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Die
Erfindung betrifft eine verbesserte Röhre, insbesondere
eine Elektronenröhre, und ein verbessertes System zur Ansteuerung
der Elektroden und/oder der Heizung einer Röhre sowie zur
Bestimmung der Lebensdauer einer Röhre.
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Elektronische
Röhren, insbesondere Vakuum-Elektronenröhren,
haben, wie allgemein bekannt, eine begrenzte Lebensdauer. Ein wichtiger,
die Lebensdauer beeinflussende Faktor ist die Emissionsfähigkeit
der Kathode. Die Emissionsfähigkeit der Kathode verschlechtert
sich im Betrieb einer Röhre mit direkt oder indirekt geheizter
Kathode stetig durch Abdampfung des elektronenemittierenden Materials. Diese
Verschlechterung kann beispielsweise durch die Heizdrahtabdampfungsrate
oder die Bariumabdampfungsrate (Barium Evaporation Rate) ausgedrückt
werden.
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Insbesondere
für Röhren, die in hochzuverlässigen
Systemen (z. B. in medizintechnischen Geräten) eingesetzt
werden sollen, ist es von Interesse, das Ende der Lebensdauer präzise
vorherzusagen und ggf. auch die Lebensdauer durch gezielte Ansteuerung
zu verlängern. Dabei spielt die Bestimmung der Abdampfungsrate
eine besondere Rolle, da neben der Verschlechterung der Emissionsfähigkeit
der Kathode unerwünschte Sekundäreffekte auftreten,
etwa eine durch die Ablagerung des abgedampften Materials verringerte
Spannungsfestigkeit.
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Für
die Bestimmung der Abdampfungsrate wiederum ist es notwendig, die
Temperatur der Kathode zu ermitteln. In der Veröffentlichung
EP 0 339 714 A1 wird
vorgeschlagen, den Wert einer temperaturabhängigen physikalischen
Größe zu messen, um einen Leistungspuls zu beenden,
wenn dieser Wert im Vergleich mit einem Referenzwert anzeigt, daß die Temperatur
einer linienförmigen Kathode einen Grenzwert überschritten
hat. Als infragekommende physikalische Größen
werden in
EP 0 339
714 A1 genannt: Zugbeanspruchung des Kathodendrahtes, Länge
des Kathodendrahtes, Spektrum und Intensität der emittierten
elektromagnetischen Strahlung, Zahl der pro Zeiteinheit emittierten
Elektronen und deren Geschwindigkeitsverteilung sowie der elektrische
Widerstand des Kathodendrahtes.
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In
Offenlegungsschrift
DE
199 56 391 A1 wird vorgeschlagen, die Kathodentemperatur
einer Leuchtstofflampe aus dem elektrischen Widerstand zu ermitteln,
und
JP 09245712 A schlägt
zur Vermeidung von durchgebrannten Kathodendrähten vor, den
Spannungsabfall über der Kathode zu überwachen
und die Ansteuerspannung entsprechend zu regeln.
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Problematisch
an diesen Lösungen ist, daß die Ermittlung der
Temperatur des Kathodendrahtes nur indirekt über den Umweg
einer Messung einer anderen physikalischen Größe
erfolgt. Dabei treten – wie bei jeder Messung – spezifische
Ungenauigkeiten der jeweiligen Messung auf. Hinzu treten noch Modellierungsungenauigkeiten,
beispielsweise kann auch aus einem mit geringem relativem Fehler
bestimmten elektrischen Widerstand eines Kathodendrahtes nur fehlerbehaftet
auf dessen Temperatur geschlossen werden. Dies folgt schon allein
daraus, daß Röhren Fertigungstoleranzen aufweisen,
betreffend beispielsweise den Durchmesser oder die Länge
des Kathodendrahts. Bei indirekt geheizten Kathoden tritt hinzu,
daß aus der Widerstandsmessung zunächst die Temperatur
des Heizdrahtes ermittelt wird und dann die (fehlerbehaftete) Annahme
gemacht wird, daß die Kathodentemperatur identisch ist oder
um einen empirisch ermittelten Wert abweicht. Ferner wirken sich
Umgebungseinflüsse sowie Alterungserscheinungen negativ
auf die Präzision der indirekten Temperaturermittlung aus.
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In
der Patentschrift
US 4,708,677 wird
vorgeschlagen, die Temperatur eines Halbleiter-Wafers, der sich
in einer Heat Cleaning Kammer befindet, von außen (durch
ein Fenster in der Kammerwandung) mittels eines Pyrometers vorzunehmen.
Eine solche Anordnung erscheint für Elektronenröhren
jedoch nicht praktikabel, weil in einem entsprechenden Gerät
bereits die exakte Ausrichtung des externen Pyrometers auf die Kathode
mit Schwierigkeiten verbunden ist und außerdem die kompakte
Bauweise des solchen Gerätes erschwert.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Röhre,
insbesondere eine Elektronenröhre, und ein verbessertes
System zur Ansteuerung der Elektroden und/oder der Heizung einer
Röhre sowie zur Bestimmung der Lebensdauer einer elektronischen
Röhre anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Röhre, insbesondere
eine Elektronenröhre, mit einem evakuierten oder gasgefüllten
Bereich, in welchem eine oder mehrere Elektroden sowie Mittel zur
Messung der Temperatur einer der Elektroden angeordnet sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die im evakuierten
oder gasgefüllten Bereich der Röhre angeordneten
Mittel zur Messung der Elektrodentemperatur einen pyrometrischen
Sensor.
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Um
zu vermeiden, daß die Leistungsfähigkeit des Sensors
durch Ablagerungen der an den Elektroden verdampfenden Materialien
beeinträchtigt wird, kann vorgesehen werden, daß der
Sensor oder ein dem Sensor vorgelagertes optisches Element durch
einen Verschluß geschützt wird, der elektronisch
oder elektromechanisch geöffnet und/oder geschlossen werden
kann.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein System umfassend eine derartige Röhre,
welches eine Steuerung aufweist mit Mitteln zum Erfassen eines Elektrodentemperaturmeßwertes.
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In
einer Ausgestaltung eines solchen Systems kann eine Steuerung vorgesehen
werden, die durch kontinuierliche Auswertung der Elektrodentemperatur
und einer der Röhre zugeführten Heizleistung ein
bevorstehendes Lebensdauerende der Röhre erkennt und an
einen Bediener und/oder ein Wartungszentrum signalisiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann eine Steuerung vorgesehen werden,
welche zusätzlich oder alternativ die Elektrodentemperatur
kontinuierlich auswertet und Mittel zum Ansteuern der Elektroden
und/oder einer Elektrodenheizung aufweist, wobei die Ansteuerung
der Elektroden und/oder der Elektrodenheizung so erfolgt, daß die
Elektrodentemperatur einem Sollwert entspricht.
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Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß mit
verhältnismäßig geringem Aufwand eine
präzise Ermittlung der Elektrodentemperatur einer elektronischen
Röhre erfolgen kann. Dadurch kann zum einen die Lebensdauer
der Röhre genauer vorhergesagt werden. Andererseits ist
es durch Überwachen der Elektrodentemperatur und entsprechendes
Ansteuern der Elektroden und/oder der Elektrodenheizung möglich,
die Elektrodentemperatur exakt auf einem gewünschten Wert
(Sollwert) zu halten. Dies ist vorteilhaft, da beispielsweise bei einem
Klystron die Überschreitung der nominalen Oberflächentemperatur
von 890°C um nur 50 K zu einer unerwünschten Verdopplung
der Bariumabdampfungsrate führt.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
Gun-Bereich einer speziellen, erfindungsgemäß ausgestalteten
elektronischen Röhre; und
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2 den
Sensor des Pyrometers zur Temperaturerfassung zum Einsatz in der
elektronischen Röhre aus 1.
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1 zeigt
den Gun-Bereich eines Klystrons 100. Ein Klystron ist eine
Elektronenröhre, die die Laufzeit der Elektronen zur Erzeugung
oder Verstärkung von Hochfrequenzsignalen ausnutzt. Ein
Gehäuse 120 aus nichtleitendem, temperaturbeständigem
Material, beispielsweise Keramik oder Glas, umschließt
einen evakuierten Bereich 110, in dem eine Kathode mit
einer Kathodenoberfläche 140 angeordnet ist, welche
durch eine Heizung 130 beheizt wird. In den evakuierten
Bereich 110 hinein ragt ein Mittel 150 zur Temperaturmessung,
hier umfassend einen Sensorkörper 160 mit Verschluß 170 und
elektrischen Anschlüssen 180. Ferner ist eine
Anode 190 der Elektronenröhre 100 dargestellt.
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2 zeigt
mit weiteren Details das Mittel 150 zur Temperaturmessung.
Dieses ist umfaßt vom Röhrengehäuse 120 und
besteht aus dem Sensorkörper 160, dem optional
ein optisches Element 162, beispielsweise eine Linse, zugeordnet
sein kann, um eine bessere Fokussierung auf den zu erfassenden Bereich
zu erreichen.
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Um
Ablagerungen abdampfenden elektronenemittierenden Kathodenmaterials
auf der kalten Oberfläche des optischen Sensors 160 bzw.
der Linse 162 zu verhindern, wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein so genannter Zentralverschluß 170 verwendet,
um die Oberfläche des optischen Sensors 160 bzw.
der Linse 162 zu schützen. Der Zentralverschluß besteht
aus mehreren kurvenförmigen Stahllamellen, die um feste
Drehpunkte aus dem Strahlengang geschwenkt werden. Solche Zentralverschlüsse
sind aus der Fotokameratechnik bekannt und in hohen Stückzahlen
zu niedrigen Preisen verfügbar. Der Verschluß (auch
Shutter genannt) schützt die Sensoroptik 162 in
den Phasen, in denen nicht gemessen wird. Zur Messung der Temperatur wird
der Shutter, welcher sich im Vakuum befindet, elektromagnetisch
von außen über einen Medienspalt 164 (Barriere
aus Glas oder Keramik zwischen dem Vakuum der Röhre und
dem Umgebungsdruck) betätigt und geöffnet. Nach
erfolgter Messung wird der Shutter 170 wieder geschlossen.
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Als
Verschluß 170 eignet sich auch eine Scheibe mit
einer Öffnung, welche bei Betätigung rotiert und
den Strahlengang zum Sensor 160 freigibt.
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Die
Steuerung des Verschlusses 170 erfolgt elektromechanisch,
wobei die notwendige elektrische Energie über elektrische
Anschlüsse 184 zugeführt wird. Das vom
Sensor 160 erzeugte Signal wird an weiteren Anschlüssen 182 bereitgestellt.
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Im
Betrieb eines Systems, welches eine erfindungsgemäße
elektronische Röhre 100 aufweist, wird zur Ermittlung
der Abdampfungsrate in der Röhre 100 die integrierte
optische Meßanordnung 150 verwendet, mittels welcher
periodisch eine Oberflächentemperaturmessung von Kathode
oder Anode (z. B. bei Röntgenröhren ist die Anodentemperatur von
großem Interesse) durchgeführt wird. Über
die direkte Messung der tatsächlichen Oberflächentemperatur
kann wirkungsvoll eine Heizungsregelung realisiert werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 160 ein
Fotohalbleiter. Temperaturen ab etwa 700°C können
pyrometrisch mit Fotodioden im sichtbaren Spektralbereich gemessen
werden. Pyrometer sind Einheiten, die den Sensor 160 und
eine Auswerteeinheit – nicht dargestellt – umfassen.
Pyrometer dienen zur berührungslosen Temperaturmessung
von Temperaturen zwischen –50°C und +4000°C.
Meistens wird der Empfangswellenlängenbereich von Hochtemperatur-Pyrometern
durch den verwendeten Fotoempfänger bestimmt: die unterste
Empfangswellenlänge von Silizium-Fotodioden ist z. B. etwa
1,1 μm. Ein Körper mit einer Temperatur von 3000
K hat hier sein Strahlungsmaximum, es können jedoch Temperaturen
bereits ab etwa 700°C gemessen werden. Die Oberflächentemperaturen
bei Klystron, Magnetron, Thyratron und Accelerator liegen bei 890°C bis
1050°C, je nach verwendetem Kathodentyp (oxide oder impregnated).
Die Oberflächentemperatur des Wolframheizdrahtes bei Röntgenröhren
liegt bei etwa 2000°C.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht einerseits eine zuverlässigere
Lebensdauervorhersage bei gleichzeitig minimal höheren
Kosten für die integrierte optische Meßanordnung.
Sich langsam anbahnende Ausfälle können erkannt
werden, da bei gleichbleibender zugeführter Heizleistung
die erreichte Temperatur abnimmt. Eine Integration der Auswertung
in die übergeordnete Steuerung des Gesamtsystems erlaubt
ein Absetzen von Servicemeldungen, bevor das System ausfällt
und teure Ausfallzeiten produziert (sog. predictive maintenance). Über die
so ermittelte Abdampfungsrate und die in der Kathode von Anfang
verfügbare Menge an Barium kann eine Arcing-Wahrscheinlichkeit
berechnet werden.
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Andererseits
ermöglicht die vorliegende Erfindung eine gezielte Lebensdauerverlängerung
der Elektronenröhre 100. Mit Hilfe der exakten
Messung der Oberflächentemperatur kann der Zustand (Elektronenemission
bei aktuell zugeführter Heizleistung) der Kathode ermittelt
werden und daraus eine genaue Heizungsregelung abgeleitet werden.
Die Folge einer genauen Heizungsregelung ist die signifikante Verlängerung
der Lebensdauer einer Röhre.
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Gegenüber
einer ebenfalls möglichen Kontaktmessung mit Temperaturfühlern
hat die berührungslose Messung mittels optischem Sensor 160 gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel folgende Vorteile:
- – sehr schnelle Messung (< 1 ms bis zu 10 μs
je nach Aufbau)
- – sehr breite, durchgängige Meßbereiche
möglich (z. B. 350°C bis 3500°C)
- – abgesehen von der Mechanik des Verschlusses 170 tritt
kein Verschleiß auf
- – keine Temperatur-Beeinflussung des Meßobjekts
sowie keine Fehler durch mangelhaften Wärmekontakt
- – Möglichkeit der Messung auch bei hohen Spannungen
oder starken elektromagnetischen Feldern
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Abhängig
davon, ob die Erfindung im Zusammenhang mit einer Heizungsregelung
oder im Zusammenhang mit der Lebensdauervorhersage oder für
beide Zwecke angewendet werden soll, kann die Periodendauer, d.
h. die Häufigkeit, mit der der Shutter 170 geöffnet
und eine Temperaturmessung durchgeführt wird, eingestellt
werden. Für die Anwendung innerhalb eines Regelkreises
wird die Periodendauer im Bereich von Sekunden oder kleiner liegen,
für die Lebensdauervorhersage hingegen dürfte eine
Periodendauer im Minuten- oder gar Stundenbereich ausreichend sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie ist vielmehr für alle Arten von
Röhren anwendbar, bevorzugt für solche Röhren,
deren Ausfall – wie im medizinischen Bereich – hohe
Kosten durch Stillstand eines teuren Gesamtsystems verursachen, also
beispielsweise Röntgenröhren oder Röhren
vom Typ Thyratron, Klystron, Magnetron, oder Accelerator. Insbesondere
ist die vorliegende Erfindung sowohl auf evakuierte als auch auf
gasgefüllte Röhren anwendbar sowie auf Röhren,
die im strengen Sinne nicht als Elektronenröhren bezeichnet
werden, etwa weil – wie bei einem Thyratron – Ionen
als Ladungsträger fungieren.
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Natürlich
ist auch denkbar, in einer gegebenen Röhre mehrere Elektroden
mit jeweils einer Sensorvorrichtung 150 zu überwachen. Überwacht
werden können grundsätzlich alle Arten von Elektroden, deren
Temperatur für die Lebensdauer der Röhre ausschlaggebend
oder anderweitig von Interesse ist bzw. deren Temperatur auf einen
Sollwert einzuregeln ist, also beispielsweise direkt oder indirekt
geheizte Kathoden, Anoden, Gitter usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0339714
A1 [0004, 0004]
- - DE 19956391 A1 [0005]
- - JP 09245712 A [0005]
- - US 4708677 [0007]