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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 A 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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In
der Offenlegungsschrift
WO
2007/110797 A1 wird ebenfalls vorgeschlagen, die Messung
von außen
(durch ein an einer Wandung einer Röntgenröhre angebrachtes Fenster) durchzuführen. Zur
Verbesserung der Messung wird im Inneren der Röntgenröhre eine Röhre mit geringem Durchmesser
angeordnet, die den Strahlengang zwischen Meßobjekt im Inneren der Röntgenröhre und
dem Pyrometer außerhalb
umgibt und dafür
sorgt, daß keine
Streustrahlung die pyrometrische Messung verfälscht.
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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 wobei die Mittel zur Messung der
Elektrodentemperatur einen pyrometrischen Sensor umfassen und wobei
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, das folgendes aufweist:
- – eine
Röhre mit
einem evakuierten oder gasgefüllten
Bereich, in welchem eine oder mehrere Elektroden sowie Mittel zur
Messung der Temperatur einer der Elektroden angeordnet sind; sowie
- – eine
Steuerung mit Mitteln zum Erfassen eines Elektrodentemperaturmeßwertes,
welche durch kontinuierliche Auswertung der Elektrodentemperatur
und einer der Elek tronenröhre
zugeführten Heizleistung
ein bevorstehendes Lebensdauerende der Röhre erkennt und an einen Bediener und/oder
ein Wartungszentrum signalisiert.
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Gegenstand
der Erfindung ist außerdem
ein System, das folgendes aufweist:
- – eine Röhre mit
einem evakuierten oder gasgefüllten
Bereich, in welchem eine oder mehrere Elektroden sowie Mittel zur
Messung der Temperatur einer der Elektroden angeordnet sind; sowie
- – eine
Steuerung mit Mitteln zum Erfassen eines Elektrodentemperaturmeßwertes,
welche 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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Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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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.