Gebiet der höheren magnetischen Feldstärke (H₂). In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Kathode und die erste Beschleunigungselektrode in der gleichen Weise wie in Fig. 1 in einem Teil einer Glashülle 29 angeordnet, welche von der Spule 30., die ein im wesentlichen gleichförmiges axiales Magnetfeld H₁ erzeugt, umgeben ist. In diesem Abschnitt sind die Teile des StrahlerzeugungS'Systems mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile der Fig. 1 bezeichnet. Der Teil 29 der Glasumhüllung ist mit einem weiteren Teil 31 der vakuumdiiehten Hülle durch einen Ring 32 aus magnetischem Material verbunden, welches leicht mit Glas zu verschmelzen ist. Die zentrale Öffnung33 in dem Ring32 stellt den Durchgang für die Elektronen von der ersten Beschleunigungselektrode 15 zu der zweiten zylindrischen Beschleunigungselektrode 34 dar. Eine Spule 35 umgibt den Teil 31 der Umhüllung und erzeugt das Magnetfeld H₂ derart, daß, wenn J₂ die endgültige Strahlstromdichte und I₁ die Stromdichte des Strahls, der in die Öffnung 33 eintritt, ist, und wenn R₁ der minimale Radius der ersten Beschleunigungselektrode und R₉ der Radius der zweiten Beschleunigungselektrode 34 ist, folgt

I₂II₁ = (R₁IR₂) ² = H₂IH₁ ... (6)

Die Dicke des Ringes 32 und die Form der öffnung 33 sollen derart sein, daß ein Übergang längs des Strahlweges von einem Magnetfeld zum anderen vorhanden ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 33 zylindrisch und, der Ring 32 hat eine Dicke, die dem Durchmesser der Öffnung etwa gleich ist. Die Beschleunigungselektroden 15 und 34 sind bei

36 und 37 zusammengefaßt bzw. so in die Öffnung 33

eingepaßt,
werden.

daß sie durch den Ring 32 festgehalten

Claims

Patentansprüche:

1. Strahlerzeugungssystem für Laufzeitröhren, bei dem von einer in Form eines Rotationskörpers ausgebildeten Kathode, die von einer Beschleunigungselektrode koaxial umgeben ist, eine Elektronenströmung ausgeht und bei dem ein homogenes Magnetfeld vorgesehen ist, dessen Kraftlinien in Strahlrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode kegelförmig ausgebildet ist und daß der kleinste Durchmesser der kegelstumpfförmigen ersten Beschleunigungselektrode, welche die Kathode umschließt, gleich oder größer als der größte Durchmesser des emittierenden Teils der Kathode ist und daß sich diese Elektrode in Strahlrichtung als Hohlzylinder unmittelbar oder mittelbar in Form einer zweiten koaxialen Beschleunigungselektrode fortsetzt. ao

2. Strahlerzeugumgssys.tem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des axialen Magnetfeldes und die Vorspannungen der Beschleunigungselektroden so bemessen sind, daß sich eine um dlie Kathode rotierende Raumladung ausbildet, die durch die zweite Beschleunigungselektrode hindurch in einen Wechselwirkungsraum eintritt.

3. Strablerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadru-rch gekennzeichnet, daß die zweite Beschleunigungselektrode sich über die Kathode hinaus erstreckt und' einen konstanten inneren Durchmesser, welcher im wesentlichen gleich dem minimalen Durchmesser der ersten Beschleunigungselektrode ist, besitzt.

4. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadtarch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Beschleumigungselektrode konstruktiv eine Einheit bilden.

5. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beschleunigungselektrode ganz oder teilweise durch die Wendel einer Wanderfeldröhre gebildet wird.

6. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beschleunigungselektrode den Innenleiter einer /l/4-Leitung bildet.

7. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die 2/4-Leitung durch ein Leiterstück mit der Wendel verbunden ist und die Anordnung derart getroffen ist, daß von einem Wellenleiter elektromagnetische Wellen auf die Wendel übertragen werden.

8. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von der zweiten Bescbleunigungseldktrode umschlossenen Raum ein stärkeres Magnetfeld besteht als in dem von der ersten Beschleunigungselektrode umschlossenen Raum und daß zwischen der ersten und der zweiten Beschleunigungselektrode eine magnetische Abschirmung vorgesehein ist.

9. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelöffnungswinkel der Kathode und der ersten Beschleunigungselektrode im wesentlichen 45° beträgt.

10. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und die erste Beschleunigungselektrode innerhalb einer rückwärtigen Verlängerung der zweiten Beschleunigungselektrode isoliert angeordnet sind.

11. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in einem rückwärtigen zylindrischen Teil der ersten Beschleunigungselektrode gehaltert ist und sowohl die erste als auch die zweite Beschleunigungseldktrode auf den entsprechenden Seiten der magnetischen Abschirmung gehaltert ist.

12. Strahlerzeugungs'system nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung zwischen zwei Glasteilen der das Strahlerzeugungssystem umgebenden vakuuindichten Umhüllung eingeschmolzen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 228 074;
französische Patentschriften Nr. 877 643, 867 463.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen