DE2166309A1

DE2166309A1 - Verfahren zur herstellung von abgeschirmten kollektorelektrodenanordnungen

Info

Publication number: DE2166309A1
Application number: DE2166309*A
Authority: DE
Inventors: John W Ashford; Robert L Holm
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Litton Industries Inc
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1973-10-04
Also published as: DE2157415A1; GB1341119A; US3679929A; GB1341120A; DE2157415B2; JPS5242024B1

Description

PATR NTA N WALTE DIPL-ING. HANS BEGRICH - DIFL-ING. ALFONS WAS/ftEIER

REGENSBURG3 · LESSINGSTRASSE 10 2166309

Patentanwälte Begrich · Wasmeier, 8400 Regensburg 3, Postfach Π

An das

Deutsche Patentamt

Telefon 0941/21986 Bayer. Staatsbank, Regensburg 507 Postscheckkonto: München 89369 Telegramme: Begpatent Regensburg

8 München 2

Ihr Zeichen Ihre Nachricht vom

In der Antwort bitte angeben Unser Zeichen

L/p 7566

Tag

22. März 73 W/We

LITIOIi IHDUSTRIES, INC., 360 North Crescent Drive, Beverly Hills,

California 90213, USA

Verfahren zur Herstellung von abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnungen.

Ausscheidung aus Patentanmeldung P 21 57 415.2-35

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung eines Paares hohler Metallzylinder, die dauernd konzentrisch im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei Abstandselemente zwischen den beiden Zylindern vorgesehen sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung abgeschirmter Kollektorelektrodenanordnungen für Mikrowellenröhren, z.B. Wanderfeldröhren, Klystrons oder dgl.

Zahllose Arten von Mikrowellenröhren weisen eine Kollektorelektrode auf, die Elektronen während des normalen Betriebes der Röhre auffangen. Zwei sehr bekannte Arten dieser Mikrowellenröhren sind die 0-Wanderfeldröhre und das Klystron.

3Ö9Ö4Ö/0SÖ3

Vp 7566 -2- 22. März 73 W/We

Die 0-Wanderfeidröhre ist eine herkömmliche Mikrowellenröhre, die hauptsächlich als Verstärker von Mikrowellenfrequenzsignalen verwendet wird. Eine derartige Röhre weist grundsätzlich innerhalb eines evakuierten Gehäuses eine Kathode zum Emittieren von Elektronen, eine Beschleunigungsanode, die die Elektronen auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt, eine Langsamweller■-■> anordnung in Form einer länglichen, elektrisch stromleitenden Wendel und die Kollektorelektrode auf. Bei einer derartigen Röhre bilden die Elektronen, wenn sie aus der Kathode beschleunigt werden, einen Strahl, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit

P in die Wendel eintritt. Beim Durchwandern der Wendel wirkt der Elektronenstrahl mit einem elektromagnetischen Signal zusammen, das am Eingang zur Wendel aufgegeben wird und das längs der Wendel zum. Ausgang fortschreitet, d.h. der Elektronenstrahl überträgt Energie auf ein elektromagnetisches Signal. Dadurch treten die Elektronen des Strahles aus der Wendel auf und treffen auf die Kollektorelektrode, durch welche die Elektronen in die Energiespeisequelle zurückgeführt werden. Die kinetische Energie der Strahlelektronen wird bei-m Auftreffen auf die Kollektorelektrode in Wärmeenergie umgewandelt. Elektrisch wird dieser Energieverlust als ein elektrischer Wirkungsgrad im Betrieb reflektiert, der niedriger als erwünscht ist. Darüber hinaus kann abhängig von den Energiepegeln, bei denen die Röhre betrieben wird, die so erzeugte Wärme so hoch sein, daß sie die Kollektor— elektrode beschädigt und die Wanderfeldröhre zarstört, wenn die Wärme nicht schnell genug abgeführt wird oder abgeführt werden kann.

Um die im Inneren auftretende Erzeugung von Wärme auf einem Minimum zu halten und den elektrischen Wirkungsgrad beim Betrieo der Wanderfeldröhren zu erhöhen, werden häufig sogenannte im

3Ö9Ö4Ö/05G3

L/p 7566 -3- 22. März 75 W/We ·

Potential abgesenkte Kollektorelektroden verwendet. Bei einer derartigen Anordnung wird die Kollektorelektrode - anstatt daß sie elektrisch auf Erdpotential "betrieben wird - bei einer relativ hohen Spannung, im allgemeinen bei etwa der Hälfte der der Beschleunigerelektrode aufgegebenen Spannung betrieben, obgleich sie auf einem negativen Potential in bezug auf das elektrische Erdpotential liegt, das das am stärksten positive Potential darstellt. Da die Wendel und die Beschleunigerelektrode auf Erdpotential (positiv) liegen, und die Kollektorelektrode relativ hierzu, auf einer hohen negativen Spannung gehalten wird, wird ein elektrisches Feld zwischen der Kollektorelektrode und der Wendel aufgebaut, das so orientiert ist, daß es die Strahlelektronen verzögert, wenn sich die Elektronen der Kollektorelektrode nähern. Somit wird die Kollektorelektrode als im Potential abgesenkte Kollektorelektrode bezeichnet. Durch Verwendung dieser im Potential abgesenkten Kollektorelektrode werden die aus der Wendel austretenden Elektronen auf eine niedrigere Geschwindigkeit verzögert. Beim Auftreffen auf die Kollektorelektroden haben sie eine geringere kinetisch Energie und erzeugen weniger Wärme als dies bei anderen Kollektorelektrodenanordnungen der Fall ist. Wenn die Röhre auf dem gleichen Ausgangsleistungspegel betrieben wird, hat sie einen wesentlich höheren elektrischen Wirkungsgrad. Die Notwendigkeit zur zusätzlichen Kühlung und die Möglichkeit einer Beschädigung der Röhre aufgrund der Erzeugung von Wärme an der Kollektorelektrode werden auf einem Minimum gehalten. Andererseits gestattet die Anordnung mit im Potential abgesenkter Kollektorelektrode, daß die Röhre bei höheren Ausgangsleistungspegeln ohne Beschädigung betrieben werden kann als im Falle herkömmlicher Konstruktionen. Wenn die Leistungsabgabe weiter erhöht wird, bereiten die Wärmeerzeugung und Wärmeableitung wiederum Schwierigkeiten.

309840/05 0,1

Vp 7566 -4- 22. März 1973 W/We

Eine typische bekannte Anordnung mit im Potential abgesenkter Kollektorelektrode weist vorzugsweise eine Abschirmung auf, die die Kollektorelektrode umgibt; diese Abschirmung wird auf elektrischem Erdpotential gehalten. Der Hauptzweck dieser Abschirmung besteht darin, daß sie als äußere Abdeckung am einen Ende der Köhrenanordnung wirkt, wodurch die Röhre ohne Verletzungsgefahr für eine Person, die in Kontakt mit der Eöhre kommt, betrieben werden kann, da sie eine elektrisch geerdete äußere Fläche aufweist, die mit einer elektrisch geerdeten Wärmesenke, z.B. einem Kühlsystem verbunden werden kann. Somit sind wesentliche Faktoren bei der Auslegung von Anordnungen mit im Potential abgesenkter Kollektorelektrode, daß eine ent-" sprechende elektrische Isolation zwischen der Kollektorelektrode und der Abschirmung aufrechterhalten wird, und daß ein entsprechender Wärmeleitpfad vorgesehen ist, um Wärme von der Kollektorelektrode an eine äußere Wärmesenke zu übertragen.

Isolierende Abstandselemente sind zwischen der Abschirmung und der Kollektorelektrode befestigt, damit die gewünschte elektrische Isolation und der Wärmeleitpfad gebildet werden. Bei einer bekannten Anordnung werden in gegenseitigem Abstand versetzte bei— lagenförmige Hinge aus isolierendem keramischem Material, vorzugsweise Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd, längs des inneren Umfanges eines Innenzylinders, der einen Teil der Kollektorelektrode bildet, und längs des äußeren Umfanges eines konzentrischen, zylindrischen Außenkörpers, der die Abschirmung darstellt, verlötet. Aluminiumoxyd oder andere keramische Materialien, ergeben eine gute Festigkeit gegen hohe Spannung und sind auch gute Wärmeleiter. Berylliumoxyd ist ein besserer Wärmeleiter, hat jedoch eine geringere Festigkeit und ist brüchig. Wegen der geringen Anzahl von im Abstand angeordneten Keramikringen ist jedoch nur eine bestimmte Anzahl von Kontaktstellen vorhanden,

3Ö9840/050S

Vp 7566 -5- 22. Harz 1973 W/We

durch die Wärme von der Kollektor elektrode durch die Abstandselemente in Form dieser Hinge zur Abschirmung und damit zur äußeren Wärmesenke gelangen kann; damit hat diese Konstruktion den Nachteil, daß das Wärmeübertragungsvermögen begrenzt ist.

Eine andere bekannte Konstruktion verwendet eine längliche, zylindrische dielektrische Keramikhülse, die aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxyd besteht und die in den ringförmigen Raum zwischen der konzentrisch angeordneten, zylindrischen Kollektorelektrode und der zylindrischen Abschirmung eingesetzt ist; die Hülse ist dabei mit der Oberfläche eines jeden Zylinders verlötet, damit ein guter thermischer und mechanischer Kontakt erhalten wird. !Eheoretisch ist diese Konstruktion gut, sie hat Jedoch einen ifesentlichen Nachteil. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des inneren MetallZylinders, der einen Seil der Kollektorelektrode bildet, ist wesentlich größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des umgebenden Eeraiaikteiles. Darüber hinaus dehnt sich während des Betriebes der Röhre die Kollektorelektrode bei ihrer Aufheizung sowoiil in radialer als auch in axialer Richtung aus. Die axiale Ausdehnung des Kollektorelektrodenzylinders erzeugt eine hohe Beanspruchung durch die Abscherkräfte, die auf die Lötverbindung zwischen dem Keramikzylinder und der Außenfläche der Koliektorelektrode wirken. Sehr häuxig führt dies zu einem Bruch der Lötverbindung mit dem Kollektor oder einem Zerspringen des Keramikzylinders. Jeder dieser Schaden vermindert die Wirksamkeit des Wärmeübertragungspfades. In radialer Richtung erzeugt die Expansion eine weitere Beanspruchung, die auch den Keraiaikzylinder in radialer Richtung zum Zerspringen bringt, so daß die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls verringert wird. Abhängig von dem Grad des Zerspringens, der unbekannt bleibt, sind die Wärmeübertragungseigenschaft und die Lebensdauer der Röhre nicht vorherbestimmbar.

309840/05Ö3

U66309

L/p '/ϊ>66 " -b- 22. März 73 W/

Es ist ferner bei der Herstellung von abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnungen für Mikrowellenröhren der eingangs angegebenen Art bekannt (US-Patent 3.348.088), Anschläge zwischen einem inneren und einem äußeren Zylinder vorzusehen, die aus mit einem der Zylinder verschweißten U-förmigen Gliedern bestehen, in denen frei bewegliche Keramikkolben so aufgenommen sind, daß eine Kippbewegung des Kollektors begrenzt wird.

Ein Kompromiß zwischen den vorbeschriebenen Möglichkeiten ist die Verwendung von kleinen, exakt angeordneten und verlöteten Keilen aus dielektrischem,keramischem Material. Wenn diese Keile in geeigneter Weise innei'halb des Abstandes awischen der

™ Abschirmung und der Kollektorelektrode angeordnet werden, d.h., wenn sie gleichförmig angeordnet und dann in dieser Stellung verlötet werden, ist es möglich, eine Kollektorelektrodenanordnung zu erhalten, die eine definierte Wärmeübertragungsfähigkeit besitzt. Bei diesem Aufbau tritt, da das Aluminiuiaoxyd sozusagen in Stückchen und Stücke gebrochen ist, während eines differentiellen Aufheisvorganges kein oder nur ein geringes Abbrechen auf, und somit verbleiben die Wärmepfade durch den Keramikteil in einer relativ konstanten Fläche und auf einer konstanten Zahl. Obgleich es möglich ist, die große Anzahl von kleinen Keramikteilen im Labor fein säuberlich aufzureihen und zu verlöten, ist es nicht möglich odei* praktisch durchführbar^;,

) dies bei der Serienherstellung, bei der die Herstellgeschwindigkeit ein entscheidender Faktor ist, vorzunehmen. Um eine Röhre mit den gewünschten Betriebseigenschaften bei einem vernünftigen Preis herstellen zu können, reihen die Hersteller, die solche kleinen Keramikteile verwenden, diese ziemlich willkürlich auf, so daß die tatsächliche Größe der Kontaktfläche, die schlieBI' zwischen den Keilen und der Außenfläche der Kollektorelektrode

309840/0503

Vp 7566 -7- 22. März 75 W/We

erzielt wird, unbekannt bleibt. Die Prüfung erfolgt in der Veise, daß dann, wenn die Röhre während des PrüfVorganges versagt, angenommen werden muß, daß kein ausreichender Kontakt vorhanden war. Während bei solchen Röhren, die eine normale Betriebslebensdauer aufweisen, das willkürliche Aufreihen als ausreichend angesehen werden muß. In der Praxis ist die Vorhersagbarkeit von Resultaten von Röhre zu Röhre spekulativ und die Ausbeute an guten Röhren unsicher. Es ist deshalb eine sichere, einwandfreie und zuverlässige Methode sehr erwünscht.

Bei jeder der vorbeschriebenen Konstruktionen muß das keramische Abstandselement oder müssen die keramischen Abstandselemente mit der äußeren Fläche der Kollektorelektrode verlötet werden. Dadurch ergeben sich erhebliche Beschränkungen in bezug auf die Auslegung. Die Keramik besitzt einen erheblich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizient als Kupfer, dem Material, aus dem die Kollektorelektrode besteht. Während der differentiellen, linearen Ausdehnung aufgrund der Aufheizung der Kollektorelektrode erzeugt die Ausdehnungsbeanspruchung hohe Abscherbeanspruchungen auf die Lötung. Um die Gefahr des Brechens der Verbindung so gering wie möglich zu halten, wird die Kollektorelektrode so ausgelegt, daß sie sehr dünne Wandungen besitzt. Dies jedoch begrenzt den Wärmefluß längs der Kollektorelektrode. Andererseits kann die Kollektorelektrode aus Kovar bestehen, einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der näjrfher an dem von Keramik liegt, jedoch einem Material, das ein schlechter Wärmeleiter ist. Somit vermindert die geringe Dicke der Wandungen der Kollektorelektrode, die bei bekannten Kollektorelektrodenkonstruktionen dieser Art erforderlich sind, die mögliche maximale Ausgangsleistung der -Röhre.

309840/0503

Vp 7566 -8- 22. März 73 ¥/We

2186309

Alle bekannten Konstruktionen erfordern ein Lötmetall zur Verbindung der keramischen Abstandselemente mit der Kollektorelektrode. Das Lötmetall wird, wie durch mikroskopische Untersuchungen festgestellt worden ist, mit einer rauhen Oberfläche ausgebildet, die spitze Kanten besitzt und'in das keramische Material eingedrungen ist. Bekanntermaßen ist die Spannungsfestigkeit zwischen zwei ebenen Flächen größer als zwischen mit Spitzen versehenen !"lachen, wenn diese Flächen gleichen Abstand voneinander aufweisen. Zusätzlich verringert das Eindringen des Lötmetalles in das keramische Material den Abstand in wirksamer Weise. Bei der verlöteten Keramikanordnung und bei gegebenem Abstand ist somit die Spannungsfestigkeit, d.h. die Isolierfähigkeit ^ der Kollektorelektrodenanordnung bei einem Bruch oder Eiß im keramischen Material geringer als aufgrund des tatsächlichen Abstandes erwartet. Ähnliche Probleme und bekannte Ausgestaltungen von Lösungen, wie sie vorstehend in Verbindung mit O-Wanderfeld— röhren erläutert wurden, treten auch in Verbindung mit Klystrons auf, die abgeschirmte Kollektorelektrodenanordnungen aufweisen und die als im Potential abgesenkte Kollektoren betrieben werden.

Infolgedessen besteht in der Technik ein erheblicher Bedarf an Anordnungen mit im Potential abgesenkter Elektrode für Mikrowellenröhren, insbesondere Wanderfeldröhren und Klystrons. Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Beschränkungen und Nachteile bekannter Anordnungen, insbesondere die schädlichen Ein-P flüsse von auftretenden Scherkräften zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Anordnung eines Paares hohler Metallzylinder, die dauernd konzentrisch im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei Abstandselemente zwischen den beiden Zylindern vorgesehen sind,

309840/0503

L/p 7566 -9- 22. März 73

vorgeschlagen, daß die beiden hohlen Metall zylinder konzentrisch im Abstand zueinander so angeordnet werden, daß sie einen Hingraum dazwischen ausbilden, daß in den Ringraum Abstandselemente aus einem Material eingesetzt werden, dessen Härte die Härte des Materiales wenigstens eines der beiden Metallzylinder übersteigt, und daß die Breite des Ringraumes solange verkleinert wird, bis wenigstens einige der AbstandselementeVertiefungen in den Zjlinderwandflächen erzeugt haben und teilweise darin gelagert sind, wobei das Material der Zylinderwandflächen weicher als das Material der Abstandselemente ist. Vorzugsweise werden metallische Materialien für beide Zylinder verwendet, deren Härte von der Härte der Abstandselemente übertroffen wird. Beispielsweise können zur Verringerung der Härte des Metalles vor dem Zusammenbau die Metallzylinder Temperaturbehandlungen ausgesetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die Abstandselemente aus Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd hergestellt werden, wodurch kugelförmige Hohlräume entstehen. Die Verringerung der Breite des Ringraumes kann dabei dadurch erzielt werden, daß der innere Zylinder in allen radialen Richtungen gleichförmig erweitert wird. Beispielsweise geschieht dies dadurch, daß der Innenraum mit einer plastisch deformierbaren Substanz gefüllt und die Substanz zusammengepreßt wird,oder aber dadurch, daß eine von zwei Druckstangen, die die !Funktion ■von Kolben ausführen, in jeweils eine der zwei öffnungen des Innenraumes des inneren Zylinders eingepreßt wird. Es hat sich auch als zweckmäßig herausgestellt, gleichzeitig Maßnahmen anzuwenden, um zu verhindern, daß der äußere Zylinder expandiert, indem er in eine Form während des Erweiterns des inneren Zylinders eingesetzt wird. Darüber hinaus wird die Breite des Ringraumes entweder als alternativer oder als zusätzlicher Verfahrensschritt durch gleichförmiges Zusammenpressen des äußeren Zylinders in allen radialen Richtungen verringert, beispielsweise mittels eines Ziehvorganges, bei dem die Anordnung durch eine die Größe vermindernde Form gezwungen wird.

309840/0S03

L/p 7566 -10- 22. Harz 1975'W/We

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnunganhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die Figuren zeigens

Figur 1 in schematischer Darstellung eine 0-Wanderfeidröhre und ihre Schaltung, die die Kollektorelektrodenanordnung gemäß der Erfindung umfaßt,

Figur 2 im Querschnitt eine vollständige, abgeschirmte

Kollektorelektrodenanordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung,

™ Figur 3& in» Querschnitt einen der ersten Schritte bei der

Herstellung einer Kollektorelektrodenanordnung gemäß der Erfindung,

Figur 3b einen Stapel von keramischen Kugeln, wie sie während des Zusammenbaues angeordnet sind,

Figur 3c im Querschnitt die fertige Anordnung nach dem Füllen des Ringraumes zwischen den Zylindern mit keramischen Kugeln,

Figur 4-a eine Querschnittsdarstellung einer Einrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens-

Schrittes der Einbettung der Kugeln in den Kollektoa?- elektrodenzylinder wahrend des Zusammenbaues verwendet wird,

Figur 4-b eine Teilquerschnittsansicht, der die Beziehung

zwischen den keramischen Kugeln und den Zylindern nach Durchführung des Schrittes nach Fig. 4a zeigt.

309640/0503

L/p 7566 ^₁ ^ 22. März 1973

Figur 5& eine schematische Darstellung einer die Größe reduzierenden Form, 'wie sie zur Reduzierung der Abmessungen des äußeren Zylinders verwendet wird, teilweise im Querschnitt,

Figur 5"b schematisch die Methode, nach der die keramischen Kugeln in "beiden Zylindern eingebettet werden, und

Figur 6 im Querschnitt eine Kollektorelektrodenanordnung, bei der die Verfahrensschritte nach den Figuren 3-5 angewendet worden sind, und die zur Aufnahme der übrigen Elemente, welche in der vollständigen Anordnung nach Fig. 2 gezeigt sind, bearbeitet worden ist.

Die dargestellte Ausführungsform einer abgeschirmten Kollektor elektro denanordnung für eine Mikrowellenröhre weist zwei hohle, metallische, zylindrische Bauteile auf, die konzentrisch ineinander angeordnet sind, und die in dieser Anordnung von einer Vielzahl von verhältnismäßig harten, dielektrischen, wärmeleitenden Abstandselementen, insbesondere keramischen Kugeln, die innerhalb des Ringraumes zwischen den Zylindern angeordnet sind, im Abstand voneinander gehalten und elektrisch voneinander isoliert sind. Die Keramikkugeln sind in Vertiefungen angeordnet bzw. eingesetzt, die in den einander zugewandten Wandungen der zylindrischen Bauteile ausgebildet sind. Jede der Vertiefungen hat die Form eines Kugelsegmentes von solcher Größe, daß sie der aufgenommenen keramischen Kugel entspricht, so daß die Kugel im Zylinder eingebettet ist. Der innere Zylinder wirkt als der größere Teil der Kollekt.orelektrode, der während des Betriebes der Röhre auf einem hohen Spannungspegel gehalten wird und der hohe Temperaturen annimmt; der äußere Zylinder bildet die

309840/0503

L/p 7566 _₁₂_ 22. März Ί975 ^V/^l§ 1 ß 6 3 O 9

Kollektorabschirmung, die auf einer wesentlich niedrigeren Spannung, normalerweise elektrischen Erdpotential, gehalten wird lind an die die Wärme aus der Kollektorelektrode abgeführt wird. Die keramischen Kugeln bestehen aus dielektrischem Material, das so ausgewählt ist, daß die Kugeln eine elektrische Isolierung ergeben und gute Wärmeleiter sind, somit einen Wärmepfad zum Abführen von aus der Kollekt.orelektrode während des Betriebes der Wanderfeldröhre abzuleitender Wärme ausbilden.

Die Keramikkugeln halten sehr hohe Druckkräfte aus, so daß P während des normalen Betriebes der Eöhre jede radiale Expansion des Kollektorelektrodenzylinders die Druckkräfte zwischen den beiden Zylindern und den Kugeln erhöht , so daß maximale physikalische Kontaktflächen und somit ein guter Wärmeübergang gewährleistet sind. Die Kugeln können aus Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd oder einem äquivalenten Material hergestellt sein.

Wie vorstehend ausgeführt und weiter unten näher erläutert, betrifft die Erfindung auch ein Verfahren, das zur Herstellung abgeschirmter Kollektorelektrodenanordnungen, die als im Potential abgesenkte Kollektoren betrieben werden können, zweckmäßig anwendbar ist, wobei die beschriebene Ausführungs- ^ form des Verfahrens den Zusammenbau von praktisch inkompressiblen keramischen Kugeln zwischen konzentrischen Me tall zylindern umfaßt. Der Abstand zwischen den konzentrischen Zylindern wird zuerst mit den Kugeln gefüllt und dann werden die Kugeln bis zu einer vorbestimmten Tiefe in jeder der entgegengesetz orientierten Oberflächen der Zylinder eingebettet. Bei einer Variante des erfindungsgenräßen Verfahrens wird die Außenfläche des inneren Zylinders nach außen gedrückt, um die Kugeln . hauptsächlich in der Außenfläche einzubetten, und die Innen-

309840/0503

Vp 7566 _₁₅- 22. März 1373 «Γ/We

fläche des äußeren Zylinders wird nach innen gedrückt, van die Kugeln entsprechend hauptsächlich in der Innenfläche des äußeren Zylinders einzubetten, so daß die Kugeln fest zwischen gegenüberliegenden Vertiefungen in den beiden Zylindern angeordnet sind und sich nicht bewegen können. Ähnlich wird eine Relativverschiebung zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder verhindert.

Figur 1 seigt schematisch die grundlegenden bauteile einerherkömmlichen, mit im Potential abgesenktem Kollektor betriebenen O-Wanderfeldröhre und zugehörige Energiespeisseinrichtungen. Das gestrichelt dargestellte Rechteck 2 stellt symbolisch das evakuierte Gehäuse dar. Die Röhre weist eine Kathode 1 als Quelle oderEmitter für die Elektronen auf« Ein Heizfaden, der normalerweise zur Aufheizung der Kathode vorgesehen ist, damit letztere mehr Elektronen emittiert₉ und die Energiequelle für den Heizfaden sind nicht dargestellt_s sind jedoch an sich notwendige Bestandteile.» Im Abstand von der Kathode 1 ist eine Beschleuiiigungsanode 3 angeordnet _s die eine Öffnung 5 aufweist« Rechts von der Anode 3 in IPig« 1 ist die Anordnung in Form einer Wendel 7 ^aus Draht oder Band aus elektrisch leitendem Material-, z.B. Molybdän, Wolf rasa oder anderem, entsprechendem stromleitandern Material vorgesehen. Die Windungen der Wendel 7 haben einen vorgegebenes Radius und sind mit einer vorbestimmten Steigung nach bekannten Prinzipien voneinander versetzt. Eine HF-Eingangsverbindung 9 ist am Ende der Wendel unmittelbar an der Kathode 1 vorgesehen, und eine HF-Aus gangs verbindung 11 am anderei». Ende der Wendel. Eine Metallelektrode 13j die die Kollektorelektrode darstellt, ist in der Nähe des Ausgangsendes der Wendel angeordnet. Eine Metallabschirmung 1.5 ist von der Kollektorelektrode 13 versetzt und umgibt diese. Isolatoren

L/p 7566 -14- 22. März 1973

halten die Kollektorelektrode und die Abschirmung voneinander versetzt.

Eine Hochspannungsquelle, die durch die Batterie 17 dargestellt ist, etwa in der Größenordnung von 6000 Y₅ ist mit dem negativen Anschluß an die Kathode 1 und mit dem positiven Anschluß an elektrische Erde gelegt, so daß ein geerdeter Stromkreis entsteht. Eine elektrische Verbindung ist zwischen der Bes chleimi. ger el ekt r ο de 3 mit der Mitte der Wendel und mit elektrischer Erde hergestellt, damit diese Bauteile auf einex' hohen positiven Spannung in bezug auf die Kathode 1 liegen. Eine zweite Hochspannungsquelle, die durch die Batterie 19 angedeutet ist, ist mit ihrem negativen Anschluß an die Kathode 1 und mit dem positiven Anschluß an die Kollektorelektrode 13 gelegt. Die von der Speisequelle 19 angelegte Spannung beträgt etwa die Hälfte der Spannung dm? Speisequelle 17· In vorliegendem j?alle beträgt somit die Spannung der Speisequelle 19 etwa 3000 Y. Damit liegt die Kollektorelektx*ode 13 auf einer niedrigeren oder im Potential abgesenkten Spannung in bezug auf die Wendel 7· Die Metallabschirmung 15, die die Kollektorelektrode 13 umgibt, einschließt und sie gegen die Kollektorelektrode isoliert, ist mit elektrischer Erde verbunden. Die Kollektorelektrode und die Abschirmung zusammen werden als "Kollektoranordnung" oder "Kollektor-Abschirmanordnung" bezeichnet; darunter wird im Falle vorliegender Erfindung die abgeschirmte Kollektorelektrodenanordnung verstanden, die in einer Rohrs mit sonst herkömmlichen Bauelementen zusammengebaut ist. Es ist auch üblich, außerhalb des Röhrengehäuses eine Reihe vcn Permanentmagneten oder ein elektrisches Solenoid, anzuordnen um ein fokussierendes Magnetfeld B" aufzubauen, das axial zur Wendel 7 verläuft. Der besseren Übersicht wegen iac diese magnetische Anordnung im einzelnen nicht dargestellt, sie wird hier lediglich durch den magnetischen Vektor B in J¹Xg. 1 angedeutet.

3Ö984G/QSÖ3

L/p 7566 _-15_ 22. März 1973 W/We

Bei einer herkömmlichen Betriebsart einer 0-Wanderfeldröhre wird ein Signal elektromagnetischer Energie, insbesondere im Mikrowellenfrequenzbereich, an den Anschluß 9 angelegt. Eine Last oder eine andere Auswertschaltung, die das Mikrowellensignal "benutzt, ist mit dem Ausgangsanschluß 11 verbunden. Die Mikrowellenenergie schreitet längs der Wendel 7 vom Eingang zum Ausgang mit vorgegebener Geschwindigkeit fort. In bezug auf die Kathode 1. liegt die Beschleunigungsanode 3? obgleich sie geerdet ist, auf einer hohen positiven Spannung V, die ein hohes elektrisches Feld E erzeugt, das Elektronen aus der Kathode 1 anzieht und beschleunigt. Die Kathode emittiert Elektronen, die zu einem Strahl geformt werden und die auf die Anode zu beschleunigt werden. Die Strahlelektronen treten durch die Öffnung 5 in der Anode 3 und gelangen mit der vorgegebenen Geschwindigkeit in den Raum innerhalb der Wendel der häufig als Wechselwirkungsraum bezeichnet wird. In diesem Saum wirken die Strahlelektronen mit der elektromagnetischen Energie zusammen, die dem Eingangs ans chluß der Wendel aufgegeben wird und längs der Wendel mit etwa der gleichen Geschwindigkeit fortschreitet, in der sich die Strahlelektronen bewegen. Die elektromagnetische Wechselwirkung ergibt die Energieübertragung von den Elektronen auf das Signal, wodurch die Elektronen verzögert, d.h. in ihrer Geschwindigkeit verlangsamt werden. Das axiale Magnetfeld B verhindert, daß Elektronen in Querrichtung wandern, wenn sie die Wendel durchlaufen, wodurch eine Strahlstreuung verhindert wird.

Im Idealfall verlaufen die verlangsamten Elektronen weiter durch die Wendel auf einem Kollisionskurs mit dem Kollektor 13. Bei der im Potential abgesenkten Kollektoranordnung, die

309840/0S03

Vp 7566 _1fi 22. März 1973 W/We

in Figur 1 gezeigt ist, sind sowohl die Wendel als die Metallabschirmung 15 elektrisch auf Erdpotential, während die Kollektorelektrode 13 in bezug auf die vorausgehenden Bauteile auf einer negativen Spannung, beispielsweise V/2 liegt. Dies ergibt ein elektrisches Feld E~ zwischen dem Kollektor 13 und dem Eintritt in die Abschirmung 15 und der Wendel 7 in einer Richtung, die die Elektronen abzustoßen versucht, so daß in exakter Weise eine Verzögerung der ankommenden Elektronen verursacht wird. Die Elektronen werden somit in den Kaum zwischen dem Abschirmungseintritt und dem Kollektor 13 über eine Potentialdifferenz von V/2 verlangsamt und kollidieren bei verringerter Geschwindigkeit mit dem P Kollektor 13, durch welchen die Elektronen in die Energiequelle, nämlich die Batterie 19 in Fig. 1, zurückgeführt werden.

Beim Auftreffen auf die Kollektorelektrode 13 wird die kinetische Energie der Elektronen in Wärmeenergie umgewandelt ,die über den Kollektor durch den Wärmeleitpfad über die Stützisolatioren 16, durch die Abschirmung 15 und von dort zu einer entsprechenden (nicht dargestellten) Wärmesenke abgeführt wird.

Die vereinfachte Darstellung nach Fig. 1 zeigt sowohl die * Anwendung der abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnung als auch die praktischen Überlegungen, die für vorliegende Erfindung notwendig sind. Erstens ist eine elektrische Spannung in der Größenordnung von V/2, z.B. 3000 V, zwischen dem Kollektor 13 und der Abschirmung 15 in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorhanden, so daß der Kollektor 13 innerhalb der Abschirmung 15 über eine Anordnung befestigt sein muß, die eine einwandfreie elektrische Isolation, d.h. eine

30 9 8 40/0S03

L/p 7566 -17- 22. März 1973 W/We

Isolierung dazwisehen, aufrechterhält. Zweitens muß die an der Kollektorelektrode durch die kollidierenden Elektronen erzeugte Wärme über einen Wärmeleitpfad an eine entsprechende äußere Wärmesenke abgeführt werden, um eine Beschädigung der Röhre zu vermeiden.

Während die Anwendung einer abgeschirmten Kollektorelektroden— anordnung in Verbindung mit einer O-Wanderfeidröhre dargestellt ist, ergibt sich für den Fachmann auch seine Verwendung bei anderen Arten von Mikrowellenröhren, insbesondere bei Klystrons. Bie 4se vöü Die Betriebsweise von Klystrons ist verschieden von der von Wanderfeldröhren, und die Verwendung eines Elektronenstrahles ergibt ähnliche Probleme, die zu ähnlichen, bekannten Lösungen in bezug auf die Wärmeableitung und die elektrische Isolierung geführt haben« Somit ist klar, daß die erfindungsgemäße Kollektorabschirmanordnung allgemein anwendbar ist, ohne daß eine detaillierte Beschreibung der Betriebsweise von Klystrons erforderlich ist.

Eine Ausführungsform der abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnung gemäß der Erfindung ist in Figur 2 im Querschnitt und vergrößert im Detail dargestellt. Die hier beschriebene Anordnung wird durch Befestigung an dem Metallgehäuse einer sonst herkömmlichen Röhre, beispielsweise durch Verlöten eingebaute

Die in Figur 2 gezeigte Anordnung weist einen ersten hohlen Metallzylinder 21, vorzugsweise aus Kupfer auf» Der Zylinder 21 entspricht der Metallabschirmung 15₅ die symbolisch in Verbindung mit der schematischen Darstellung nach Fig. 1 angedeutet ist. Ein zweiter hohler Zylinder 23, der ebenfalls aus Metall, insbesondere Kupfer besteht und dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders 21,

3Ö984G/0503

Vp 7566 _₁₈_ 22. d&cz 1973

ist konzentrisch innerhalb des Zylinders 21 angeordnet. Eine Kollektornasenanordnung 25 zylindrischer Gestalt, wie beispielsweise aus Molybdän, damit sie der Hitzeerosion widersteht, ist mit einem Rand 26 verlötet, der am linken Ende des Zylinders 23 ausgebildet ist. Die Nasenanordnung 25 enthält eine zylindrische Bohrung 27, die während des Betriebes der Röhre den Eintritt von den Elektronen in den Zylinder 23 gestattet. Ein Kollektorstöpsel 29 etwa zylindrischer äußerer Gestalt, der insbesondere aus Kupfer besteht, ist mit einem Rand 30 und mit vergrößerten Wandteilen verlötet, die innerhalb des Hohlcylinders 23 an dem die Elektronen sammelnden Ende ausgebildet sind. Der Kollektorstöpsel 29 weist einen konischen, ausgehöhlten Teil auf und dient zum Verschließen des Zylinder ende s. Der Kollektor zylinder 23, der Kollektorstöpsel 29 und die ITasenanordnung 25 ₅ bilden zusammen die Kollektor elektrode entsprechend dem Kollektor 13, wie er schematisch in Fig« 1 dargestellt ist.

Eine hohle zylindrische Yerlängerungshülse 31, die ebenfalls zweckmäßigerweise aus Kupfer besteht, ist in seiner Lage mit einem Rand 32 und mit einem vergrößerten Wandteil, der im Zylinder 21 ausgebildet ist, verlötet. Ein elektrisch isoliere» des Fenster 35, zweckmäßigerweise aus Aluminiumoxyd, ist innerhalb einer ringförmigen Metallhülse 33 verlötet. Ein" Metallanschluß 37 erstreckt sich durch das Fenster und ist hermetisch innerhalb des Fensters abgedichtet. Diese Elemente, die häufig als Topf-Wandanordnung bezeichnet werden, sinö in ihrer Stellung dadurch befestigt, daß die Wand 33 mi^ äer Hülse 31 verlötet wird, so daß eine vakuumdichte Verbindung entsteht. Eine elektrische Leitung 39 verbindet den Stöpsel 29 mit dem Anschluß 37.

Ein Metallflansch 4-1, zweckmäßigerweise aus Kovar ist mit

309840/0503

Vp 7566 .-ig« 22. Harz 1973 V/We

einem Hand 42 innerhalb eines vergrößerten Frontteiles des Zylinders 21 verlötet. Der Flansch 41 weist eine öffnung 43 auf, die im Betrieb der Röhre den Durchtritt von Elektronen in den Kollektorelektrodenzylinder 23 ermöglicht. Der Flansch bildet das Element, durch welches die Kollektorelektrodenanordnung mit anderen herkömmlichen Elementen der Röhre, insbesondere mit dem zylindrischen Metallgehäuse 2 der Wanderfeldröhre verbunden ist, wie Fig. 1 schematisch zeigt.

Eine Vielzahl von getrennten, gegeneinander versetzten Yertiefungen 43 ist innerhalb der inneren zylindrischen Fläche des Außenzylinders 21 ausgebildet. Im Querschnitt nach Fig.2 sind zwei Reihen dieser Vertiefungen sichtbar, wobei jede Reihe parallel zur gemeinsamen Achse der beiden Zylinder 21 und 22 verläuft. Zahlreiche andere Reihen von im Abstand angeordneten Vertiefungen verlaufen um die innere zylindrische Fläche des Zylinders 21 herum. Die Vertiefungen in einer Reihe sind axial so versetzt, daß sie zwischen die Vertiefungen der zwei benachbarten Reihen fallen. Im wesentlichen sind die Vertiefungen 45 alle um die äußere Fläche des Zylinders 21 und längs dieser Fläche versetzt.

Jede Vertiefungea 43 weist eine entsprechende Vertiefung 45 in axialer und radialer, d.h. winkelmäßiger Ausrichtung auf; beide bilden zusammen ein Paar von entgegengesetzt angeordneten Vertiefungen, die einander an den zylindrischen Ringraum zwischen den konzentrisch angeordneten Zylindern 21 und 23 zugewandt sind. Jede einer Vielzahl von Kugeln 47 ist zwischen die Vertiefungen eines Paares eingesetzt und ist somit zwischen der inneren Wand des Zylinders 21 und der äußeren Wand des Zylinders 22 angeordnet, so daß sie Abstandselemente zwischen den Zylindern ausbilden. Die Kugeln47

309840/050 3

L/p 7566 p₀ 22. März 1973 W/Ve

?166309

bestehen aus dielektrischem und hartem Material, das ein guter Wärmeleiter ist. Somit sind die Kugeln 4-7 in der Lage, hohen Druckkräften ohne Zerbrechen zu widerstehen. Hierzu kann ein dielektrisches und keramisches Material, z.B. Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd verwendet werden. Die kugelige Gestalt ist erwünscht, da diese geometrischen Abmessungen Druckkräften am besten widerstehen. Alle Kugeln 4-7 weisen vorzugsweise den gleichen Durchmesser 2E auf und sind innerhalb und zwischen entgegengesetzt gerichteten Vertiefungen in den Zylinderwandungen angeordnet. Die Form einer jeden Vertiefung ist so gewählt, daß ein großer Oberfläehenkontakt zwischen der Oberfläche der dazwischen aufgenommenen Kugel gewährleistet ist, und ist ein kugelförmiges Segment, so daß sich ein Kontakt über den vollen Bereich der kugeligen Oberfläche des darin eingebetteten Abstandselementes ergibt. In £"ig. 2 ist jede der Vertiefungen 4-3 und 4-5 mit gleicher geometrischer Abmessung und Größe dargestellt, nämlich der eines Segmentes einer Kugel vom Eadius R, was den geometrischen Abschnitten und der Größe der keramischen Kugeln 47 entspricht. Vorzugsweise übersteigt die Tiefe einer jeden Vertiefung in jeder Wandung die Hälfte des Eadius der Kugeln nicht, hauptsächlich, um den Abstand zwischen den Zylindern 21 und 23 aufrechtzuerhalten. Somit kann die Tiefe einer Vertiefung in der Größenordnung von E/2 sein, wobei E der Kugelradius ist.

Jede der Kugeln 47 ist in jedem Zylinder zwischen gegenüberliegenden angeordneten Vertiefungen 43 und 45 eingebettet und steht in Kontakt mit diesen. Die eingebetteten Kugeln werden in ihren Stellungen zwischen den Wandungen der Zylinder 21 und 23 vorzugsweise unter Druck, selbst bei Eaumtemperatur, gehalten, und stehen unter erhöhtem Druck während eines normalen

309840/0SÖ3

L/p 7566 -21- 22. Μκΐ'ζ 197b W/We

Betriebes der Röhre, und zwar aufgrund thermischer Expansion des Innenzylinders 23. Eine ausreichende Anzahl von Keramikkugeln 47 ist über den gesamten Eingraum zwischen den Zylindern 21 und 23 angeordnet, um die Zylinder 21 und 23 elektrisch isoliert voneinander zu halten, während die größtmögliche Anzahl von gut wärmeleitenden Pfaden dazwischen ausgebildet wird.

Die Beziehung zwischen den Keramikkugeln, der Abschirmung und dem Innenzylinder 23, der einen Teil der Kollektorelektrode bildet, läßt sich besser und einfacher aus der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung der abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnung nach der Erfindung verstehen.

Hach Fig. 3 werden die Kupferzylinder 21 und 23 vom Rohmaterial in ihre Größe geschnitten, wobei der Zylinder 23 eine etwas größere Länge als der Zylinder 21 erhält. Die Durchmesser der beiden Zylinder sind so gewählt, daß der Ringraum 52 zwischen ihnen die gewünschte Breite besitzt, wenn die Zylinder konzentrisch angeordnet sind, wie dies dargestellt ist. Vor dem ersten Zusammenbau werden beide Zylinder in geeigneter V/eise angelassen, um sie zu erweichen, so daß sie eine gewünschte geringe Härte besitzen. Während die Zylinder vorzugsweise die gleiche Härte aufweisen, ist es auch möglich, den Iniienzylinder 23 stärker anzulassen, so daß er weicher ist als der Außenzylinder 21. Zusätzlich werden die Keramikkugeln 47 durch entsprechende Kittel gründlich gereinigt, so daß jeglicher Schmutz oder andere Partikel beseitigt werden.

Zu Beginn wird der Zylinder 23 konzentrisch in den Zylinder 21 eingesetzt und eine O-Ringdichtung 51 wird am einen Ende

309840/0503

L/p 7566 _22- 22. März ί973 V/vfe

O 1 C C Q Π Q

in den ringförmigen Trennraum 52 eingebracht, damit' die Zylinder in der in Fig. Ja dargestellten Beziehung vorübergehend gehalten und ein Stöpsel an diesem Ende des Raumes vorgesehen wird. Im Anschluß daran werden keramische Kugeln 4-7 innerhalb des Raumes angeordnet und die Anordnung wird sanft nach jedem Hinzufügen von Kugeln geklopft, damit die Kugeln in ihre Lage fallen und sich zueinander einrichten. Dieses anfängliche Einrichten der Keramikkugeln ist in Fig. 3b besser dargestellt, aus der einige der Kugeln 4-7 gestapelt oder einger-ichtet gezeigt sind.

Nachdem der Raum 52 bis zur gewünschten Höhe mit Keramikkugeln 4-7 gefüllt ist, wird eine zweite O-Ringdichtung 53 ₅ wie in Fig. ^c gezeigt, am oberen Ende eingesetzt, damit dieses Ende des Ringraumes verstöpselt wird. Im Anschluß daran wird eine Kupferbeilage 54- am oberen Ende der Anordnung eingesetzt, um dieses Ende zu verschließen und die O-Ringdichtung 53 zusammenzupressen. Eine zweite Kupferbeilage 55 wird am unteren Ende eingesetzt. Die Kupferbeilagen warden dann in

der ihrer Stellung festgelegt und die Enden/soweit zusammengebaut^en Einheit werden mit einem Acrylbindemittel zur Erzielung einer guten Abdichtung bestrichen.

Die auf diese Weise zusammengebaute Einheit wird in eine geteilte Form eingesetzt, die eine wirksame Fassung mit der äußeren Oberfläche des Außenzylinders 21 bildet, wie Fig. 4-a zeigt. Diese Form besteht zweckmäßigerweise aus einem zylindrischen Bauteil 56, das den Zylinder 21 eng umgibt und das mit einer scheibenförmigen oberen Endplatte 57 und einer unteren Endplatte 58 versehen ist, deren jede eine Öffnung aufweist, durch die ein Zugang zu der Innenbohrung durch den Zylinder 23 erzielt wird. Ein Polyuretanstück 64, das genau in das Stück Zylinder 23 einpaßt und sich im wesentlichen über die

3Ö9840/05Ö3

L/p 7566 -23- 22. Mark, 197ί

2186309

Länge des Zylinders 23 erstreckt, wird in den Zylinder eingesetzt, des weiteren werden Stempel "bzw* Kolben 59 und 60 durch die Endplatten 57 und- 58 hindurch in Anschlag mit den Enden des Polyuretanstückes 64- eingebracht. Die gesamte Anordnung wird dann in eine Presse eingesetzt. Die Presse übt auf die Kolben 59 und 60 Kräfte aus, die durch die Pfeile F dargestellt sind, während die Form und die Endplatten 57 und 58 festgehalten werden. Vird das Polyuretanstück 64 auf diese Weise gequetscht, braucht es sich aus und übt eine radiale und damit eine Expansionskraft auf die Wandungen des Cylinders 23 aus, wodurch der Zylinder in radialer Richtung gleichförmig ausgeweitet wird, wodurch wiederum ähnlich hohe Drücke auf die Keramikkugeln 47 ausgeübt werden. Dieser Druck ist sehr hoch und kann praktisch einen Wert von 2.800 kg/cm erreichen. Wenn die Keramikkugeln verhältnismäßig hart sind, d.h. praktisch inkompressibel sind, und Druckkräfte von etwa 23.ΟΟΟ kg/cm für Aluminiumoxyd und 19-250 kg/cm für BerylUnmoxyd aushalten können, während das Kupfer wenigstens des Zylinders 23 verhältnismäßig weich im Vergleich hierzu ist, gibt die äußere Oberfläche des Innenzylinders 23 nach und wird dauernd verformt, so daß kugelsegmentförmige Vertiefungen entstehen, die - da sie durch die zugeordneten Kugeln an Ort und Stelle aufgrund der Verschiebung des Materiales erzeugt werden - zwangsweise mit den Oberflächen der Kugeln 47, die sie erzeugen, aufeinanderpassen. Anders ausgedrückt werden die Kugeln 47 in der äußeren Wandung des Innenzylinders 23 eingebettet, vorzugsweise in einer Tiefe von E/2, wobei E der Radius der Kugel 47 ist. Eine zumindest geringe Vertiefung bildet sich auch in der inneren Fläche der Wandung des Außenzylinders 21 je nach der Weichheit des Zylindermaterials aus. Falls es erwünscht ist, den Außenzylinder ebenfalls weitgehender mit Vertiefungen zu versehen, werden die weiter unten erläuterten Schritte angewendet.

0/0503

91 R R ^ Ω 9

L/p 7566 -&F 22. März 1973 W/We ^{Ä ÖQO}

Figur 4b zeigt einen kleinen herausgeschnittenen Teil im Querschnitt, bei dem Teile des Außenzylinders 21, des Innenzylinders 23 und einiger Keramikkugeln 47 am Ende des vorbeschriebenen Quetschvorganges gezeigt sind; die Kugeln sind dabei so dargestellt, daß sie bis zu einer bestimmten Tiefe in die äußere Wandung des Innenzylinders 23 eindringen, und es sind entsprechende Vertiefungen in der Form kugelförmiger Segmente im Zylinder 23 ausgebildet worden.

Im Anschluß daran werden die Form und die Anordnung aus der fc Presse entfernt, die Kolben 59 und 60 weggenommen und das PoIyuretanstück 64 abgezogen, und dann wird die Anordnung aus den Formelementen 57? 56 und 58 herausgenommen.

Figur 5a zeigt schematisch eine die Größenabmessung verringernde Form 61. Diese die Größenabmessung verringernde Form weist einen Durchgang 62 auf, dessen Durchmesser sich von einem Radius am Eintritt zu einem kleineren Eadius am Austritt verkleinert. Der Durchgang 62 ist zylindrisch, wobei das breite Ende dem äußeren Durchmesser des Zylinders 21 der Kollektorelektrodenanordnung entspricht. Die Kollektoranordnung wird nach der in Fig. 4a angedeuteten Behandlung in die die Größenabmessung verringernde Form 61 eingesetzt, wie in Fig. 5& ge- w zeigt. Eine einen Druck ausübende Aufspannvorrichtung 63 wird auf die Oberseite der Anordnung aufgesetzt und mit Hilfe einer Presse wird eine Kraft F aufgegeben, die die Kollektor elektrodenanordnung durch den Durchgang 62 hindurchtreibt, so daß die äußeren Wandungen des Zylinders 21 unter hoher gleichförmiger, radial nach innen gerichteter Kompression stehen und bei einem solchen Ziehvorgang zusammengepresst werden, so daß die radiale Abmessung verringert wird.

309840/0503

L/p 7566 _25- 22. März 1973 W/V;e

Während der die Größe erzielende Vorgang vorstehend als in einem Verfahrensschritt ablaufend beschrieben ist, kann die gewünschte Verringerung des Durchmessers des Zylinders 21 auch durch eine Anzahl von Arbeitsvorgängen durchgeführt werden, wobei fortsehrä±end kleinere Formen im Vergleich zur Form 61 verwendet werden.

Die Kompressionskräfte, die auf den Außenzylinder 21 ausgeübt werden, werden auf die innere Wandfläche übertragen, und die hohen Kompressionskräfte werden den Keramikkugeln aufgegeben. Da die Keramikkugeln steifer (praktisch inkompressibel) als der Außenzylinder 21 sind, und da der Innenzylinder 23 eine größere Härte als der Außenzy linder 21 aufweisen kann, gibt die innere Wandung des Zylinders 21 an jeder Stelle nach, an der eine Keramikkugel in Kontakt mit ihr kommt und eine kugelsegmentförmige Vertiefung ausbildet, die der anliegenden Oberfläche der Kugel, wie in Fig. ^b gezeigt, entspricht. Dieser Schritt seinerseits kann sine geringe weitere Vertiefung in der äußeren Wand des Innenzylinderl Z3 verursachen. Die Tiefe solcher Vertiefungen oder der Grad der Einbettung hängt natürlich von der relativen Härte der verschiedenen Materialien und von dem Ausmaß der Größenverringerung, die erzielt wird, ab. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Kugeln sowohl in der inneren als auch der äußeren Wandung der Zylinder 21 und 23 einzubetten, und zwar bis zu einer !Tiefe, die etwa gleich (1/2) R beträgt, wobei E der Radius ist, der für die Keramikkugeln 47 gewählt wird. Während des Ziehvorganges des Verfahrens breiten sich sich die Kugeln etwas auseinander und bilden einen kleinen Abstand zwischen sich, so daß sie nicht so eng aneinanderliegen, wie in Fig. 3"b gezeigt.

Der Hohlraum oder die Aussparung im Zylinder 23, in dei/eine

30S840/0SÖ3

L/p 7566 -^2β£ 22. März 1973 W/We

2Ί66309

einzelne Kugel 47 angeordnet ist, ist in axialer und in radialer Richtung (in bezug auf die Zylinderachse) mit der Vertiefung im Zylinder 21 ausgerichtet, in welchem die andere Seite der gleichen Kugel 47 gelagert ist.

Es ist möglich, die Folge von Verfahr ens schritt en umzukehren, d.h. zuerst den Außenzylinder zusammenzupressen, falls dies erwünscht ist. Mit einer speziellen Einrichtung ist es ferner möglich, den Innenzylinder 23 zur gleichen Zeit auszudehnen, wie der Außenzylinder 21 zusammengepreßt wird.

Wenn die Konstruktion dies ermöglicht, kann auch einer der beiden vorerwähnten Einbettvorgänge entfallen. Dann wird beispielsweise nur der Ausdehnungsschritt oder der Kompressionsschritt angewendet, wenn das leichte Einbetten der Kugeln innerhalb eines der Zylinder annehmbar ist.

Um den Endvorgang des Einpassens der in der vorbeschriebenen Weise erhaltenen Anordnung in die vollständige, abgeschirmte Kollektorelektrodenanordnung nach Fig. 2 zu erläutern, wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Bei den abschließenden Arbeitsvorgängen werden die Enden der Anordnung abgesägt, damit die Kupferbeilagen 54 und 55 nach Fig. 3c entfernt werden; dabei werden die Zylinder 21 und 23 auf die richtige Länge geschnitten, ohne daß die 0-Ringdichtungen 51 und 53» die in ihrer Stellung gehalten werden, abgeschnitten werden. Im Anschluß daran wird das rechte Ende der Anordnung, wie in Fi g. 6 gezeigt, so bearbeitet, daß ein Rand 32 längs der Oberfläche des Zylinders 21 erhalten wird. Zusätzlich wird der Innenzylinder 23 so auf gebohrt, daß ein Rand 30 rechts in Fig. 6 entsteht. Zwei zusätzliche Bohrungen bilden den Rand 42 im Außenzylinder 21 und den Rand 26 im Innenzylinder 23 aus.

309840/0503

L/p 7566 -V(C 22. Harz 1973 W/We

Die O-Ringdichtungen, die in ihrer Lage gehalten v/erden, verhindern, daß Metallspäne während dieser Bearbeitungsschritte In den Ringraum eindringen. Mit !Fertigstellung der Ränder werden die O-Ringe entfernt. Dabei werden die Stöpselanordnung 29 und die Ausgangsfensteranordnung der Elemente 31» 33» 35? 37 und 39 wie auch die Kollektornasenanordnung 25 "und der Flansch 41 in ihrer Stellung so wie oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben gehalten. Diese Elemente werden dann in ihrer Stellung verlötet um die Vorgänge abzuschließen, so daß die abgeschirmte KoIlektorelektrodenanordnung nach Fig.2 erhalten wird.

Im Betrieb wird der Abschirmzylinder 21 nach Fig. 2 elektrisch auf Erdpotential und der Kollektorzylinder 25 auf einer hohen negativen Spannung in bezug auf die Abschirmung gehalten. Dadurch wird das elektrische Feld Ep, das in Verbindung mit der Arbeitsweise der Wanderfeldröhre nach Fig. 1 erwähnt wurde, zwischen der Nase 25 und dem Abschirmflansch 41 in einer solchen !Richtung aufgebaut, daß sich nähernde Elektronen verzögert werden. Während der Abstand in den Zeichnungen klein gewählt ist, ist er in der Praxis hinreichend groß, um die Elektronen zu verzögern. Vergleichsweise sei darauf hingewiesen, daß der Verzögerungsabstand in der Größenordnung des Abstandes ist, durch welchen das Elektron zu Anfang über die Beschleunigungsanode 3 beschleunigt wird, wie dies in Fig. erörtert ist. Somit werden Elektronen, die aus der Wendel 7 nach Fig. 1 austreten, auf eine niedrigere Geschwindigkeit verzögert und treten in die Anordnung am Eingang 45 des Flansches 41 und Durchgang 27 in der Hasenanordnung 25 des Kollektorelektrodenzylinders 25 ein. Innerhalb des inneren hohlen Raumes des Zylinders 25 treffen die Strahlelektronen einen feldfreien Bereich an, in welchem sie weder angezogen

309840/0503

L/p 7566 -zgfZ. 22. März 1973 W/We

2166303

noch abgestoßen werden und sich somit frei in die Wandung des Zylinders 23 bewegen oder weiterwandern und auf dem sich konisch verjüngenden Wandteil des Kollektorstöpsels 29 sammeln können. Der elektrische Stromkreis für die Elektronen setzt sich durch den Stöpsel, die elektrische Leitung 39, den elektrischen Anschluß 37 zu dem entsprechenden Anschluß der Energiespeisequelle 19 nach Fig. 1fort, durch welche die hohe elektrische Spannung an die Kollektorelektrode gelegt wird. Die wandernden Elektronen verlieren ihre kinetische Energie bei der Kollision mit der Kollektorelektrode und erzeugen dabei Wärmeenergie. Die Wärme erhöht die Temperatur des Kollektorelektrodenzylinders 23. Ein wärmeleitender Pfad wix jedoch zwischen der Metallwandung des Zylinders 23 durch jede der Keramikkugeln 47 zu dem äußeren Metallzylinder 21, der die Abschirmung darstellt, aufrechterhalten. Durch niaht dargestellte Vorkehrungen, z.B. Wärmerippen, die an dem Äbschirmzylinder 21 befestigt sind, oder eine Kühlwasserummantelung wird die Wärme in eine Wärmesenke abgeleitet, die auf einer niedrigeren Temperatur liegt.

so-Wird der Kollektorzylinder 23 aufgeheizt, dehnt er sich/wohl in radialer als auch in axialer Richtung aus. Bei der radialen Ausdehnung gibt die äußere Fläche des Innenzylinders 23 einen nach außen orientierten Druck auf die Keramikkugeln auf und drückt diese in engen Flächenkontakt mit dem Außenzylinder Während des Betriebes werden somit die Kugeln unter Druck gehalten und es ist ein guter Kontakt zwischen beiden Zylindern und den Keramikkugeln Ύ] gewährleistet, auch wenn kein hoher Druck bei Raumtemperatur während der vorbeschriebenen Herstellung ausgeübt worden ist. Wie oben erwähnt, sind die Keramikkugeln verhältnismäßig hart, starr und praktisch

309840/0501

L/p 7566 -29- . 22. März 1973

inkompressibel, so daß sie sicher den hohen Druckkräften widerstehen. Im Gegensatz hierzu ist "bei den Anordnungen bekannter Art das keramische Material verschiedenen Zug- und Abscherbeanspruchungen ausgesetzt, und keramische Materialien, die zwar Kompressionskräften widerstehen können, können nicht in ausreichendem Maße den Kräften widerstehen, die bei bekannten Anordnungen auftreten.

!Teilweise ist die Fähigkeit, Kompressionskräfte auszuhalten, durch die Kugelform der Abstandselemente bedingt. Zwar können die Abstandselemente auch von anderer Gestalt sein, d.h. von der kugelförmigen Geometrie abweichen, und trotzdem in Verbindung mitvorliegender Erfindung zweckmäßig sein; die Kugel ist jedoch die bevorzugte geometrische Form, wenn es darum geht, Druckkräfte aufzunehmen. In Verbindung mit der Beschreibung der Anordnung ist die Form der Vertiefungen 4-3 und 4-5 iⁿ den Zylindern 21 und 23 ein Kugelsegment. Da es dem Oberflächenteil der entsprechenden eingebetteten Kugel entspricht und in Druckkontakt nit diesem Oberflächenteil steht, ergibt es ein Maximum an Kontaktfläche und somit an Querschnittsgröße des zur Verfügung stehenden Wärmepfades. Die Ausdehnung, d.h. die Volumenvergrößerung des Innenzylinders 23 und die Kompression der Kugel gewährleistet einen guten physikalischen gegenseitigen Kontakt und wirkt somit in der Weise, daß eine gute Wärmeleitverbindung in Form eines Wärmepfades zwischen der Kollektarelektrode und der Abschirmung erzielt und damit die Wärmeübergangseigenschaft der Kollektorelektrode während der gesamten Lebensdauer der Röhre zuverlässig aufrechterhalten wird. Aufgrund der identischen Konstruktion von Röhre zu Röhre und der physikalischen Zuverlässigkeit der Konstruktion werden definierte, reproduzierbare Ergebnisse erzielt.

3098&0/0503

L/p 7566 -30- 22. März 1973 W/We"

Als Ergebnis des Verfahrens gemäß der Erfindung, das zur Herstellung der Vertiefungen und zur Aufnahme der kugelförmigen Abstandselemente verwendet wird, sei darauf hingewiesen, daß selbst bei Kaumtemperatur viele oder alle Kugeln bündig unter dem Einfluß der Druckkräfte gelagert sind, wenn auch· nur in geringem Maße. Die Vertiefungen wurden durch Aufweiten oder Ausdehnen des Innenzylinders 23 und Zusammendrücken des Außenzylinders 21 gebildet. Da jede Metallzylinderoberfläche zur Ausbildung der Vertiefungen nachgiebt und damit eine im allgemeinen permanente Deformation erhal-ten wird, ist ein möglicher zusätzlicher Bereich vorhanden, bei dem die Fließgrenze des Zylinderoberflächenmateriales nicht überschritten ρ wird. Somit kann ein zusätzlicher rückseitiger Teil einer solchen Vertiefung einige Flexiblität behalten und wird nicht permanent deformiert. Auf diese Weise.können die Kugeln durch die entgegengesetzt gerichteten zylindrischen Oberflächen unter Druckbeanspruchung gehalten werden. Weil der Durchmesser der Keramikkugeln größer ist als der Abstand zwischen den nicht deformierbaren Oberflächen der beiden Zylinder, können sich die Kugeln nicht aus ihren Lagerstellen herausbewegen und verbleiben somit in ihrer Stellung. Da die Kugeln sich nicht aus ihrem Sitz herausbewegen können, ist es ferner nicht möglich, wenigstens nicht bei normalen Kräften, den Außenzylinder 21 in bezug auf den Innenzylinder 23 zu bewegen.

^ Somit werden die Abstandskugeln 47 ohne Verlöten eingebaut. Das Fehlen von Lötmäterial ist ein wesentlicher und entscheidender Vorteil im Vergleich zu bekannten Anordnungen, da eine höhere Spannungsfestigkeit bei gleichem Abstand zwischen den beiden Zylindern erzielt wird, als dies bisher bei bekannten Anordnungen der Fall war. Das Lötmaterial, das zur Verbindung der Metallzylinder mit den keramischen Isolatoren verwendet wurde, enthielt scharfe, mikroskopisch

309640/0503

L/p 7566 -31- 22. März 1973 W/We

kleine Kanten, die die Spannungsfestigkeitsejgerjsc/ja//-£n bei gleichem Abstand vermindert haben. Zusätzlich, bewirkt der Lötvorgang naturgemäß das Eindringen von metallischem Lötmaterial in den keramischen Isolator, wodurch weiterhin der effektive Abstand von Zylinder zu Zylinder und damit die Spannungsfestigkeitseigenschaften herabgesetzt werden. Lediglich durch Weglassen des Lötmaterials aus der abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnung ohne weitere Ännderung im Röhrenaufbau wird die Spannungsfestigkeit für einen gegebenen Kollektor-Abschirmungsabstand in der Größenordnung von 50% verbessert, wodurch die elektrische Lichtbogenbildung zwischen der Kollektorelektrode und der Abschirmung auf ein Minimum herabgesetzt wird, und andererseits eine Vergrößerung der Bremsspannung ermöglicht wird, die an die Kollektorelektrode angelegt wird.

Ein weiteres wesentliches Ergebnis ist folgendes: Die Ausgangsleistung einer O-Wanderwellenröhre mit im Potential abgesenktem Kollektor wird direkt oder indirekt durch die Wärmeableitungs- oder Wärmeübergangseigenschaft begrenzt, d.h. durch die Größe der Kollektorelektroden-Abschirmanordnung. Je mehr abgegebene Leistungen abgeführt werden muß, desto größer wird die Kollektorelektrodenanordnung, bis es räumlich für den Hersteller nicht mehr möglich ist, die Eöhre mit einem solchen Leistungsabgabewert aufgrund der großen Abmessungen und des hohen Gewichtes in entsprechende Verstärker einzubauen.

Der Aufbau, der abgeschirmten Kollektorelektrodenanordnung gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht die Ausführung des Kollektorzylinders 21 mit einer dicken Wandung, d.h. einer Wanddicke, die größer ist als die, die bei bekannten Anordnungen sinnvoll verwendet werden kann, weil bei diesen bekannten

309840/0503

L/p 7566 -32- 22. März 1973 W/We

Anordnungen sinnvoll verwendet werden kann, weil bei diesen bekannten Anordnungen die Konstruktion verhältnismäßig dünne Wandungen erforderlich machte, damit sie etwas flexibel waren. Unter dem Einfluß normaler Expansionskräfte während der Aufheizung des Kollektors würde die Zugbeanspruchung, d.h. im wesentlichen die Abscherkräfte auf die Lötstelle zwischen dem Keramikisolator auf ein Minimum herabgesetzt werden und der Isolator würde nicht von dem Zylinder abgerissen werden. Die geringe Stärke jedoch begrenzte die Fähigkeit des Kollektorelektrodenzylinders, Wärme gleichförmig zu übertragen.

Die Zunahme der Dickenabmessung der Kollektorzylinderwandung,

die als direktes Ergebnis dafür genommen werden kann, daß Lötstellen und Lötverbindungen nicht vorhanden sind, vergrößert- obgleich sie gering erscheint - die Querschnittsabmessung des Wärmepfades, und ermöglicht somit, daß die durch das Zusammenstoßen von Elektronen an beliebigen Stellen längs des Kollektorzylinders 23 erzeugte Wärme über die gesamte Länge rasch und gleichförmig abgeführt oder auf eine Wärmesenke übertragen wird. Diese Änderung in der Abmessung allein ermöglicht eine Vergrößerung der Eingangs energie in die Kollek— torelektrode und damit der Ausgangsleistung einer Kollektorelektrode gegebener Größe um etwa 50?^ wenn andere Paktoren konstant gehalten werden, ohne daß die Gesamtabmessung oder das Gesamtgewicht der 0-Wanderfeldröhre merklich vergrößert wird.

Zusätzlich nimmt die Spannungsisolierung oder die Spannungs— festigkeit zwischen dem Kollektorelektrodenzylinder und der Abschirmung um etwa 50% zu, ohne daß der Abstand zwischen dem Kollektorzylinder und der Abschirmung merklich geändert wird;

309840/0503

L/p 7566 -53- 22. März 1973 W/We

dies ist direkt dadurch bedingt, daß Metallötstellen entfallene. Durch Vergrößerung der Br eins spannung und der Anodenspannung in der Größenordnung von 50% bei einer Wanderfeldröhre und der entsprechenden Einstellung der VinndelSteigung und unter Aufrecht erhaltung der Beziehung zwischen der Kollektorelektrode "lid der Aiiodenspannung von 1/2 bis 1 und dem gleichen gegebenen Kollektorzylinder-Abschirmungsabstand ergibt sich somit ohne wesentliche Änderung der Kollektor- oder Röhrenabmessungen, des Gewichtes oder der Geometrie eine Wanderfeldröhre, die mit Ausgangsleistungen betrieben werden kann, welche in der Größenordnung von 50% hoher sind als dies bei bekannten Anordnungen der FaIl ist.

Kombiniert man die vorausgehenden getrennt erörterten Ergebnisse, so wird eine 100%ige Zunahme in der Ausgangsleistung der Wanderfeldröhre ohne wesentliche Vergrößerung der Abmessung, Geometrie oder des Gewichtes der Rohre erzielt.

Die vorstehend aiif geführt en, vorteilhaften Ergebnisse werden mit den Vorteilen kosiniert. daß der Kollektorbetrieb über die gesamte Lebensdauer der Röhre gleichförmig ist, daß die Röhre nicht durch Überheizung der Kollektorelektrode durchbrennt und daß bei Massenherstellung übereinstimmende Ergebnisse von Röhre zu Röhre erzielt werden»

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung vermeidet und behebt die Schwierigkeiten der Wärmeableitung von Kollektorelektroden, die bisher vorhanden waren, und ermöglicht eine Erhöhung der Ausgangsleistung, die von 0-Wanderfeidröhren mit im Potential abgesenkten Kollektorelektroden erzielt werden kann. Wegen der definierten und fest vorgegebenen Konstruktion ist der Aufbau von Röhre zu Röhre der gleiche, und weil Risse oder die Möglichkeit von Rissen im keramischen Isoliermaterial fehlen, arbeiten die so hergestellten Röhren in dieser Beziehung während ihrer gesamten Lebensdauer zuverlässig und die Röhren zeigen ferner von Röhre zu Röhre während der Herstellung die gleiche hohe Qualität.

309840/0503

Claims

Vp 7566 _₃₄_ 4. April 73 W/We

Patentansprüche

ή. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung eines Paares hohler Me tall zylinder, die dauernd konzentrisch im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei Ab stands elemente zwischen den beiden Zylindern vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet; daß die beiden hohlen Me tall zylinder (ü1, 23) konzentrisch im Abstand zueinander so angeordnet werden, daß sie einen Ringraum dazwischen ausbilden, daß in den Kingraum Abstandselemente (47) aus einem Material eingesetzt werden, dessen Härte die Härte des Materiales wenigstens eines P der beiden Metall zylinder (21, 23) übersteigt, und daß die Breite des Kingraumes so lange verkleinert wird, bis wenigstens einige der Abstandselemente (47) Vertiefungen (43, 45) in den Zylinderwandflächen erzeugt haben und teilweise darin gelagert sind, wobei das Material der Zylinderwandflächen weicher als das Material der Abstandselemente (47) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Materialien für beide Zylinder (21, 23) verwendet werden, deren Härte geringer ist als die Härte des Materiales der Abstandselemente (47).
^ 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallzylinder (21, 23) vor dem Zusammenbau angelassen werden, um die Härte des Metalles zu verringern.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige Abstandselemente (47) verwendet werden, um Vertiefungen (43, 4-5) von der Gestalt kugelförmiger Elemente zu erzielen.

309840/0503

L/p 7566 . -35- 4. April 73 W/We

5- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandselemente (47) aus Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Eingraumes dadurch verringert wird, indem der Innenzylinder (23) in allen radialen Richtungen gleichförmig gestreckt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenzylinder (23) dadurch gestreckt wird, daß der Innenraum mit einer plastisch verformbaren Substanz (64) gefüllt und die Substanz komprimiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet ,daß die Substanz (64) dadurch komprimiert wird, daß ein Stößel eines Stößelpaares (59, 60) betätigt wird, der die Funktion von Kolben in jede der beiden Öffnungen des Innenraumes des Innenzylinder s (23) durchfuhrt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Polyurethan als plastisch deformierbare Substanz (64) verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß verhindert wird, daß der äußere Zylinder (21) expandiert, indem er in eine Form (56) während des Streckens des Innenzylinders (23) eingesetzt wird.

0/OSOI

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Ringraumes dadurch verringert wird, daß der Außenzylinder (21) in allen radialen Richtungen gleichförmig komprimiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (21) mit Hilfe eines Ziehschrittes komprimiert wird, bei welchem die Anordnung durch eine die Größe reduzierende !Form (6'l) gepresst wird.

309840/0583