DE2210160A1

DE2210160A1 - Elektronenstrahlerzeuger fuer laufzeitroehren

Info

Publication number: DE2210160A1
Application number: DE2210160A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Phys Dr Hechtel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-02
Filing date: 1972-03-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2173919A1; DE2210160C3; GB1357469A; US3859552A; IT972629B; SE386005B; DE2210160B2; FR2173919B1

Description

Elektronenstrahlerzeuger für Laufzeitröhren

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für Laufzeitröhren des O-Typs, mit einer Kathode zur Emission eines Elektronenstrahls, einem im Abstand von der Kathode angeordneten Steuergitter und einer darauffolgenden Anode.

In modernen Kikrowellenanlagen für Nachrichtenübermittlung und Radar wird häufig die Forderung erhoben, daß die Senderöhre bei zwei verschiedenen Leistungsstufen betrieben v/erden kann. Die beiden Leistungsstufen können sich beispielsweise um einen Faktor 5 oder 10 unterscheiden. Aus Gründen der Leistungsersparnis wird im normalen Betrieb die niedrigere Leistung verwendet, während die höhere Leistung nur unter gewissen Umständen, z.B. bei Störung durch einen anderen Sender, eingeschaltet wird.

Im Falle einer Laufzeitröhre kann eine solche Leistungsregelung nur über den Strahlstrom (Elektronenstrom) erfolgen. Eine Änderung der Strahlspannung ist wegen der einzuhaltenden Phasenbeziehung zwischen Elektronenstrahl und zu verstärkendem Signal ungeeignet. Die notwendige Regelung des Strahlstromes in einem Elektronenstrahlerzeuger stellt ein sehr schwieriges Problem dar, das bisher noch nicht befriedigend gelöst worden ist. Wollte man den Strahlstrom durch die Fokussierungselektrode

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(V/ehneltelektrode) oder mit Hilfe der Anodenspannung regeln, wird das elektronenoptische Verhalten des Elektronenstrahlerzeuger unerwünscht geändert. Das gleiche gilt, wenn man den Strahlstrom durch eine zusätzliche Steuerelektrode regeln würde.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, einen Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für Laufzeitröhren des O-Typs so zu gestalten, daß die Laufzeitröhre ohne störende elektronenoptische Einflüsse in zwei verschiedenen Leistungsstufen betrieben werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Elektronenstrahlerzeuger der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Steuergitter einen ringförmigen Teil enthält, welcher gegenüber einer inneren Fläche, die einen zentralen Bereich der Emissionsfläche der Kathode überdeckt, elektrisch isoliert ist. Unter einem ringförmigen Teil wird dabei nicht nur ein Kreisring, sondern auch eine andere Ringgeometrie verstanden, falls der Elektronenstrahl nicht runden Querschnitt hat, beispielsweise ein Flachstrahl ist.

Die Erfindung geht davon aus, daß zur Steuerung (Schaltung) des Stromes Steuergitter verwendet werden, die dicht vor der emittierenden Kathodenfläche liegen. Derartige Steuergitter sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Es kann sich dabei sowohl um einfache Gitter handeln, die im Durchlaßbereich einen gewissen Anteil des Stromes abfangen (ein Ausführungsbeispiel ist etwa der amerikanischen Patentschrift 2 96? 260 zu entnehmen), als auch um Doppelgitter mit vorgeschaltetem sogenannten Schattengitter, die keinen oder nur einen vergleichbar kleinen Strom aufnehmen (ein Doppelgitter dieser Art ist beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 1 764 860 beschrieben). Das Wesen der Erfindung liegt nun darin, die Fläche des Steuergitters zu teilen und die beiden Teilflächen elektrisch voneinander

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zu isolieren. Damit; kann eine LeisTungnstu'Lenrerjelung von Laufzeitröhren über die Emission der K&ihoda des Elektronenstrahl&rzeugers durch Anlegen von Potentialen verschiedener Polarität gegenüber der Kathode an den ringförmigen Teil des Steuergitters vorgenommen v;erden. Sine derartige Stromregelung benötigt nur relativ kleine Spannungsänderungen zum Schalten des 3trahlstroir,es und ist frei von unerwünschten elektronenoptischen Nebenwirkungen. Sie,ist sowohl bei Eloktronenstrahlerzeugern, die im Dauerstrichbetrieb arbeiten, als auch bei gepulsten Elektronenstrahlerzeugern verwendbar.

Bei einer für Impulsbetrieb bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektronenstrahlerzeuger so ausgebildex, daß das Steuergitter aus dem ringförmigen Teil und einen den zentralen Bereich der Emissionsfläche der Kathode überdeckenden inneren Teilgitter besteht, das von dem ringförmigen Teil des Steuergitters (äußeres Teilgitter) mechanisch und elektrisch getrennt ist.

V/enn man zunächst diese Ausgestaltung betrachtet, hat ein erfindungsgerr.äßer Elektronenstrahlerzeuger folgende Eigenschaften:

Erfindungsgerr.äß wird hier die Gitterfläche, die normalerweise die gesamte Kathode bedeckt, in zv.^rei mechanisch und elektrisch voneinander getrennte Teile aufgeteilt, von denen der innere Teil kreisförmig, der äußere Teil ringförmig ausgebildet ist. I ist je nach angelegten Potentialen durch die Flächenanteile der beiden Teilgitter bestimmt. 1st I₁ der kleinereimd I„ der größere von zwei möglichen Strömen, so gilt die Beziehung

F₁ * I,

-^Δ· _β —1 ■ (D

^F2 ¹P.

BAD ORK3IMAL

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v.'obej F. die vor. inneren Gitter bedeckte Fläche und die recsrnte Kathedonflache is

t.

Es können bezüglich des Strahlstromes I drei verschiedene Betriebszustand© unterschieden v/erden.

¹· h - ¹I

Das innere Teilgitter ist positiv, das äußere ist negativ gegenüber der Kathode. Die Spannung am inneren Steuergitter gegenüber der Kathode ist ca. 1/25 bis 1/50 der Anodenspannung. Die Spannung am äußeren Teilgitter ist von der gleichen Größenordnung, aber negativ.

²· ¹S - h>

BeidsTeilgitter sind positiv gegenüber der Kathode. Ihre Spannung ist ca. 1/25 bis 1/50 der Anodenspannung.

3. 1 =0 (gesperrter Zustand)

Die beiden Teilgitter sind negativ gegenüber der Kathode.

Die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Teilgitter liegt in der Größenordnung von 1/50 bis 1/100 der Anoden-Kathodenspannung.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt ein axialsymmetrischer Elektronenstrahlerzeuger Gar, bei dem der ringförmige Teil eines die Kathodenfläche überdeckenden Teilgitters einen Kreisring bildet und das innere Teilgitter einen Kreisuinfang aufweist. Es gilt dann nach Relation 1 näherungsweise bei nicht zu starker Krümmung der Kathodenfläche

(2)

v/enn D. der Durchmesser des inneren Teilgitters und Dp der KathodendurchEiCsscr ist. Daraus folgt:

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ti ^DI-l ^d2 ~ ^D2 "* ¹Z

wobei d. und dp, die zu den Strömen I. bzw. Ip gehörenden Strahldurchmesser sind. Diese Gleichung 3 kann auch in der Form

FT

_.2 (3a)

geschrieben werden.

Da das zum Fokussieren eines Rundstrahls vom Durchmesser d und der Stromstärke I notwendige Magnetfeld ebenfalls proportional zu

ist, genügt zum Fokussieren der Stärke I₁ und I₂ das gleiche Hagnetfeld. Man erhält also in beiden Fällen einen Strahl mit konstantem Durchmesser ohne das Erfordernis einer elektronenoptischen Korrektur.

Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger besteht darin, daß das Steuergitter ausschließlich aus dem ringförmigen Teil bssteht und innerhalb der davon elektrisch isolierten Fläche die Kathode mit ihrer Emissionsfläche der Anode um den Abstand zwischen der übrigen Kathodenoberfläche und dew Steuergitter genähert ist. Diese Ausführung ist besonders für einen Elektronenstrahlerzeuger " für Dauerstrichbetrieb geeignet. Dabei verhält sich der Elektronenstrahlerzeuger bezüglich zweier möglicher StrahlstrÖa.e sinngeirtäß ebenso wie eine Ausfühi-img mit innerem Teilgitter. Abweichend muß lediglich zur Sperrung des Strahlstromes din Anode auf Kathodenpotential gelegt werden.

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Anhand der in den Firuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen eingehender erläutert v/erden. Einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen

Figur 1 ein im Längsschnitt dargestelltes erstes

Ausführurigsbeispiel eines erfindungsgeinäßen

Llektronenstrahlerzoigers

die Figuren 2 und 3 in der Draufsicht das innere bzw.
äußere Teilgitter des Ausführungsbeispiels der Figur 1

Figur 4 ein im Längsschnitt dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel des erfindungogenäßen Elektronenstrahler zeugers

Figur 5 in der Draufsicht das äußere Teilgitter des Ausführungsbeispiels aus Figur 4

Figur 6 ein im Längsschnitt dargestelltes drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Elektronenstrahlerzeuger

Die Figuren 7,8 und 9 in der Draufsicht des innere bsw. äußere Teilgitter des Steuergitters bzw. das
Schattengitter.

In den Darstellungen sind eriindungsunv/esentliche Teile sowie die Vorrichtungen zum Anlegen der gcv.öinschten Potentiale an die Teilgitter des Steuergitters gegenüber der Kathode weggelassen.

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Das AusführungßbeiGpiel in Fipur 1 ist ein axialsymnietrischer Elektronenstrahlerzeuger einer Laufzeitröhre mit einer Kathode 1, einer Fokussierungselektrode 3 und einem Steuergitter 2, das aus einem inneren Teilgitter 15 und einem äußeren Teilgitter 18 besteht. Steuergitter und Emissionsfläche der Kathode 1 sind konkav gekrümmt und haben einen geraeinsamen Krürmmgsrcittelpunkt. Die mechanische und elektrische Trennung der beiden Teilgitter voneinander und von anderen Potentialträgern ist konstruktiv dadurch erreicht, daß eine Trageplatte 7 für das innere Teilgitter 15 und eine Trageplatte 8 für das äußere Teilgitter mit Aussparungen 27 und 28 für die drei Stützbolzen 23» 2As 25 für die Fokussierungselektrode 3 (Viehneltzylinder) in unterschiedlichen Ebenen zur R.öhrenv/andung 11 führen und daß die Röhronv/andung an den notwendigen Stellen von Isolierzylinder]! 9 aus Kersmik unterbrochen ist. Die Stützbolzen, von denen Stützbolzen 23 und 24 dargestellt sind, ruhen auf einem Unterstützungszylinder 26. Die Kathode selbst ist in bekannter V/eise ausgebildet, mit dem Heizelement und dessen in einer Keramikscheibe 21 eingebetteter Stromzuführung 22, dem auf der Grundplatte 10 ruhenden Haltezylinder 5 und den Strahlungsschutzblenden 6.

Figur 2 zeigt in der Draufsicht das innere Teilgitter 15 samt seiner Halterung. Teilgitter 15 besteht aus einer Anzahl radial angeordneter und über einen Kreisring 12 verbundener Stege 13f von welchen einige zu Stützstreben 14 verlängert sind. Die Stützstreben enden in einer gut v/ärmeleitenden ersten Tragplatte 7« Die Aussparungen 27 sind für eine berührungsfreie Durchführung der Stützbolzen 23» 24, 25 der Fokussierungselektrcde 3 vorgesehen.

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Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das äußere Teilgitter samt dessen Halterung. Teilgitter 18 besteht ebenfalls aus einer Anzahl radial angeordneter Stege 16, deren achsennahe Enden über einen Kreisring 17 verbunden sind und deren achsenferne Enden in einer gut wärmeleitenden zweiten Tragplatte 8 enden. Teilgitter 18 v/eist dabei Aussparungen 32 für die Stüztstreben des inneren Teilgitters auf. Die Aussparungen 28 in der Trageplatte 8 dienen zur berührungsfreien Durchführung der Stützbolzen 23, 24, 25.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 4, ebenfalls einem axialsymmetrischen Elektronenstrahlerzeuger, ist das innere Teilgitter weggelassen. Zur Vermeidung störender elektronenoptischer Effekte ist der vom ringförmigen äußeren Teilgitter nicht überdeckte zentrale Bereich 19 der Emissionsfläche der Kathode dabei der Anode um den Abstand zwischen der übrigen Kathodenoberfläche und dem Steuergitter genähert. In dieser Ausführung ist zwischen dem Steuergitter 2 und der Kathode 1 ein weiteres, vom Unterstützungszylinder 26 der Fokussierungselektrode 3 gehaltertes und im Betrieb des Elektronenstrahlerzeugers auf Kathodenpotential liegendes Gitter 20 angeordnet. Dieses Doppelgitter sowie die Emissionsfläche der Kathode 1 sind gekrümmt und haben den gleichen Krümmungsmittelpunkt. Vom Krümmungsmittelpunkt aus gesehen sind die Gitterelemente vom Steuergitter und Schattengitter in Deckung. Eine elektronenoptisch günstig geformte Anode 30 zieht bei einem gegenüber der Kathode 1 negativen Potential des Steuergitters 2 einen Elektronenstrom I., bei einem positiven Potential den Elektronenstrom I₂ aus der Kathodenoberfläche. Alle übrigen konstruktiven Merkmale entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels. Sine derartige Ausführung eines Elektronenstrahlerzeugers ist dann zu empfehlen, wenn die Laufzeitröhre im Dauerbetrieb arbeitet.

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Die Figur 5 zeigt in der Draufsicht das äußere Teilgitter des Ausführungsbeispiels aus Figur 4. Diesmal bestehen die Gitterelemente nur aus den radial angeordneten Stegen 16, die wie bei der Teilgitterausführung der Figur 3 in der mit den Aussparungen 28 versehenen Tragplatte 8 enden.

Für ein drittes Ausführungsbeispiel ist in Figur 6 schematisch im Längsschnitt der zentrale Teil eines Elektronenstrahlerzeugers dargestellt, der im wesentlichen Kathodenoberflache und Steuergitter umfaßt. Der Elektronenstrahlerzeuger dieser Ausführung ist wiederum axialsymmetrisch mit einem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt für das Doppelgitter (Steuergitter und Schattengitter) und die Kathodenoberfläche. Vom Krümmungsmittelpunkt aus gesehen liegen das Steuergitter und das Schattengitter in Deckung. In dieser schematischen Darstellung sind die Strahlstromberandungen bei den jeweiligen Leistungsstufen der Röhre eingezeichnet. Dabei ist mit a die Berandung für den Teilstrom I., mit b die Berandung für den vollen Strom Ip bezeichnet.

In den Figuren 7, 8 und 9 sind der Reihe nach das äußere Teilgitter 18, das innere Teilgitter 15 und das Schattengitter 20 des Ausführungsbeispiels aus Figur 6 in der Draufsicht gezeichnet. Die beiden Teilgitter des Steuergitters sind hierbei so geformt, daß das Schattengitter unter Wahrung vollständiger Deckungsgleichheit ein mechanisch zusammenhängendes und damit relativ einfach zu fertigendes Gebilde ist. Sämtliche Gitter bestehen vorwiegend aus ringförmigen Elementen mit nur wenigen radialen Streben. Für den Fall, daß sich das Schattengitter auf Kathodenpotential und die beiden Teilgitter auf einem mäßig hohen positiven Potential gegenüber der Kathode (1/10 bis 1/100 der Anodenspannung) befinden, ist die Stromubernahme durch die Teilgitter verschwindend klein. Typische Werte liegen zwischen 0,01 und 0,1% des gesamten Kathodenstromes. Für

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die drei Betriebszustände (I , I. oder Ip) gelten die gleichen weiter oben angeführten Regeln.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs- beispiele beschränkt. So braucht etwa der Elektronenstrahl erzeuger nicht axialsymmetrisch zu sein, sondern kann auch eine zur Erzeugung von Bandstrahlen (Flachstrahlen) geeignete Form besitzen. Darüberhinaus kann die Erfindung sinngemäß übertragen v/erden, wenn die Laufzeitröhren der genannten Art nicht nur in zwei sondern in mehreren Detriebszuständen betrieben v/erden sollen.

6 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für Laufzeitröhren des O-Typs, mit einer Kathode zur Emission eines Elektronenstrahls, einem im Abstand von der Kathode angeordneten Steuergitter und einer darauffolgenden Anode, dadurch gekennzeichnet, daß das .Steuergitter einen ringförmigen Teil (18) enthält, welcher gegenüber einer inneren Fläche, die einen zentralen Bereich der Emissionsfläche der Kathode (i) überdeckt, elektrisch isoliert ist.
2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter aus dem ringförmigen Teil (18) und einem den zentralen Bereich der Emissionsfläche ~der Kathode überdeckenden inneren Teilgitter (15) besteht, das von dem ringförmigen Teil des Steuergitters (äußeres Teilgitter) mechanisch und'elektrisch getrennt ist.
3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2 mit axialsyimnetrischer Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Teilgitter (15) aus einer Anzahl radial angeordneter und über einen Kreisring (12) verbundener Stege (13) besteht, von welchen einige zu Stützstreben (14) verlängert sind, die in einer gut wärmeleitenden ersten Tragplatte (7) für das innere Teilgitter enden, während das äußere ringförmige Teilgitter (18) ebenfalls aus einer Anzahl radial angeordneter Stege (16) besteht, deren achsennahe Enden über einen Kreisring (17) verbunden sind und deren achsenferne Enden in einer gut wärmeleitenden zweiten Tragplatte (8) enden, wobei im äußeren Tejjlgitter Aussparungen (32) für die Stützstreben des inneren Teilgitters vorgesehen und die beiden Tragplatten in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.

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4. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter ausschließlich aus dem ringförmigen Teil (18) besteht und innerhalb der davon elektrisch isolierten Fläche die Kathode mit ihrer Emissionsfläche der Anode um den Abstand zwischen der übrigen Kathodenoberfläche und dem Steuergitter genähert ist.
5. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 - A, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche der Kathode und das Steuergitter jeweils konkav gekrümmt sind und einen gemeinsamen Krümnungsinittelpunkt haben.
6. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuergitter (2) und der Kathode (1) ein weiteres im Betrieb des Elektronenstrahlerzeugers auf Kathodenpotential liegendes Gitter (20) (Schattengitter) angeordnet ist, dessen Gitterelemente von der Kathode bzw. vom gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aus gesehen mit dem Steuergitter in Deckung sind.

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