DE2409869C2

DE2409869C2 - Electron collector for a cathode ray tube

Info

Publication number: DE2409869C2
Application number: DE19742409869
Authority: DE
Inventors: Hinrich Dipl.-Phys. Dr. 8032 Gräfelfing; Meyerer Paul 8012 Ottobrunn; Wolfram Roland Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Heynisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1976-02-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenkollektor für eine Elektronenstrahlröhre, insbesondere Hochlei- «tungs-Laufzeitröhre, mit einem die Strahlelektronen annehmenden Hohlkörper (Auffänger), der von einem metallischen, im Betrieb der Röhre geerdeten Kühlmantel umgeben und von diesem für ein vom Erdpotential abweichendes Betriebspotential elektrisch isoliert ist.The invention relates to an electron collector for a cathode ray tube, in particular Hochlei- «Tion transit time tube, with a hollow body (collector) which accepts the beam electrons and which is held by a metallic cooling jacket, which is earthed when the tube is in operation, and surrounded by this for one of the earth potential different operating potential is electrically isolated.

Bei einem gegenüber Erde vorgespannten Auffänger, beispielsweise einem sogenannten »depressed collector« in Laufzeitröhren, kommt es darauf an, den Auffänger von dem ihn umgebenden Kühlmantel derart elektrisch zu isolieren, daß die damit verbundenen Einbußen in der Wärmeableitung möglichst gering bleiben. In aller Regel werden als wärmeleitende Isolierstrecken keramische Abstandshalter verwendet, beispielsweise eine mit dem Auffänger und dem Kühlmantel verlötete Keramikhülse (US-PS 34 71 739).In the case of a collector that is biased towards earth, for example a so-called "depressed collector" in transit tubes, it is important to remove the catcher from the cooling jacket surrounding it in this way to isolate electrically so that the associated losses in heat dissipation are as small as possible remain. As a rule, ceramic spacers are used as thermally conductive insulating sections, For example, a ceramic sleeve soldered to the collector and the cooling jacket (US Pat. No. 3,471,739).

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Auf Grund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Lötpartner treten allerdings bei Erwärmung der Röhre im Betrieb Hitzeverspannungen auf, die zu Rißbildungen im Lot und sogar bis zum Bruch der Keramik führen können. In der Folge kommt es abgesehen davon, daß Keramik als elektrischer Isolator bereits von vorneherein ein nur mäßiger Wärmeleiter is» - im Laufe der Zeit zu unvorhersehbaren Einbrüchen im Wärmetransportvermögen und zu lokalen, sehr hohen Temperaturgradienten, die die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Röhre empfindlich reduzieren. Um solchen Schwierigkeiten zu begegnen, hat man versucht, als Distanzstück zwischen Auffänger und Mantel Metallrippen und Keramikringe in einem Metall-Keramik-Verbund hintereinander zu stapeln, wobei die Rippen alternierend entweder nur den Mantel oder nur den Auffänger kontaktieren (US-PS 36 62 212). Parallel hierzu ist auch schon der Weg beschritten worden, (kugelförmige) Abstandselemente in von diesen selbst eingedrückten Vertiefungen der Auffänger- sowie MantelwanJung zu lagern (US-PS 36 79 929). Alle diese Vorschläge sind mit erhöhtem Herstellungsaufwand belastet, führen aber noch immer nicht zu einem auch langzeitlich befriedigenden Wärmeabfuhrverhalten.Due to the different coefficients of thermal expansion of the soldering partners, however, they occur when they are heated of the tube during operation, which leads to cracks in the solder and even to breakage of the Ceramics can lead. As a result, it comes apart from the fact that ceramic as an electrical insulator is only a moderate conductor of heat from the start is »- in the course of time to unpredictable drops in the heat transport capacity and to local, very high temperature gradients, which are sensitive to the performance and service life of the tube to reduce. To counter such difficulties, attempts have been made to use as a spacer between Catcher and jacket metal ribs and ceramic rings in a metal-ceramic bond one behind the other stack, with the ribs alternately contacting either only the mantle or only the catcher (U.S. Patent 3,662,212). In parallel to this, the path has already been taken, (spherical) spacer elements to be stored in these self-indented depressions of the catcher and coat wall (US-PS 36 79 929). All these proposals are burdened with increased manufacturing costs, but still lead not to a long-term satisfactory heat dissipation behavior.

Um die geschilderten Mängel abzustellen, insbesondere zur Schaffung eines Kollektors mit zuverlässig sicher isoliertem und vor unzulässigen Überhitzungen geschütztem Auffänger, ist bei einem Elektronenkollektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Auffänger aus einem hochwarmfesten Material mit niedrigem Dampfdruck (Schmelzpunkt mindestens etwa 2000°C) besteht und, abgesehen von einer isolierenden Befestigung im Bereich seiner Elektronenstrahleintrittsöffnung, unter Bildung eines Vakuumraumes völlig freistehend in den Kühlmantel hineinragt und daß der Kühlmantel an seiner dem Auffänger zugewandten Innenfläche geschwärzt und im Betrieb von dem Kühlmittel eines Zwangkühlungssystems durchströmt ist.In order to remedy the deficiencies described, in particular to create a collector with reliable safely insulated and protected against inadmissible overheating, is with an electron collector of the type mentioned according to the invention that the collector consists of a highly heat-resistant Material with low vapor pressure (melting point at least about 2000 ° C) consists and, apart from an insulating attachment in the area of its electron beam entrance opening, with the formation of a Vacuum space protrudes completely free-standing into the cooling jacket and that the cooling jacket at his Catcher-facing inner surface blackened and in operation by the coolant of a forced cooling system is flowed through.

Bei einem erfindungsgemäßen Elektronenkollcktor stellt das den Auffänger umschließende Vakuum einen hochwirksamen Isolator dar, der eine vollkommen ungehinderte Wärmeabstrahlung gestattet. Dabei gibt die geschwärzte Kühlmantel-Innenfläche dem metallischen Mantel ein für alle Frequenzen des Wärmewellenspektrums hohes Absorptionsvermögen. Darüber hinaus sorgt die Zwangskühlung dafür, daß die unmittelbare Umgebung des Auffängers und damit einer zugehörigen Röhre nur mit geringen Wärmemengen belastet wird und daß aber auch umgekehrt verschiedene Umgebungsbedingungen wie Schwankungen der Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, reflektierende Wände nicht unzulässig in den Wärmehaushalt der Röhre eingreifen, beispielsweise die Auffängertemperaturen erhöhen oder anisotrop verteilen können. Schließlich bleibt die Halterung des Auffängers durch die selbsttragende Befestigung am Auffängerhals von den verschiedenen Wärmeausdehnungen der Kollektorteile weitgehend unberührt. Im Ergebnis erhält man durch die vorgeschlagene Maßnahmenkombination einen Kollektor mit gleichbleibend gut isoliertem und gekühltem Auffänger, dessen Temperaturverhältnisse nunmehr genau beherrschbar sind.In the case of an electron collector according to the invention, the vacuum surrounding the collector creates a vacuum highly effective insulator that allows completely unhindered heat radiation. Thereby there the blackened inner surface of the cooling jacket matches the metallic jacket for all frequencies of the heat wave spectrum high absorbency. In addition, the forced cooling ensures that the immediate Surroundings of the collector and thus an associated tube with only small amounts of heat is loaded and that but also vice versa different environmental conditions such as fluctuations in the Outside temperature, solar radiation, reflective walls are not inadmissible in the heat balance of the Intervene in the pipe, for example to increase the collector temperature or to distribute it anisotropically. Finally, the holder of the catcher remains through the self-supporting attachment to the catcher neck of the various thermal expansions of the collector parts largely unaffected. As a result, one obtains by the proposed combination of measures a collector with consistently well insulated and cooled collector, the temperature conditions of which can now be precisely controlled.

Das Prinzip einer reinen Strahlungskühlung ist an sich auf dem Gebiet der Senderöhren — vorwiegend konzentrisch aufgebauten Leistungs-Gitter-Röhren — seit Jahrzehnten wohlbekannt und erprobt. Es sindThe principle of pure radiation cooling is in itself in the field of transmission tubes - predominantly concentrically structured power grid tubes - well known and tried and tested for decades. There are

daneben auch schon vereinzelt Vorschläge bekanntgeworden, diese Wärmeübertragungsmöglichkeit für Linearstrahlröhren bei Satelliten-Einsatz nutzbar zu machen (US-PS 34 48 325 oder DTPS 15 41 967). So ist bei einem Klystron mit einem depressed collector nach US-PS 34 48 325 die Vakuumhülle im Bereich des Auffängers mit einem für Wellenlängen des Wärmespektrums möglichst transparenten Teil versehen (Infrarot-Fenster). Diese Beiträge haben jedorh in acr jüngeren Kollektorbau-Entwicklung, insbesondere für bodenstationäre, dem ganzen Atmosphärendruck ausgesetzte Röhren, keinen Eingang gefunden. Vielmehr konzentrierte sich die Fachwelt hier um die Vervollkommnung des eingangs erwähnten Kollektorkonzepts im Rahmen der Konduktionskühlung (vgl. hierzu die bereits benannten USA.-Patentschriften 36 62 212 oder 36 79 929).In addition, a few proposals have also become known to make this heat transfer option usable for linear beam tubes in satellite applications (US-PS 34 48 325 or DTPS 15 41 967). For example, in the case of a klystron with a depressed collector according to US Pat. No. 3,448,325, the vacuum envelope in the area of the collector is provided with a part that is as transparent as possible for wavelengths of the heat spectrum (infrared window). However, these contributions have not found their way into acr more recent collector construction developments, especially for ground-stationary tubes exposed to the whole of atmospheric pressure. Rather, the experts concentrated here on perfecting the collector concept mentioned at the beginning in the context of conduction cooling (cf. the USA patents 36 62 212 or 36 79 929 already mentioned).

Es ist schließlich aus der DT-OS 15 64 629. bereits bekanntgeworden, einen Kohle-Auflänger mit einer metallischen Umhüllung zu versehen, soweit eine solche z. B. zur magnetischen Abschirmung notwendig ist. Der Kohlekörper ist dabei in die Umhüllung nach Art einer Patrone eingesetzt, deren überwiegender Teil einen geringen Abstand von der Metallhülle hat. Die Wärmeabfuhr erfolgt durch Strahlung mit dem Vorteil, daß der Kohlekörper ausgleichend auf die Wärmeverteilung wirkt und somit örtliche Überhitzungen der Metallwand vermieden sind. Die Anordnung kann auch als depressed collector betrieben werden, ohne daß für diesen Fall nähere Angaben über eine elektrische Isolierung gemacht sind. Die eingangs genannten Probleme einer möglichst gut wärmeleitenden Auffängerisolation sind dort also überhaupt nicht angesprochen. It is finally from DT-OS 15 64 629th already became known, a coal trailer with a to provide metallic casing, as far as such z. B. is necessary for magnetic shielding. the Carbon body is inserted into the envelope in the manner of a cartridge, the predominant part of which is a has a small distance from the metal shell. The heat is dissipated by radiation with the advantage of that the carbon body has a balancing effect on the heat distribution and thus local overheating of the Metal wall are avoided. The arrangement can also be operated as a depressed collector without being used for In this case, more details about electrical insulation are given. The ones mentioned at the beginning Problems of a collector insulation that conducts heat as well as possible are therefore not addressed there at all.

Ein erfindungsgemäßer Elektronenkollektor kann auf Grund seiner stabilen Tempcrauirverhältnisse besonders vorteilhaft mit einem Gasbinder nach Art eines nichtverdampfenden Getters versehen werden. Bekanntlich binden Absorptionsgetter nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche, beispielsweise Zirkongetter zwischen 800 und 1600⁰C, Tantalgetter zwischen 700 und 1200⁰C; speziell das Zirkon hat dabei noch die Eigenschaft, nicht alle störenden Gase in gleichen Temperaturbereichen zu absorbieren. Werden diese lonenpumpen zu stark erhitzt, so wird ihre Getterfähigkeit irreversibel beeinträchtigt (ein mit Molybdän versetztes Zirkongetter legiert ab 1500⁰C, ein Zirkon-Kohle-Getter bildet ab 1300⁰C Karbide). Wegen der hohen Arbeitstemperaturen wäre es an sich wünschenswert, das Getter direkt auf die im Betrieb heißen Flächen des Auffängers aufzubringen; bislang war man jedoch wegen der langzeitlich nicht kontrollierbaren Temperaturverhältnisse am Kollektor dazu gezwungen, zusätzlich Elektroden in die Röhre einzubringen, die auf den verschiedenen Arbeitstemperaturen gehalten werden konnten (DT-OS 15 39 156).Due to its stable temperature conditions, an electron collector according to the invention can particularly advantageously be provided with a gas binder in the manner of a non-evaporating getter. Known to bind Absorptionsgetter only within certain temperature ranges, for example Zirkongetter between 800 and 1600 ⁰ C, Tantalgetter 700-1200 ⁰ C; zirconia in particular still has the property of not absorbing all the interfering gases in the same temperature ranges. If these ion pumps overheated, its gettering is irreversibly affected (an offset with molybdenum alloyed Zirkongetter from 1500 ⁰ C, a zirconium-carbon getter forms from 1300 ⁰ C carbides). Because of the high working temperatures, it would be desirable to apply the getter directly to the hot surfaces of the collector during operation; So far, however, because of the long-term uncontrollable temperature conditions at the collector, one was forced to insert additional electrodes into the tube, which could be kept at the different working temperatures (DT-OS 15 39 156).

An Hand eines in der Figur der Zeichnung nur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenkollektors sei die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert.On the basis of an exemplary embodiment of a shown only schematically in the figure of the drawing Electron collector according to the invention is the invention explained in more detail below with further features and details.

Die Figur zeigt in einem Seitenschniti von einer Wanderfeldröhre das kollektorseilige Ende. Der Elcktronenkollektor besteht dabei im einzelnen aus einem Auffänger I mit einer Elektronenslrahleintrittsöffnung 2 sowie einem den Auffänger 1 berührungslos umgebenden zylindrischen Kühlmantel 3. Von der Röhrenhülsc ist nur der dem Auffänger 1 vorangehende Teil eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Röhrenteil 4, Kühlmantel 3 und Auffänger 1 sind über ein ringförmiges Isolierstück 6 miteinander verlötet, derart, daß der Auffänger selbsttragend gehaltert ist und keiner weiteren Stützmittel bedarf.The figure shows the collector cable end of a traveling wave tube in a side section. The electron collector consists in detail of a collector I with an electron beam inlet opening 2 and a cylindrical cooling jacket 3 surrounding the collector 1 without contact only the part preceding the catcher 1 is drawn in and given the reference numeral 4. Tube part 4, cooling jacket 3 and collector 1 are soldered to one another via an annular insulating piece 6, in such a way that the catcher is held in a self-supporting manner and does not require any further support means.

Die — nicht dargestellte — Verzögerungsstruktur der Wanderfeldröhre liegt wie auch der Kühlmantel 3 auf Erdpotential, das Potential des Auffängers 1 ist dagegen abgesenkt. Ein solcher depressed collector verbessertThe - not shown - delay structure of the traveling wave tube rests like the cooling jacket 3 Ground potential, but the potential of the collector 1 is lowered. Such a depressed collector improved

ίο bekanntlich durch verminderte Eigenerhitzung den Gesamtwirkungsgrad der Röhre. Er erhält im Betrieb seine Vorspannung über eine Zuleitung 7, die durch die mit 8 bezeichnete Stirnwand des Kühlmantels 1 hindurchgeführt ist (Durchführung 9).ίο is known to be due to reduced self-heating Overall efficiency of the tube. It receives its bias during operation via a feed line 7 through the with 8 designated end wall of the cooling jacket 1 is passed (passage 9).

In der dargestellten Ausführung besteht der Auffänger 1 aus Kohle. Die Kohle ist dabei pyrolitisch gewonnen, um ihr eine Vorzugsrichtung der Wärmeleitung zu geben. Diese Vorzugsrichtung verläuft in der Seitenwandung des Auffängers 1 radial zur Auffängerlängsachse, so daß die Lötstellen am Isolierstück 4 und die übrige Röhre relativ kühl gehalten werden können. Zur weiteren Abschirmung der genannten Lötstellen vor der hauptsächlich am Auffängerboden entstehenden Verltstwärme verjüngt sich die Wandstärke des Auffangers zur Elektronenstrahleintritlsöffnung 2 hin.In the embodiment shown, there is a catcher 1 from coal. The coal is obtained pyrolytically in order to give it a preferential direction of heat conduction admit. This preferred direction runs in the side wall of the collector 1 radially to the longitudinal axis of the collector, so that the soldering points on the insulating piece 4 and the rest of the tube can be kept relatively cool. For further shielding of the mentioned soldering points from those mainly arising on the collector base Lost heat tapers the wall thickness of the collector towards the electron beam inlet opening 2.

Der Kühlmantel 3 ist auf seiner Innenseite geschwärzt, beispielsweise mit einer Graphitsuspension bestrichen oder auch mit Kohle beschichtet. Seine Seitenwand ist mit Längskanälen ll.Strömungslenkblechen 16 sowie Blechstützen 17 versehen und ebenso wie die Rückwand mit einer Deckplatte 12 umgeben. Ein Einlaßstutzen 13 sowie ein Auslaßstutzen 14 in der Deckplatte 12 sorgen dafür, daß der Kühlmantel 1 an eine Umwälzpumpe angeschlossen werden und so als Teil eines Zwangkühlungssystems von Kühlflüssigkeit durchsetzt werden kann. Derartige Wärmetauscher mit Gegenstromprinzip sind an sich bekannt, für diesbezügliche Einzelheiten sei auf die Fachliteratur, beispielsweise die USA.-Patentschrift 31 04 338, verwiesen.The cooling jacket 3 is blackened on its inside, for example with a graphite suspension brushed or coated with carbon. Its side wall is provided with longitudinal ducts 11. Flow baffles 16 and sheet metal supports 17 are provided and, like the rear wall, are surrounded by a cover plate 12. A Inlet port 13 and an outlet port 14 in the cover plate 12 ensure that the cooling jacket 1 on a circulation pump can be connected and so as part of a forced cooling system of cooling liquid can be enforced. Such heat exchangers with the countercurrent principle are known per se, for this purpose For details, reference is made to the specialist literature, for example US Pat. No. 31 04 338.

Die Innenwandung des Auffängers 1 ist bereichsweise mit einer getterfähigen, nichtverdampfenden Schicht einer Zirkon-Kohle-Mischung ausgekleidet.The inner wall of the collector 1 is partially covered with a getterable, non-evaporating layer lined with a zirconium-carbon mixture.

Abweichend vom geschilderten Ausführungsbeispiel könnte der Auffänger auch aus einem hochschmelzenden Metall, wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram, bestehen. Auch sind noch zusätzliche Wärmebremsen vor dem Isolationsstück 2 möglich, beispielsweise Vaconringe im Auffängerkörper oder reflektierende Schirme aus Tantal usw. Besonders kühl kann der Auffängerbereich um die Elektronenstrahleintritisöffnung gehalten werden, wenn der Auffänger aus mehreren in Elektronenstrahlrichtung hintereinanderiiegenden, unterschiedlich vorgespannten und über Isolatorringe miteinander verfestigten Elektroden besteht I Mehrstufenkollektor), da hier bereits die clektrodentrennenden Isolatorringe als Engpässe für den axialen Wärmefluß auf den Auffänger wirken. Statt einer Getterschicht kann der lonenfänger auch in Form eines vom Auffängerboden in den Hohlraum hineinragenden, auf kathodenähnlichem Potential befindlichen Doms aus beispielsweise Molybdän gestaltet sein. Schließlich ist es auch denkbar, das Vakuum zwischen Auffänger und Mantel mit einem inerten Gas zu füllen. In diesem Falle müßte allerdings der Zwischenraum vom Eniladiingsraum der Röhre vakuumdicht getrennt sein und im Falle eines Kohle-Auffängers die Auffängerwandung mit einer Metallschicht oder auch Metallzwischenschicht versehen werden.Notwithstanding the illustrated embodiment, the catcher could also consist of a high-melting point Metal, such as molybdenum or tungsten, exist. There are also additional thermal brakes Possible in front of the insulation piece 2, for example Vacon rings in the collector body or reflective Shields made of tantalum etc. The catcher area around the electron beam entrance opening can be particularly cool be held if the collector consists of several, one behind the other in the electron beam direction, differently biased electrodes that are solidified with one another by means of insulator rings I multi-stage collector), as the clektrode separating Isolator rings act as bottlenecks for the axial flow of heat on the collector. Instead of a getter layer, the ion catcher can also be in the form of a Dome located at a cathode-like potential can be made of, for example, molybdenum. Finally, it is also conceivable to fill the vacuum between the collector and the jacket with an inert gas. In this case, however, the intermediate space would have to be separated from the inlet space of the tube in a vacuum-tight manner be and in the case of a coal collector the collector wall with a metal layer or metal intermediate layer be provided.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

2424

l. Elcktror.cnkoüektor for a cathode ray tube, in particular high-performance time-of-flight tube, • lit a hollow body (collector) which absorbs the beam electrons and is surrounded by a metallic cooling jacket that is earthed during operation of the tube and is electrically insulated from this for an operating potential deviating from the earth potential, characterized that the collector (1) consists of a highly heat-resistant material with a low vapor pressure (melting point at least about 2000 ⁰ C) and, apart from an insulating attachment in the area of its electric beam inlet opening (2; completely free-standing in the cooling jacket, forming a vacuum space (3) protrudes and that the cooling jacket (3) is blackened on its inner surface facing the collector (1) and the coolant of a forced cooling system flows through it during operation.

2. Electron collector according to claim 1, characterized in that the collector (1) has a Carries gas binder in the manner of a non-evaporating getter.

3. Electron collector according to claim 1 or 2, characterized in that the collector (1) consists of Coal is made.

4. Electron collector according to claim 3, characterized in that in a collector (1) from Coal with a preferred direction of thermal conductivity at least in the side wall of the The direction of good heat conduction is radial.

5. Electron collector according to claim 3 or 4, characterized in that the collector wall contains a metallic intermediate or outer layer.

6. Electron collector according to one of the claims

1 to 5, characterized in that the wall thickness of the collector (1) is in the area of its electron beam entrance opening (2) is tapered.

7. Electron collector according to one of claims 1 to 6, characterized in that the collector (1) contains several electrodes lying one behind the other in the electron beam direction, which during operation of the The tubes are at different potentials (multi-stage collector).