DE1616104B1 - Elektronenstrahlroehre - Google Patents

Description

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F i g. 2 schematisch die Potentiale und die Strahl- zeigt), die allgemein Spiegelbilder der Äquipotenwege fur eine Elektronenstrahlröhre nach Fig. 1, tialflächen im Strahlweg auf der Strahlbeschleu-

Fig. 3 schematisch ein Schaltbild einer Laufzeit- nigungsseite der Beschleunigungselektrode 4 darröhre mit Merkmalen der Erfindung und stellen. Auf diese Weise erfahren die Elektronen des

F i g. 4 schematisch eine Radialröhre mit Merk- 5 Strahls im äußeren Bereich des Strahls im Verzögemalen der Erfindung. rungsbereich eine nach innen gerichtete Kraft, die

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlröhre der nach außen gerichteten, auf diese Elektronen weist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem2 nach wirkenden Kraft entgegengesetzt ist, die durch die Pierce an einem Ende auf, mit dem ein Elektronen- Raumladungen im Strahl hervorgerufen werden. Das strahl 3 durch eine Beschleunigungselektrode 4 zu io Verhältnis dieser Kräfte ist so gewählt, daß ein Strahl einem Kollektor 5 mit verengtem Strahleingang 19 erzeugt wird, der sich in gewünschter Abhängigkeit projiziert wird. von der axialen Distanz ausdehnt, während die

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 enthält Laminarität des Flusses so weit wie möglich beieinen Kathodenemitter 6 mit einer nach innen ge- behalten wird.

wölbten Emissionsfläche 7, die zur Beschleunigungs- 15 Darüber hinaus ist vorzugsweise der Abstand d_y elektrode 4 hinweist. Die Emitterfläche 7 ist Vorzugs- von der Äquipotentialfläche 22 zu einer mittleren weise sphärisch geformt und bildet eine Kalotte Querebene 24 des Beschleunigungskanals 14, gemeseiner Kugel mit relativ großem Radius. Eine zylin- sen längs der Strahlachse 23, gleich dem Abstand d_z drische Strahlfokussierelektrode 8 umfaßt koaxial vom Kathodenemitter 7 zur Mittelebene 24. Auf diese den Außenumfang des Kathodenemitters 6 und steht 20 Weise konvergiert und divergiert der Strahl 3 axial zur Beschleunigungselektrode 4 hin vor. symmetrisch um die Mittelebene 24 der Anode, um

Zwei Maschengitter 9 und 11 sind dicht an der den laminaren Elektronenstrom im Verzögerungs-Emissionsfläche 7 angeordnet und so geformt, daß bereich zwischen der Beschleunigungselektrode 4 und sie sich der Kugelform der emittierenden Fläche 7 dem Kollektor 5 beizubehalten. Abweichungen vom anpassen. 25 laminaren Elektronenfluß ergeben ein weites Ge-

Die Beschleunigungselektrode 4, beispielsweise aus schwindigkeitsspektrum der Elektronen im Strahl, so Kupfer, weist einen zentralen Strahlweg 14 auf, der daß einige Elektronen mit höherer als erwünschter kreisförmigen Querschnitt und einen kleineren Geschwindigkeit im Kollektor aufgefangen werden, Durchmesser als die Kathode 6 hat. wodurch der Wirkungsgrad des Betriebes der Röhre 1

Eine zylindrische Hochspannungs-Isolatoranord- 3° fällt.

nung 15 hält die Hochspannungen zwischen der Ka- Bn Betrieb ist die Röhre 1 nach Fig. 1 eine Schalt-

thode 6 und der Beschleunigungselektrode 4 ab und röhre mit gutem Wirkungsgrad. Wenn sie als Schalterlaubt darüber hinaus, daß verschiedene unabhän- röhre 1 betrieben wird, werden die Kathode 6 und das gige Potentiale an deren verschiedene Elektroden erste Gitter 9 auf Kathodenpotential betrieben, beigelegt werden können. Ein ähnlicher Hochspannungs- 35 spielsweise 10 —20OkV, negativ gegen Beschleuniisolator 6 ist dicht zwischen die Beschleunigungs- gungselektrode 4, die geerdet ist. Die Kollektorelekelektrode 4 und den Kollektor 5 eingesetzt, wodurch trode 5 ist im »Aus«-Zustand geerdet. Um die ein Teil des Vakuumgefäßes der Röhre gebildet wird Röhre 1 einzuschalten, wird das zweite Steuergitter U und gleichzeitig ermöglicht wird, daß der Kollektor 5 auf ein Potential geschaltet, das gegenüber der auf einem abgesenkten Potential in der Nähe des 40 Kathode 6 um einen Betrag positv ist, der grob ge-Kathodenpotentials arbeiten kann, so daß der Span- sprachen gleich der Spannung zwischen der Beschleunungsabfall der Röhre 1 bei Vorwärtsleitung nur ein nigungselektrode und der Kathode, geteilt durch die kleiner Prozentsatz des Beschleunigungselektroden- Verstärkung des Steuergitters ist. Weil der sich erpotentials, beispielsweise 1 bis 10%, ist. gebende Strahlstrom durch einen geeignet bemessenen

Der Kollektor 5 weist einen Hohlraum 17 zum 45 Lastwiderstand fließt, wird der Kollektors auf ein Sammeln des Strahls auf dessen Innenflächen auf Potential geschaltet, das nur ein kleiner Prozentsatz und eine Wand 18 mit zentraler Öffnung, die den des Potentials Kathode—Beschleunigungsanode ist, Strahleingang 19 bildet, der im Vergleich zum KoI- beispielsweise weniger als 10% dieses Potentials, vor-Iektorteill7 eine verringerte Querschnittsfläche hat, zugsweise weniger als 2% der Beschleunigungselekum das Entweichen von Sekundärelektronen aus dem 50 trodenspannung. Bei richtiger Konstruktion der Röhre Kollektor zurück zur Beschleunigungselektrode 4 zu zur Erzeugung laminaren Elektronenflusses und symverhindern. Eine leitende, rohrförmige Hilfselektrode metrischer Strahlkonvergenz und -divergenz in den 21 steht von der Kollektorwand 18 zur Beschleuni- Kollektor 5, wie es oben beschrieben worden ist, ist gungselektrode 4 hin vor, um die Äquipotential- zu erwarten, daß 98% des Strahlstroms bei 1% des flächen am Strahleingang 19 und im Verzögerungs- 55 Beschleunigungselektrodenpotentials gesammelt werbereich unmittelbar vor dem Strahleingang zu for- den können. Dadurch ergibt sich eine Beschleunimen. Die Hilfselektrode 21 und der Strahleingang 19 gungselektroden-Energieabfuhr von 2% der Leistung sind bei der bevorzugten Ausführungsform so dimen- in der Last und eine Kollektor-Energieabfuhr von 1 %, skaliert, daß eine Äquipotentialfläche 22 über dem also ein Schaltröhrenwirkungsgrad von 97% im Strahleingangskanal 19 gebildet wird, die das Poten- 60 »Ein«-Zustand. Das ist typisch für eine axial symmetial des abgesenkten Kollektors 5 hat und die bei trische Struktur mit einer Strahlperveanz von 1 · 10~⁶. Vorhandensein einer Raumladung vorzugsweise so Die Beschleunigungselektrode 4 und der Kollektor 5 geformt ist, daß sie etwa ein symmetrisches Spiegel- werden zweckmäßigerweise dadurch gekühlt, daß ein bild der nach innen gewölbten Emitterfläche 7 des flüssiges Kühlmittel im Kreislauf herumgeschickt Kathodenemitters 6 darstellt. Darüber hinaus ist die 65 wird. Ein Kühlmantel ist bei 26 angedeutet, mit dem Hilfselektrode 21 so geformt, daß eine Reihe von der Kollektor 5 gekühlt werden kann. Äquipotentialflächen 20 über dem Strahlweg gebildet In F i g. 1 ist außerdem eine andere Ausführungs-

wird (wie in der Potentialdarstellung in Fig. 2 ge- form der Erfindung für Hochfrequenzbetrieb darge-

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stellt. In diesem Falle ist ein nur teilweise darge- Iektors5' enthält einen ringförmigen. Strahlkanal 19',

stellter Hohlraumresonator 31 zwischen, die Beschleu- der die Mündung des Kollektors bildet. Eine ring-

nigungselektrode4 und den Kollektor 5 außerhalb des förmige Strahlfokussierstruktur 21' steht an der Mün-Röhrenvakuumgefäßes geschaltet. In diesem Falle dung des Kollektors S' zur Beschleunigungselek-

wird die Last durch den Resonator 31 in der schema- 5 trode 4' hin vor.

tisch, in Fig. 3 dargestellten Weise ersetzt. Die Fokussierstruktur 2Γ ist so geformt und an-

Ein in Fig. 1 nicht dargestellter zweiter Resonator geordnet, daß die Äquipotentialflächen im Verzöge-

32, der auf die gleiche Frequenz abgestimmt ist wie rungsbereich des Strahlweges 3' so geformt werden,

der Ausgangsresonator 31, ist zwischen das zweite daß eine Reihe von Äquipotentialflächen an und vor

Steuergitter 11 und den Kathodenemitter 6 geschaltet, ίο der Mündung des Kollektors gebildet werden, die

Ein Nebenschlußkondensator 33 liegt zwischen der nach innen zum Kollektor hin gewölbt sind. Solche

Beschleunigungselektrode 4 und der Kathode 6. Ein Äquipotentialflächen sind ahnlich wie die Flächen 20

zu verstärkendes Hochfrequenzsignal mit der Reso- und 22 nach Fig. 2 geformt, nur daß die Flächen bei

nanzfrequenz des Ausgangsresonator wird in den der Ausführungsform nach Fig. 4 Rotationsflächen

Eingangsresonator 32 eingekoppelt, um eine Hoch- 15 um die zentrale Achse sind statt sphärische Flächen,

frequenzspannung zwischen dem zweiten Gitter 11 wie bei Röhren mit. linearem Strahl nach Fig. 1

und der Kathode 6 zu erzeugen. Während der posi- bis 4. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind

tiven Halbwellen dieser Spannung fließen Strahl- die Elektroden 6', 4', 5'und 2Γ so bemessen und ge-

stromimpulse zum Kollektor 5. Diese Strahlstrom- formt, daß ein konvergierender und divergierender

impulse erregen den Ausgangsresonator 31. Ver- 20 Elektronenstrahl 3' um die zylindrische Fläche 24' in

stärkte hochfrequente Ausgangsenergie wird vom der Mitte der Beschleunigungselektrode 4' gebildet

Ausgangsresonator 31 mit einer Koppelschleife 34 wird.

abgenommen und einem geeigneten, nicht darge- Die Röhre nach Fig. 4, die mit einem radialen

stellten Verbraucher oder einer Last zugeführt. Strahl 3 arbeitet, hat gegenüber der Röhre nach

Die Röhre nach Fig. 1 und 3, die zum Hoch- 25 Fig. 1 mit linearem Strahl gewisse Vorteile. Genauer

frequenzbetrieb geeignet ist, bildet eine Hochfre- gesagt, es kann ein höherer Strahlstrom wegen der

quenzleistungsquelle mit gutem Wirkungsgrad bis zu größeren Emissionsfläche 7' erreicht werden. Weiter-

mehreren Megawatt Hochfrequenzleistung bei Fre- hin kann durch die größer werdende Querschnitts-

quenzen bis zu mehreren 100 MHz. fläche des Strahls 3' bei Annäherung an den Kollek-

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der 30 tor 5' die Raumladungsdichte verringert werden, so Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist daß das Kollektorpotential näher an das Kathodendie Röhre so konstruiert, daß sie zylindrisch symme- potential gelegt werden kann, ohne daß Elektronen irisch aufgebaut ist und mit einem radialen Elek- reflektiert werden, so daß der Wirkungsgrad erhöht tronenfluß 3' arbeitet, der sich von einem axial an- und der Vorwärts-Spannungsabfall der Röhre im geordneten Elektronenstrahlerzeugungssystem zu 35 »Ein«-Zustand verringert wird. Die radiale Version einem koaxial angeordneten, diese umfassenden nach F i g. 4 dürfte eine Erhöhung des Strahlspitzen-Kollektor 5' mit Hilfselektrode 21' ausbreitet. Die Stroms und der Schaltleistung für eine gegebene Be-Beschleunigungselektrode 4' ist zylindrisch, und die triebsspannung um den Faktor 30 oder mehr zuaxial angeordnete Kathode 6' hat eine nach innen ge- lassen, die Erhöhung ist lediglich durch die physikawölbte Emissionsfläche T, die eine Rotationsfläche 40 lischen Abmessungen (Durchmesser) der Struktur bebildet. Der KollektorS' enthält einen hohlen ring- grenzt. Die Radialröhrenversion nach Fig. 4 kann förmigen Hohlraum 17', mit dem der Strahl gesam- auch einen Ausgangsresonator zum Betrieb als Hochmelt wird. Die Innenwand 18' des ringförmigen KoI- frequenzleistungsröhre erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 des Kollektors besteht (französische Patentschrift Patentansprüche: 1 067 344). Durch die potentialmäßige Absenkung des Kollektors wird ein höherer Wirkungsgrad er-

1. Elektronenstrahlröhre, bestehend aus einer reicht, und durch die Hilfselektrode wird der Elek-Kathode mit einer konkaven emittierenden 5 tronenstrahl abgebremst, so daß er überhaupt in den Fläche, einer Beschleunigungselektrode im Ab- abgesenkten Kollektor eintreten kann. Bei dieser bestand von der Kathode, einem potentialmäßig kannten Röhre ist jedoch nicht vorgesehen, die abgesenkten Kollektor im Abstand von der Be- Äquipotentialflächen des elektrostatischen Feldes im schleunigungselektrode und einer elektrischen Bereich des Kollektors und der Hilfselektrode im Strahlfokussierstrukrur in Form einer den Elek- io obenerwähnten Sinne zu formen.

tronenstrahl umgebenden Hilfselektrode vor dem Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Röhre Strahleingang des Kollektors, dadurch ge- dieser Art so auszubilden, daß die bekannte Form kennzeichnet, daß der Kollektor einen der Äquipotentialflächen, also etwa bei divergieren-Hohlraum mit einem verengten Strahleingang dem Strahl konkav zum Kollektor hin gewölbt, eraufweist, die Hilfselektrode auf Kollektorpotential 15 reicht werden kann, und diese Aufgabe wird erfinliegt und ihre lichte Weite quer zum Elektronen- dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kollektor einen strahl größer ist als die lichte Weite des Strahl- Hohlraum mit einem verengten Strahleingang aufeingangs. weist, die Hilfselektrode auf Kollektorpotential liegt

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn- und ihre lichte Weite quer zum Elektronenstrahl zeichnet, daß ein HF-Resonanzkreis galvanisch 20 größer ist als die lichte Weite des Strahleingangs, mit der Beschleunigungselektrode und dem KoI- Die Äquipotentialflächen passen sich bei einer sollektor gekoppelt ist. chen Konstruktion der Oberfläche des Kollektors

3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch und der Hilfselektrode an, sind also jedenfalls im gekennzeichnet, daß die Kathode, die Beschleu- Randbereich von der Beschleunigungselektrode weg nigungselektrode und der Kollektor konzentrisch 35 gewölbt, so daß sich der gewünschte Verlauf der zueinander angeordnet sind und der Elektronen- Äquipotentialflächen ergibt.

strahl radial von der Kathode nach außen ,zum Ein Kollektor mit einem Hohlraum mit einem verKollektor verläuft. engten Strahleingang ist bekannt (USA.-Patentschrift

3 116 435), der verengte Strahleingang dient hierbei 30 dazu, im Kollektor entstandene Sekundärelektronen

daran zu hindern, in die eigentliche Röhre einzu-

treten. Bei der bekannten Röhre sind die Äquipotentialflächen im Bereich des Kollektorstrahleingangs

Bei Elektronenstrahlröhren mit einer Kathode, auf die Beschleunigungselektrode zu gewölbt, was einer Beschleunigungselektrode im Abstand von der 35 bekanntlich unerwünscht ist.

Kathode, einem Kollektor im Abstand von der Be- Eine erfindungsgemäße Elektronenstrahlröhre ist

schleunigungselektrode und einer elektrischen Strahl- als Schaltröhre zum Schalten von elektrischen Leifokussierstruktur ist es zur Erreichung eines hohen stangen in der Größenordnung von einigen Megawatt Wirkungsgrades bekannt, im Raum zwischen dem bei Impulsbetrieb geeignet und ergibt dort sehr gün-Kollektor und der Beschleunigungselektrode zwei 40 stige Wirkungsgrade, sie ist jedoch auch vorteilhaft voneinander entfernte Elektroden derart zu formen bei Hochleistungs-Klystrons zu verwenden. Durch und anzuordnen und auf solchem Potential zu be- die Erfindung ist nämlich das Problem beseitigt wortreiben, daß ein elektrostatisches Feld gebildet wird, den, daß sich bei potentialmäßig tiefliegendem KoI-bei dem die Äquipqtentiallinien immer normal zum lektor die Form der Äquipotentialflächen am Strahlverzögernden Strahl liegen, so daß 'die elektro- ~45 eingang des Kollektors in ungünstiger Weise ändert, statischen Kräfte immer parallel zu den Elektronen-- Bei Hochfrequenzbetrieb ist es also ohne weiteres laufwegen verlaufen. Bei im Kollektorbereich diver- zulässig, den Kollektor bis in die Nähe des Kathodengierendem Elektronenstrahl ist dazu eine gewölbte potentials schwingen zu lassen, so daß auch der Form der Äquipotentiallinien erforderlich, und das übliche Aufbau eines Klystrons, d. h., daß ein HF-wurde bei der bekannten Röhre durch ein entspre- 5° Resonanzkreis galvanisch mit der Beschleunigungschend geformtes Gitter erreicht, das sich über den elektrode und dem Kollektor gekoppelt ist, zu-Querschnitt des Elektronenstrahls erstreckte (USA.- lässig ist.

Patentschrift 2 949 558). Der Leistungspegel einer Die obenerwähnten bekannten Röhren sind Röh-

solchen Röhre mit quer zum Elektronenstrahl liegen- ren mit im wesentlichen linearem Strahl, bei einer dem Gitter ist jedoch dadurch begrenzt, daß das 55 erfindungsgemäßen Röhre ist es jedoch auch unter Gitter einen merklichen Anteil des Strahlstroms ab- Aufrechterhaltung, der erwünschten Strahlgeometrie fängt; eine ausreichende Kühlung eines solchen Git- möglich, die Kathode, die Beschleunigungselektrode ters ist nicht möglich. Bei Elektronenstrahlröhren für und den Kollektor konzentrisch zueinander anzuordhöhere Leistungen ist deshalb die bekannte Technik nen und den Elektronenstrahl radial von der Kanicht durchführbar. 60 thode nach außen zum Kollektor verlaufen zu lassen.

Es ist ferner eine Elektronenstrahlröhre bekannt, Damit wird ein außerordentlich großer Strahlquerdie aus einer Kathode mit einer konkaven emittieren- schnitt möglich, der aber in einer Richtung nur eine den Fläche, einer Beschleunigungselektrode im Ab- relativ kleine Querabmessung hat, so daß die Strahlstand von der Kathode, einem potentialmäßig ab- geometrie gut beherrscht werden kann,
gesenkten Kollektor im Abstand von der Beschleu- 65 Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher nigungselektrode und einer elektrischen Strahl- erläutert werden; es zeigt

fokussierstruktar in Form einer den Elektronenstrahl Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungs-

umgebenden Hilfselektrode vor dem Strahleingang gemäße Elektronenstrahlröhre,