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Strahlungsgekühlter Mehrstufenkollektor.
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Die Erfindung betrifft einen strahlungsgekühlten Mehr stufenkollektor
für Elektronenstrahlröhren hoher Leistung, insbesondere für Satelliten-3ordröhren,
mit mehreren in Elektronenstrahlrichtung hintereinander angeordneten, elektrisch
gegeneinander isolierten Elektroden und mit einem die Elektroden umgebenden Außenmantel,
der mit einem sich quer zur EleR-tronenstrahlrichtung erstreckenden Trägerflansch
verbunden ist und einen Teil der Vakuumhülle der Elektronenstrahlröhre bildet. Ein
derartiger Elektronenstrahlauffänger befindet sich bereits auf dem Markt.
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Bei manchen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Weltraumeinsatz
der Röhre, ist es sinnvoll, die im Kollektor entstehende Verustwärme durch Strahlung
abzuführen. Eine solche Kühlungsart wird um so leistungsfähiger je größer die Differenz
zwischen der Temperatur des abstrahlenden Körpers und der Umgebungstemperatur ist:Nach
der bekannten Beziehung Q = C.F.(T14-T24), mit Q =abgestrahlte Wärmemenge, C = Strahlungszahl,
F = abstrahlende Fläche, 21 = Temperatur der abstrahlenden Fläche und T2 = Umgebungstemperatur,
wächst die
pro Flächeneinheit abgestrahlte Wärmemenge mit der vierten
Potenz der Körpertemperatur. Demgemäß muß man beim Entwurf eines strahlungsgekühlten
Kollektors vorallem darauf achten, daß die Konstrtilrtion möglichst hohe Betriebstemperaturen
auf den abstrahlenden Flächen erlaubt und daß die abgestrahlte Wärme unter möglichst
geringer Reflektion und Absorption durch die Vakuumhülle hindurch in den Außenraum
befördert wird.
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Bei der eingangs erwähnten Auffängerversion besteht der Außenmantel
aus Metall und sind die Elektroden jeweils über Isolatorstücke an diesem Metalltopf
fixiert. Ein solches Konzept dürfte extremen Temperaturbelastungen nicht ohne weiteres
s.tandhalten,da sich das strahlungsundurchlässige Metall selbst aufheizt und dadurch
die Elektrodenhalterungen geführdet und unter Umständen Kurzschlüsse auslöst (Verdampfung
und Zerstäubung von Lotmaterial). Die erforderlichen Abstrahlleistungen können daher
nur mit relativ großvolumigen, also auch schweren und aufwendigen Bauformen erbracht
werden.
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Wollte man für die Vakuumhülle statt absorbierender Materialien Werkstoffe
nehmen, die für die thermische Strahlung transparent sind, so könnte man theoretisch
auf Hartglas oder, wie in der US-PS 3 448 325 diskutiert, Quarz bzw. Saphir zurückgreifen.
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Hartglas, das bei strahlungsgekühlten Senderöhren schon seit Jahrzehnten
in Gebrauch ist, scheidet aber für die vorliegenden Zwecke aus, weil es eine nur
begrenzte Xemperaturbeständigkeit hat und bei Temperaturen oberhalb 4000C zu Formveränderungen
neigt. Quarzglas ist zwar formstabil und verfügt auch über günstige Transmissionseigenschaften,
kommt aber nur für die allerwenigsten Fälle infrage, da es umständliche und teuere
Verbindungstechniken für Metallpartner verlangt (eine Anglasung gelingt in der Praxis
nur bei Verwendung von mindestens fünf Zwischengläsern). Und auch der letztgenannte
Werkstoff, Saphir, kann in der Regel nicht in die engere Wahl gezogen werden, weil
Saphir-Formstücke nur mit erheblichem Aufwand synthetisiert werden können.
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Die geschilderten Schwierigkeiten ließen sich umgehen, wenn es gelänge,
zwischen den Elektroden selbst eine vakuumdichte, elektrisch isolierende und dabei
auch mechanisch robuste Verbindung herzastellen. Ein solches Konzept ist bereits
mit Graphitelektroden und verbindenden Metall-Keramik-Metall-3rücken realisiert
worden (DT-PS 23 55 902), erfordert allerdings, zumindest im begenwärtigen Entwicklungsstadium,
diffizile Fertigungstechniken und ein relativ sorgfältiges Arbeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines durch
Wärmeabstrahlung gekühlten Elektronenstrahlauffängers, der bei hohen Betriebstemperaturen
zuverlässig arbeiten kann und dabei relativ einfach und preisgünstig zu fertigen
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kollektor der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Außenmantel (Strahlungsglocke) aus einer
für optische Strahlung durchlässigen Keramik (Trans'parent-Xeramik") besteht und
daß die Elektroden abwechselnd mit elektrisch isolierenden Distanzstücken über ebenfalls
elektrisch isolierenden Stäben (Haltestäben), die von dem Drägerflansch ausgehen
und parallel zur Elektronenstrahlrichtung verlaufen, geschoben und in ihrer Lage
fixiert sind.
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Die vorgeschlagene Maßnahmenkombination bringt folgende Vorteile mit
sich: Transparent-Keramik zeichnet sich durch sehr gute Nicht und Infrarot'-Transmissionseigenschaften
aus (bei 3 /um noch 705a Transmission), bleibt auch unter hohen Hitzebelastungen
formstabil, ist ein relativ preiswerter Werkstoff und kann vorallem mit der bei
normaler Keramik üblichen, vergleichsweise bequemen Technik mit Metallen vakuumdicht
verbunden werden.
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Die Elektroden sind vorschlagsgemäß mit isolierenden Distanzstücken
zu einer selbsttragenden Baueinheit zusammengefaßt,
und zwar in
einer lotfreien Stapelbauweise, bei der sämtliche Elektroden große Abstrahlflächen
haben und höchste Temperaturen annehmen können, ohne dadurch die mechanische Stabilität
oder die Überschlagsfestigkeit zu beeinträchtigen.
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Auch wenn die Transparent-Keramik die empfangene Strahlungsenergie
zu einem gewissen Teil absorbiert und auch reflektiert, so ist dies unkritisch,
da die Transparent-Keramik in der gewählten Konstruktion erhöhte Dauertemperaturen
von mehreren 1000 ohne weiteres verträgt und die reflektierte Strahlung wegen des
erwähnten Zusammenhangs zwischen Abstrahlleistung und Körpertemperatur zu nur geringfügigen
Temperaturerhöhungen führt.
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Im Ergebnis steht ein Kollektor zur Verfügung, bei dem das Prinzip
der Strahlungskühlung wirkungsvoll und ohne großen Eerstellungs- oder Kostenaufwand
realisiert ist; insbesondere kann die vorgeschlagene Ausführung in relativ geringen
Abmessungen gehalten werden.
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Transparent-Keramik ist als ein durchscheinender Werkstoff an sich
wohlbekannt und wird beispielsweise bereits seit vielen Jahren als Hüllenmaterial
für Dampflampen angeboten.
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Ebenfalls zum Stand der Technik zählt auch eine Auffängerversion für
geladene Teilchen, deren Elektroden räumlich in Strahlrichtung hintereinander liegen,
von strahlparallelen Isolatorstäben durchsetzt werden und im Inneren eines glockenförmigen
Gehäuses untergebracht sind (US-PS 9 702 951). Bei diesem -vorbekannten Kollektor
stellt allerdings das großvolumige, aus Metall bestehende Gehäuse die gesamte Vakuumhülle
dar und ist vorallem an eine Strahlungskühlung offensichtlich nicht gedacht.
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Die Erfindung soll nun anhand eines bevorzugten AusfUhrungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert
werden. Die einzige
Figur der Zeichnung zeigt im Seitenschnitt einen fünfstufigen Elektronenstrahlauffänger,
der fur eine Satelliten-Bordwanderfeldröhre hoher Leistung vorgesehen ist.
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Der eigentliche Elektronenauffänger der dargestellten Eollektorversion
besteht aus mehreren, in Richtung der Elektronenstrahlachse (strichpunktierte Linie
20) hintereinander angeordneten Elektroden 1,2,3,4,5 und dem Auffängerboden 6. Jede
Elektrode ist als ein Metalltopf ausgebildet und enthält eine zentrale Bohrung 7
zum Durchtritt der Elektronen; zur Vergrößerung der Abstrahlfläche ist dabei die
Elektrode 3 noch mit einem zusätzlichen Blech (Abstrahlblech 19) versehen. Die Boden
der einzelnen Metall töpfe sind unter verschiedenen Winkeln durchgebogen, die entsprechend
den Elektronenbahnen berechnet werden. Einige dieser Flugbahnen sind als gestrichelte
Linien 8 angedeutet.
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Die Elektroden sind auf längs der Elektronenstrahlachse 20 verlaufenden
Halterungsstäben 9 übereinandergestapelt und durch zwischengesetzte Isolierbuchsen
10 voneinander distanziert.
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Um diese Buchsen vor jeglicher Bedampfung zu schützen, sind sie von
Abschirmtöpfchen 11 in der dargestellten Weise umgeben. Die Halterungsstäbe selbst
werden von einem Xrägerflansch 12 mittels am Flansch angelöteter Manschetten 13
gehaltert und sind al ihrem freistehenden Ende mit einer flemmsicherung 14 versehen,
so daß die Elektroden gegen den Elektronenstrahl zentriert und in ihrer Lage sicher
fixiert sind.
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Da die einzelnen Elektroden mit unterschiedlichen Spannungen betrieben
werden, müssen sie mit Spannungszuleitungen versorgt werden. Hierzu sind auf dem
Trägerflansch 12 in kreisförmiger Anordnung Spannungsdurchführungen 25 eingelötet,
an die die Elektroden mittels Zuleitungsdrähten 15 und Durchführungsstiften 16 angeschlossen
sind.
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Die aus den Elektroden, den Halterungsstäben und den Isblierbuchsen
gebildete Baueinheit ist zusammen mit dem Auffängerboden von einer Strahlungsglocke
17 aus Transparent-Keramik umgeben. Diese Glocke ist in üblicher Metall-Keramik-Verbindungstechnik
über ein Vacon-Zwischenstück 18 mit dem rägerflansch verbunden. Ihr Bodenteil wird
von einem Metallstift 24 durchsetzt, der in bekannter Weise den Elektronenstrahl
aufspreizt und dadurch für eine bessere Geschwindigkeitssortierung der Elektronen
sorgt. Dieser Stift haltert zugleich auch den Auffängerboden 6.
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Damit der Kollektor auch hohen Vibrations- und Stoßbeanspruchungen
gewachsen ist, empfiehlt es sich, federnde Bleche (Stützbleche 21) am bodennahen
Kollektorende anzubringen, die die Elektrodenbaueinheit an der stabilen Glocke abstützen.
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Sollte sich der Trägerflansch im Betrieb der Röhre zu stark erwärmen,
könnten ihm strahlungsabfangende Bleche (auf Stützen 22 montierte Strahlungsbleche
23) vorgelagert werden.
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Die einzelnen Teile des geschilderten Ausführungsbeispiels bestehen
aus folgenden Materialien: Die Elektroden, der Auffängerboden und der Stift sind
aus einem hochwarmfesten Werkstoff mit niedrigem Dampfdruck und guter Wärmeleitfähigkeit,
sie bestehen also insbesondere aus Wolfram, Tantal, Molybdän oder Graphit; für die
Halterungsstäbe und Isolierbuchsen eignet sich am besten Keramik; für die Strahlungsglocke
kann eine der von mehreren Herstellern angebotenen Transparent-Eernmik genommen
werden, die aus hochreinem Äluminiumoxid durch ein sßezielles Sinterverfahren gewonnen
wird. Die Elektroden könnten zusätzlich noch mit einer Oberflächenschicht, vorzugsweise
einer Graphit- oder Zirkonschicht, überzogen werden, wenn man die Abstrahlleistung
noch weiter verbessern und zugleich die Entstehung von Sekundärelektronen erschweren
wollte.
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Die Ausführung läßt sich besonders bequem zusammensetzen: Zunächst
wird die Elektrodenbaueinheit in einfacher Montagearbeit, von allen Seiten zugänglich,
auf dem Trägerflansch aufgebaut; dann schiebt man die Strahlungsglocke darüber und
verschweißt sie mit dem Flansch.
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Pur weitere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten wird auf die bereits
zitierte US-PS 5 448 325 sowie auf die Arbeit von W. Neugebauer und G. Mihran in
IEEE Trans. Electron Devices, Vol. Bbg19, 1972, S. 111 bis 121 verwiesen.
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3 Patentansprüche 1 Figur