DE1616104C - Elektronenstrahlröhre - Google Patents
ElektronenstrahlröhreInfo
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Description
3 4
F i g. 2 schematisch die Potentiale und die Strahl- zeigt), die allgemein Spiegelbilder der Äquipoten-
wege für eine Elektronenstrahlröhre nach F i g. 1, tialfiächen im Strahlweg auf der Strahlbeschleu-
F i g. 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 Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 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 U1
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, gemes-
einer 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- 30 fällt.
nung 15 hält die Hochspannungen zwischen der Ka- Im Betrieb ist die Röhre 1 nach Fig. 1 eine Schaltthode
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 — 200 kV, 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 11
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 Kollektor 5 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, vorlektorteil
17 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 Bcschleunimen.
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 %,
sioniert, 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 irische Struktur mit einer Strahlpervcanz von 1 · 10~°.
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 Fig. 1 ist außerdem eine andere Ausfülmingswird (wie in der Potentialdarstellung in F i g. 2 ge- form der Erfindung für Hochfrequenzbelrieb darge-
Äquipotentialflächen 20 über dem Strahlweg gebildet In Fig. 1 ist außerdem eine andere Ausfülmingswird (wie in der Potentialdarstellung in F i g. 2 ge- form der Erfindung für Hochfrequenzbelrieb darge-
5 6
stellt. In diesem Falle ist ein nur teilweise darge- Iektors5' enthält einen ringförmigen Strahlkanal Ii^,
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 5' 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 Fokussierstruktur21' ist so geformt und an-
Ein in F i g. 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. io 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 F i g. 2 geformt, nur daß die Flächen bei
nanzfrequenz des Ausgangsresonator wird in den der Ausführungsform nach F i g. 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 F i g. 1
und der Kathode6 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 21' 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 F i g. 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. Weitermehreren
Megawatt Hochfrequenzleistung bei Fre- hin kann durch die größer werdende Querschnittsquenzen
bis zu mehreren 100 MHz. fläche des Strahls 3' bei Annäherung an den Kollek-In
Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der 30 tor5' die Raumladungsdichte verringert werden, so
Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist daß das Kollektorpotential näher an das Kathoden-.
die Röhre so konstruiert, daß sie zylindrisch symme- potential gelegt werden kann, ohne daß Elektronen
trisch aufgebaut ist und mit einem radialen Elek- reflektiert werden, so daß der Wirkungsgrad erhöht
tronenfluß3' 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.. Hilfselektrode2Γ 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 7', 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. 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
Strahlfokussierstruktur 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 so 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 einzutreten. 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 stungen 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 Äquipotentiallinien 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- 50 Resonanzkreis galvanisch mit der Beschleunigungschend
geformtes Gitter erreicht, das sich über den elektrode und dem Kollektor gekoppelt ist, zuQuerschnitt
des Elektronenstrahls erstreckte (USA.- lässig ist.
Patentschrift 2 949 558). Der Leistungspegel einer Die obenerwähnten bekannten Röhren sind Röhsolchen
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
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
fokussierstruktur in Form einer den Elektronenstrahl F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungs-
umgebenden Hilfselektrode vor dem Strahleingang gemäße Elektronenstrahlröhre,
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