DE1235441B - Electron beam generation system with a control electrode for high-performance runtime tubes - Google Patents

Electron beam generation system with a control electrode for high-performance runtime tubes

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DE1235441B DEV11987A DEV0011987A DE1235441B DE 1235441 B DE1235441 B DE 1235441B DE V11987 A DEV11987 A DE V11987A DE V0011987 A DEV0011987 A DE V0011987A DE 1235441 B DE1235441 B DE 1235441B
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Description

DEUTSCHES WrBWs PATENTAMTGERMAN WrBWs PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g-13/17EDITORIAL DEVELOPMENT DeutscheKl .: 21g-13/17

Nummer: 1 235 441Number: 1 235 441

Aktenzeichen: V11987IX d/21 gFile number: V11987IX d / 21 g

1 235441 Anmeldetag: 22. Februar 19571 235441 filing date: February 22, 1957

Auslegetag: 2. März 1967Open date: March 2, 1967

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem für Hochleistungslaufzeitröhren, insbesondere Hochleistungsklystrons, mit einer Steuerelektrode zur Steuerung der Strahlstromstärke.The invention relates to an electron gun for high performance time-of-flight tubes, in particular High-performance klystrons, with a control electrode to control the beam current.

Es sind bereits mit verhältnismäßig kleinen Leistungen und kleinen Stromdichten arbeitende Elektronenstrahlerzeugungssysteme, beispielsweise für Oszillographenröhren und Eropfangszwecken dienenden Klystronverstärkerröhren, bekannt, die aus einer die Elektronen emittierenden konkaven Kathode, einer die Kathode koaxial umschließenden, etwa auf Kathodenpotential gehaltenen zylindrischen Bündelungselektrode, deren strahlseitige Stirnfläche etwa in Höhe des Randes der Emissionsfläche der Kathode endet, einer (in Strahlrichtung gesehen) unmittelbar hinter der Bündelungselektrode und koaxial zur Kathode angeordneten Steuerelektrode zur Steuerung der Strahlstromstärke sowie schließlich aus einer nachfolgenden, in einigem Abstand von der Steuerelektrode angeordneten Beschleunigungselektrode mit zentraler Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl bestehen.There are electron beam generating systems that work with relatively low powers and low current densities, For example, for oscilloscope tubes and Eropfangszwecken serving klystron amplifier tubes, known from a the electron-emitting concave cathode, one surrounding the cathode coaxially, for example Cylindrical bundling electrode held at cathode potential, the end face of which on the beam side approximately in The height of the edge of the emission surface of the cathode ends, one (seen in the direction of the beam) immediately control electrode arranged behind the bundling electrode and coaxially to the cathode for control purposes the beam current strength and finally from a subsequent one, at some distance from the control electrode arranged acceleration electrode with a central opening for the electron beam exist.

Die Erfindung betrifft die Anwendung eines derartigen Elektronenstrahlerzeugungssystems bei Hochleistungslaufzeitröhren, insbesondere Hochleistungsklystrons, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode blendenförmig ausgebildet ist mit einer zentralen Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl (Blendenöffnung), deren axiale Ausdehnung klein gegen den Öffnungsdurchmesser ist, und in bezug auf die Kathode auf etwa dem gleichen oder einem negativen Potential gehalten ist.The invention relates to the use of such an electron gun in high-performance runtime tubes, in particular high-performance klystrons, and is characterized in that the control electrode is designed in the form of a diaphragm a central passage opening for the electron beam (aperture opening), its axial extent is small compared to the opening diameter, and about the same with respect to the cathode or held at a negative potential.

Bei einer im Mikrowellengebiet arbeitenden Hochleistungslaufzeitröhre ergeben sich insofern besondere elektronenoptische Verhältnisse, als die Elektronenergiebigkeitskonstante des Langmuirschen Raumladungsgesetzes in der Größenordnung von 0,5 · 10-« A/V3'2 liegt und damit etwa IOOmal größer ist als bei den eingangs erwähnten bekannten EIektronenstrahlerzeugungssystemen. Es läßt sich daher ein für niedrige Ergiebigkeit gebautes Elektronen-Strahlerzeugungssystem nicht einfach für eine Hochleistungslaufzeitröhre übernehmen. Insbesondere verbietet sich bei Hochleistungslaufzeitröhren beispielsweise die Verwendung von den Strahlquerschnitt durchsetzenden Gitterelektroden, da diese infolge der unvermeidlichen Elektronenabsorption der baldigen Zerstörung anheimfallen würden. Auch hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Fokussierung ergeben sich bei einem Elektronenstrahlerzeugungssystem für eine Hochleistungslaufzeitröhre insofern besondere Verhältnisse, als die sehr hohe Strahl-Mit einer Steuerelektrode versehenes
Elektronenstrahlerzeugungssystem für
HochleistungslaufzeitröhrenIn a high-performance transit time tube operating in the microwave range, there are special electron-optical conditions insofar as the electron energy constant of Langmuir's space charge law is in the order of magnitude of 0.5 · 10- «A / V 3 ' 2 and is thus about 100 times greater than in the known electron beam generating systems mentioned at the beginning . Therefore, an electron beam generating system built for low yield cannot simply be adopted for a high-performance time-of-flight tube. In particular, in the case of high-performance runtime tubes, for example, the use of grid electrodes penetrating the beam cross-section is prohibited, since these would soon be destroyed as a result of the inevitable electron absorption. With regard to maintaining the focus, there are also special conditions in an electron beam generating system for a high-performance transit time tube, such as the very high beam with a control electrode
Electron gun for
High performance runtime tubes

Anmelder:Applicant:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Franz-Hals-Str. 21Dr. phil. GB Hagen, patent attorney,
Munich-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Louis Thomas Zitelli, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)Louis Thomas Zitelli, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

zo Beanspruchte Priorität: zo Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 24. Februar 1956
(568 422)V. St. v. America February 24, 1956
(568 422)

stromdichte eine Raumladung bedingt, die das Bestreben hat, den Strahl in unerwünschter Weise aufzuweiten. Zudem ist die erfindungsgemäß angestrebte Betriebsweise derart, daß die Steuerelektrode in bezug auf die Kathode auf etwa dem gleichen oder einem negativen Potential gehalten ist.current density causes a space charge that tends to widen the beam in an undesirable manner. In addition, the desired mode of operation according to the invention is such that the control electrode in relation on the cathode is kept at approximately the same or a negative potential.

Das erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeugungssystem trägt den vorgenannten Gesichtspunkten Rechnung und gestattet die Erzeugung eines hinsichtlich der Strahlstromstärke steuerbaren Elektronenstrahles sehr hoher Stromdichte, wobei außer der Kathode, der Bündelungselektrode und der Beschleunigungselektrode insbesondere die Steuerelektrode so ausgebildet und mit einem solchen Potential beaufschlagt ist, daß nur ein verschwindend kleiner Teil der von der Kathode emittierten Elektronen durch das Elektronenstrahlerzeugungssystem selbst abgefangen wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung sieht dabei vor, daß die Emissionsfläche der Kathode noch ganz erheblich größer ist als die größte Querschnittsfläche der zentralen Durchtrittsöffnung der Beschleunigungselektrode und daß die Blendenöffnung der Steuerelektrode und/oder die zylindrische Bündelungselektrode abgerundete Kanten besitzen/besitzt.The electron gun according to the invention takes the aforementioned aspects into account and allows the generation of an electron beam of very high current density which can be controlled with regard to the beam current intensity, whereby in addition to the cathode, the bundling electrode and the accelerating electrode, the control electrode in particular is designed and has such a potential that only one is infinitely smaller Part of the electrons emitted by the cathode is intercepted by the electron gun itself.
A preferred embodiment according to the invention provides that the emission area of the cathode is still considerably larger than the largest cross-sectional area of the central passage opening of the acceleration electrode and that the aperture opening of the control electrode and / or the cylindrical bundling electrode have rounded edges.

709 517/391709 517/391

Claims (1)

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert. F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene Darstellung eines bei einem Hochleistungsverstärkerklystrons verwendeten Elektronenstrahlerzeugungssystems nach der Erfindung; F i g. 2 ist eine vergrößerte Wiedergabe eines Teiles des in F i g. 1 dargestellten Elektronenstrahlerzeugungssystems. In F i g. 1 ist teilweise geschnitten der strahlerzeugerseitige Abschnitt eines Hochleistungsverstärkerklystrons dargestellt. Die eine konkave Emissionsfläche aufweisende Kathode eines Elektronenstrahlerzeugungssystems 1 ist mit 3 bezeichnet. Eine die Bündelung der emittierten Elektronen bewirkende zylindrische Elektrode 4 (Bündelungselektrode) umgibt koaxial die Kathode 3 in geringem Abstand und ragt strahlseitig etwas über den Rand der Emissionsfläche der Kathode 3 vor; sie ist elektrisch mit der Kathode verbunden, liegt also auf dem gleichen Potential wie diese. Es kann aber auch zweckmäßig sein, der Bündelungselektrode ein etwas anderes Potential als das der Kathode zu geben, um die gewünschte Bündelung des Strahles zu erreichen. Eine blendenförmige Steuerelektrode 7 zur Steuerung der Strahlstromstärke ist unmittelbar hinter der Bündelungselektrode 4 koaxial zur Kathode 3 angeordnet. Die axiale Ausdehnung der Durchtrittsöffnung der Steuerelektrode 7 ist erfindungsgemäß klein gegen den Öffnungsdurchmesser. Eine Zuführung 8 ist mit der Steuerelektrode 7 verbunden, um der Steuerelektrode das Potential zuführen zu können. Erfindungsgemäß ist die Steuerelektrode in bezug auf die Kathode auf etwa dem gleichen oder einem niedrigeren (negativen) Potential gehalten. Steuerelektrode und Kathode sind mittels eines die Kathode koaxial umgebenden Isolierzylinders 6, beispielsweise aus Aluminiumoxyd-Keramik, unter Zwischenschaltung eines hohlzylindrischen metallischen Halterungsteiles 5 zu einer Baugruppe zusammengefaßt. Der Abstand der elektrisch zusammenwirkenden Teile der Bündelungselektrode 4 und der Steuerelektrode 7 ist so klein wie möglich gehalten, um eine wirksame Steuerung der Strahlstromstärke zu erzielen. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 beträgt dieser Abstand etwa Vioo mm. Dies ist aber nur als ein beispielsweiser Wert anzusehen; der Abstand, der bei einer bestimmten Elektrodenanordnung zu verwenden ist, hängt von den Betriebspotentialen der elektrisch zusammenwirkenden Elektroden ab. Die Schulterfläche der Steuerelektrode 7 ist im Bereich G abgerundet und poliert, ebenso das strahlseitige Ende der Bündelungselektrode 4 (Bereich F), so daß keine scharfen Kanten oder Ecken vorliegen, welche bei höheren Spannungen leicht Überschläge zwischen der Bündelungselektrode 4 und der Steuerelektrode? verursachen können. Eine Beschleunigungselektrode 11 mit zentraler Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl ist in einigem Abstand von der Steuerelektrode 7 koaxial zu dieser und zur Kathode 3 angeordnet. Das rechte Teilstück der Beschleunigungselektrode 11 besteht hier aus magnetischem Material und bildet den einen Pol eines nicht dargestellten Permanentmagneten, der ein magnetisches Längsfeld erzeugt, durch das der Elektronenstrahl auf seinem weiteren Weg gebündelt geführt wird. Die hohlzylindrischen metallischen Gefäßteile 9 bilden mit der Beschleunigungselektrode 11 einen Teil der Vakuumhülle der Röhre. Im Betrieb erhält die Beschleunigungselektrode 11 in bezug auf die Kathode 3 ein stark positives Potential. Dadurch ergibt sich ein Potentialgefälle zwischen der Beschleunigungselektrode 11 und der Kathode 3, welches die von der Kathode emittierten Elektronen stark beschleunigt durch die zentrale ίο Durchtrittsöffnung der Beschleunigungselektrode 11 hindurchtreten läßt. Die Strahlstromstärke kann man dabei mittels der Steuerelektrode 7 beeinflussen. Wenn der Steuerelektrode 7 ein in bezug auf die Kathode hinreichend stark negatives Potential zugeführt wird, kann der Strahlstrom auf Grund der dann zwischen der Kathode 3 und der Steuerelektrode 7 sich einstellenden negativen Potentialschwelle ganz unterbrochen werden. Es fliegen dann keine Elektronen in Richtung auf die Beschleunigungselektrode 11. Die Steuerelektrode 7 ist erfindungsgemäß in bezug auf die Kathode 3 auf etwa dem gleichen oder einem negativen Potential gehalten, dessen Wert von der Stärke des zwischen der Beschleunigungselektrode 11 und der Kathode 3 liegenden Beschleunigungsfeldes abhängt. Die Elektronenanordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist, erfordert, um das Auftreten eines Strahlstromflusses gerade zu verhindern, eine (auf die Kathode 3 bezogene) negative Steuerelektrodenspannung, die etwa 60 % der (auf die Kathode 3 bezogenen) Beschleunigungselektrodenspannung beträgt. Wenn beispielsweise die Beschleunigungsspannung IOkV beträgt, muß die Steuerelektrodenspannung etwa — 6 kV betragen. Wie F i g. 1 erkennen läßt, ist die Beschleunigungselektrode 11 derart ausgebildet, daß sich der Durchmesser ihrer Durchtrittsöffnung in Elektronenstrahlrichtung verringert, wobei die axiale Ausdehnung der Durchtrittsöffnung wesentlich größer ist als der größte Durchmesser der Durchtrittsöffnung, so daß die Beschleunigungselektrode 11 einen verhältnismäßig engen Durchtrittskanal für den Elektronenstrahl bildet. Ein zu verstärkendes Mikrowellensignal wird über einen Hohlleiter 13 dem Eingangshohlraumresonator 12 des Klystrons zugeführt und durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl in bekannter Weise verstärkt. Patentansprüche:An embodiment according to the invention is explained in the following description in conjunction with the drawings. F i g. 1 is a partial cross-sectional view of an electron gun used in a high power amplifier klystron in accordance with the invention; F i g. FIG. 2 is an enlarged representation of part of the FIG. 1 shown electron gun. In Fig. 1 shows the section of a high-performance amplifier klystron on the jet generator side, partially in section. The cathode of an electron gun 1, which has a concave emission surface, is denoted by 3. A cylindrical electrode 4 (bundling electrode) which brings about the bundling of the emitted electrons coaxially surrounds the cathode 3 at a small distance and protrudes on the beam side somewhat over the edge of the emission surface of the cathode 3; it is electrically connected to the cathode, so it is at the same potential as it. However, it can also be expedient to give the focusing electrode a somewhat different potential than that of the cathode in order to achieve the desired focusing of the beam. A diaphragm-shaped control electrode 7 for controlling the beam current intensity is arranged directly behind the bundling electrode 4 coaxially to the cathode 3. According to the invention, the axial extent of the passage opening of the control electrode 7 is small compared to the opening diameter. A feed 8 is connected to the control electrode 7 in order to be able to feed the potential to the control electrode. According to the invention, the control electrode is kept at approximately the same or a lower (negative) potential with respect to the cathode. The control electrode and cathode are combined to form an assembly by means of an insulating cylinder 6, for example made of aluminum oxide ceramic, which coaxially surrounds the cathode, with the interposition of a hollow cylindrical metallic holder part 5. The distance between the electrically interacting parts of the bundling electrode 4 and the control electrode 7 is kept as small as possible in order to achieve effective control of the beam current intensity. In the arrangement according to FIG. 1, this distance is approximately Vioo mm. However, this is only to be regarded as an exemplary value; the spacing to be used with a particular electrode arrangement depends on the operating potentials of the electrically interacting electrodes. The shoulder surface of the control electrode 7 is rounded and polished in area G, as is the beam-side end of the bundling electrode 4 (area F), so that there are no sharp edges or corners that could easily flash over between the bundling electrode 4 and the control electrode at higher voltages. can cause. An acceleration electrode 11 with a central passage opening for the electron beam is arranged at some distance from the control electrode 7, coaxially to the latter and to the cathode 3. The right section of the acceleration electrode 11 consists here of magnetic material and forms one pole of a permanent magnet, not shown, which generates a magnetic longitudinal field through which the electron beam is guided in a focused manner on its further path. The hollow cylindrical metallic vessel parts 9 together with the acceleration electrode 11 form part of the vacuum envelope of the tube. During operation, the acceleration electrode 11 receives a strongly positive potential with respect to the cathode 3. This results in a potential gradient between the acceleration electrode 11 and the cathode 3, which allows the electrons emitted by the cathode to pass through the central opening of the acceleration electrode 11 in a greatly accelerated manner. The beam current strength can be influenced by means of the control electrode 7. If the control electrode 7 is supplied with a sufficiently strong negative potential with respect to the cathode, the beam current can be completely interrupted due to the negative potential threshold then established between the cathode 3 and the control electrode 7. No electrons then fly in the direction of the acceleration electrode 11 . The electron arrangement shown in FIG. 1, in order to prevent the occurrence of a beam current flow, requires a negative control electrode voltage (related to the cathode 3) which is about 60% of the accelerating electrode voltage (related to the cathode 3). For example, if the acceleration voltage is IOkV, the control electrode voltage must be about -6 kV. Like F i g. 1 shows, the acceleration electrode 11 is designed in such a way that the diameter of its passage opening is reduced in the electron beam direction, the axial extent of the passage opening being significantly larger than the largest diameter of the passage opening, so that the acceleration electrode 11 forms a relatively narrow passage for the electron beam . A microwave signal to be amplified is fed to the input cavity resonator 12 of the klystron via a waveguide 13 and is amplified in a known manner by interaction with the electron beam. Patent claims: 1. Elektronenstrahlerzeugungssystem für Hochleistungslaufzeitröhren, insbesondere Hochleistungsklystrons, bestehend aus einer die Elektronen emittierenden konkaven Kathode, einer die Kathode koaxial umschließenden, etwa auf Kathodenpotential gehaltenen zylindrischen Bündelungselektrode, deren strahlseitige Stirnfläche etwa in Höhe des Randes der Emissionsfläche der Kathode endet, einer (in Strahlrichtung gesehen) unmittelbar hinter der Bündelungselektrode und koaxial zur Kathode angeordneten Steuerelektrode zur Steuerung der Strahlstromstärke sowie schließlich aus einer nachfolgenden, in einigem Abstand von der Steuerelektrode koaxial zu dieser und zur Kathode angeordneten Beschleunigungselektrode mit zentraler Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl, dadurch1. Electron beam generating system for high-performance runtime tubes, especially high-performance klystrons, consisting of a concave cathode that emits electrons and one that coaxially surrounds the cathode, approximately at cathode potential held cylindrical bundling electrode, the beam-side end face of which is approximately at the level of the edge of the emission surface the cathode ends, one (seen in the direction of the beam) immediately behind the bundling electrode and control electrode arranged coaxially to the cathode for controlling the beam current intensity and finally from a subsequent one, coaxially at some distance from the control electrode to this and to the cathode arranged acceleration electrode with central passage opening for the electron beam, thereby
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