DE2528562A1 - Elektronenroehre - Google Patents

Description

Reihe von feinen Drähten in engen Abständen befestigt, die das elektrische Feld durch das Gitter an der Emissionsfläche erhöhen und die Durchdringung des Feldes durch die Anode herabsetzen, so daß der Gegenwirkleitwert und der Verstärkungsfaktor erhöht werden, die Laufzeit der Elektronen verringert wird und die Gleichförmigkeit der Emissionsstromdichte verbessert wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Gitter-Elektronenröhren, wie sie in weitem Umfang zum Erzeugen von Hochfrequenzleistung benutzt werden. Bei Hochleistungs-Hochfrequenz-Röhren wird das nahe an der Kathode befindliche Steuergitter für wenigstens einen Teil des Hochfrequenzzyklus auf eine Spannung getrieben, die positiv gegen Kathode ist. Das Gitter kann dann Elektronen auffangen und durch deren Bombardierungsenergie aufgeheizt werden, so daß ein verschlechtertes Betriebsverhalten oder möglicher Ausfall durch Schmelzen hervorgerufen werden. Verschiedene Röhrencharakteristiken hängen von der Gitterstruktur ab. Der Verstärkungsfaktor steigt mit der Größe der Gitterdrähte, und dem Verhältnis ihres Abstandes von der Kathode zu ihrem gegenseitigen Abstand. Der Gegenwirkleitwert steigt und die Elektronen-Laufzeit fällt mit Verringerung des Abstandes Kathode-Gitter. In einer Röhrenkonstruktion muß ein Kompromiss dieser Charakteristiken mit den mechanischen und thermischen Grenzen der Gitterstruktur eingegangen werden.

Es sind verschiedene Techniken dazu verwendet worden, die ungünstigen Effekte des Abfangens des Gitterstroms herabzusetzen, während andere erwünschte Charakteristiken einer Gitter-Röhre beibehalten werden. Eine in weitem Umfang verwendete Technik besteht darin, die Emission in den Bereichen der Kathode, die unmittelbar unterhalb der Gitterdrähte liegen, zu verhindern, da von diesen Bereichen normalerweise die meisten der vom Gitter abgefangenen Elektronen ausgehen. In

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der US-Patentschrift 3 814 972 ist eine Struktur beschrieben, bei der die nicht-emittierenden Bereiche einfach nicht mit dem aktiven Material beschichtet sind, das für die emittierenden Bereiche verwendet wird. In der US-Patentschrift 2 544 664 ist eine Struktur beschrieben, bei der die Teile der Kathodenelektrode unterhalb der Gitterdrähte gekühlt werden, während die emittierenden Teile geheizt werden.

Bei diesen bekannten Strukturen sind die Gitterdrähte seitlich gegen die emittierenden Bereiche und die von diesen kommenden Elektronenströme versetzt. Eine positive Gitterspannung neigt deshalb dazu, ein geringeres elektrisches Feld in den Mitten der emittierenden Bereiche hervorzurufen als an den Seiten dieser Bereiche, die näher an den Gitterelementen liegen. Eine positive Gitterspannung neigt auch dazu, Elektronen vom beabsichtigten Weg zwischen den Drähten abzulenken und zu den Drähten selbst hinzulenken.

Die in der US-Patentschrift 2 544 664 beschriebene Struktur ist außerordentlich komplex und teuer, weil Jedes emittierende Element einzeln abgestützt, geheizt und isoliert werden muß. Bei dieser Art der Struktur ergibt sich auch ein inhärenter Kompromiss zwischen der Gitterabfangung und dem Verstärkungsfaktor und dem Gegenwirkleitwert. Um einen hohen Verstärkungsfaktor zu erreichen, sollen die Gitterdrähte eng benachbart sein, verglichen zum Abstand Gitter-Kathode, wobei notwendigerweise zu fordern ist, daß die Drähte dünner sein müssen, um das Verhältnis offener Kanäle für den Elektronendurchfluß beizubehalten. Wenn die Drähte enger gesetzt werden, wird es auch schwieriger, die Elektronen durch die Öffnungen zu fokussieren, und damit wird eine höhere Energie auf den dünneren Drähten vernichtet und dementsprechend überhitzen diese. Auf der anderen Seite wird ein hoher Gegenwirkleitwert erreicht, indem die Gitterdrähte eng der Kathode benachbart sind. Wenn das geschieht, ohne den gegenseitigen Abstand zu verringern, verringert sich der Verstärkungsfaktor und die Steigerung des

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Gegenwirkleitwertes ist sehr begrenzt. Venn in geometrischem Verhältnis Drahtgröße, gegenseitiger Abstand und. Abstand Kathode-Gitter maßstabsgerecht herabgesetzt wird, bleibt der Verstärkungsfaktor relativ konstant und steigt der Gegenwirkleitwert. Die Elektronen-Laufzeit durch die Gitterstruktur ist auch verringert und das Hochfrequenzverhalten der Röhre wird damit verbessert. Es wird Jedoch bald ein Punkt erreicht, an dem die mechanischen Toleranzen der Konstruktion und die geringe Festigkeit und Fähigkeit, Wärmeenergie abzuleiten der feinen Drähte, die Struktur unpraktisch machen. Die US-Patentschrift 3 014 972 beschreibt ein Verfahren, einige dieser Probleme zu überwinden. Venn die Gitterelemente als Streifen ausgeführt werden, die senkrecht zur Kathode länglich sind, statt sie aus runden Drähten herzustellen, werden die Wärmeabfuhr und die Steifigkeit erhöht, ohne daß der abgefangene Strom merklich erhöht wird, weil die der Kathode dargebotene Fläche nicht erhöht wird. Veiterhin steigt der Verstärkungsfaktor, der durch den Prozentsatz des elektrischen Feldes von der Anode bestimmt wird, das durch das Gitter zur Kathode durchdringt. Ungelöst blieben jedoch die Probleme des Zusammenhangs zwischen Gegenwirkleitwert und Gittergröße, die Ablenkung des Elektronenstroms durch das positive Gitterpotential und ungleichförmige Emission.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung verfügbar zu machen, mit der die elektrischen Vorteile eines Gitters mit engen Abständen erreicht werden, während die mechanischen und thermischen Vorteile eines groben Gitters beibehalten werden. Weiter soll ein höherer Verstärkungsfaktor erreicht werden,als er mit bekannten Gittern praktikabel 1st. Veiter soll für eine gleichförmige Emission von den Emissionsbereichen gesorgt werden. Ferner soll eine verbesserte Fokussierung der Elektronenströme zwischen den primären Gitterelementen erreicht werden. Diese

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Ziele werden dadurch erreicht, daß massive Gitterstäbe vor nicht emittierenden Bereichen auf der Kathode ausgefluchtet v/erden und die Stäbe auf der zur Kathode weisenden Seite mit einer sekundären Reihe von feinen Gitterdrähten in engen Abständen verbunden werden. Diese feinen Drähte können sich nahe an der Kathode befinden, weil sie in geringen Zwischenräumen von den massiven Stäben steif abgestützt werden, wobei diese massiven Stäbe sie durch thermische Leitung auch kühlen. Der zusätzlichen Abfangung durch das Sekundärgitter wird durch die Möglichkeit entgegengewirkt, die Drähte außerordentlich fein zu machen, und durch die niedrige positive Gitterspannung, die dazu benötigt wird, Strom zu ziehen. Die bessere Elektronenoptik reduziert auch das Abfangen von den massiven, primären Gitterstäben. Der Verstärkungsfaktor steigt etwa wie das Produkt der Verstärkungsfaktoren der beiden Gitter, so daß eine erhebliche Isolierung von Eingangs- und Ausgangs-Spannungen erreicht v/ird.

Die Prinzipien und die praktische Durchführung der Erfindung sollen anhand von in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispielen erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 eine zylindrische Triode mit Merkmalen der Erfindung, teilweise als Schnitt durch die Röhrenachse}

Fig. 2 perspektivisch einen Teil der Gitterstruktur der Röhre nach Flg. 1;

Fig. 3 perspektivisch eine alternative Gitterstruktur nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch die Röhre nach Fig. 1 senkrecht zur Röhrenachse;

Fig. 5 den in der Fig. 4 mit der Linie 5-5 umschlossenen ' Teil des Kathoden- und Gitterbereichs;

Fig. 6 eine Fig. 5 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform der Kathode;

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Fig. 7 einen Teil des Kathoden- und Gitterbereichs einer planaren Röhre mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 8 einen Teil einer Tetrode mit Merkmalen der Erfindung; Fig. 9a das elektrische Feldmuster im Gitterbereich einer bekannten Röhre;

Fig. 9b das Feldmuster einer Röhre nach der Erfindung; Fig.10a die Verteilung der Emissionsdichte von der Kathode

einer bekannten Röhre; und Flg.10b das Emissionsdichtemuster einer Röhre nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine praktische AusfUhrungsform der Erfindung in einer zylindrischen Triode. Die Röhre weist ein vakuumdichtes Gefäß auf, das aus einem Metallbecher 10, beispielsweise aus Kupfer, einem Teil 11, dessen Innenfläche als Röhrenanode dient, einem abgedichteten Absaugröhrchen 12, konzentrischen Isolatoren 13» 14, 15, 16, beispielsweise aus Keramik, die die elektrischen Verbindungen zu den Elektroden isolieren, und einer Reihe von dünnen metallischen Flanschen 17, 18, 19, 20, 21, 22, die hermetisch dicht an die Isolatoren und die Anode angeschlossen sind, und einer Heizerzuleitung 23 besteht.

Ein Kühlmantel 24 umgibt den Anodenbecher 10 und ist, beispielsweise durch Löten, mit dem Becher 10 verbunden, um für Wärmeleitung zu sorgen. Die Endmontage der Röhre wird dadurch verwirklicht, daß der Flansch 19» der die Anoden-Unterbaueinheit trägt, dicht an Flansch 20 angesetzt wird, beispielsweise durch Schweißen, der die Kathoden-Gitter-Anordnung trägt. Ein spiralenförmiger Strahlungsheizer 25 ist an einem Ende an die Heizerzuleitung 23 angeschlossen und an dem anderen an den Flansch mittels einer Leitung 26, die von einem Keramikisolator 27 abgestützt wird. Ein hohler Kathodenzylinder 28, beispielsweise aus Nickel, ist koaxial zum Heizer 25 mit einem dünnen metallischen Wärmedamm 29 abgestützt, der beispielsweise aus

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Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung besteht und auf Flansch 21 montiert ist. Das obere Ende der Kathode 28 ist mit zwei im Abstand voneinander befindlichen metallischen Scheiben 30 abgeschlossen, zwischen denen sich ein reflektierender Wärmeschirm 31 befindet.

Koaxial im Abstand außerhalb der Kathode 28 befindet sich eine zylindrische Gitterstruktur 32, die aus massiven, axial gerichteten, metallischen Stäben 33 besteht, vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall wie Molybdän, die in gleichförmigen Abständen um den Umfang herum angeordnet sind. An den oberen Enden sind die Stäbe, beispielsweise durch Punktschweißen, an einer mit Flansch versehenen Scheibe 34 befestigt. Ein keramischer Stopfen 35 führt durch die Mitte der Scheibe 34 und die Kathodenendscheibe 30, um die axiale Ausfluchtung aufrechtzuerhalten. Die Bodenenden der Stäbe 33 sind mit einem Flansch 36 verbunden, der auf den Kolbenflansch 20 montiert ist.

Auf der Innenseite der Stäbe 33, die zur Kathode 28 weist, ist ein zylindrisches, gewebtes Netz aus feinen Metalldrähten 37, beispielsweise aus Wolfram, mit den Stäben 33 verbunden, beispielsweise durch Diffusionslöten mit einem aufplattierten Goldfilm. Das Netz 37 ist vorzugsweise diagonal zu den Stäben angeordnet, so daß einzelne Drähte etwa Wendeln bilden, so daß sie sich thermisch dehnen können, ohne die Struktur merklich zu verformen.

Fig. 2 zeigt eine Innenansicht eines Teils der Gitterstruktur.

Fig. 3 zeigt eine alternative Gitterstruktur, bei der nur ein Satz paralleler, wendelförmig verlaufender Drähte 37' an Stelle des Netzes 37 verwendet wird. Die Mehrfachwendel 37' bietet eine erwünschte glatte Oberfläche auf kleiner Skala dar, ist Jedoch schwieriger herzustellen als die Netzstruktur 37.

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Fig. 4 zeigt im Detail die Elektrodenstruktur der Röhre nach Fig. 1, und Fig. 5 zeigt einen Teil der Kathoden- und Gitterstruktur, die das Herz der Erfindung bilden. Die Oberfläche der Kathode 28, die zur Gitterstruktur 32 v/eist, besteht aus axialen Streifen 38 aus emittierendem Material, beispielsweise einer Mischung von Oxyden von Barium, Strontium und Calcium. Zwischen den emittierenden Streifen 38 und den gegenüberliegenden Gitterstäben 33 befinden sich Streifen 39 aus nicht-emittierendem Material, beispielsweise unbeschichtetes Nickel. Im dargestellten AusfUhrungsbeispiel sind die emittierenden Streifen unter die nicht-emittierenden Streifen 39 in Richtung weg vom Gitter 32 zurückgesetzt. Die zurückgesetzte Struktur sorgt für eine bessere Fokussierung der Elektronen-Teilstrahlen 40 zwischen den Stäben 33 durch die Konvergenz des elektrischen Feldes, das die Kanten der emittierenden Bereiche 38 verläßt, entsprechend konvergierenden Elektronenbahnen 40.

Die Gitterstäbe 33 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Querschnitt länglich in Richtung senkrecht zur Kathode 28, so daß ihre Steifigkeit und Wärmekapazität größer sind als die eines runden Drahtes gleicher Breite, der abgefangene Strom wird Jedoch nicht merklich erhöht. Die länglichen Stäbe erhöhen auch die Abschirmung der Kathode gegen das elektrische Feld von der Anode 11, und erhöhen damit den Verstärkungsfaktor der Röhre.

Fig. 6 zeigt eine alternative Struktur, bei der die nichtemittierenden Streifen 39' eine kontinuierliche glatte Oberfläche mit den emittierenden Streifen 38 bilden. Diese Struktur hat eine gleichförmigere Emissionsdichte als die in Fig. 5 gezeigte und 1st leichter zu bauen.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als planare Röhre. Ersichtlich betrifft die Erfindung die Detailstruktur des Kathoden-Gitter-Bereichs und kann in Röhren mit vielen

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verschiedenen Gesamtgeometrien aufgebaut werden, einschließlich planare und zylindrische Konstruktionen.

Fig. 8 zeigt eine Tetrode mit Merkmalen der Erfindung. Die Schirmgitterdrähte 41 sind mit den Gitterstäben 33 ausgefluchtet, zwischen der Gitterstruktur 32 und der Anode 11. Die Elektronenwege v/erden zwischen den Drähten 41 fokussiert, so daß das Schirmgitter sehr wenig Strom auffängt.

Fig. 9 zeigt die elektrischen Feldlinien in einem kleinen Abschnitt der Elektrodenstruktur. Fig. 9a entspricht bekannten Röhren, beispielsweise entsprechend US-Patentschrift 3 814 972. Ersichtlich erfahren die Elektronen, wenn sie sich von der Kathodenseite dem Gitter nähern, eine divergierende Querkomponente des Feldes 45, das also dazu neigt, den Elektronenstrahl zu defokussieren. Beim Verlassen des Gitters auf der Anodenseite erfahren sie eine fokussierende Querkomponente 42, aber dann können einige der Elektronen zu den Gitterstäben gezogen worden sein. Fig. 9b zeigt die Felder nach der Erfindung. Da das feine Gitter 37 eine glatte, im wesentlichen äquipotentiale Fläche bildet, ergibt sich kein divergierendes Feld und die Elektronen passieren das Gitter 37, indem sie im wesentlichen senkrecht zu demselben strömen. Zwischen den Gitterstäben 33 hat das Feld nur eine konvergierende Querfeldkomponente 42'.

Fig. 10 zeigt die Variation der Emissionsdichte über die Breite der emittierenden Streifen für konstante positive Gitterspannung. Die Emissionsstromdichte wird durch das elektrische Feld bestimmt. Fig. 10a zeigt die Dichtevariation der bekannten Struktur nach Fig. 9a. Das Feld ist am höchsten nahe den Knnten 43 der emittierenden Streifen 38, weil die Kanten sich dichter an den Gitterstäben 33 befinden. In der Mitte 44, wo die Emissionsfläche weiter von den Stäben 33 entfernt ist, sind das Feld und damit die Stromdichte niedriger. Die ungleichförmige Emissionsdichte ist unerwünscht, weil die Kathode

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heiß genug betrieben werden muß, um die höchste Dichte zu liefern, die Bereiche niedriger Dichte Jedoch nicht voll zum nutzbaren Strom beitragen. Mit der Struktur nach der Erfindung gemäß Fig. 9b ist die Emission, wie in Fig. 10b illustriert, praktisch über den Streifen .gleichförmig, weil das Gitter effektiv eine gerade Fläche bildet. Die Feldstärke ist auch höher, weil das Sekundärgitter 37 den Raum zwischen den Stäben 33 effektiv überdeckt. Der Gegenwirkleitwert der Röhre ist also erhöht, und die Elektronen-Laufzeit zwischen Kathode und Gitter herabgesetzt.

Als Beispiel der Vorteile der Erfindung hat eine bestimmte Triode, die nach den Lehren der Erfindung gebaut worden ist, einen Grenz-Verstärkungsfaktor von 2.000. Dieser Faktor ist das Verhältnis der minimalen negativen Gitterspannung zur positiven Anodenspannung, die gerade den Emissionsstrom von der Kathode stoppt. Beieiner bekannten Triode, die in jeder Beziehung ähnlich war, nur daß sie das sekundäre Gitter aus feinem Netz nicht aufwies, betrug der Verstärkungsfaktor nur 200. Diese Verbesserung ergibt eine Röhre mit besserer Nutzbarkeit als "Ein-Aus"-Schalter, der mit einer niedrigen Gitterspannung gesteuert v/erden kann. Bei einer anderen Verwendung als Hochfrequenzverstärker mit geerdetem Gitter eliminierte die höhere Abschirmung des Kathoden-Gitter-Raums von der Anodenspannung eine schädliche positive Rückkopplung, die eine Verzerrung des verstärkten Signals erzeugt hatte.

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Claims (9)

1. Vl P 407 D

   Patentansprüche

   Elektronenröhre bestehend aus einer Kathode, einer Anode und wenigstens einer dazwischen befindlichen Gitterelektrode, wobei die zum Gitter weisende Oberfläche der Kathode aus Bereichen mit Elektronen-emittierendem Material zusammengesetzt ist, die mit dazwischen liegenden Bereichen relativ nicht-emittierenden Materials alternieren, und die Gitterelektrode aus einem Satz leitender Stäbe besteht, die einen Abstand von der Kathodenoberfläche haben und den nicht-emittierenden Bereichen benachbart ausgefluchtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von leitenden Drähten, deren Größe und Abstand kleiner ist als die Stäbe, vorgesehen ist, die den Abstand zwischen benachbarten Stäben Uberkreuzen und elektrisch und mechanisch mit den Bereichen der Stäbe verbunden sind, die sich am nächsten an der Kathodenoberfläche befinden.
2. 2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierenden Bereiche und die nicht-emittierenden Bereiche parallele Streifen sind.
3. 3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß korrespondierende Punkte der Kathodenbereiche in einer Ebene liegen.
4. 4. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß korrespondierende Punkte der Kathodenbereiche auf einem rechten kreisförmigen Zylinder liegen und die leitenden Stäbe sich parallel zur Achse des Zylinders erstrecken.

   509885/0834 .../A2
5. 5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierenden Bereiche mit Bezug auf die nicht-emittierenden Bereiche in Richtung entgegen dem Gitter in die Kathodenoberfläche eingelassen sind.
6. 6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessung der Stäbe länglich in Richtung senkrecht zur Kathodenoberfläche ist.
7. 7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Drähten aus einem Satz Drähte in gleichen Abständen besteht.
8. 8. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Drähten aus einem gewebten Netz besteht.
9. 9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte diagonal zwischen den Stäben verlaufen.

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