DE2603341A1

DE2603341A1 - Axis symmetrical electron gun - has capillary metal emitter cathode surrounded by focussing Wehnelt cylindrical electrode

Info

Publication number: DE2603341A1
Application number: DE19762603341
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Weinzierl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1977-08-11
Also published as: DE2603341C2

Abstract

The axis symmetrical electron gun has a capillary metal emitter cathode, an anode and a focussing Wehnelt electrode. The latter surrounds the dispenser cathode to which it is electrically and mechanically connected. It has a projecting focussing ring between the cathode and anode. The gun comprises a cathode (1), a Wehnelt cylinder (2) and an attracting anode (3). The cathode (1) has a calotte-shaped emission disc (4) held by a supporting cylinder (5). The Wehnelt surrounds the cathode and contains at its end lying between the cathode and anode a ring projection (7) mounted symmetrical about the axis (6).

Description

Elektronenstrahlerzeuger, insbesondere für Hochleistungs-Wander-Electron beam generator, especially for high-performance hiking

feldröhren.field tubes.

Die Erfindung betrifft einen rotationssymmetrischen Elektronenstrahlerzeuger mit einer Vorratskathode, insbesondere Metallkapillar-Kathode, einer Zuganode und einer Fokussierelektrode (Wehnelt), welche die Vorratskathode umgibt, mit ihr elektrisch und mechanisch verbunden ist und zwischen der Emissionsfläche der Vorratskathode und der Zuganode einen zur Symmetrieachse des Erzeugers hin vorspringenden Ringwulst (Fokussierring) enthält. Elektronenkanonen dieser Bauart sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen seit langem bekannt (vergl. hierzu beispielsweise die DU-AS 1 491 509).The invention relates to a rotationally symmetrical electron beam generator with a supply cathode, in particular a metal capillary cathode, a pulling anode and a focusing electrode (Wehnelt), which surrounds the supply cathode, electrically with it and is mechanically connected and between the emission surface of the supply cathode and the pull anode has an annular bead projecting towards the axis of symmetry of the generator (Focus ring) contains. Electron guns of this type are available in a variety of embodiments known for a long time (see, for example, the DU-AS 1 491 509).

In vielen Fällen, beispielsweise bei modernen Elektronenkanonen für Hochleistungs-Wandefeldröhren, verzichtet man darauf, den Wehnelt gegenüber der Kathode negativ vorzuspannen, um eine Spannungsquelle einzusparen und auch die Kathode einfach und ohne Isolationsprobleme in der .Pokussierungselektrode verankern zu können. Allerdings treten bei einer auf Kathodenpotential befindlichen Strahlformungselektrode Fehlströme auf, deren Anteil mit zunehmendem Kathodendurchmesser, d.h. mit stärkerer Verdichtung des Elektronenstrahls, zunimmt und insbesondere bei Verwendung von Metallkapillar(lK- )Rathoden einige Prozent erreichen kann. Diese Verlustströme kommen dadurch zustande, daß aus der Nantelfläcbe und evtl. auch aus Bruchstellen in der Berandung der (.4n der Regel konkav gekriimmten) Emissionsfläche der Kathode Elektronen diffus austreten, die dann durch den Spalt zwischen Kathode und Wehnelt gezogen werden und im Raum vor der Zuganode verbleiben.In many cases, for example in modern electron guns for High-performance wall field tubes, you do without the Wehnelt opposite the Negatively biasing the cathode in order to save a voltage source and also the cathode anchored easily and without insulation problems in the focusing electrode can. However, when the beam-shaping electrode is at cathode potential Fault currents appear, the proportion of which increases with the cathode diameter, i.e. with greater Compression of the electron beam, increases and especially when using metal capillaries (lK- ) Rathoden can reach a few percent. These leakage currents come about that from the outer surface and possibly also from fractures in the border the (.4n usually concave curved) emission surface of the cathode Electrons diffuse emerge, which are then pulled through the gap between the cathode and Wehnelt and remain in the space in front of the pulling anode.

Zur Verringerung dieser sehr störenden Pehler hat man nach den bisherigen Erfahrungen den zwischen Kathode und Wehnelt verbleibenden Spalt stets so schmal wie möglich gehalten. Aus warme-und fertigungstechnischen Gründen läßt sich aber eine kritische Spaltbreite von einigen Zehntel mm nicht unterschreiten, so daß mit dieser Maßnahme allein - auch bei enger Maßtolerierung und sorgfältiger Montage - die unerwünschten Ströme noch nicht vollständig zum Verschwinden gebracht werden können. Testversuche ergaben, daß sich die Transmission durch Absenken des Wehneltpotentials um einige 10 Volt noch immer um mehr als 1 % erhöhte.To reduce this very annoying Pehler one has to the previous Experience the gap that remains between the cathode and Wehnelt is always so narrow kept as possible. For warming and manufacturing reasons, however Do not fall below a critical gap width of a few tenths of a mm, so that with this measure alone - even with tight dimensional tolerances and careful assembly - the undesired currents have not yet been completely made to disappear can. Tests showed that the transmission is reduced by lowering the Wehnelt potential by a few tens of volts still increased by more than 1%.

Man hat auch schon Versuche unternommen, die Elektronen an einem seitlichen Austritt zu hindern, und zwar durch Umkleidung der El ektronenmantelfläche mit hochwarmfesten Materialien mit hoher Austrittsarbeit (Molybdänzylinder, Wolframcarbidschichten). Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Kathodenabdeckungen unter den extremen Temperaturbelastungen mit der Zeit weniger undurchlässig werden und die unerwünschte Elektronenemission zumindest nicht auf die Dauer zuverlässig verhindern können.Attempts have also been made to locate the electrons on a side To prevent leakage by covering the surface of the elec- tron with highly heat-resistant Materials with a high work function (molybdenum cylinder, tungsten carbide layers). However, it has been found that these cathode covers are among the extreme Thermal stresses become less impermeable and undesirable over time Can not reliably prevent electron emission in the long term, at least.

Um dem geschilderten Mangel abzuhelfen, insbesondere zur Schaffung eines Elektronenstrahlerzeugers, der stets nur vernachlässigbar geringe Fehlstrome liefert und dabei keinen besonderen Herstellungsaufwand verlangt, ist bei einem Erzeugungssystem der eingangs gersnnten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Innendurchmesser des Fokussierringes wenigstens angenähert gleich dem Durchmesser der Emissionsfläehe der Kathode ist. Eine solche Elektronenkanone eignet sich insbesondere für den Einsatz in Hochleistungs-Wanderfeldröhren.To remedy the deficiency described, in particular to create an electron gun, which always produces negligible fault currents delivers and does not require any special manufacturing effort, is with a Generation system of the initially mentioned type provided according to the invention that the Inner diameter of the focusing ring at least approximately equal to the diameter is the emission area of the cathode. Such an electron gun is particularly suitable for use in high-performance traveling wave tubes.

Bei dem vorgeschlagenen El ektronenstrahl erzeuger ist die normalerweise zu Fehlströmen Anlaß gebende Elektronenemission durchaus zugelassen. Die seitlich und am Emissionsflächenrand austretenden Elektronen ergeben aber deshalb keinen Fehler, weil sich durch die erfindungsgemäß vorgesehene Elektrodengeometrie Potentialverhältnisse ausbilden, unter denen alle Elektronen, die überhaupt durch den Spalt zwischen Kathode und Wehnelt gelangen, kurz hinter der Emissionsfläche mit flachem Eintrittswinkel in den Elektronenstrahl einmünden und dort auf Grund der vorhandenen Raumladungen eingefangen bleiben. Der Elektronenstrahl selbst wird dabei nicht merklich deformiert, er bleibt vorallem laminar; die HF-Eigenschaften sowie die Linearität der Röhre bleiben dadurch, wie auch durch Versuche bestätigt werden konnte, erhalten.This is normally the case with the proposed electron beam generator Electron emission giving rise to fault currents is entirely permitted. The one on the side and electrons exiting at the edge of the emission surface therefore do not result in any Error because the electrode geometry provided according to the invention results in potential relationships form, among which all electrons that ever pass through the gap between cathode and Wehnelt, just behind the emission surface with a flat entry angle open into the electron beam and there due to the existing space charges stay trapped. The electron beam itself is not noticeably deformed, above all it remains laminar; the RF properties and the linearity of the tube remain as a result, as could also be confirmed by experiments.

Neben dieser drastischen, die elektrischen Röhrendaten nicht terschlechternden Fehlstromreduzierung ist außerdem noch von Vorteil, daß für die Kathode und den Wehnelt größere Maßtoleranzen zugelassen werden können und beispielsweise auch größere Ausbrüche an der flnissionsflächenberandung ohne Auswirkung bleiben. Selbstverständlich werden auch bei dem erfindungsgemäßen Erzeugersystem die Verhältnisse umeo günstiger, je enger der Spalt zwischen Kathode und Fokussierungselektrode gestaltet ist.In addition to this drastic, the electrical tube data is not deteriorating Fault current reduction is also advantageous that for the cathode and the Wehnelt larger dimensional tolerances can be permitted and, for example, larger ones Outbreaks on the edge of the opening surface have no effect. Of course the conditions umeo are also more favorable with the generator system according to the invention, the narrower the gap between the cathode and the focusing electrode is.

Die vorschlagsgemäße Elektrodenkonfiguration stellt eine Abkehr von der bisher aus elektronenoptischen Gründen stets für optimal gehaltenen Anordnung dar, bei der die Strahlformungselektrode eine möglichst sprunglose Fortsetzung der flachen-oder gekrümmten Emissionsfläche nach außen darstellen sollte (vergl. hierzu bei-Rpielsweise W. Kleen flEinfi1hrung in die Mikrowellenelektronik11, 1952, S,.KireE-Verlag, S. 73 ff.). Wenn an dieser üblichen Formgebung auch nicht immer festgehalten wurde - man findet vereinzelt Darstellungen, bei denen der Ringwulst sogar eine Randzone der Kathode Uberdeckt(beispieSsweiæe US-PS 2 268 165) - , so wird bei diesen Abweichungen der Einfluß auf möglicherweise vorhandene diffuse Elektronen nicht erörtert.The proposed electrode configuration represents a departure from the arrangement that has always been considered optimal for electron-optical reasons represents, in which the beam-shaping electrode a continuation of the as smoothly as possible should represent flat or curved emission surface to the outside (see for example W. Kleen introducing microwave electronics11, 1952, S, .KireE-Verlag, P. 73 ff.). Even if this usual shape was not always adhered to - You can find isolated representations in which the annular bulge is even an edge zone the cathode is covered (for example US Pat. No. 2,268,165) - so with these deviations the influence on any diffuse electrons that may be present is not discussed.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert werden0 Die rein schematisch in einem teilweise weggebrochenen Seitenschnitt dargestellte Elektronenkanone ist für eine Hochleistungs-Wanderfeldröhre vorgesehen. Die Kanone enthält im Einzelnen eine Kathode 1, einen Wehneltzylinder 2 und eine Zuganode 3.The invention will now be based on an exemplary embodiment in conjunction with the single figure of the drawing are explained in more detail0 The purely schematic is shown in a partially broken away side section electron gun intended for a high-performance traveling wave tube. The cannon contains in detail a cathode 1, a Wehnelt cylinder 2 and a tension anode 3.

Von der Kathode ist lediglich eine kalottenförmige Emissionsscheibe 4 sowie ein die Scheibe halternder Stützzylinder 5 eingezeichnet. Der Wehnelt umgibt die Kathode und enthält an seinem zwischen Kathode und Zuganode gelegenen Ende einen zur Symmetrieachse (Achse 6) hin vorspringenden Ringwulst 7. Der lichte Durchmesser der Ringwulstöffnung ist genau so groß wie der Außendurchmesser derScheibe 4 und fluchtet mit ihr in Richtung der Achse 6. Der zwischen dem Ringwulst und dem Scheibenring verbleibende und mit dem Bezugszeichen 8 versehene Spalt ist so klein wie möglich gehalten.There is only a dome-shaped emission disk from the cathode 4 and a support cylinder 5 holding the disk is shown. The Wehnelt surrounds the cathode and contains one at its end located between the cathode and the pulling anode to the axis of symmetry (axis 6) protruding annular bead 7. The clear diameter the annular bead opening is exactly as large as the outer diameter of the washer 4 and is aligned with it in the direction of the axis 6. The one between the annular bead and the disk ring The remaining gap, which is provided with the reference number 8, is as small as possible held.

Die Scheibe 4 enthält eine konkav gekrümmte Emissionsfläche 9, die im Betrieb der Röhre einen auf seinem Weg zur Zuganode verdichteten Vollstrahl 10 abgibt. Außer auf der Emissionsfläche emittiert die Scheibe auch auf ihrer zylindrischen Mantelfläche und teilweise auch au-f ihrer zwischen Mantel und Emissionsfläche gebildeten Kante diffuse Elektronen. Diese Elektronen fliegen zum Teil durch denWSpalt 8 und werden dann alle in den Vollstrahl 10 geschossen, den sie nicht mehr verlassen. Die Bahnen dieser diffusen Elektronen sind mit Pfeilen 11 angedeutet.The disc 4 contains a concavely curved emission surface 9, the a full jet 10 compressed on its way to the pulling anode during operation of the tube gives away. In addition to emitting on the emission surface, the disc also emits on its cylindrical surface Jacket surface and partly also on its formed between jacket and emission surface Edge diffuse electrons. These electrons partly fly through the WS gap 8 and are then all shot into the full jet 10, which they no longer leave. The paths of these diffuse electrons are indicated by arrows 11.

Für weitere Herstellungseinzelheiten wird auf die bereits zitierte Auslegeschrift verwiesen, nähere Angaben zu ME-Eathoden finden sich in der US-PS 3 474 282.For further manufacturing details, please refer to the already quoted Referred to the interpretation, more detailed information on ME cathodes can be found in the US-PS 3,474,282.

Zum Vergleich wurde eine herkömmliche Elektronenkanone durch Umgestaltung des Fokussierringes und Versetzung der Kathode in erfindungsgemäßer Weise umgebaut. Die gemessenen Fehl ströme betrugen vor und nach der Umrüstung 7 bzw. 0,5 %.For comparison, a conventional electron gun has been redesigned the focusing ring and the displacement of the cathode rebuilt in a manner according to the invention. The measured false currents before and after the conversion were 7 and 0.5%, respectively.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei spiel beschränkt. So kann der vorgeschlagene Elektronenstrahlerzeuger auch bei anderen Blektronenstrahlröhren, vor allem anderen Hochleistungs-Laufzeitröhren Verwendung finden. Auch kommen andere Vorratskathoden als eine MK-Eathode, beispielsweise Matrixkathoden in Frage. Wesentlich ist dabei nur, daß die Emissionsscheibe der Kathode seitlich und/oder auf dem Emissionsflächenrand diffuse, Fehlströme verursachende Elektronen emittiert 2 Patentansprüche 1 FigurThe invention is not game on the illustrated Ausführungsbei limited. The proposed electron gun can also be used with others Electron ray tubes, especially other high-performance time-of-flight tubes use Find. There are also other supply cathodes than an MK cathode, for example matrix cathodes in question. It is only essential that the emission disk of the cathode is on the side and / or on the edge of the emission surface diffuse electrons causing fault currents issues 2 claims 1 figure

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Pat e n t a n p r ü e h e S Rotationally symmetrical Electron beam generator with a supply cathode, in particular a metal capillary cathode, a pulling anode and a focusing electrode (Wehnelt), which are the supply cathode surrounds, is electrically and mechanically connected to it and between the eniission area of the supply cathode and the pulling anode protruding towards the axis of symmetry of the generator Annular bead (? Ocussing ring) contains, d u r c h e k e n n z e i c h n e t f that the inner diameter of the focusing ring (7) is at least approximately equal to the diameter the emission surface (9) of the cathode (4).

2. Electron gun according to claim 1, g e k e n n -z e i c its use in high-performance traveling wave tubes.