DE2341503A1

DE2341503A1 - Elektronenstrahlroehre

Info

Publication number: DE2341503A1
Application number: DE19732341503
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Giebeler
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1972-08-24
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2197228B1; FR2197228A1; CA999332A; US3780336A; IL42924A0; GB1389985A; IL42924A; JPS49134264A; JPS5720656B2

Description

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Beschreibung des Standes der Technik . 2341503

Bislang sind Hochleistungsstrahlröhren, bei welchen ein potentialmäßig absenkbarer Kollektor mit verengtem Strahleingang Anwendung findet, verwendet worden, .um einen höheren Schaltröhrenwirkungsgrad zu erzielan. Eine solche bekannte Röhre ist in der US-PS 3,453.482 beschrieben.

Eines der Probleme, die bei Schaltröhren mit einem potentialmäßSg absenkbaren Kollektor auftreten, besteht darin, daß bei hoher Strehlleistung eine beträchtliche Raumladungsbeschwerung innerhalb des Kollektors mit verengtem Eingang auftritt. Diese Raumladungsbeschwerung innerhalb des Kollektors ändert die Äquipotentiallinien innerhalb und an dem Strahleingang des Kollektors und führt zur Reflexion . von Strahlelektronen zurück auf die Beschleunigungsanode, welche auf vollem Anodenpotential arbeitet. Das Einfangen dieser Elektronen bei vollem Anodenpotential führt zu einer beträchtlichen Verringerung des Wirkungsgrades der Röhre.

Es ist demgemäß erwünscht, eine verbesserte Konfiguration eines potentialmäßig absenkbaren Kollektors mit verengtem Eingang zu schaffen, welche auf eine geringere Reflexion an Primär elektronen führt, wenn der Kollektor nahe 100 % Kollektorpotentialabsenkung betrieben wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Hochleistungsstrahlröhre mit einem potentialmäßig absenkbaren Kollektor.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der potentialmäßig absenkbare Kollektor mit verengtem Eingang mit einer zentral angeordneten, kegeligen, elektrisch leitenden Sonde

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versehen, die mit der Strahfokussierstruktur an dem Strahleingang des Kollektors zusammenwirkt, um die Äquipotentiallinien an dem verengten Strahleingang des Kollektors in Gegenwart einer beträchtlichen Raumladungsbeschwerung innerhalb des Kollektors zu formen, so daß an dem Strahleingang des Kollektors der verzögerte Strahl einen laminaren Elektronenfluß mit etwa gleichmäßiger Querstromdichte aufrechterhält, wodurch der Wirkungsgrad der Rohre wesentlich vergrößert wird.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung weist die kegelige Kollektorsonde an ihrem freien Ende eine Sondenspitze auf,

die im wesentlichen an dem verengten Strahleingang des Kollektors angeordnet ist. Die Sondenspitze hat eine Querschnittsfläche von weniger als 1 % der Querschnittsfläche des Strahleingangs des Kollektors, so daß weniger als 1 % des Strahls von der Spitze der Kollektorsonde aufgefangen wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Kollektorsonde einen Kegelschnitt mit einem Halbkegelwinkel von weniger als 20 ° auf,, wodurch aus der Sonde austretende Sekundärelektronen Trajektorien haben, die das Einfangen der Sekundärelektronen innerhalb des Hohlraums des Kollektors begünstigen*

Gemäß noch einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Kollektorsondenstruktur hohl, um ein hindurchströmendes Fluid-Kühlmittel zur Erleichterung der Kühlung der Sonde im Gebrauch aufzunehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Längsschnittansicht, teilweise im Aufriß, einer Elektronenstrahlröhre, bei welcher Merkmale der Erfindung verwirklicht sind, und

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Figur 2 ein vergrößertes Diagramm von Äquipotentiallinien für denjenigen Teil der Struktur von Figur 1,

der durch eine Linie 2-2 festgelegt ist, und die Elektronentra^ektorien für einen verlangsamenden Strahl von 105 A bei 95 % Kollektorpotentialabsenkung für einen Strahl mit einer Strahlspannung von 155 kV.

In Figur 1 ist die Strahlröhre 1 nach der Erfindung dargestellt. Die Röhre weist eine Kanonenanordnung 2 nach Pierce an einem Ende der Röhre zum Projizieren eines Elektronenstrahls durch eine Beschleunigunsanode 4 hindurch zu einem Kollektor 5 mit verengtem Eingang an dem Ende des Strahlenganges hin auf.

Die Elektronenkanone 2 enthält einen Kathodenemitter 6 mit einer nach innen gewölbten Emissionsfläche 7» die der Beschleunigungselektrode 4 zugekehrt ist. Die Emitterfläche 7 ist vorzugsweise sphärisch geformt und bildet eine Kalotte einer Kugel mit relativ großem Radius. Die emittierende Fläche 7 ist vorzugsweise mit Vertiefungen

versehen·, um eine Vielzahl von einzelnen, konkaven, kleineren Kathodenemittern in der aus der US-PS 3558.967 bekannten Weise zu bilden. Eine zylindrische Strahlfokussierelektrode umschließt den äußeren Umfang des Kathodenemitters 6 koaxial und steht zu der Beschleunigungselektrode 4 hin vor, um den Strahl durch die Beschieunigungselektrode 4 hindurch zu fokussieren.

Ein Schattengitter 9 ist so angeordnet, daß es die emittierende Fläche 7 des thermionischen Kathodenemitters 6 überlagert. Die Mittelpunkte der öffnungen in dem Schattengitter 9 sind mit den Mittelpunkten der sphärisch-konkaven kleineren Kathodenemitterflachen (Vertiefungen) ausgefluchtet. Das S_chattengitter 9 wird im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie der thermionische Kathodenemitter 6 betrieben, um eine Emission der Kathode in dem nichtvertieften Kathodenbereich zu unterdrücken, der durch den Steg des Gitters 9 abgeschirmt ist.

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Ein sphärisch-konkaves Steuergitter 11 ist das Schattengitter überlagernd angeordnet, wobei die Öffnungen des Steuergitters derart mit den Öffnungen in dem Schattengitter 9 ausgefluchtet sind, daß sie einander durchdecken. Das Steuergitter 11 ist in einer verhältnismäßig kurzen Entfernung, wie etwa 0,99 mm (0,039 ")» von der Kathodenemitterflache 7 angeordnet, um eine Vielzahl von Kanonen nach Pierce zu bilden, wenn an das Steuergitter 11 ein positives Potential . in bezug auf die Kathode angelegt wird. Das Steuergitter ist mit Bezug auf die thermionische Kathode 6 elektrisch isoliert gehaltert, beispielsweise durch einen Isolator, der an der umgebenden Folussierelektrode 8 befestigt ist. Die Fokussierelektrode 8 wird vorzugsweise auf Kathodenpotential betrieben.

Das Steuergitter 11, welches der Beschleunigungselektrode zugekehrt ist, wird mit einem Potential gepulst, welches ein kleiner Bruchteil, wie etwa 1/30 bis 1/50, des

Beschleunigunspotentials ist, um den Elektronenfluß von dem Emitter 6 durch die Beschleunigungselektrode 4 zu steuern.

Die Beschleunigungselektrode, welche beispielsweise aus Kupfer besteht, enthält einen zentralen Strahldurchlaß mit kreisförmigem Querschnitt und mit kleinerem Durchmesser als die Kathode. Der Strahldurchlaß 14 ist vorzugsweise langer als sein. Durchmesser, um eine wirksame elektrische Abschirmung zwischen dem Steuergitter 11 und der Kollektorelektrode 5 zu schaffen. Diese Abschirmung ist vorteilhaft, da sie verhindert, daß während iiknsienter Schaltperioden der Röhre,wenn"- diese als'eine Schaltröhre betrieben wird, Ausgleichs- oder Stoßspannungen von der Kollekorelektrode zu dem Steuergitter 11 gekoppelt werden. Wenn die Röhre als ein HF-Verstärker betrieben wird, verhindert sie, daß HF-Spannungen von dem Ausgangskreis zu dem Steuergitterkreis gekoppelt werden, was sonst zu Instabilitäten und zum Schwingen der Röhre führen würde.

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Eine zylindrische Eochspannungsisolatoranordnung 15 hält die zwischen die Kathode 6 und die Beschleunigungselektrode k angelegte Hochspannung ab und gestattet darüber hinaus, daß bestimmte der verschiedenen unabhängigen Elektronenkanonenpotentiale an verschiedene Elektroden derselben angelegt werden können. Ein gleicher zylindrischer Hochspannungsisolator 16 ist zwischen die Beschleunigungselektrode 4 und die potentialmäßig absenkbare Kollektorstruktur dicht eingefügt, um einen Teil des Vakuumgefäßes der Röhre zu bilden und um zu gestatten, daß der Kollektor 5 auf einem abgesenkten Potential betrieben werden kann, welches beinahe gleich dem Kathodenemitterpotential ist, wodurch der Spannungsabfall der Röhre 1 bei Vorwärtsleitung nur ein geringer Prozentsatz, etwa von 1 % - 20 %, des Beschleunigungselektrodenpotentials ist. Der Kollektor 5 enthält einen Hohlraum 17 zum Auffangen des Strahls auf den Innenflächen desselben und eine mit einer zentralen Öffnung versehene Endwand 18, welche einen Strahleingang bzw. Strahldurchlaß 19 begrenzt, der im Vergleich zu dem Kollektorteil 17 eine verringerte Querschnittsfläche hat, um das Entweichen von Sekundärelektronen aus dem Kollektor zurück zu der Beschleunigungselektrode 4 hin zu verhindern. Ein ringförmiger leitender Strahlfokussieransatz 21 steht von der Kollektorwand 18 zu der Beschleunigungselektrode 4 hin vor, um an dem Strahleingang 19 die Äquipotentialflächen des den Strahl bremsenden elektrischen Feldes richtig zu formen.

Eine kegelig geformte elektrisch leitende Kollektörsonde 20 ist auf der Achse des Kollektorhohlraums 17 angeordnet. Die Kollektorsonde ist vorzugsweise kegelig und steht von der entfernten Endwand des Kollektors 5 zu dem Strahleingang 19 des "Fly-Trap"-Kollektors hin vor. Das freie Ende bzw. die Spitze der leitenden Sonde 20 hat vorzugsweise eine Querschnittsfläche, welche entsprechend der Spannung, die zwischen der Anode 4 und dem Kollektor 5 und dem Leistungspegel abgehalten werden muß, so klein wie möglich ist.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der Spitze der Sonde 20 vorzugsweise kleiner als 1 % der Querschnittsfläche des Strahleingangs 19 des Kollektors und, bei einem typischen Ausführungsbeispiel, ist die Querschnittsfläche der Sondenspitze gleich 0,25 % der Querschnittsfläche des Strahleingangs 19» wenn die Maximalspannung zwischen der Beschleunigungsanode 4 und dem Kollektor 155 kV beträgt. Die Kollektorsonde 20 hat einen Halbkegelwinkel von weniger als 20° und bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Halbkegelwinkel 9°.

Der Kegel 20 ist mit der Verschlußendwand des Kollektors dicht verbunden, beispielsweise, dncnh eine zwischen diesen angebrachte Lotverbindung, um eine gasdichte Abdichtung zu bilden. Der Kegel 20 ist vorzugsweise hohl und enthält ein inneres kegeliges Leitblech 22, welches mit Abstand von der innenwand des Kegels 20 angeordnet ist, um einen Fluid-Kühlmittel-Einlaß in den Kegel hinein durch das Zentrum des kegeligen Leitbleches 22 hindurch und über den ringförmigen Zwischenraum zwischen der Außenseite des Leitbleches 22 und der Innenwand der kegeligen Sonde 20 zurück aus der Sonde 20 hirais zu bilden. An dem Fußteil der Sonde 20 ist eine Vielzahl von Öffnungen: in der Sonde gebildet, damit das Fluid-Kühlmittel in einen Bereich zwischen einem äußeren kegeligen Leitblech 23 und der Außenwand des Kollektors 5 gelangen kann, so daß die Sonde mit dem Kühlmittelstrom durch den Kollektor hindurch in Reihe geschaltet ist. Kühlmittel strömt zwischen der Endwand des Kollektors 5 und dem Leitblech in einen Speicherraum 24 und tritt aus diesem durch einen Auslaßkanal 25 hindurch aus. Der Sonde 20 und dem

Kollektor 5 zugeführtes Kühlmittel wird über eine Fluid-Kühlmittel-Einlaßrohrleitung 26 der Innenseite des kegeligen Leitbleches 22 zugeleitet.Das Fluid-Kühlmittel kann Gas oder eine Flüssigkeit sein, einschließlich Öl, Luft oder Wasser. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel eines potentaliaäßig absenkbaren Kollektors zum Schalten von 14 MW jjSpitzenleistung und 70 kW mittlere Leistung war

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das Kollektor-Kühlmittel-Fluid Öl, welches mit einer Durchflußleistung von 11,4 Liter/min. (3 gali/min) zugeführt wurde.

Obwohl die Kollektorsonde 20 bei der bevorzugten Ausführungsform für einen Setrieb auf dem selben Potential mit dem Kollektor 5 leitend verbunden dargestellt ist, ist die Kollektorsonde 20 bei einer anderen Ausführungsform mit dem Kollektorhohlraum 5 über einen zwischengeschalteten elektrischen Isolator, wie etwa Tonerdekeramik ( nicht dargestellt), verbunden, um ein zwischen die Kollektorsonde 20 und den Kollektor 5 angelegtes Potential abzuhalten. Ein an die Sonde 20 angelegtes Potential von wenigen kV in bezug auf das Potential des Kollektors 5 kann verwendet werden, um die Äquipotentiallinien innerhalb des Kollektors 5 und an dem Strahleingang 19 des Kollektors 5 einzustellen, um das Erreichen einer gleichmäßigen Verteilung des Elektronenstrahls in dem Kollektor zu unterstützen und um die Kontrolle des Weges der Sekundärelektronen zu unterstützen, um sie innerhalb des Kollektors mit verengtem Eingang einzufangen.

Der Strahlfokussierelektrodenansatz 21 und die mit diesem zusammenwirkende Sonde 20 sind so geformt und an dem Strahleingang des Kollektors angeordnet, daß eine Serie von Äquipotentialflächen über den Strahlengang erzeugt wird, wie in dem Potentialdiagramm von Figur 2 gezeigt, die vorzugsweise Spiegelbilder der Äquipotentialflächen in dem Strahlengang auf der Strahlbeschleunigungsseite der Beschleunigungselektrode 4 sind. Auf diese Weise erfahren die Elektronen des Strahls an dem Strahlrand in dem bremsenden Bereich eine nach innen gerichtete Kraft entgegengesetzt zu der auswärts gerichteten Kraft auf derartigen Elektronen, die durch Raumladung innerhalb des Strahls erzeugt wird. Das Verhältnis dieser Kräfte ist so gewählt, daß ein Strahl geschaffen wird,

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welcher sich als eine gewünschte Funktion der axialen Entfernung erweitert, während die Laminarität des Elektronenflußes so weit wie möglich beibehalten wird.

Die Iquipotentialflachen und die. Elektroneutralektorien für den Kollektor 5 von Figur 1 sind in dem Diagramm von Figur 2 für einen Strahl von 105 A:,bei einer Strahlspannung von 155 kV dargestellt, wobei der Kollektor 5 um 95 % der Strahlspannung abgesenkt ist, nämlich auf 7,75 kV. Aus dem Diagramm geht hervor, daß innerhalb des Kollektors eine Raumladungsbeschwerung mit einem maximalen Beschwerungsbereich in der Nähe des Strahleingangs des Kollektors vorhanden ist. Die Sonde 20 und der Kollektoransatz21 sind so geformt und angeordnet, daß die Äquipotentialfläche, welche dem Potential des Kollektors entspricht, nämlich 7,75 kV, sich über den Strahleingang 19 des Kollektors in einer sphärisch-konkaven Form biegt und etwa die Form eines Spiegelbildes der konkaven Form einer gleichen Iquipotentiallinie annimmt, die sich auf der entgegengesetzten Seite der Beschleunigungsanode befindet und unmittelbar die Kathodenemitterflache 7 überlagert.

Die Sonde 20 und der Kollektorfokussieransatz 21 sind äo bemessen und angeordnet, daß in dem bremsenden Bereich des Elektronenstrahls ein laminarer Elektronenfluß aufrechterhalten wird, wenn sich der Strahl in äen Strahlengang des Kollektors 19 hinein ausdehnt. Darüber hinaus sind die Elektroden 21 und 20 so angeordnet, daß der sich erweiternde Elektronenstrahl an dem Strahleingang 19 des Kollektors 5 eine etwa gleichmäßige Stromdichte quer über den Strahl beibehält. Die Gleichmäßigkeit des Abstandes der einzelnen Elektronentrajekt or i en in dem Diagramm von Figur 2 zeigt, daß in dem Strahl ein laminarer Fluß und eine gleichmäßige Stromdichte beibehalten werden, wenn sich der Strahl in den Kollektor hinein ausdehnt.

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Der Kegelwinkel der Kollektorsonde 20 ist so gewählt, daß auf der Sonde eine minimale Anzahl von Elektronen eingefangen wird und daß der raumladungsbeschwerte Bereich so geformt ist, daß die gewünschten Äquipotentialflächen an dem Kollektorstrahleingang 19 aufrechterhalten werden. Der flache Einfallswinkel von auf der Sonde eingefangenen Primärelektronen und ihre Einfangstellen,

die deutlich innerhalb des Kollektors mit verengtem Eingang liegen, stellt weiterhin sicher, daß Sekundär elektronen, die durch Kollision von einfallenden Primärelektronen von der Sonde 20 mit Trajektorien ausgesprüht werden, welche die Sekundärelektronen zurück in den Kollektorhohlraum hinein führen, statt daß sie längs des Strahlenganges zu der Anode 4 zurückströmen, wo sie bei relativ hohem Anodenpotential eingefangen werden und dadurch den Wirkungsgrad der Röhre drastisch senken wurden.

Bei einer anderen Ausführungsform, welche nicht dargestellt ist, ist die Sonde 20 mit einem Material beschichtet, welches eine Sekundärelektronenemission blockiert, oder die Oberfläche der Sonde ist derart genutet, daß die innerhalb einer Nut freigesetzten Sekundärelektronen auf einem benachbarten Teil der Oberfläche, welcher zwischen zwei Nuten hervorsteht, eingefangen werden, statt daß sie in den Kollektor hinein freigesetzt werden.

Die in Figur 1 dargestellte Tetrodenschaltröhre 1 mit linearem Strahl, deren Elektroden in der oben beschriebenen Weise geformt sind, hat einen Wirkungsgrad von 95 %

erbracht, wenn sie als eine Schaltröhre mit einem monoenergetischen Strahl 3 unter Bedingungen von 98 % Sammlung des Strahlstroms bei 97 % Kollektorabsenkung und mit Scheitelstrompegeln bis zu 100 A bei Absenkunsspannungen bis zu 140 kV betrieben wurde. Die Schaltröhre von Figur 1 ist insbesondere als eine Modulatorröhre zum modulieren des der thermionischen Diodenbelastung zugeführten

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Stromes geeignet, wie beispielsweise der Kanone eines Klystrons, einer Wanderfeld-Röhre oder einer anderen linearen Strahlröhre, die durch die Diode 28 von Figur schematisch dargestellt ist, welche dabei zwischen den Kollektor 5 und die Beschleunigungsanode 4 geschaltet ist. Die Beschleunigungsanode 4 wird auf Erdpotential betrieben, welches auch das positive Potential einer Strahlstromquelle

Der im Rahmen der Beschreibung verwendete Ausdruck "Hochleistung" bedeutet eine Leistung von mehr als 100 kV- Scheitelwert oder 100 W-Mittelwert.

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Claims

PATENTANS P R Ü C H E

Elektronenstrahlröhre, bestehend aus einer Kathode mit einer konkaven emittierenden Fläche, einer Beschleunigungselektrode im Abstand von der Kathode, einem potentialmäßig abgesenkten Kollektor im Abstand von der Beschleunigungselektrode, und einer elektrischen Strahlfokussierstruktur in Form ^: einer den Elektronenstrahl umgebenden Hilfselektrode, die vor dem Strahleingang des Kollektors, der einen Hohlraum ■.. mit einem verengten Strahleingang aufweist, angeordnet ist und die auf Kollektorpotential liegt und deren lichte Weite quer zum Elektronenstrahl größer ist als die lichte Weite des Strahleingangs, nach Patent 1,616.104, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum des Kollektors eine kegelige leitende Sonde axial angeordnet ist und daß die Strahlfokussierstruktur und die Sonde so geformt und angeordnet sind, daß sie die Äquipotentiallinien des elektronenbremsenden elektrischen Feldes an dem Eingang des Kollektors formen, um einen etwa laminaren Elektronenfluß mit gleichmäßiger Stromdichte quer über den gebremsten Strahl an dem Eingang des Hohlraums in Gegenwart von mit Raumladung beschwerten Bereichen innerhalb des Hohlraums aufrechtzuerhalten.
2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die . Sonde innerhalb des Kollektors bis zu ihrem freien Endteil axial ist, der etwa an dem Strahleingang des Hohlraums angeordnet ist.
3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß der Kathodenemitter eine etwa sr»härisch-konkave Emissionsfläche hat und daß die Äqu^otantiallinie des bremsenden elektrischen Feldes im wesentlichen an dem Strahleingang des Kollektors durch die Strahlfokussierstruktur und die Sonde in Gegenwart von Raumladung innerhalb des Kollektorhohlraums so geformt ist, daß sie angenähert ein Spiegelbild

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der entsprechenden Äquipotentiallinie ist, die'über der Emissionsfläche des Kathodenemitters liegt.
4. Röhre nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde einen im wesentlichen kegeligen freien Errceil mit einem Halbkegelwinkel von weniger
als 20° aufweist.
5. Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbkegelwinkel angenähert 9° beträgt.
•6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelige Sonde zur Aufnahme eines
hindurchströmenden Fluid-Kühlmittels hohl ist.
7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Endteil der Sonde eine Querschnittsfläche zum Einfangen des Strahlstroms hat, welche

kleiner ist als 1 % der Querschnittsfläche des verengten Strahleingangs des Kollektorhohlraums.
8. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch.-.gekennzeichnet, daß der freie Endteil der Sonde an dem
Strahleingang des Kollektors unmittelbar innerhalb des_o, Kollekt^orhohlraums an der Querebene des Strahleingazftf endigt und daß Einrichtungen zum Betreiben der Sonde -

auf dem selben abgesenkten Potential wie der Strahlkollektorhohlraum "5 vorgesehen sind.

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