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Elektronenröhre mit zwei koaxial angeordneten zylindrischen Gittern
Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre mit zwei koaxial angeordneten zylindrischen
Gittern, deren benachbarte Enden frei tragend an einer Seite am Kolben befestigt
sind.
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Im Betrieb einer Leistungsröhre mit zwei oder mehr Gittern, z. B.
einem Steuer- und einem Schirmgitter, trifft ein Teil der von der Kathode emittierten
Elektronen auf das kathodennahe Steuergitter auf, und obwohl das Schirmgitter weiter
von der Kathode entfernt und normalerweise im Schatten des Steuergitters angeordnet
ist, erreicht eine weitere, erhebliche Anzahl von Elektronen wegen der positiven
Vorspannung bezüglich .der Kathode und dem Steuergitter auch das Schirmgitter. Die
mit steigender Röhrennennleistung zunehmende Elektronenemission der Kathode hat
somit eine entsprechende Erhöhung der Temperatur des Steuer- und Schirmgitters zur
Folge. Bei einer bestimmten Temperatur beginnt das Gitter, Primärelektronen zu emittieren,
wodurch eine seiner Hauptfunktionen, nämlich die Kathodenemission zu steuern, beeinträchtigt
wird. Mit zunehmender Emission kann der Betriebszustand schließlich instabil werden,
und in manchen Fällen kann die Temperatur der Gitter sogar so hoch werden, daß die
Gitterdrähte schmelzen.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1019 387 ist eine Kühleinrichtung
für ein ebenes Gitter einer Entladungsröhre bekannt, bei welcher durch einen doppelwandigen
Kühlkörper, der in die Röhre hineinragt und das Gitter trägt, ein Kühlmedium strömt.
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Aus den USA.-Patentschriften 1944190 und 2 513 920 ist es ferner bekannt,
eine Kühlströmung durch eine hohle Gitteranordnung innerhalb einer Leistungsröhre
zu leiten und die Steuerelektrode über ihre ganze Länge zu kühlen, also auf ähnliche
Weise, wie bei anderen bekannten Röhren, z. B. gemäß der USA.-Patentschrift 2 396
772, die Anode gekühlt wird. Diese Kühlmethode ist zwar sehr wirkungsvoll, setzt
aber hohle Elektroden oder Elektrodenanordnungen voraus und ist für frei tragend
montierte Gitter nicht anwendbar.
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Koaxiale, frei tragende Gitter konnten bisher nur über die zu ihrer
Halterung dienenden Metallstützen, die aus dem Röhrenkolben herausgeführt sind und
gleichzeitig zum Anschluß an eine Schaltung dienen, an ihrem einen Ende gekühlt
werden. Diese Kühlung beeinflußt jedoch die Temperatur an den von der Halterung
weiter entfernten Teilen der Gitter nur unwesentlich. Zweck der Erfindung ist es
daher, für diese Gitter auch an ihren anderen, freien Enden eine wirksame und dabei
möglichst einfache und gleichmäßige Kühlung vorzusehen. Die Erfindung besteht darin,
daß bei einer Röhre der eingangs genannten Art die freien Enden der Gitter durch
Endplatten verschlossen sind, die mit Abstand koaxial übereinanderliegen und mit
einem zwischen ihnen vakuumdicht eingesetzten Isolierring eine Kammer bilden, in
die Kühlmittelleitungen münden, die eine Wand des Kolbens vakuumdicht durchsetzen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung führen durch
eine der beiden ebenen, sich quer zu den Gittern erstreckenden Wände der Kammer
im Abstand voneinander zwei Rohrleitungen, so daß ein durch die Kammer verlaufender
Kühlkreislauf gebildet wird. Da die Kammer durch Teile beider Gitter gebildet wird,
werden die an die Kammer angrenzenden Teile der beiden Gitter durch das Kühlmittel
wirksam gekühlt. Die Rohrleitungen können aus einem Werkstoff bestehen, der den
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Gitter angepaßt ist, oder es kann eine Anordnung
zur Kompensation von Wärmedehnungen vorgesehen sein.
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Durch die beschriebene Kühleinrichtung läßt sich die Nennleistung
einer sonst konstruktiv unveränderten Röhre wesentlich erhöhen, z. B. von 3 kW auf
10 kW.
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An Hand der Zeichnung von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung
nachfolgend näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
F i g.
1 eine Schnittansicht einer Elektronenröhre, bei der die Kühlleitungen durch die
Boden- oder Sockelplatte der Röhre durchgeführt sind, F i g. 2 eine teilweise geschnittene
Ansicht einer nachgiebigen Abdichtung zwischen einem Ende einer Kühlmittelleitung
und einer nur teilweise dargestellten Wand eines Röhrenkolbens, F i @g. 3 eine teilweise
geschnittene Ansicht einer nachgiebigen Abdichtung zwischen dem anderen Ende einer
Kühhnittelleitung und einer nur teilweise dargestellten Wand einer zu kühlenden
Kammer, F i g. 4 eine Querschnittsansicht in einer Ebene 4-4 der F i g. 1, F i g.
5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teiles einer Röhre, bei welcher
die Kühlmittelleitungen vakuumdicht durch die Anode der Röhre durchgeführt sind,
F i g. 6 eine Schnittansicht eines Teiles einer Röhre, die eine Platte enthält,
welche an einer Wand der zu kühlenden Elektrodenenden befestigt ist, um diese Wand
zu verstärken und das vakuumdichte Anbringen von Kühlmittelleitungen an dieser Wand
zu erleichtern und F i g. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer andersartigen
nachgiebigen Abdichtung zwischen einer Kühhnittelleitung und einer von dieser durchsetzten
Wand.
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Die in F i g. 1 dargestellte Röhre enthält einen Kolben, der zum Teil
durch eine Außenanode 10 gebildet wird. Die Anode 10 kann beispielsweise aus Kupfer
bestehen und umfaßt eine obere Wand 12, ,die mit einem Pumpstutzen 14 versehen ist.
Die Anode 10 ist mit Kühlrippen 16 versehen, um die Wärmeabstrahlung oder -ableitung
an ein vorbeigeführtes Kühlmittel zu verbessern. Das untere Ende der Anode 10 ist,
z. B. durch Hartlöten, vakuumdicht mit einem flanschartigen Metallring 18 verbunden,
der beispielsweise aus Kupfer oder einer Nickel-Kobalt-Eisen- oder Nickel-Kobalt-Mangan-Eisen-Legierung
bestehen kann. Der Flanschteil des Ringes 18 ist seinerseits, z. B. durch Hartlöten,
an einem Flansch eines Metallringes 20 befestigt, der ebenfalls aus Kupfer oder
einer der erwähnten Legierungen bestehen kann, Der Ring 20 ist mittels einer Keramik-Metall-Verbindung
an einem Keramikrohr 22 angebracht, das beispielsweise aus Aluminiumoxyd bestehen
kann. Die beiden Ringe 18, 20 bilden eine flexible Verbindung zwischen der Anode
10 und dem Keramikrohr 22, die die Wärmedehnungsurterschiede in radialer Richtung
aufnimmt. Eine isolierende Bodenplatte 21, die beispielsweise aus Aluminiumoxyd
bestehen kann, eine Anzahl gegeneinander isolierter ringförmiger Bereiche von Elektrodenhalterungsflanschen
24, 26, 28, die mit dein Keramikrohr 22, der Bodenplatte 21 und Isolierringen 30,
32, z. B. aus Aluminiumoxyd, verschmolzen sind, vervollständigen den Röhrenkolben.
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Die beschriebene Röhre enthält drei Innenelektroden. Die erste dieser
Elektroden besteht aus einer rohrförmigen Netzkathode 34, die von einer kegelstumpfförmigen
Halterung 36 getragen wird, Die Kathode 34 kann beispielsweise aus einem Drahtnetz
gebildet werden, das z. B. aus Nickel bestehen kann und mit einem elektronenemittierenden
Material überzogen ist, z. B. einer Mischung von Barium-, Strontium- und Kälziumoxyd.
Die kegelstumpfförmige Halterung 36 und ein oberer Verstärkungsring 38 der Kathode
34 können beispielsweise aus Kupfer bestehen, Das Drahtnetz der Kathode 34 ist mit
der Halterung 36 und 4em Ring 38 hart verlötet. Die Halterung 36 kann mit dem Flansch
28 aus einem Stück bestehen. Die Kathode 34 ist direkt geheizt und wird über den
Flansch 28 einerseits und einen leitenden Stab 40 andererseits gespeist, der z.
B. aus Molybdän bestehen kann und mittels einer Kermik-Metall-Verschmelzung vakuumdicht
durch die Bodenplatte 21 geführt ist. Der leitende Stab 40 ist mit einem querverlaufenden
Stück 42 (F i g. 4) versehen, das, z. B. durch Hartlöten, mit dem am oberen Ende
der Kathode angebrachten Ring 38 verbunden ist. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit
können gewünschtenfalls weitere Querstücke vorgesehen sein. Statt der beschriebenen
direkt geheizten Kathode kann selbstverständlich auch eine indirekt geheizte Kathode,
in der sich ein Heizfaden befindet, verwendet werden. Wenn sich jedoch die Kühlmittelleitungen
durch die Kathode erstrecken, wie es bei dem in F i g.1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Fall ist, ist eire direkt geheizte Kathode vorzuziehen, da dann mehr Raum innerhalb
der Kathode zur Verfügung steht.
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Die Kathode 34 wird von einem Steuergitter 44 umgeben, das eine Anzahl
von longitudinalen Drähten oder Stäben 46 enthält. Das in F i g,1 obere Erde
des Gitters 44 wird durch eine Platte 48 gebildet. Das Gitter 44 kann zeit einem
unten ansetzenden kegelstumpfförmigen Träger 50, der in den Flansch 26 ausläuft,
aus einem Stück bestehen. her Träger 50 und der Flansch 26 können aus einem Metall,
wie Kupfer, hergestellt werden.
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Das Steuergitter 44 wird von einem Schirmgitter 52 umgeben, das Längsdrähte
oder -stöbe 54 enthält, die effektiv im Schatten der Drähte 46 des Steuergitters
44 angeordnet sind. Das Schirmgitter $2 kann mit einem kegelstumpfförmigen Träger
56, der in der Flansch 24 ausläuft, aus einem Stück bestehen. Für den Träger 56
und der Flansch 24 kann z. B. Kupfer verwendet werden. Das in F i g. 1 obere Ende
des Schirmgitters 52 wird durch eine Platte 58 geschlossen, Wenn die äußeren Teile
der Flansche 24,26 mit leitenden Anschluß- oder Schaltungselementen verbunden sind,
ist eine gute Wärmeableitung von den unteren Teilen der Gitter 44, 52 gewährleistet.
Von den oberen Enden dieser Gitter kann -die Wärme jedoch praktisch nicht abgeführt
werden.
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Zwischen die einander gegenüberliegenden Oberflächen .der Endplatten
48, 58 ist ein Isolierring 62 eingesetzt, der mit den Endplatten eine Kammer 60
bildet. Der Ring 62 liegt ziemlich nahe beim Umfang der Endplatten 48, 58, so daß
diese relativ große Teile der Wand der Kammer 60 bilden. Die Gründe für diese Maßnahme
werden noch erläutert. Der Ring 62 ist mit den Endplatten 48, 58 vakuumdicht verschmolzen.
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Durch die Kammer 60 kann ein strömungsfähiges Kühlmittel, z, B, deionisiertes
Wasser, im Umlauf gehalten werden. Hierzu sind Kühlmittelleitungen 64, 66 vorgesehen,
die mit jeweils einem Ende vakuumdicht durch die untere Erdplatte 48 und mit ihrem
anderen Ende mindestens zum Teil durch die Bodenplatte 21 geführt sind. Die Kühlmittelleitungen
64,66
können aus einem Metall, wie Kupfer, bestehen und an ihrer unteren
Enden, in Dichtungen 68,70 innerhalb der Bodenplatte 21 mit zwei Isolierröhren
72, 74 verbunden sein, die beispielsweise aus Aluminium-
Oxyd bestehen
und aus dem Röhrenkolben herausführen. Dadurch, daß die Teile 72,74 der Kühlmittelleitungen
aus einem isolierenden Material bestehen, wird die Gefahr einer zufälligen Beeinflussung
des Steuergitterpotentials verringert. Die Röhren 72,74 werden im Betrieb
an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf angeschlossen.
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Aus F i g.1 ist ersichtlich, daß die Endplatte 58 stärker gekühlt
wird als die Endplatte 48. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Strömung stärker
gegen die Endplatte 58 als gegen die Endplatte 48 gerichtet ist. Die Endplatte 48
hat außerdem eine wesentlich kleinere Oberfläche als die Endplatte 58, da sie die
Öffnungen für die Kühlmittelleitungen 64,66 enthält. Für den Isolierring
62 wird daher vorzugsweise ein Werkstoff verwendet, der sowohl elektrisch isoliert
als auch Wärme verhältnismäßig gut leitet, z. B. Berylliumoxyd. Auf diese Weise
kann dann eine ziemlich gleichmäßige Kühlung beider Endplatten 48, 58 erreicht werden.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die
Kühlmittelleitungen 64, 66 und die Elektrodenelemente überwiegend aus dem gleichen
Werkstoff, z. B. Kupfer. Die axiale Wärmedehnung der inneren Anordnung ist daher
ziemlich gleichmäßig. Infolge dieser gleichmäßigen Wärmedehnung können verhältnismäßig
starre Verbindungen zwischen den Kühlmittelleitungen und den mit ihnen verbundenen
Bauteilen verwendet werden. Wenn die Kühlmittelleitungen 64,66 jedoch aus
einem Material bestehen, das einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als die
anderen Elemente der inneren Anordnung der Röhre hat, können die Kühlmittelleitungen
mit der Endplatte 48 und/oder der Bodenplatte 21 durch eine Dehnungskompensationsanordnung
verbunden werden. Wenn die Verbindung zwischen den Kühlmittelleitungen und der Bodenplatte
21 mit einer Dehnungskompensationsanordnung versehen werden soll, kann diese die
in F i g. 2 dargestellte Form haben. Bei diesem Beispiel ist ein ringförmiger Teil
46 aus Metallblech mit einem Flansch 78 vakuumdicht mit der entsprechenden Kühlmittelleitung
64 verbunden, z. B. durch Hartlöten. Ein weiterer Flansch 80 ist mit der Innenfläche
der Bodenplatte 21 vakuumdicht verbunden, z. B. durch Hartlöten. Die Kühlrnittelleitung
64 ist stumpf mit einem isolierenden Leitungsteil 72 verbunden, die Verbindung
kann sich dabei in dem durch den ringförmigen Teil 76 gebildeten Raum befinden.
Die Biegung 84 dieses Bauteils erlaubt dessen Verformung, so daß die Kühlmittelleitung
64 sich in bezug auf die anderen Teile im Inneren der Röhre in Axialrichtung verschieden
ausdehnen kann. Für die Leitung 66,74 kann eine ähnliche Anordnung vorgesehen
werden.
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Eine flexible Verbindung zwischen der Kühlmittel leitung 64 und der
Endplatte 48 des Steuergitters 44 ist in F i g. 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung
ist ein biegsamer Bauteil 86, der dem Bauteil 76 (F i g. 2) entsprechen kann, mit
der Unterseite der Endplatte 48 und dem oberen Ende der Kühlmittelleitung 64 vakuumdicht
verbunden.
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Bei manchen Anwendungsgebieten kann eine flexible Verbindung der beschriebenen
Art pro Kühlmittelleitung ausreichen. Wenn die Expansionsunterschiede zwischen den
Kühlmittelleitungen 64, 66 und den anderen inneren Teilen -der Röhre jedoch verhältnismäßig
groß sind, kann es zweckmäßig sein, flexible Verbindungen der beschriebenen Art
an bei-,den Enden der Kühlmittelleitungen vorzusehen.
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Die beschriebene Kompensationsanordnung macht es möglich, die Materialien
für die Kühlmittelleitungen unabhängig von ihrem Wärmedehnungskoeffizienten zu wählen.
Wenn beispielsweise der Raum in der Kathode, durch die die Kühlmittelleitungen führen,
beengt ist, kann es zweckmäßig sein, für die Kühlmittelleitungen einen isolierenden
Werkstoff, z. B. Aluminiumoxyd, zu verwenden, um die Gefahr von Kurzschlüssen herabzusetzen.
Die Verwendung eines Isoliermaterials für die Kühlmittelleitungen ist, wenn diese
durch die Kathode führen, schon zur Vermeidung einer übermäßigen Wärmeableitung
von der Kathode vorzuziehen. Vorzugsweise wird dann ein Werkstoff, wie Aluminiumoxyd,
verwendet, der eine relativ kleine Wärmeleitfähigkeit hat. Berylliumoxyd kann auch
verwendet werden, es ist jedoch wegen seiner relativ hohen Wärmeleitfähigkeit nicht
so gut geeignet. Bei Kathoden der beschriebenen Art sind kapazitive Effekte zwar
von vornherein relativ klein, sie können jedoch bei Verwendung von elektrisch isolierenden
Materialien an Stelle von Metall für die Kühlmittelleitungen praktisch vollständig
beseitigt werden.
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Die beschriebene Anordnung enthält eine Anzahl von vakuumdichten Verschmelzungen
oder Verbindungen. Bei einem Teil dieser Verbindungen sind Metallelemente und bei
einem anderen Teil Metallelemente mit Keramikelementen verbunden. Dichte Metall-Metall-Verbindungen
können durch Zwischenlage eines relativ hochschmelzendem Hartlotes hergestellt werden,
z. B. einer Nickel-Eisen-Gold-Legierung, die unter dem Handelsnamen NIORO im Handel
ist. Der Schmelzpunkt dieses Hartlotes liegt bei 950° C und damit beträchtlich über
der höchsten Betriebstemperatur der Röhre. Zur Herstellung der Keramik-Metall-Verbindungen
kann z. B. die zu verschmelzende Keramikfläche mit Molybdän metallisiert und die
Molybdänschicht kann dann mit Nickel plattiert werden. Die Nickelplattierung ergibt
eine gute Bindung mit dem Lot. Gewünschtenfalls können Beilagscheiben aus einer
Kobalt-Nickel-Eisen- oder Kobald-Nickel-Mangan-Eisen-Legierung (Kovar) in den Verschmelzungsbereichen
zwischen die Keramik-und Metallteile eingefügt werden, um abgestufte Verschmelzungen
zu bilden.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel führen Teile
70, 72 der Kühlmittelleitungen 64, 66 durch die Bodenplatte 21 des Röhrenkolbens
und sind vakuumdicht mit Öffnungen in dieser Platte verschmolzen, Die Kühlmittelleitungen
können jedoch auch durch die obere Wand 12 der Anode herausgeführt werden, wie in
F i g. 5 dargestellt ist. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform sind Kühlmittelleitungen
86, 88 jeweils am einen Ende durch öffnungen in der das obere Ende des Schirmgitters
52 verschließenden Platte 58 hindurchgeführt oder enden fluchtend mit Öffnungen
in dieser Platte. Zur Verstärkung der Verbindung zwischen den Leitungen 86, 88 und
der Endplatte 58 können Verbindungsringe 90 aus Metall verwendet werden. Die anderen
Enden der Kühlmittelleitungen 86, 88 führen durch ziemlich weit bemessene Öffnungen
92 in der oberen Wand 12 der Anode und sind mit dieser durch eine Kompensationsanordnung
94 verbunden, die ähnlich ausgebildet sein kann wie die Anordnung 76 (F i g. 2).
Statt der Metallringe 90 kann mit der Oberseite der Endplatte
58
des Schirmgitters auch eine Metallplatte 94 hart verlötet werden, um diese Platte
zu verstärken und das dichte Einführen der Kühlmittelleitungen 86, 88 in diese Platte
zu erleichtern. In dieser Verbindung können die öffnungen 86 der Platte 58 ungefähr
gleich dem Innendurchmesser der Kühhnittelleitungen 86, 88 gemacht werden, während
die Öffnungen 98 in der Verstärkungsplatte 94 etwas größer als der Außendurchmesser
der Leitungen ist, um Raum für ein hochschmelzendes Hartlot, z. B. eine Nickel-Eisen-Gold-Legierung
der obenerwähnten Art, zu schaffen.
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Da die durch den Isolierring 62 und die Endplatten 48, 58 der beiden
Gitter gebildete Kammer praktisch unter Atmosphärendruck steht und sich innerhalb
einer evakuierten Umgebung befindet, sollen die erwähnten Endplatten genügend steif
sein, um die auf sie einwirkenden Drücke auszuhalten. Wenn es unzweckmäßig ist,
die Endplatten 48, 58 schon von vornherein so dick zu machen, wie es aus mechanischen
Gründen zweckmäßig ist, können die Endplatten 48, 58 durch Verstärkungsplatten wie
die Platte 94 verstärkt werden. Die Steuergitterplatte 48 wird dabei vorzugsweise
durch eine an der Unterseite der Platte 48 angebrachte Verstärkung versteift, um
den Raum innerhalb der Kammer 60 (F i g. 6) nicht zu beengen.
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Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform herrschen im Betrieb
zwischen der Endplatte 58 und der Stirnwand 12 der Anode relativ starke elektrische
Felder. Jeder in diesen Feldern angeordnete Metallteil verursacht störende kapazitive
Belastungen. Um solche kapazitive Belastungen möglichst gering zu halten, werden
die Kühlmittelleitungen 86, 88 aus einem isolierenden Werkstoff, wie Aluminiumoxyd,
hergestellt.
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F i g. 7 zeigt eine Anordnung zur Kompensation von Wärmedehnungen,
die sich besonders gut dann eignet, wenn die Dehmungsunterschiede zwischen den betreffenden
Teilen sehr groß sind. Die dargestellte Anordnung bildet eine vakuumdichte Verbindung
zwischen der Kühlmitteleitung 86 und der oberen Wand 12 der Anode 10. Die Kompensationsanordnung
enthält zwei axial beabstandete Ringe 7L00,102, die mit der Leitung 86 bzw. der
Anodenwand 12 vakuumdicht verbunden sind. Die Ringe 100, 102 weisen Flansche auf,
die mit einem Balgen 104 dicht verbunden sind. Der Balgen 104 kann aus relativ dünnem
Edelstahlblech bestehen.
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Die die Kammer 60 begrenzenden Gitterendplatten 48, 58 sind in den
F i g. 1, 5 und 6 glatt dargestellt, sie können in der Praxis jedoch auch anders
ausgebildet sein, um den Wärmeübergang zum Kühlmittel zu verbessern. Hierfür können
die Innenflächen aufgerauht, gewellt oder gerippt sein, und/oder es können Kühlrippen
od. dgl. an ihnen angebracht werden.
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Die beschriebene Kühlanordnung ist ziemlich robust, so daß das Kühlmittel
mit erheblichem Druck und erheblicher Strömungsgeschwingdigkeit im Umlauf gehalten
werden kann. Hierdurch ist eine wirksame Wärmeableitung von den sonst unzugänglichen
Teilen des Steuer- und Schirmgitters im Röhrenkolben gewährleistet.