DE1514510B2 - Elektronenstrahlerzeugungssystem für Hoohleistungsröhren - Google Patents

Description

I 514510

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei dem die Kathode und die Wehneltelektrode gegenüber der Hauptanode abgeschirmt in einem die erste Anode tragenden, bis zum Röhrenfuß reichenden Metallzylinder angeordnet sind und bei dem der in einem Strahlungsschutzmantel angeordnete Heizer der mittelbar geheizten Vorratskathode frei tragend ausgebildet ist.

Sie hat besondere Bedeutung für mit Elektronenstrahlen arbeitende Hochleistungsröhren. Für diese Röhrenart, z. B. für Wanderfeldröhren mit hoher Leistung, besteht eine wesentliche Schwierigkeit darin, die Elektroden, die für die Strahlformung benötigt werden und besonders der Kathode unmittelbar benachbart sind, so kühl zu halten, daß sie auch bei Bedampfung mit emissionsfördernden Substanzen keine thermische Emission abgeben. Dieses Kühlhalten erfordert Maßnahmen, durch die die Wärmemenge, die von der Kathode abgegeben wird, so klein wie möglich wird. Bei vorgegebener Kathodentemperatur hängt diese abgegebene Wärmemenge bzw. die von der benachbarten Steuerelektrode aufgenommene Wärmemenge von der Größe der Oberfläche der betreffenden Kathode im Hinblick auf die erfolgende Wärmestrahlung und von der durch die unvermeidliehen mechanischen Verbindungen zum Haltern bedingte Wärmeleitung ab.

Bei den heute und vor allem in Zukunft zu erwartenden Ansprüchen an die spezifische Emission einer Kathode muß die Kathodentemperatur über 1100° C erhöht werden.

Wohl die gängigste Art, eine Kathode mit den geringsten Verlusten zu heizen, ist die eingekittete Heizeranordnung. Da das Eintreten von Elektrolyse-Erscheinungen innerhalb des Isolationsmaterials von der Betriebskathodentemperatur nicht direkt, sondern exponentiell abhängt, treten bei Nachlieferungskathoden, die mit erhöhter Emissionstemperatur betrieben werden, bereits entsprechende Schwierigkeiten auf. Der deshalb als frei tragend ausgebildete Heizer, von dem die Nutzwärme jedoch allein nur über den Strahlungsvorgang abgegeben werden kann, muß allerdings mit Rücksicht auf einen einigermaßen vertretbaren Wirkungsgrad bei entsprechend hoher Leistung auf eine möglichst hohe Temperatur von etwa 1600 bis 1700° C gebracht werden. Dabei ist mehr oder weniger unvermeidlich, daß ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme als Verlustwärme auf unmittelbar benachbarte Elektroden, wie der Wehneltelektrode und die erste Anode, abgestrahlt wird. Auf der anderen Seite kann die Verlustwärme nicht direkt durch Wärmeleitung zur Röhrenhülle (Gefäßwand) abgeleitet werden, da zwischen -dieser und der ersten Anode praktisch die volle Anodenspannung von z. B. einigen 10 kV liegt und deshalb entsprechend ein genügend großer Abstand (Isolierstrecke) notwendig ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, durch besondere konstruktive Maßnahmen unter Verwendung besonders geeigneter Werkstoffe die die Kathode unmittelbar umgebende Strahlformungselektrode, insbesondere die Wehneltelektrode, möglichst kühl zu bewahren, damit sie auch bei Bedampfung mit emissionsfähigen Substanzen im Betrieb keine thermische Emission erzeugen kann, ohne daß jedoch dadurch die Isolationseigenschaften zwischen den einzelnen Elektroden beeinträchtigt werden.

Erreicht wird dies bei einem im ersten Absatz beschriebenen Elektronenstrahlerzeugungssystem nach der Erfindung dadurch, daß die Wehneltelektrode aus einer ringförmigen Blende, einem metallischen Trägerring gleichen Außendufchmessers und einer Anzahl von diese beiden Ringe käfigartig verbindenden, zur Systemachse parallelen Metallstäben besteht, und dadurch, daß die Länge dieser käfigartigen Wehneltelektrode etwa gleich der Länge des gesamten Strahlungsschutzmantels der Kathode ist.

Mit besonderem Vorteil werden bei der Anordnung im Hinblick auf die Wärmestrahlung als Käfigstäbe Flachstäbe benutzt, die ebene oder gewölbte Flächen aufweisen und radial zur Systemachse verlaufen. Zwar nicht im Hinblick auf ein Minimum an Wärmeaufnahme, jedoch in besonderen Fällen, z. B. im Hinblick auf die sich ausbildenden elektrostatischen Feldstärken bei sehr hohen Spannungen werden in besonders vorteilhafter Weise die Keramikstäbe mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird der Wehneltkäfig mit seinem Trägerring unmittelbar unterhalb des Kathodenstrahlungsschutzmantels auf einem in das Trägerrohr eingesetzten Basisring mit mindestens drei, vorzugsweise fünf, Isolierstäben befestigt und dabei Querschnitt und Werkstoff so gewählt, daß ein ausreichender Wärmefluß zum Fuß des Entladungsgefäßes hin bzw. zu dem aus Kupfer bestehenden Trägerrohr erfolgt. Ein bevorzugter Werkstoff für die im allgemeinen aus Oxydkeramik, wie z. B. Aluminiumoxyd, hergestellten Isolierstäbe ist Berylliumoxyd. Auf Grund seiner größeren Wärmeleitfähigkeit kann bei Verwendung von Isolierstäben aus Berylliumoxyd eine bis zu 5fach erhöhte Wärmeableitung erzielt werden. Vorteilhafterweise wird der Basisring gleichzeitig zur Halterung der Kathode verwendet, indem die Kathode mit getrennten Keramikstäben an diesem derart befestigt ist, daß sich die Befestigungsstellen der Keramikstäbe der beiden Elektroden auf dem Umfang des Ringes abwechseln. Auch diese Keramikstäbe — normalerweise aus Aluminiumoxyd hergestellt — können, bei Ausbildung des unteren Endes des Kathodenstralungsschutzzylinders als Wärmebremse, aus Berylliumoxyd hergestellt werden. Zur Abschirmung der Keramikstäbe gegen ein Bedampfen mit elektrisch leitenden Substanzen von der Kathode bzw. vom Heizer her, wird vorteilhafterweise der Kathodenhalterungsflansch nach unten hin durch einen metallischen Zylinder verlängert.

Die Erfindung wird an Hand des in der Figur rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, sind darin fortgelassen oder unbezeichnet geblieben.

In der Figur ist mit 1 ein langgestrecktes metallisches Trägerrohr, aus vorzugsweise Kupfer, bezeichnet, daß als erste Anode und deshalb an seiner Stirnseite als Blende ausgebildet ist. In seinem Innern völlig abgeschirmt ist zentral die mittelbar geheizte Kathode mit der Emissionsstoffträgerscheibe 2 und dem Strahlungsschutzmantel 3 bzw. dessen als Wärmebremse ausgebildeten Verlängerung 4 angeordnet. Nicht besonders dargestellt sind der eigentliche Kathodenkörper, der im vorliegenden Fall im wesentlichen aus einem Vorratsbehälter, abgeschlossen durch eine poröse Emissionsscheibe, und dem für

die Unterbringung des Heizers vorgesehenen Heizraum besteht. Vor bzw. um die Kathode herum, also zwischen der ersten Anode und der Kathode, ist die Strahlformungselektrode, d. h. die Wehneltelektrode, angeordnet. Ihre Oberfläche wurde stark reduziert, ohne jedoch ihre elektrische Funktion zu beeinträchtigen. Sie besteht im wesentlichen aus einer Stirnblende 5 und einem äquidistanten Trägerring 6, die durch eine Anzahl von Metallstäben (Wehneltstäben) 7 verbunden und distanziert sind. Durch diesen käfigartigen Aufbau der Wehneltelektrode wird erreicht, daß die von der Kathode im Bereich des Strahlungsschutzmantels abgestrahlte Verlustwärme nur zu einem geringen Bruchteil auf Teile der Wehneltelektrode gelangt. Vielmehr strahlt die Kathodenzylinderfläche im wesentlichen ihre Verlustwärme zwischen den Wehneltstäben hindurch direkt auf das Trägerrohr 1, welches, als Kupferrohr ausgebildet, die Wärme gut zum Fußende hin ableitet, wo die Wärme dann endgültig von einem Radiator durch entsprechende Kühlluft weggeführt wird. Am vorteilhaftesten hinsichtlich der Abstrahlungsverhältnisse werden die Stäbe als Flachstäbe 7 ausgebildet, deren ebene oder gewölbte Flächen radial verlaufen; jedoch kann im Hinblick auf sich ausbildende elektrostatische Feldstärken bei hohen Spannungen der Kreisquerschnitt gewisse Vorteile bieten. Ihre Länge ist so bemessen, daß der Wehneltkäfig etwa die Länge des eigentlichen Strahlungsschutzmantels der Kathode hat. Getragen wird der Wehneltkäfig mit seinem Trägerring 6 von einem in das Trägerrohr etwa unterhalb des Strahlungsschutzmantels der Kathode bzw. dessen Verlängerung eingesetzten Basisring 8 und ist auf diesem mit mindestens drei, insbesondere fünf Keramikstäben befestigt. Anzahl, Querschnitt und Werkstoff der Isolierstäbe sind dabei so gewählt, daß über sie ein ausreichender Wärmefluß zum unteren Teil des Trägerrohres gewährleistet ist. Die Stäbe bestehen aus einer Oxydkeramik, wie z. B. Aluminiumoxyd; jedoch zur Erhöhung des Wärmeflusses und damit zur Verkleinerung der auftretenden maßgeblichen Temperaturdifferenzen werden sie in besonders vorteilhafter Weise aus Berylliumoxyd hergestellt, wodurch eine sehr niedrige Temperatur an der Wehneltelektrode erreicht wird.

In ähnlicher Weise, also ebenfalls mit Oxydkeramikstäben, ist die Kathode 2, 3, 4 mit ihrem Kathodenhalterungsflansch 10 derart am Basisring 8 befestigt, daß sich am Umfang des Ringes die Befestigungsstellen der Keramikstäbe von beiden Elektroden, nämlich Wehneltelektrode und Kathode, abwechseln. Auch diese Isolierstäbe, die im allgemeinen aus Aluminiumoxyd hergestellt werden, können in Fällen, in denen die Heizleistung besonders groß ist, z. B. 100 W beträgt, und trotzdem die Strahlformungselektrode, nämlich die Wehneltelektrode, auf besonders niedriger Temperatur gehalten werden soll, aus Berylliumoxyd hergestellt werden. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft dann, wenn der untere Teil des Strahlungschutzmantels der Kathode derart unterteilt ist, daß der bis zum Kathodenhalterungsflansch reichende Teil als Wärmebremse z. B. aus einem V2A-Folienzylinder hergestellt wird. Da eine solche Wärmebremse aber nur wirksam ist, d. h. für ein erhebliches Wärme- bzw. Temperaturgefälle sorgt, wenn über sie eine entsprechende Wärmemenge fließt, ist die Ausbildung der Isolierstäbe aus Berylliumoxyd dann besonders vorteilhaft. Mit Berylliumoxydstäben ist es ohne weiteres möglich, z. B. bei einer Heizleistung von 100 W die Temperatur der Wehnelt-Stirnblende von 850 auf 300° C zu senken. Zur Erzielung einer ausreichenden Abschirmung der beiden Gruppen von Kejramik-Isolierstäben gegen elektrisch leitende Aufdampfbeläge von Kathode und Heizer her, wird vorteilhafterweise der Kathodenhalterungsflansch 10 mit einem nach unten ragenden zylindrischen Teil 12 versehen. Bei der beschriebenen Anordnung fließt die gesamte Verlustwärme über das Kupferträgerrohr 1 zum nicht näher dargestellten Fußende hin, an dem sie durch einen entsprechenden Radiator endgültig vom Entladungsgefäß abgeführt wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei dem die Kathode und die Wehneltelektrode gegenüber der Hauptanode abgeschirmt in einem die erste Anode tragenden, bis zum Röhrenfuß reichenden Metallzylinder angeordnet sind und bei dem der in einem Strahlungsschutzmantel angeordnete Heizer der mittelbar geheizten Vorratskathode frei tragend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wehneltelektrode aus einer ringförmigen Blende (5), einem metallischen Trägerring (6) gleichen Außendurchmessers und einer Anzahl von diese beiden Ringe käfigartig verbindenden, zur Systemachse parallelen Metallstäben (7) besteht, und dadurch, daß die Länge dieser käfigartigen Wehneltelektrode etwa gleich der Länge des gesamten Strahlungsschutzmantels (3, 4) der Kathode ist.

2. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe als Flachstäbe mit ebenen oder gewölbten Flächen ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie der Systemachse ihre kleinste Fläche zuwenden.

3. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigstäbe kreisförmigen Querschnitt haben.

4. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Käfig ausgebildete Wehneltelektrode (5, 6, 7) mit ihrem Trägerring (6) unmittelbar unterhalb des Strahlungsschutzmantels der Kathode auf einem in den die erste Anode tragenden Metallzylinder eingesetzten Basisring (8), der zugleich in ähnlicher Weise auch der Halterung der Kathode dient, mit mindestens drei Isolierstäben aus hochwertigem Isoliermaterial befestigt ist, deren Anzahl und Querschnitt für den erforderlichen Wärmeabfluß ausreichend groß gewählt sind.

5. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstäbe aus einer Oxydkeramik, wie Berylliumoxyd, Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd, bestehen.

6. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit einer gleichen Anzahl von Isolierstäben wie die Wehneltelektrode am Basisring (8) derart gehaltert ist, daß sich ihre Befestigungsstellen mit dem Basisring jeweils zwischen denen der Isolierstäbe der Wehneltelektrode befinden.

7. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstäbe für die Kathode aus einer Oxydkeramik, wie Berylliumoxyd, Aluminiumoxyd oder Magnesiumoxyd, bestehen.

8. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodenhalterungsflansch (10) vorgesehen ist, der mit dem als Wärmebremse in Form eines V2A-Folienzylinders ausgebildeten unteren Ende des Strahlungsschutzmantels verbunden ist.

9. Elektronenstrahlerzeugirngssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenhalterungsfiansch durch einen nach unten verlängerten, zylindrischen Teil (12) gleichzeitig als Bedampfungsschutz für die beiden Gruppen von Isolierstäben dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen