DE2602649C2

DE2602649C2 -

Info

Publication number: DE2602649C2
Application number: DE2602649A
Authority: DE
Inventors: Erling Louis Los Altos Calif. Us Lien; George Valentine Atherton Calif. Us Miram; Richard Burton Los Altos Hills Calif. Us Nelson
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-24
Publication date: 1990-11-22
Also published as: US3967150A; JPS51100673A; FR2299720A1; IL48887A; JPS59146129A; DE2602649A1; GB1490463A; FR2299720B1; JPS5921143B2; IL48887A0; JPS6040134B2; IT1062435B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gittergesteuerten Elektronenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 20 29 675 bekannt.

Solche Elektronenquellen werden in Trioden und Tetroden verwendet, um einen Elektronenstrom zu erzeugen, der mit einer hohen Frequenz moduliert wird, um eine Anodenschaltung anzuregen. Gittergesteuerte Quellen werden auch in Mikrowellenröhren mit linearem Strahl verwendet, um den Strahlstrom in eine Serie von kurzen Impulsen zu modulieren. In jedem Fall erfordert die Erzeugung von Elektronenströmen hoher Leistung, daß das Steuergitter vor der Glühkathode auf ein Potential gelangt, das positiv gegen die Kathode ist, wenn der Spitzenstrom gezogen werden soll. Das Gitter zieht dann Elektronen an und kann durch das Abfangen einiger Elektronen in schädlicher Weise aufgeheizt werden. Die Erfindung ist auf ein verbessertes Verfahren gerichtet, eine solche schädliche Aufheizung zu verhindern.

Es sind viele Anstrengungen unternommen worden, das Gitterabfangen zu vermeiden. Lösungsmöglichkeiten waren:

1. Geometrische Formen der Kathoden- Gitter-Struktur, die Elektronen auf ballistische Wegen richten, die an den Gitterleitern vorbeiführen,
2. Emission von den Teilen der Kathodenstruktur zu verhindern, von denen emittierte Elektronen zum Gitter fliegen würden, entweder dadurch, daß diese Teile unterhalb der Emissionstemperatur gehalten werden, oder dadurch, daß dafür gesorgt wird, daß ihre Oberfläche weniger emittierend sind als die gewünschten Emissionsbereiche der Kathode und
3. Kombinationen dieser beiden Lösungsmöglichkeiten.

In den US-Patentschriften 35 00 110 wird ein Beispiel eines "Schattengitters" beschrieben, wobei ein mit Öffnungen versehener Leiter auf Kathodenpotential zwischen die Kathode und das Steuergitter gebracht wird, wobei die Gitter elemente hinter denen des Steuergitters ausgefluchtet sind. Die Schatten gitterelemente liefern ein konvergierendes elektrisches Feld in den einge schlossenen Emissionsbereichen, das Elektronenwege von den Steuergitter elementen weg richtet. Da die Schattengitterelemente sich unmittelbar unter den Steuergitterelementen befinden, würde eine Emission von der ersteren direkt zum Steuergitter gehen. Das Schattengitter hat jedoch keinen guten thermischen Kontakt mit der Kathode, damit arbeitet es kälter und hat damit eine geringere Glühemission.

Eine kompliziertere Version des Schattengitters ist in der US-Patentschrift 35 58 967 beschrieben. Bei dieser bekanten Konstruktion sind die Emissions bereiche der Kathode innerhalb des Schattengitternetzes eingetieft, so daß konkave Oberflächen gebildet werden, wodurch die Fokussierung der Elektronen durch die Steuergitteröffnungen verbessert wird und die Emission über die ganze Kathodenoberfläche gleichförmiger wird.

Das Schattengitter stellt zwar eine bedeutsame und nützliche Verbesserung dar, weist jedoch verschiedene Probleme, hauptsächlich mechanischer Natur auf. Das Gitter muß sich sehr nahe an der Kathode befinden, so daß ein hohe Emissionsstrom gezogen werden kann. Oft wird ein Abstand von 25 Mikron (0,001″) gefordert. Der Abstand muß durch den ganzen Erwärmungszyklus der Struktur aufrechterhalten werden, so daß eine aufwendige Kompensation von unterschiedlichen thermischen Dehnungen erforderlich ist. Wenn das Schatten gitter die Kathode berührt, kann es durch Wärmeleitung lokal überhitzt werden und emittieren, und die Kathode kann abgekühlt werden, so daß die Emission reduziert wird. Auch die Konstruktion und Montage des Schattengitters, bei der gewährleistet werden muß, daß es mit dem Steuergitter genau ausgefluchtet wird, bietet erhebliche mechanische Schwierigkeiten. Schließlich machen die exakten Toleranzen, die bei der Konstruktion und Positionierung des Schattengitters gefordert werden, die elektrischen Eigenschaften der Elektronenquelle empfindlich gegen geringe Verschiebungen aufgrund von Stößen und Vibrationen.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit zur Vermeidung der Gitterabfangung besteht darin, die Bereiche der Kathode selbst, die hinter den Steuergitterleitern liegen, zu deaktivieren. In der US-Patentschrift 38 14 972 ist eine Röhre beschrieben, bei der diese Kathodenbereiche durch das nackte Kathodenbasis metall gebildet werden, das nicht mit aktivierendem Emissionsmaterial beschichtet ist. Diese Technik war sehr erfolgreich bei Nickelkathoden, die mit Barium-, Strontium- und Kalzium-Oxyd beschichtet waren. Es verbleibt jedoch eine geringe Menge der Oberflächenwanderung des aktivierenden Bariums über das nackte Nickel der Basis, so daß die nackten Bereiche nicht voll ständig nichtemittierend bleiben. Die Technik ist auf Kathoden aus porösem Wofram, die mit geschmolzenem Oxyd als Aktivator imprägniert sind, nicht anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer gittergesteuerten Elektronenquelle verfügbar zu machen, die eine hohe Lebensdauer erreicht, robuste mechanische Eigenschaften hat und mit einfachen Techniken genau hergestellt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Schicht aus dichten, inaktiven Metall schließt die Oberfläche des porösen Kathodenkörpers dicht ab und verhindert eine Vergiftung und damit Lebensdauerverkürzung der Elektronenquelle durch eine chemische Reaktion des nichtemittierenden Materials mit dem Imprägniermittel.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, das für eine Mikrowellenröhre mit linearem Strahl geeignet ist, mit einer Kathode mit Eintiefungen;

Fig. 2 eine Ansicht der Kathode nach Fig. 1 senkrecht zur Strahlachse;

Fig. 3 verschiedene Schritte bei der Herstellung der Kathodenstruktur des Systems nach Fig. 1;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Kathoden-Gitter-Teil eines Elektronen strahlerzeugungssystems, das für eine Röhre mit linearem Strahl geeignet ist, einschließlich einer grundsätzlich glatten Kathode;

Fig. 5 schematisch eine Reihe von Schritten bei der Herstellung des Systems nach Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Planartriode gemäß einer Ausführungs form der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein gittergesteuertes Elektronenstrahlerzeugungssystem, wie es in gepulsten Klystrons oder Wanderfeldröhren mit hoher Leistung verwendet wird. Ein konvergierender Elektronenstrahl 1 von einer gittergesteuerten Elektronen quelle 2 wird zur einspringenden Anode 3, die beispielsweise aus Kupfer besteht, gezogen und tritt durch eine zentrale Öffnung 4, um als zylindrischer linearer Strahl auszutreten, der dazu geeignet ist, mit nicht dargestellten Mikrowellenkreisen in Wechselwirkung zu treten, um hochfrequente Energie zu erzeugen. Das Vakuumgefäß um die Quelle 2 besteht aus einem dielekrischem Hohl zylinder 5, beispielsweise aus Tonerdekeramik, der in der Lage ist, der Gleichspannung der Kathoden-Anoden-Stromversorgung 6 zu widerstehen. Der Zylinder 5 ist an seinen Enden nit dünnen Metallhülsen 7 verbunden, beispiels weise durch Löten, die aus einem Material bestehen, das der thermischen Dehnbarkeit der Keramik 5 angenähert ist, wie eine Legierung von Eisen, Nickel und Kobalt. Die Hülsen 7 sind mit der Anode 3, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, und mit einem mit einem Flansch versehenen metallischen Stützzylinder 8 für das Strahlerzeugungssystem, der beispiels weise aus porösem Wolfram besteht, das mit Kupfer imprägniert ist verbunden. Das Ende des Vakuumgefäßes wird mit einer schüsselförmigen Stirnwand 9, bei spielsweise aus austenitischem rostfreiem Stahl, abgeschlossen, die mit der Sytemstütze 8 verbunden ist, beispielsweise durch Schweißen.

Eine Glühkathode 10, beispielsweise aus porösem Wolfram, das mit Bariumaluminat imprägniert ist, ist auf eine hohlzylindrische Stütz- und Wärmeableitungshülse 11 montiert, beispielsweise durch Schweißen, die beispielsweise aus Molybdän besteht. Die Hülse 11 wird von der Systemstütze 8 abgestützt, beispielsweise durch Punktschweißen, und zwar über eine dünne metallische Hülse 12 bei spielsweise aus Molybdän-Rhenium-Legierung, die als Wärmedamm dient. Die Kathode 10 wird durch Strahlung von einem spiralenförmigen Heizer 13 erhitzt, der beispielsweise aus Wolframdraht besteht, wobei die Enden mit Zungen 14, beispielsweise aus Molybdän-Rhenium-Legierung, mit der Hülse 11 und einer Heizer-Zuleitung 15, beispielsweise aus Molybdän, durch das Vakuum gefäß über einen keramischen Isolator 16 verbunden sind. Der Heizstrom wird mit einem Transformator 17 zwischen der Zuleitung 15 und der Systemabstützung 8 geliefert.

Die vordere, emittierende Oberfläche der Kathode 10 hat grob gesprochen konkav-sphärische Form. Die Steuerung des Elektronenstrahlstroms von der Quelle 2 erfolgt durch ein mit Öffnungen versehenes sphärisches Gitter 20, das beispielsweise aus Molybdän-Rhenium-Legierung besteht und im Abstand vor der Kathode 10 angeordnet ist; es ist beispielsweise durch Löten an einen zylindrischen dielektrischen Ring 21, beispielsweise aus Beryllerde keramik, montiert, der seinerseits an die Systemstütze 8 gelötet ist, um eine thermisch leitende Kühlung des Gitters 20 zu erhalten. Eine Fokussierelektrode 22, die mit dem Gitter 20 verbunden ist und ebenfalls mit dem Keramikring 21 verlötet ist, sorgt für eine passende elektrische Feldform an der Kante des Strahls 1. Das Gitter 20 ist mit einem Draht 23 verbunden, der durch ein kleines Loch im Ring 21 und der Systemabstützung 8 führt und durch die Stirnwand 9 über einen zweiten Keramikisolator 16′.

Das Gitter 20 wird mit einer Gleichspannungsversorgung 24 geringfügig negativ gegen die Kathode 10 vorgespannt. Wenn Strahlstrom gezogen werden soll, wird das Gitter 20 mit einem Impulsgeber 25 auf eine Spannung positiv gegen die Kathode 10 gepulst.

Die vordere, allgemein sphärische Oberfläche der Kathode 10 weist ein Muster aus kleinen, konkaven, sphärischen Eintiefungen 26 auf. Die Öffnungen 27 im Gitter 20 fluchten mit den Eintiefungen 26, so daß Elektronenstrom von den Oberflächen der Eintiefungen 26 durch die Gitteröffnungen 27 fokussiert wird, ohne die leitenden Teile 28 des Gitters 20 zu berühren.

Die resultierenden Strom-Teilstrahlen vereinigen sich, so daß sie den Elektronenstrahl 1 bilden. Die "Inseln" 30 der Kathode 10 zwischen den Eintiefungen 26 liegen direkt unterhalb der Gitternetzteile 28. Erfindungs gemäß sind die Inselbereiche 30 mit die Emission behinderndem Material be schichtet, um Elektronenstrom von diesem Teil direkt zu den darüberliegenden Gitterteilen 28 zu eliminieren.

Fig. 2 zeigt das Muster der Eintiefungen 26 und der "Inselbereiche" 30 auf der Kathode 10 (entsprechend den Öffnungen 27 und den leitenden Teilen 28 des Gitters 20).

Fig. 3 zeigt die Schritte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens einer mit Eintiefungen versehenen Kathode mit nichtemittierenden Inseln:

a) Ein Knopf aus porösem Metall, beispielsweise Wolfram, der mit einem Füller, beispiels weise Kupfer oder wärmehärtendem Kunststoff, imprägniert ist, wird spangebend so bearbeitet, daß eine konkave sphärische Fläche 31 gebildet wird, die die ganze Vorderseite des Knopfes überdeckt. Der Füller wird dann entfernt.
b) Eine Lage aus einem dichten, inaktiven Metall 32 wird über der Vorderfläche gebildet, wobei die Poren dicht abgeschlossen werden. Die Abdichtung kann dadurch erfolgen, daß mit einem Laser ein Schweißmuster erzeugt wird, das die Oberfläche überdeckt, so daß das Basismetall in ausreichender Tiefe schmilzt, um über solche Poren zu fließen. Stattdessen kann eine dichte Oberflächenschicht 32 von einer externen Quelle niedergeschlagen werden, beispielsweise durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf von Wolfram aus Wolframhexafluoriddampf auf das heiße Substrat 10. Der poröse Körper wird dann mit elektronenemittierendem Material, wie Bariumaluminat, imprägniert,
c) Eine Lage aus nichtemittierendem Material 33 wird auf die Abdichtschicht 32 aufgebracht. Es sind Materialien bekannt, die bei der Betriebstemperatur der imprägnierten Kathoden, d. h. etwa 1050°C nichtemittierend sind, selbst wenn sie aktiven, verdampften Produkten solcher Kathoden, wie Bariumoxyd und metallisches Barium, ausgesetzt sind. Diese Materialien schließen aktive Metalle ein, wie Zirkon und Titan, Kohlenstoff und Metallkarbide wie Molybdän karbid. Viele dieser Materialien sind kräftige reduziertende Mittel und reagieren chemisch mit Aktivatormaterialien, wie Bariumaluinat. Der Zweck der inerten Abdichtschicht 32 besteht darin, den Kontakt zwischen den beiden reaktions fähigen Materialien zu reduzieren. Die Schicht 33 kann durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf aus einem Gas, durch Vakuum-Aufdampfen, Gasent ladungssprühen usw. niedergeschlagen werden.
d) Kleine sphärische Eintie fungen 26 werden in die große sphärische Fläche 31 gefräst, beispielsweise mit einem Kugelfräser. Aktives Emittermaterial wird auf der Eintiefungsober fläche exponiert, während die nichtemittierende Schicht 33 an den dazwischen liegenden Inseln verbleibt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, wobei die vollständige Kathodenoberfläche 31′ einen glatten Teil einer großen Kugel bildet, wobei nichtemittierendes Material auf den Flächen 30′ unter den Gitterleiter elementen 28 niedergeschlagen ist. Die Fokussierung der Teil-Elektronen strahlen aus den emittierenden Bereichen 26′ durch die Gitteröffnungen 27 ist nicht so groß wie in der Struktur mit Eintiefungen, und die Kathoden emissionsdichte ist nicht so gleichförmig. Die Struktur ist jedoch billiger herzustellen als die individuell bearbeiteten Eintiefungen, und das Muster ist nicht auf eine Reihe von kreisförmigen Emittern beschränkt.

Fig. 5 zeigt die Schritte eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung der Kathode nach Fig. 4.

a) Die sphärische Kathodenoberfläche wird wie im Falle der Fig. 3 geformt.
b) Eine sphärische Maske 40 aus dünnem Metall mit Öffnungen 41 entsprechend den gewünschten emittierenden Bereichen 26′ und festen Teilen 42, die den gewünschten nichtemittierenden Bereichen 30′ entsprechen, wird auf die konkave sphärische Kathodenoberfläche 31 gebracht.
c) Ein inertes, pulverförmiges Material 42, wie Bariumkarbonat, wird über die Oberfläche der Kathode 31 und der Maske 40 geschichtet.
d) Die Maske 40 wird entfernt, so daß Bereiche 30′ frei von dem inerten Pulver zurückbleiben.
e) (Vergrößertes Detail) Eine Lage aus porendicht abschließendem Metall 32′ wird auf die exponierten Bereiche 30′ und die Pulverschicht 42 niederge schlagen.
f) Eine Schicht aus nichtemittierendem Material 33′ wird auf die die Poren verschließende Schicht 32′ niedergeschlagen.
g) Die Pulverschicht 42 wird entfernt, beispielsweise durch Bürsten, so daß die darauf nieder geschlagenen Materialien weggenommen werden, wodurch emittierende Bereiche 26′ frei bleiben und nichtemittierende Bereiche 30′ mit niedergeschlagenen Schichten bedeckt sind.

Fig. 6 zeigt eine Sektion eines kleinen Bereiches einer ebenen Triode nach der Erfindung. Hier ist die Anode 3′′ flach und sammelt den Elektronenstrom 1′′ direkt. Die flache Kathode 10′′, die mit einem Strahlungsheizer 13′′ erwärmt wird, weist nichtemittierende Bereiche 30′′ auf, die mit einer Lage 32′′ aus porenabdichtendem Material und 33′′ aus nicht emittierendem Material be schichtet sind, die entsprechend dem Verfahren nach Fig. 5 niedergeschlagen sind. Gitterleiter 28′′ sind runde Drähte, wie aus Wolfram, die über einen nicht dargestellten Gitterrahmen gespannt sind.

Eine Ausführung der Erfindung in einer zylindrischen gittergesteuerten Röhre schließt lediglich die Krümmung der Struktur nach Fig. 6 um eine Zylinder achse parallel zu den Gitterdrähten ein.

Das Verfahren nach Fig. 3 kann auch bei einer Triode verwendet werden, indem eine großmaßstäbliche Kathodenfläche als Ebene oder Zylinder geformt wird und konkave Nuten mit zylindrischem Querschnitt für die emittierenden Bereiche 26′′ statt sphärischer Eintiefungen geschnitten werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer gittergesteueten Elektronenquelle bestehend aus einer Glühkathode aus einem Körper aus porösem Metall und aktivierendem Material, das in die Poren des porösen Metalls imprägniert ist, und einem Steuer gitter, das angrenzend an die Kathode im Abstand von dieser angeordnet ist und eine Anzahl Öffnungen aufweist, die durch leitenden Gitterstege getrennt sind, wobei die Kathode elektronenemittierende Bereiche die mit den Öffnungen fluchten, und nichtemittierende Bereiche aus einer niedergeschlagenen Schicht aus nichtemittierendem Material, die mit den Gitterstegen fluchten, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der nichtemittierenden Bereiche eine dichte Schicht aus einem inaktiven Metall niedergeschlagen oder durch Aufschmelzen der Kathodenoberfläche mit einem Laser erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtemittierende Material Zirkon oder Titan ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht emittierende Material Kohlenstoff oder ein Metallkarbid ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierenden Bereiche konkave Depressionen in einer glatten Oberfläche der Kathode nicht, wobei die glatte Oberfläche die nicht emittierenden Bereiche umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kon kaven Depressionen Kugelabschnitte sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kon kaven Depressionen Kreiszylinderabschnitte sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kathodenrohling eine glatte Oberfläche gebildet wird, die den nicht emittierenden Bereichen entsprechend geformt ist, auf der zunächst die Schicht aus dem dichten Metall gebildet wird, die die Poren der Oberfläche verschließt, dann auf dieser dichten Metallschicht eine Lage aus dem nichtemittierenden Material niedergeschlagen wird, und schließlich von den emittierenden Bereichen diese beiden Lagen und ein Teil des darunterliegenden porösen Metalls entfernt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper mit dem aktivierenden Material imprägniert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metall körper vor dem Entfernen der Lagen und dem Teil des darunterliegenden porösen Metalls mit dem aktivierenden Material imprägniert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kathodenrohling eine glatte Oberfläche gebildet wird, die die emittierenden Bereiche enthält, an der Oberfläche eine Maske befestigt wird, die Öffnungen über den emittierenden Bereichen und massive Elemente über den nichtemittierenden Bereichen aufweist, eine Lage aus einem entfernbaren Material auf den emittierenden Bereichen niederge schlagen wird, die Maske entfernt wird, so daß die nichtemittierenden Bereiche freigelegt werden, daß nach dem Entfernen der Maske eine Lage aus einem dichten Metall auf die Lage aus entfernbarem Material und die nichtemittierenden Bereiche niedergeschlagen wird, um die Poren in den nichtemittierenden Bereichen zu schließen, und dann eine Lage aus nichtemittierendem Material auf das entfernbare Material und die nichtemittierenden Bereiche aufge bracht wird, und das entfernbare Material und das nichtemittierende Material von den emittierenden Bereichen entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernbare Material ein nichtmetallisches Pulver ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper mit dem aktivierenden Material imprägniert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper mit dem aktivierenden Material imprägniert wird, ehe das entfernbare Material niedergeschlagen wird.