DE1514510C

DE1514510C - Electron beam generation system for high-performance tubes

Info

Publication number: DE1514510C
Authority: DE
Inventors: Artur 8000 München Kraus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-07-15

Description

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. :The invention relates to an electron gun in which the cathode and the Wehnelt electrode shielded from the main anode in one that carries the first anode up to the base of the tube Reaching metal cylinder are arranged and in which the arranged in a radiation protection jacket The heater of the indirectly heated supply cathode is designed to be cantilevered. :

Sie hat besondere.Bedeutung für mit Elektroneristrahlen 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 unvermeidlichen mechanischen Verbindungen zum Haltern bedingte Wärmeleitung ab.It has a special meaning for with electron beams working high-performance tubes. For this type of tube, e.g. B. for traveling wave tubes with high Performance, a major difficulty is finding the electrodes needed for beamforming and especially the cathode are immediately adjacent to keep so cool that they are also at Vaporization with emission-promoting substances does not give off thermal emissions. This keeping cool requires measures by which the amount of heat given off by the cathode is so small as possible. At a given cathode temperature, this amount of heat emitted or the The amount of heat absorbed by the adjacent control electrode depends on the size of the surface of the concerned cathode with regard to the thermal radiation occurring and from the inevitable mechanical connections to the holder conditional heat conduction.

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.With the demands on the specific emission of a Cathode the cathode temperature must be increased above 1100 ° C.

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 1700⁰C 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) nötwendig ist.Probably the most common way of heating a cathode with the lowest possible losses is the cemented heater arrangement. Since the occurrence of electrolysis phenomena within the insulation material does not depend directly on the operating cathode temperature, but exponentially, corresponding difficulties arise with replacement cathodes that are operated at a higher emission temperature. The heater, which is therefore designed as a cantilevered heater, from which the useful heat can only be emitted via the radiation process, must, however, be brought to the highest possible temperature of about 1600 to 1700 ^° C. with a correspondingly high output in order to achieve a reasonably acceptable level of efficiency . It is more or less inevitable that a considerable part of the heat generated is radiated as heat loss to immediately adjacent electrodes, such as the Wehnelt electrode and the first anode. On the other hand, the heat loss cannot be dissipated directly by conduction to the tube shell (vessel wall), since between this and the first anode practically the full anode voltage of z. B. a few 10 kV and therefore a sufficiently large distance (insulating distance) is necessary.

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.The object on which the invention is based is therefore to use special constructive Measures using particularly suitable materials immediately surrounding the cathode The beam-shaping electrode, especially the Wehnelt electrode, should be kept as cool as possible so that it can do not generate any thermal emissions even when vaporised with emissive substances during operation can, however, without thereby affecting the insulation properties between the individual electrodes will.

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 Außendurchmessei's 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.This is achieved in an electron gun described in the first paragraph of the invention in that the Wehnelt electrode consists of an annular screen, a metallic carrier ring same outside diameter and a number consists of metal rods that connect these two rings in a cage-like manner and are parallel to the system axis, and in that the length of this cage-like Wehnelt electrode is approximately equal to the length of the entire radiation protection jacket the cathode is.

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. It is particularly advantageous in the arrangement with regard to thermal radiation as cage bars Flat bars are used that have flat or curved surfaces and run radially to the system axis. Although not with a view to a minimum of heat absorption, but in special cases, e.g. B. with regard to the developing electrostatic field strengths at very high voltages In a particularly advantageous manner, the ceramic rods are designed with a circular cross section.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird der Wehneltkäfig mit seinem Trägefring 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.In an advantageous development of the invention, the Wehnelt cage with its support ring is directly underneath the cathode radiation protection jacket on a base ring inserted into the support tube at least three, preferably five, insulating rods attached and the cross-section and material selected so that that a sufficient heat flow to the foot of the discharge vessel or to the one made of copper existing carrier tube. A preferred material for the generally made of oxide ceramics, such as B. aluminum oxide, the insulating rods produced is beryllium oxide. Because of its larger Thermal conductivity can be increased by up to 5 times when using insulating rods made of beryllium oxide Heat dissipation can be achieved. The base ring is advantageously used at the same time as a holder the cathode is used by attaching the cathode to the latter with separate ceramic rods is that the attachment points of the ceramic rods of the two electrodes on the circumference of the ring alternate. These ceramic rods - usually made of aluminum oxide - can, at Formation of the lower end of the cathode protection cylinder as a thermal brake, made of beryllium oxide getting produced. To shield the ceramic rods against vapor deposition with electrical conductive substances from the cathode or from the heater, is advantageously the cathode holding flange extended downwards by a metallic cylinder.

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.The invention is explained using the exemplary embodiment shown purely schematically in the figure. Parts that do not necessarily contribute to an understanding of the invention are omitted or remained unmarked.

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 fürIn the figure, 1 denotes an elongated metallic support tube, preferably made of copper, that is designed as a first anode and therefore as a diaphragm on its end face. Inside him The indirectly heated cathode with the emission material carrier disk 2 and is completely shielded in the center the radiation protection jacket 3 or its extension 4 designed as a thermal brake is arranged. The actual cathode body, which is in the present case in essentially of a storage container, closed by a porous emission disk, and the for

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 Strahluhgsschutzmantels 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 Wanne dann endgültig von einem Radiator durch entsprechende Kühlluft weggeführt wird. Am vorteilhaftesten hinsichtlich der Abstrahlungsverhältnisse werden die Stäbe als Rachstäbe 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.the boiler room provided for accommodating the heater. In front of or around the cathode, that is between the first anode and the cathode, is the beam forming electrode, i.e. H. the Wehnelt electrode, arranged. Their surface has been greatly reduced, but without affecting their electrical function. It consists essentially of a faceplate 5 and an equidistant carrier ring 6, which are connected and spaced by a number of metal rods (Wehnelt rods) 7. Through This cage-like structure of the Wehnelt electrode is achieved that the cathode in the area Only a small fraction of the heat loss radiated from the radiation protection jacket is lost to parts the Wehnelt electrode. Rather, the cathode cylinder surface essentially radiates its heat loss between the Wehnelt rods through directly onto the support tube 1, which, designed as a copper tube, the heat dissipates well to the foot end, where the tub is then finally from a radiator is carried away by appropriate cooling air. Most advantageous in terms of radiation conditions the rods are designed as rach rods 7, the flat or curved surfaces of which extend radially; however, in view of the electrostatic field strengths that develop at high voltages, the Circular cross-section offer certain advantages. Its length is such that the Wehnelt cage is approximately the same length of the actual radiation protection jacket of the cathode. The Wehnelt cage is carried with his Carrier ring 6 from one in the carrier tube approximately below the radiation protection jacket of the cathode or its extension used base ring 8 and is on this with at least three, in particular five Ceramic rods attached. The number, cross-section and material of the insulating rods are chosen so that A sufficient flow of heat to the lower part of the support tube is ensured via them. The bars consist of an oxide ceramic such. B. alumina; but to increase the heat flow and thus to reduce the significant temperature differences that occur, they are in particular advantageously made from beryllium oxide, which gives a very low temperature the Wehnelt electrode is reached.

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 Keramijc-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.The cathode 2, 3, 4 with its cathode holding flange is similar, also with oxide ceramic rods 10 attached to the base ring 8 in such a way that the attachment points are located on the circumference of the ring the ceramic rods of both electrodes, namely Wehnelt electrode and cathode, alternate. These insulating rods, which are generally made of aluminum oxide, can also be used in cases in which the heating power is particularly large, e.g. B. 100 W, and still the beam shaping electrode, namely the Wehnelt electrode, which should be kept at a particularly low temperature Beryllium oxide can be produced. This measure is particularly advantageous when the lower part of the radiation protection jacket of the cathode is subdivided in such a way that the up to the cathode support flange reaching part as a thermal brake z. B. is made from a V2A film cylinder. Because such But the thermal brake is only effective, d. H. ensures a significant heat or temperature gradient, if a corresponding amount of heat flows through them, the insulating rods are made of beryllium oxide then particularly advantageous. With beryllium oxide rods it is easily possible, e.g. B. at a heating power of 100 W the temperature; the Wehnelt front panel from 850 to 300 ° C. To achieve adequate shielding of the two groups of Keramijc insulating rods against Electrically conductive vapor deposition coatings on the cathode and heater are advantageously used as the cathode holding flange 10 is provided with a downwardly projecting cylindrical part 12. With the described Arrangement, the entire heat loss flows through the copper support tube 1 to the not shown At the foot end, it is finally discharged from the discharge vessel by a corresponding radiator will.

Claims

Patent claims:

1. Electron gun in which the cathode and the Wehnelt electrode are opposite the main anode is shielded in one that carries the first anode and extends to the base of the tube Metal cylinders are arranged and in which the arranged in a radiation protection jacket The heater of the indirectly heated supply cathode is designed to be cantilevered, characterized in that that the Wehnelt electrode consists of an annular diaphragm (5), a metallic carrier ring (6) of the same outer diameter and a number of these two rings connecting these two rings in a cage-like manner, parallel to the system axis Metal rods (7), and in that the length of this cage-like Wehnelt electrode is approximately equal to the length of the entire radiation protection jacket (3, 4) of the cathode.

2. Electron gun according to claim 1, characterized in that the metal rods are designed as flat rods with flat or curved surfaces and are arranged so that they face the system axis their smallest surface.

3. electron beam generating system according to claim 1, characterized in that the cage bars have a circular cross-section.

4. Electron gun according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Wehnelt electrode (5, 6, 7) designed as a cage with its carrier ring (6) immediately below the radiation protection jacket of the cathode on one in the the first The anode-bearing metal cylinder used in the base ring (8), which at the same time works in a similar manner also serves to hold the cathode, with at least three insulating rods made of high quality Insulating material is attached, the number and cross-section for the required heat dissipation are chosen to be sufficiently large.

5. electron gun according to claim 4, characterized in that the insulating rods consist of an oxide ceramic such as beryllium oxide, aluminum oxide or magnesium oxide.

6. electron gun according to claim 4 or 5, characterized in that the cathode is held with an equal number of insulating rods as the Wehnelt electrode on the base ring (8) in such a way that their attachment points with the base ring between those of the insulating rods of the Wehnelt electrode.

7. electron gun according to claim 6, characterized in that the insulating rods for the cathode made of an oxide ceramic, such as beryllium oxide, aluminum oxide or magnesium oxide, exist.

8. Electron gun according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a cathode support flange (10) is provided, which as Thermal brake in the form of a V2A film cylinder designed lower end of the radiation protection jacket connected is.

9. electron gun according to claim 8, characterized in that the Cathode holding flange by a downwardly extended, cylindrical part (12) at the same time serves as vapor protection for the two groups of insulating rods.

1 sheet of drawings