DE1789034A1 - Kuehlvorrichtung fuer eine mit Nuten versehene Kathode und die dazugehoerigen Elektroden - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt 6 Frankfurt/Main 1 fcJiddastr. 52

2 5. Sep. 1968

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GENERAL ELECTRIC COfIPANY

1 River Road
Schenectady, M.Y. / USA

Kühlvorrichtung für eine mit Nuten versehene Kathode und die

dazugehörenden Elektroden

Die Erfindunr bezieht sich auf Elektronenentladun^svorrichtunpen für hohe Frequenzen und insbesondere auf den Aufbau uni das Kühlsystem für Elektroden in einer Hochfrequenz-Elektronenröhre rcit einer ,-enuteten Kathode und den dazucehörenden Elektroden für hohe Ausranpsleistunken.

BAD ORiGINAL

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In der U.S.-Patentschrift 3.334.263 ist eine Art einer Elektronenentladungevorrichtung beschrieben, in der die Kathode Kanäle oder Aussparungen aufweist, die verhältnismäßig massive Stäbe aufnehmen, die ein Teil der Gitterelektrode sind. Die Stäbe sind wiederum mit einem Metallring verbunden, der die Kathode umgibt, und auf diesen Stäben sind senkrecht zu ihnen zahlreiche feine Gitterleiter angebracht. Dieser Aufbau gestattet zwar einen Betrieb bei hohen Frequenzen und verhältnismäßig hoher Leistung, aber man ist immer bestrebt, eine noch höhere Ausgangsleistung bei diesen hohen Frequenzen zu entwickeln. Wenn dieses Ziel erreicht werden soll, müssen die Stromdichten noch weiter erhöht werden. Dabei verformen sich die feinen Gitterdrähte jedoch leicht, weil man nicht in der Lage ist, den Mittelteil dieses Gitters ausreichend zu kühlen. Durch eine Verformung der Gitterdrähte bei hohen Temperaturen wird jedoch der erforderliche Elektrodenabstand beeinträchtigt.

Ein weiteres Problem, das sich aus dem Betrieb von Miniaturelektronenröhren bei hohen Frequenzen und hohen Leistungen ergibt, ist ein rutschfester Aufbau und insbesondere die Erhaltung des genauen Elektrodenabstandes zwischen der Kathode und dem Gitter. Wenn man versucht, die Ausdehnung und Zusammenziehung von Teilen der Röhre zu verhindern, ist das Ergebnis entweder eine Verformung der Elektroden selbst oder ein Bruch der Dichtungen zwischen den Elektroden und der Umhüllung der Röhre.

Bei einer Elektronenröhre mit einer planeren Anode und einer gegenüberliegenden kreisförmigen Kathode mit einer Anzahl in einem gewissen Abstand zueinander angeordneter Nuten liegt ein

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Merkmal der Erfindung in der Verwendung einer Steuerelektrode, die aus übereinander angeordneten Reihen sehr dünner und dickerer Drähte mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, die auf einem verhältnismäßig massiven Aufbau angebracht sind. Dieser Aufbau ist sowohl für eine elektrische Verbindung nach außen als auch für die Ableitung von Wärme von dem Gitter an einen äußeren Kreis bestimmt, um auch die Kühlung des Mittelteils der sehr feinen Gitterdrähte zu erleichtern. Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ragen zahlreiche Stäbe hoher Wärmeleitfähigkeit in die Nuten der Kathode hinein und sie werden von einem verhältnismäßig massiven Ring gehalten, der die Kathode umgibt. Die Stäbe und der Ring weisen miteinander verbundene Kanäle auf, so daß ein Kühlmittel durch die Kanäle hindurchgeleitet und die Wärme selbst aus dem innersten Teil der Gitteranordnung abgeleitet werden kann.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß sowohl die Kathode als auch der die Kathode umgebende Ring der Steuerelektrode auf genau ausgerichteten isolierenden Vergleichsoberflächen gehalten werden und beide Elemente sich während des Betriebes der Vorrichtung ausdehnen und zusammenziehen können, ohne daß die Elektroden verformt oder die Dichtungen aufgebrochen werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer flexiblen Anordnung, durch die ein Metallteil hoher Wärmeleitfähigkeit, das zur Kühlung der feinen Drähte eines Steuergitters einer Miniatur-Elektronenröhre dient, zwischen einem Paar gegenüberliegender Bauteile mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und großer Ausdehnung hindurchführbar ist, die Teil der Umhüllung der

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Vorrichtung sind, ohne daß der Vakuumabschluß der Vorrichtung beeinträchtigt wird.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines AusfUhrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen in einzelnen beschrieben werden. In den Zeichnungen gelten gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile.

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenentladungsvorrichtung für hohe Frequenzen und hohe Leistungen.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt teilweise im Schnitt die wesentlichen Merkmale der Kathode und der Steuerelektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt teilweise im Schnitt eine Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. H ist eine perspektivische Ansicht und zeigt teilweise im Schnitt die wesentlichen Merkmale der Anordnung nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau der Steuerelektrode der Vorrichtung nach Fig. 3; sie ist teilweise im Schnitt dargestellt_v und

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 6 - 6 des Aufbaues der Steuerelektrode in Fig· 5

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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Elektronenentladungsvorrichtung für hohe Leistungen. Sie weist eine stiftförmige Anode 1 mit kreisförmiger, planarer Oberfläche, eine Kathode 2 und eine Steuerelektrode 4 auf, die zwischen der Anode und der emittierenden Oberfläche der Kathode angeordnet ist. Die aktive Oberfläche der Kathode 2 entspricht im allgemeinen der Oberfläche der Anode, ist in einem bestimmten Abstand von dieser Oberfläche angeordnet und weist erhabene, planare und emittierende Abschnitte 3 auf, die mit einem geeigneten Elektronen emittierenden Material überzogen sind.

Die Elektroden haben einen kleinen Durchmesser, der etwa in der Größenordnung von 2,5 cm (1 inch) oder darunter liegt, damit die Kapazität zwischen den Elektroden herabgesetzt und dadurch eine Verwendung auch bei hohen Frequenzen möglich ist. Eine hohe Energieabgabe während des Betriebes ist erfindungsgemäß durch eine ungewöhnlich hohe Emissionsstromdichte gewährleistet, die in der Größenordnung von 2 A/cm oder darüber liegt. Die Kathode 2 wird durch ein mit ihr verbundenes Heizelement 5 auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Eine Verbindung 6 verbindet das Heizelement 5 mit einem Anschluß 7, der beispielsweise aus Titan besteht, während ein dünner Stützzylinder 8 für die Kathode, der vorzugsweise aus Tantal oder Hafnium besteht, einen Stromkreis zwischen dem Heizelement 5 und einer Klemme 9 vervollständigt.

Der äußere Teil der Umhüllung der Elektronenentladungsvorrichtung besteht aus einer Anzahl isolierender zylindrischer Keramikteile, die mit metallischen zylindrischen Anschlußstücken verbunden sind. Die isolierenden Keramikteile bestehen vorzugs-

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weise aus Forsterit wegen dessen niedriger Dielektrizitätskonstante oder aus einem Magnesiumoxid und Magnesium-Aluminiumoxidspinell. Die keramischen Stoffe haben außerdem den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Titanflansch 10, der den keramischen Zylinder 11 mit der Anode 1 verbindet· Erfindungsgemäß weist die Steuerelektrode einen ersten relativ massiven Ring 12 auf, der vorzugsweise aus einem Metall axt hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Molybdän, hergestellt ist und der auch einen äußeren Anschluß für die Steuerelektrode bildet. Zwischen dem keramischen Zylinder 11 und dem Ring 12 sind zwei Metallstücke 13 angeordnet, die beispielsweise aus Titan bestehen und deren Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Zylinders 11 entspricht. Zwischen den Metallstücken 13 liegt eine Unterlegscheibe IU aus Molybdänfolie. Ein Netallstück 13 ist dicht mit dem keramischen Zylinder 11 verbunden, und das andere Metallstück 13 ist dicht mit dem Ring 12 verbunden. Die beiden Metallstücke 13 sind umgebogen und in der Nähe ihrer Innenkanten 15 beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen so verbunden, daß sie einen Vakuumverschluß bilden. Diese Konstruktion schafft an dieser Stelle einen vakuumdichten Teil der Umhüllung, während die Unterlegscheibe IH eine gleitende Bewegung zwischen den Metallstücken 13 ermöglicht und erleichtert, so daß während des Betriebes der Elektronenröhre die ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Zylinders 11 und des Ringes 12 angepaßt werden. Bei dieser Bauweise kann der Ring 12 aus einem Metall bestehen, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient nur halb so hoch ist wie der des Zylinders 11 und der Metallstücke 13. ,

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Erfindungsgemäß sind die scheibenförmige Kathode 2 und der Ring 12 der Steuerelektrode auf genau ausgerichteten Bezugsflächen montiert, die in Fig. 1 die Oberfläche des keramischen Bauteils 16 einschließen. Es ist nicht notwendig, daß die Kathode und der Ring auf einer gleichen einzigen Fläche montiert

renau sind; sie können vielmehr auch auf einem Paar ausgerichteter Flächen des Keraraikteiles 16 montiert sein. Zwischen der Unterseite des keramischen Bauteils 16 und einem ähnlichen Keramikring 17 ist ein elastischer Kontaktring 18 fest eingepaßt, der beispielsweise aus Titan besteht und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der den Ausdehnungskoeffizienten der keramischen Bauteile 16, 17 entspricht.

Der Kontaktring 18 wiederum ist bei 19 an den Ring 12 beispielsweise angelötet oder auf andere Weise verbunden. Dieser Aufbau gewährleistet Flexibilität und Bewegungsfreiheit der einzelnen Teile der Vorrichtung, während sie sich ausdehnen und zusammenziehen. So kann sich der Ring 12, dessen Ausdehnungskoeffizient von dem des keramischen Bauteils 16 sehr verschieden ist, auf der Oberfläche des Bauteils frei bewegen, während die Flexibilität, die durch den gebogenen Abschnitt des Kontaktringes 18 gegeben ist, verhindert, daß die Vakuumdichtung der Umhüllung an dieser Stelle bricht.

Die Steuerelektrode »» weist außer dem Ring 12 einen Ring 20 auf, der aus stark wärmeleitendem Metall, beispielsweise Molybdän, besteht, mit der Oberfläche des Ringes 12 verbunden ist und dessen Innendurchmesser praktisch gleich dem Innendurchmesser des Ringes 12 ist. Quer durch den Ring 20 hindurch

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erstreckt sich eine Anzahl verhältnismäßig massiver, gut wärmeleitender Stäbe 21, die in den Nuten 22 der Oberflächen der Kathode 2 angeordnet sind. Die Stäbe sind in einem gewissen Abstand von den Wänden der Muten 22 angeordnet uni elektrisch von diesen isoliert. Ebenfalls quer durch den Rind 20 hindurch und parallel zu den Stäben 21 sind zahlreiche sehr feine Gitterdrähte 23 angeordnet. Stärkere oder breitere Gitterdrähte 2k verlaufen senkrecht zu den feinen Gitterdrähten 23 und stehen mit ihnen in Berührung. Erfindungsgemäß sind die Teile 12, 21 und 2k aus einem stark wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Molybdän, hercestellt. Auch die Drähte 23 bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Aufgrund dieses Aufbaues wird die Wärme bei Betrieb der Vorrichtung mit hohen Leistungen ohne v/citcres durch die großen, gut wärmeleitenden Teile 21, 2k und 12 von den sehr feinen Drähten 23 abgeleitet, so daß die Drähte 23 selbst iann nicht eine Temperatur erreichen, bei der sie sich verziehen, wenn die Vorrichtung bei hoher Leistung betrieben wird. Erfindungsrenüß ist der Rind 12 außerdem mit einer Anzahl Gewindelöcher oder öffnungen 25 versehen, so daß er über nicht gezeigte Schrauben mit einem üblichen Außenschaltkreis (nicht gezeigt) verbunden werden kann. Dadurch wird die Wärmeableitung von dem Steuergitter verbessert und eine überhitzung und Verformung der feinen Gitterdrähte 2~-j verhindert. Die äußere Schaltung ist üblicherweise Teil eines Hohlrumresonators, der, wenn er mit den Gewindelöchern 25 verschraubt ist, eine große Wärmesenke darstellt, der die Wärme der Steuerelektrode über die stark wärmeleitenden Materialien schnell zugeführt wird. Bei dieser Bauweise bieten die Molybdändrähte 2k, die Molybdän-

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Stäbe 21 und die Ringe 12 sowie 20 sowohl hohe Festigkeit als auch niedrige Ausdehnungskoeffizienten; Wahrend sie die Wärme schnell von den Drähten .23 und 24 des Steuergitters abführen, so daß diese Drähte auch bei außerordentlicher Erwärmung gespannt bleiben und ein stabiler Aufbau innerhalb der Vorrichtung erhalten bleibt. Unter solchen Bedingungen werden die feinen Drähte von den größeren Drähten gekühlt, denn an den Kreuzungspunkten besteht ein thermischer Kontakt zwischen den Drähten. Der Kontaktring 18, der aus Titan besteht und einen Teil der Abdichtung der Vorrichtung bildet, weist einen schleifenförmigen Abschnitt 26 auf, der sich verbiegt, wenn die Vorrichtung bei hohen Temperaturen arbeitet, um die Dichtungen der Vorrichtung nicht über Gebühr zu beanspruchen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, das in den Figuren 3 bis 6 gezeigt ist, weist der Ring 12 statt der Gewindelöcher 2 5 nach Fig. 1 und 2 und der äußeren Schaltkreise zum Kühlen der feinen Gitterdrähte ein Paar Öffnungen 32 auf, in die Röhren oder Leitungen 33, 34 eingesetzt werden. Statt des massiven Ringes 20 kann auch ein Ring 2 7 mit unterhöhlten Abschnitten 28 verwendet werden, die eine Verbindung zu den Röhren 33, 34 bilden. Außerdem sind die massiven Stäbe 21 der Steuerelektrode nach Fig. 2 durch Stäbe 29 ersetzt worden. Diese weisen in der Mitte öffnungen 30 auf, die wiederum mit den unterhöhlten Abschnitten 28 in Verbindung stehen. In der Praxis kann der Ring 27 aus zahlreichen Schichten hergestellt werden, wie es in den Figuren dargestellt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, durch die Leitung 33 ein Kühlmittel einzuführen, das üann durch di6 unterhöhlten Abschnitte28 des Ringes 27 und

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durch die miteinander in Verbindung stehenden Kanäle 30 in den Stäben 29 strömt und durch die Leitung 34 austritt. Je nach der beabsichtigten Leistungsabgabe der Vorrichtung und der Maximaltemperatur, der die Steuerelektrode ausgesetzt wird, kann entweder Luft, ein inertes Gas oder eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser als Kühlmittel gewählt werden. Das spezielle zu wählende Kühlmittel sowie der Kühlmitteldruck sind je nach den Betriebsbedingungen der Vorrichtung verschieden.

W Eine Elektronenröhre kleinen Formats, wie sie in den Ausführungsformen entsprechend den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, deren Elektroden einen Durchmesser von ungefähr 2,5 cm besitzen, kann bei einer Leistung von 2.500 Watt betrieben werden, während eine Elektronenröhre, die nicht die durch die Erfindung bewirkte Kühlung aufweist, maximal bei 500 Watt betrieben werden kann. Erfindungsgemäß kann außerdem ein starres, stark wärmeleitendes Steuergitter mit sehr feinen Gitterdrähten verwendet werden. Daraus ergibt sich als bedeutender Vor-

fc teil, daß auch bei höheren Ausgangsleistungen ein stabiler, starrer Aufbau erhalten bleibt. Erfindungsgemäß können darüber hinaus externe Kreise zur Kühlung der Innenelektroden der Vorrichtung verwendet werden. Ein besonderer Vorteil, der sich aus der Verwendung einer einzigen Bezugsfläche, nämlich der Oberfläche des Isolators 16 als Halterung für die Steuerelektrode als auch die Kathode ergibt, besteht darin, daß trotz extremer Betriebsbedingungen und sich daraus ergebenden Veränderungen der Abmessungen von Teilen der Steuerelektrode und der Kathode keine Verformung der Elektroden eintritt.

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Unter derartigen Betriebsbedingungen ermöglicht die Ausdehnung des Zylinders, auf den sich die Kathode abstützt, daß sich die scheibenförmige Kathode 2 etwas von ihrer Montagefläche auf eiern Isolator 16 abhebt und sich wieder absetzt, ohne daß eine Verformung der Elektrode hervorgerufen oder der im unbelasteten Zustand zwischen den Elektroden herrschende Abstand beeinflußt wird. Die beiden überlagernden Metallstücke 13 und die dazwischen angeordnete Unterlegscheibe 11, die eine bewegung zwischen dem Isolator 11 und dem Ring 12 der Steuerelektrode ermöglichen, sowie der Kontaktring 18 mit eier Schleife 26 gewährleisten, daß trotz der Ausdehnung und des Zusammenziehens der verschiedenen Bauteile der Vorrichtung bei einem Betrieb mit hoher Leistung keine Dichtungen der Vorrichtung versagen.

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Claims (5)

ANSPRÜCHE ;

1. Elektronenentladungsvorrichtung mit einer planaren Anode, einer gegenüberliegenden kreisförmigen Kathode, die zahlreiche in einem gewissen Abstand parallel zueinander verlaufende Nuten aufweist, und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Steuerelektrode, dadurch gekennzeich.net , daß diese Steuerelektrode (4 einen die Kathode (2) umgebenden Metallring (12) mit hoher Wärmeleitfähigkeit, zahlreiche stark wärmeleitende Stäbe (. ■ ,. <iie von dem Metallring (12) gehalten und in den Nuten (.22) der Kathode (2) angeordnet sind, zahlreiche feine Gitterdrähte (23), die parallel zu den Stäben (21) quer durch den Metallring (12) verlaufen, und einen ringförmigen Isolator (11) aufweist, dessen Oberflächen für eine Halterung der Kathode (2) und des Metallrings (12) hinsichtlich einer gegenseitigen Bewegung genau ausgerichtet sind,

2, Elektronenentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein flexibles, metallisches Kontaktstück den Ring (12) gegen eine Unterseite des Isolators (11) unter Bildung eines Teiles der Umhüllung der Vorrichtung hermetisch abschließt.

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3. Elektronenentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (25) zur thermischen Verbindung des Ringes (12) mit einem äußeren Kreis vorgesehen sind, wodurch die Wärme von den feinen Gitterdrähten (23) sowie den Stäben (21) zu dem äußeren Kreis abgeleitet wird.

4. Elektronenentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Metall- M ring (12) und die Stäbe (21) miteinander in Verbindung stehende Kanäle aufweisen, und der Ring (12) mit Leitungen verbunden ist, so daß ein Kühlmittel durch diese Kanäle hindurchleitbar ist.

5. Elektronenentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche stärkere Gitterdrähte (24) aus stark wärmeleitendem Material quer zu den feinen Gitterdrähten (2 3) angeordnet und thermisch mit diesen verbunden sind.

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