DE1907720A1

DE1907720A1 - Electron beam tube with a collector cooled by a flowing coolant

Info

Publication number: DE1907720A1
Application number: DE19691907720
Authority: DE
Inventors: Edgcombe Christopher John; O'loughlin Cian Noel; Ball Graham Cyril Thomas
Original assignee: English Electric Valve Co Ltd
Current assignee: Teledyne UK Ltd
Priority date: 1968-02-16
Filing date: 1969-02-15
Publication date: 1969-09-18
Also published as: FR2002053A1; SE341947B; NL6902002A; GB1198532A; US3585429A; CH516224A; DE1907720B2

Description

DR. MDLLER-BORg DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ Dr.DeufelDR. MDLLER-BORg DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ Dr. Deufel PATENTANWÄLTE / 19Q7720PATENTANWÄLTE / 19Q7720

Braunschweig,, den 12.2.1969 Unser Zeichen: Kl/kl - E 344Braunschweig, February 12th, 1969 Our reference: Kl / kl - E 344

English Electric Valve Company Limited English Electric House / Strand London W₀G.2 / EnglandEnglish Electric Valve Company Limited English Electric House / Strand London W ₀ G.2 / England

Elektronenstrahlröhre mit durch ein strömendes KühlmittelCathode ray tube with coolant flowing through it

gekühltem Kollektor Icooled collector I.

Die Erfindung betrifft Elektronenstrahlröhren,insbesondere der Art,bei der die Elektronen eines Elektronenstrahls von einer durch ein strömendes Kühlmittel gekühlten Kollektorelektrode gesammelt werden,welche zwei oder mehrere Kühlmittelführungssysteme aufweist,von denen jedes einen anderen Teil der Länge der Kollektorelektrode kühlt und jedes seinen eigenen Kühlmitteleinlaß hat. Derartige Röhren sind nachfolgend als Röhren mit stufenweise durch ein strömendes Kühlmittel gekühlten Kollektorelektroden bezeichnet. Die Erfindung wird im wesentlichen auf Klystrons angewandt,ist jedoch ebenso auf andere Formen von Elektronenstrahlröhren mit Kollektorelektroden,beispielsweise Wanderfeldröhren, anwendbar»The invention relates to cathode ray tubes, in particular the Type in which the electrons of an electron beam from a Collector electrode cooled by a flowing coolant are collected, which two or more coolant supply systems each having a different part of the length the collector electrode cools and each has its own coolant inlet Has. Such tubes are hereinafter referred to as tubes with collector electrodes cooled in stages by a flowing coolant designated. The invention applies essentially to klystrons, but is equally applicable to other forms of cathode ray tubes with collector electrodes, for example Traveling wave tubes, applicable »

Es ist bekannt,bei Hochleistungs-Elektronenstrahlröhren für die Kollektorelektrode Strömungskühlung vorzusehen,wobei eine derartige Strömungskühlung üblicherweise eine Wasser- und Dampfkühlung ist. Bei einer bekannten Kollektorelektrodenanordnung ist die hohle Kollektorelektrode grob projektilförmig und mit ihrem offenen Ende der Elektronenstrahltiuelle der Röhre zugekehrt, während ihre Wandung so ausgebildet ist,daß in Längsrichtung verlaufende Kühlmittelführungen geschaffen werden,die sich über nahezu die gesamte Länge der Kollektorelektrode erstrecken undIt is known in high-performance cathode ray tubes for the To provide collector electrode flow cooling, such Flow cooling is usually water and steam cooling. In a known collector electrode arrangement is the hollow collector electrode roughly projectile-shaped and with its open end of the electron beam tube facing the tube, while its wall is designed so that coolant guides running in the longitudinal direction are created which extend over extend almost the entire length of the collector electrode and

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um sie herum angeordnet sind. Der Elektronenstrahl tritt in das offene Ende der Kollektorelektrode ein und die Elektronen werden von der Innenwand der Kollektorelektrode gesammelt,wobei sie eine beträchtliche Wärme erzeugen. Das auf der zur Elektronenstrahl quelle hingekehrten Seite der Kollektorelektrode in die parallel zueinander angeordneten Kühlmittelführungen eintretende Wasser wird in diesen verdämpft und der Dampf wird an den anderen Enden der Kühlmittelführungen abgeleitet,danach normalerweise kondensiert und dem Kühlwassertank wieder zugeführt. Eine derartige Anordnung ist jedoch oft nicht ausreichend, um eine angemessene Kühlung der Kolloktorelektrode «ines Hochleistungsklystrons oder dergl. zu bewirken,wenn nicht diese Kollektorelektrode unwirtschaftlich groß und lang ausgebildet und mit unwirtschaftlich vielen Kühlmittelführungen versehen wird.Ein bekannter Weg zur Vermeidung dieser Schwierigkeit besteht darin,eine Mehrzahl von Kühlmittelführungsstufen vor·- zusehen,von denen jede einen anderen Abschnitt der Kollektorlänge kühlt und jede ihren eigenen Wassereinlaß aufweist.Bei einer typischen bekannten Anordnung dieser Art weist der Kollektor zwei Anordnungen von Kühlmittelführungen auf - es ist möglich,jedoch nicht üblich,mehr als zwei Anordnungen vorzüsehen - wobei die Führungen beider Anordnungen in Längsrichtung verlaufen und rund um den Kollektor herum angeordnet sind,und die Führungen einer Anordnung sich über einen ersten Abschnitt der Kollektorlänge und die der anderen Anordnung sich über einen zweiten Abschnitt der Kollektorlänge erstrecken. In der normalen Praxis erstreckt sich jede Anordnung über etwas weniger als die Hälfte der Gesamtlänge der Elektrode. Den Führungen jeder Anordnung wird an den der Elektronenstrahlquelle näher liegenden Enden Wasser zugeführt und an den anderen Enden der Führungen beider Anordnungen wird Dampf abgeführt. Kollektorelektroden, die in dieser Art stufenweise durch Anordnungen von Kühlmittelführungen,welche sich über unterschiedliche aufeinanderfolgende Abschnitte der Kollektorlänge erstrecken und von denen jede eigene Kühlmitteleintrittsöffnungen hat,strömungs.gel£ünlt werden, sind nachfolgend als stufenweise durch ein strömendes Kühlmittel gekühlte Kollektoren bezeichneteare arranged around them. The electron beam enters the open end of the collector electrode and the electrons are collected from the inner wall of the collector electrode, wherein they generate considerable heat. That on the side of the collector electrode facing the electron beam source in The water entering the coolant ducts, which are arranged parallel to one another, is evaporated in them and the steam is activated diverted the other ends of the coolant ducts, then normally condensed and returned to the cooling water tank. However, such an arrangement is often not sufficient, adequate cooling of the collocator electrode of a high-performance klystron or the like. Unless this collector electrode is made uneconomically large and long and is provided with an uneconomical number of coolant ducts. A known way of avoiding this difficulty consists of a plurality of coolant flow stages before - watch, each of which cools a different section of the length of the collector and each has its own water inlet a typical known arrangement of this type has the collector two arrangements of coolant ducts - it is possible, but not common, to provide more than two arrangements - wherein the guides of both arrangements run in the longitudinal direction and are arranged around the collector, and the guides of one arrangement extend over a first section of the collector length and those of the other arrangement extend over one extend the second section of the collector length. In normal practice, each array spans a little less than half the total length of the electrode. The guides everyone The arrangement is closer to the electron beam source Water is supplied to the ends and steam is removed from the other ends of the guides of both assemblies. Collector electrodes, which in this way gradually by arrangements of coolant ducts, which deal with different successive Extending sections of the collector length and each of which Has its own coolant inlet openings, flow gel £ ünlt, are below as gradual through a flowing coolant designated cooled collectors

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Ein bei bekannten Elektronenstrahlröhren mit stufenweise durch ein strömendes Kühlmittel gekühlten Kollektorelektroden auftretender Nachteil besteht darin, daß örtlich überhitzte Stellen an den Kollektorelektroden in Bereichea zwischen den .^Kühlmittelaustrittsenden einer Anordnung von Kühlmittelführungen und den Kühlmitteleintrittsenden der nächstfolgenden Anordnung auftreten können. Es ist leicht einzusehen,daß- an dem Wassereintrittsende einer Anordnung von Kühlmittelführungen,wo das Wasser noch nicht verdampft ist,die Geschwindigkeit des Kühlmittelflusses relativ niedrig ist und die Kühlung somit relativ schwach. Da jedoch die Aufheizung jedes Kollektorabschnitts von der Energiezufuhr durch den Elektronenbeschuß zu diesem Abschnitt abhängig ist und wenn - wie es^ bei bekannten stufenweise durch ä ein strömendes Kühlmittel gekühlten Kollektorelektroden der Fall ist — die Intensität der Energiezufuhr zu dem Bereich in der Nachbarschaft zwischen dem Austrittsende einer Kühlstufe und dem Eintrittsende der nächsten Kühlstufe mehr oder weniger die gleiche ist wie bei anderen,besser gekühlten Abschnitten, so besteht die Neigung zur Entwicklung örtlich überhitzter Stellen. Ziel der Erfindung ist es ,diesen Nachteil zu vermeiden.A disadvantage that occurs with known cathode ray tubes with collector electrodes gradually cooled by a flowing coolant is that locally overheated points on the collector electrodes can occur in areas between the coolant outlet ends of an arrangement of coolant ducts and the coolant inlet ends of the next arrangement. It is easy to see that at the water inlet end of an arrangement of coolant ducts, where the water has not yet evaporated, the speed of the coolant flow is relatively low and the cooling is therefore relatively weak. However, since the heating of each collector section is dependent on the energy supply by the electron bombardment this section and when - as it ^ in known stepwise by like a flowing coolant cooled collector electrodes of the case, - the intensity of the energy supply to the region in the vicinity between the outlet end one cooling stage and the entry end of the next cooling stage is more or less the same as in other, better cooled sections, there is a tendency to develop locally overheated areas. The aim of the invention is to avoid this disadvantage.

Gemäß der Erfindung ist die Innenwand des Kollektors einer Elektronenstrahlröhre mit stufenweise durch ein strömendes Kühlmittel gekühltem hohlen Kollektor so geformt,daß ein Teil der Innenfläche dieser Wandung in einem Bereich zwischen zwei Kühlstufen einer wesentlich geringeren Intensität des Elektronen- I beschusses ausgesetzt ist (bei Betrieb der Röhre) als der durchschnittlichen Intensität des Beschusses an anderen Stelle der Innenwand.According to the invention, the inner wall of the collector is a cathode ray tube with gradually cooled by a flowing coolant hollow collector shaped so that part of the Inner surface of this wall in an area between two cooling stages is exposed to a much lower intensity of the electron bombardment (when the tube is in operation) than the average Intensity of the bombardment elsewhere on the inner wall.

Vorzugsweise ist die Innenwand an einem Bereich zwischen def einen und der nächstfolgenden Kühlstufe stufenförmig ausgebildet, um so an der Stufe einen schrägen Verlauf der Innenwandoberfläche zu schaffender näherungsweise tangential zu den Elektronenbahnen in diesem Bereich ist oder unter einem spitzen Winkel zu diesen verläuft.The inner wall is preferably at an area between def one and the next cooling stage formed step-shaped so as to have an inclined course of the inner wall surface at the step to be created is approximately tangential to the electron trajectories in this area or at an acute angle runs to these.

Vorzugsweise i s"^j die Innenwand so geformt,daß sie in den anderen Bereichen als el·, sen zwischen zwei Kühlstufen einen näherungs-Preferably is "the inner wall ^j shaped so that it in the other areas than el · sen between two cooling stages of a proximity

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

weise gleichen Betrag der Energiezufuhr durch Elektronenbeschuß pro Flächeneinheit erfährt,wobei dieser Wert wesentlich höher ist als der der Energiezufuhr durch Elektronenbeschuß pro Flächeneinheit in dem Bereich zwischen einer Kühlstufe und der nächstfplgenden.wise the same amount of energy supplied by electron bombardment per unit area, this value being much higher is more than that of the energy supply by electron bombardment per Area unit in the area between a cooling stage and the next.

Bei einer bevorzugten Aus^ührungsform der Erfindung wird der Kollektor in zwei Stufen gekühlt und seine Innenfläche besteht aus zwei Abschnitten,von denen jeder so gekrümmt ist (im Schnitt gesehen) ,daß er einen näherungsweise gleichförmigen Betrag der Energiezufuhr durch Elektronenbeschuß pro Flächeneinheit erfährt und von denen sich jeder näherungsweise über die Länge einer der verschiedenen Kühlstufen erstreckt. Die beiden Abschnitte sind miteinander durch einen zumindest naherungswe1i.se konischen Teil verbunden,dessen kleinerer Durchmesser dem offenen Kollektorende näher gelegen ist₀ In a preferred embodiment of the invention, the collector is cooled in two stages and its inner surface consists of two sections, each of which is so curved (viewed in section) that it experiences an approximately uniform amount of energy input by electron bombardment per unit area and from each of which extends approximately the length of one of the various cooling stages. The two sections are connected together by an at least naherungswe1i.se conical portion whose smaller diameter is located closer to the open collector end ₀

Vorzugsweise sind die Abschnitt der Innenfläche der Kollektorwandung (die von den Teilen in den Bereichen zwischen den Kühlstufen verschieden sind,so geformt,daß sie näherungsweise die Gleichung - _ - __ Preferably, the portions of the inner surface of the collector wall (which are different from the parts in the areas between the cooling stages are shaped to approximate the equation - _ - __

) , _konstant ), _constant

erfüllen. Darin ist: 2<?Cder Kegelwinkel des in den Kollektor eintretenden Elektronenstrahls; W die gesamte Strahlleistung; O der Winkel zwischen einer gegebenen Elektronenbahn zur Innenwand des Kollektors und der Achse des Kollektors;β der Winkel zwischen der Wand und der Achse ^n dem Punkt,an dem die gegebene Elektronenbahn in die Wand einmündet; und r die Länge der gegebenen Elektronenbahn vom Scheitel des Elektronenstrahls bis zu ihrem Ende auf dem Kollektor. Der Winkel zwischen der Achse des Kollektors und der Innenfläche des Kollektors ist , in einem Bereich zwischen zwei Kühlstufen nicht kleiner als der Winkel Q .fulfill. Where: 2 <? C is the cone angle of the electron beam entering the collector; W is the total beam power; O is the angle between a given electron path to the inner wall of the collector and the axis of the collector; β is the angle between the wall and the axis ^ n the point at which the given electron path opens into the wall; and r is the length of the given electron path from the vertex of the electron beam to its end on the collector. The angle between the axis of the collector and the inner surface of the collector is not smaller than the angle Q in a range between two cooling stages.

Die Erfindung ist nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt die innere Formgebung einer bevorzugten _t Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kollektorelektrode fürThe invention is described below in connection with the drawing. This shows the inner shape of a preferred _t embodiment of a collector electrode of the invention for

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BAD ORIGIBATH ORIGI

\0\ 0

eine Elektronenstrahlröhre. Die Röhre,die beispielsweise ein Hochleistungsklystron ist bzw.sein kann, kann mit Ausnahme der Kollektorelektrode als bekannt angesehen werden,so daß hier lediglich die Kollektorelektrode beschrieben ist.a cathode ray tube. The tube, for example, a High-performance klystrone is or can be, with the exception of Collector electrode are regarded as known, so that only the collector electrode is described here.

Die Zeichnung zeigt eine näherungsweise projektilförmige hohle Kollektorelektrode,die in zwei Stufen gekühlt wird. Die eine Kühlstufe wird durch eine Anordnung von in Längsrichtung verlaufenden Kühlmittelführungen !,welche in gleichmäßigem Abstand um den Kollektor herum in seiner Wandung ausgebildet sind, gebildet. Diese Kühlmittelführungen verlaufen über etwas weniger als die Hälfte der Länge der Kollektorelektrode und haben Wassereintrittsöffnungen an ihren Enden 2,die dem offenen Ende | 3 des Kollektors näher gelegen sind,sowie Dampfaustrittsoffnun» gen an ihren anderen Enden 4. Dampfableitrohre sind mit 5, bezeichnet. Die Wassereintrittsverrohrung ist nicht dargestellte Die Kühlmittelführungen 1 verlaufen im dargestellten Fall parallel zur Kollektorachse.The drawing shows an approximately projectile-shaped hollow Collector electrode that is cooled in two stages. The one Cooling stage is achieved by an arrangement of lengthways Coolant ducts! Which are evenly spaced are formed around the collector in its wall, educated. These coolant guides run over a little less than half the length of the collector electrode and have water inlet openings at their ends 2 which correspond to the open end | 3 of the collector are closer, as well as Dampfaustrittsoffnun » at their other ends 4. Vapor discharge pipes are marked with 5, designated. The water inlet piping is not shown. The coolant ducts 1 run in the case shown parallel to the collector axis.

Die zweite Kühlstufe wird durch eine-zweite Anordnung von in Längsrichtung verlaufenden Kühlmittelführungen 6 mit Wassereintrittsöffnungen bei 7 und Dampfaustrittsöffnungen bei 8 gebildet. Aus Gründen der Zeichnungsvereinfachung sind die Wasser- und Dampfrohre für die Kühlmittelführungen 6 nicht dargestellt.Die Kühlmittelführungen 6 sind ebenfalls in der Koliektorwand ausgebildet und gleichmäßig um den Kollektor herum |The second cooling stage is achieved by a second arrangement of in Longitudinal coolant guides 6 with water inlet openings at 7 and steam outlet openings at 8 educated. To simplify the drawing, the water and steam pipes for the coolant ducts 6 are not shown Coolant guides 6 are also formed in the collector wall and are evenly arranged around the collector |

verteilt,liegen jedoch an der Oberfläche eines imaginären Kegels,um so mehr oder weniger der allgemeinen Formgebung des Kollektors angepaßt zu sein. ·distributed, but lie on the surface of an imaginary Cone, the more or less the general shape of the To be adapted to the collector. ·

Die Oberfläche der Innenwand des Kollektors hat drei Hauptabschnitte,von denen zwei, 9 und 10,wie im Schnitt dargestellt, gekrümmt sind,und der dritte,11,der zwischen den beiden anderen liegt' und diese verbindet, konisch ist,um eine kegelförmig zulaufende Stufe zwischen den Teilen 9 und 10 zu bilden.Die beiden Abschnitte 9 bzw,10 erstrecken sinn näherungsweise über die Längen der beiden Kühlstufen und der Abschnitt 11 erstreckt sich über den Bereich zwischen den beiden Kühlstufen.Die Abschnitte 9 und 10 sind so geformt,daß zumindest der größte Teil ihrerThe surface of the inner wall of the collector has three main sections, from which two, 9 and 10, as shown in section, are curved, and the third, 11, that between the other two lies' and this connects, is conical to a cone-shaped to form tapering step between parts 9 and 10. The two sections 9 and 10 extend approximately over the lengths of the two cooling stages and the section 11 extends across the area between the two cooling stages. The sections 9 and 10 are shaped so that at least most of their

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Oberfläche näherungsweise der GleichungSurface approximates the equation

IL^lM^ÄI^ _m _konst. ; IL ^ lM ^ ÄI ^ _m _const . ;

A^vyi^!'^J σ -ί η "-¹ /γ— /θA ^ vyi ^! ' ^J σ -ί η "- ¹ / γ- / θ

-j£fl J. Olli M / ώ - _ -j £ fl J. Olli M / ώ - _

genügt. Dabei ist 2 order Kegelwinkel des in den Kollektor eintretenden Elektronenstrahls. W ist die gesamte Strahlieistung. 0 ist der Winkel zwischen einer gegebenen Elektronenbahn zu der Kollektorinnenwand und der Kollektorachse.0ist der Winkel zwischen der Wand und der Achse an dem Punkt,an dem die Bahn in die Wand einmündet und r ist die Länge der gegebenen Elektro- ^ nenbahn vom Scheitel des Elektronenstrahls bis zu ihrem Ende auf dem Kollektor.enough. Where 2 or is the cone angle of the electron beam entering the collector. W is the total radiation power. 0 is the angle between a given electron path to the collector inner wall and the collector axis. 0 is the angle between the wall and the axis at the point where the path joins the wall and r is the length of the given electron path from the vertex of the electron beam to its end on the collector.

Die Elektronenbahn mit der Länge r zu der Verbindungsstelle der Abschnitte 9 und 11 ist in der Figur durch die gestrichelt gezeichnete Linie dargestellt ,während die Winkel -or-, β und 0 durch strichpunktierte Linien angegeben werden;The electron path with the length r to the junction of the sections 9 and 11 is shown in the figure by the dashed line, while the angles -or-, β and 0 are indicated by dash-dotted lines;

In der erläuterten Ausführungsform wird der ^egelwinkel des ^₁ Abschnitts 11 so gewählt,daß/3= Ö wird,so daß die Oberfläche;~^?.Vf<$_: dieses konischen Abschnitts zu der gezeigten Bahn tangential ":₅^V. ist. Diese Formgebung wird bevorzugt,da sie in bezug auf das Material am wirtschaftlichsten ist «Es kann jedoch auch ein* größerk rer Kegelwinkel für die Oberfläche des Abschnitts 11 yerwen-,. J det werden, d.h.diese könnte,falls gewünscht,schräg aus der · dargestellten Bahn herauslaufen.Ist der Kegelwinkel kleiner als dargestellt,was in manchen Fällen zulässig ist, so tritt eine Energiezufuhr durch Elektronenbeschuß für den Abschnitt; , 11 auf, die bei Verringerung des Kegelwinkels zunimmt. Per , '"■■ ^:, Kegelwinkel darf daher nicht so weit verringert werden,daß die ; Aufheizung des Abschnitts 11 ausreicht,um örtliche überhitzungen in diesem Bereich hervorzurufen.In the illustrated embodiment, the angle of the angle of the ^ ₁ section 11 is chosen so that / 3 = Ö, so that the surface; ~ ^? .Vf <$ _: this conical section is tangential to the path shown ": ₅ ^ V. This shape is preferred because it is the most economical with regard to the material. However, a larger cone angle can also be used for the surface of the Section 11 yerwen-,. J det, that this could, if desired, run obliquely out of the path shown. If the cone angle is smaller than shown, which is permissible in some cases, energy is supplied by electron bombardment for the section 11 ., which increases with reduction of the cone angle Per, '' ^■■: cone angle should not be reduced so much, therefore, that the; Heating of section 11 is sufficient to cause local overheating in this area.

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Claims

Cathode ray tube with a hollow collector that is gradually cooled by a flowing coolant gekennsseicnnet, ciais uie j.uuenwau (i üso kulluktois au & eforiat is, that part of the inner surface of this wall in an area between two cooling stages of a much lower intensity of electron bombardment (while the tube is in operation) than the average intensity of the bombardment elsewhere on the inner wall.

2. Tube according to claim 1, characterized in that the inner wall in an area between the one and the next following- | the cooling stage is designed step-shaped, so as to be at the stage to create an inclined course of the inner wall surface, which is approximately tangential to the electron orbits in this area.

3. Tube according to claim 1, characterized in that the inner wall is stepped in a region between the one and the next cooling stage, such that the inner surface away from the electron orbits at an acute angle (when the tube is in operation) runs in this area.

4c tube according to one of claims 1-3, characterized in that that the inner wall is shaped so that it is in the other areas | than those between two cooling stages an approximately equal amount of energy supplied by electron bombardment per unit area experiences, whereby this value is significantly higher than the the energy supply by electron bombardment per unit area in the area between one cooling stage and the next cooling stage. .

5 «tube according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the collector is cooled in two stages and its inner surface consists of two sections, one of which each (seen in section) is so curved that it gives a closer look wise uniform amount of energy supplied by electron

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bombardment per unit area and each of which extends approximately over the length of one of the various cooling stages, and that the two sections are connected to one another by an at least approximately conical part, the smaller diameter of which is closer to the open collector end . ° ... "- ■ -... -, ■ '".-.-. "

6. Tube according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the portions of the inner surface of the collector walljdie of the parts in the areas between the cooling stages are different, are shaped so that they are approximately the equation

W sin (θ .-/2.- / 2

const.

■ 4n « ² sin ² -or / 2-

meet (where 2 <? f is the cone angle of the electron beam entering the collector, W is the total beam power _f θ is the angle between a given electron path to the inner wall of the collector and the axis of the collector, β is the angle between the wall and the axis at the point, an.dem the given electron path opens into the wall, and r is the length of the given electron path from the vertex of the electron beam to its end on the collector), and that the angle between the axis of the collector and the inner surface of the collector is in a range between two cooling stages is not smaller than the angle Q. '_ "

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