DE2719660A1

DE2719660A1 - Steuergitter fuer eine elektronenquelle, damit ausgestattete elektronenquelle und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2719660A1
Application number: DE19772719660
Authority: DE
Inventors: Erling Louis Lien; George Valentine Miram
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-05-10
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1977-12-01
Also published as: GB1551867A; IL51913A; JPS52136559A; CA1085907A; FR2351489A1; FR2351489B1; US4096406A; JPS5737093B2

Description

Zusammenfassung

Damit eine gittergesteuerte Elektronenquelle bei extrem hohen Frequenzen arbeiten kann, beispielsweise in Planartrioden, muß das Steuergitter sehr dicht an der emittierenden Kathode angeordnet sein. Das mechanische und thermische Verziehen erzwingt minimale Grenzen für die Gitterabstände und damit für die maximale Betriebsfrequenz von gittergesteuerten Röhren. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird die Gitterstruktur als ein Netz aus bandartigen Elementen gebildet, die Teil einer laminierten Platte sind, die Metallschichten aufweist, die an die beiden Oberflächen einer Isolierschicht gebunden sind. Eine Metallschicht wird an der Emissionsfläche einer Metallmatrixkathode befestigt und die andere Metallschicht bildet das Steuergitter.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft gittergesteuerte Elektronenquellen, wie sie in Hochfrequenzröhren verwendet werden, beispielsweise Planartrioden und Elektronenstrahlerzeugungssysteme für Mikrowellenstrahlröhren. Damit eine Triode bei extrem hohen Frequenzen arbeiten kann, ist es notwendig, daß das Steuergitter sehr dicht an der Kathode angeordnet wird, so daß die Laufzeit der Elektronen zwischen Kathode und Gitter minimiert wird.In anderen gittergesteuerten Quellen, beispielsweise Strahlerzeugungssysteme für Mikrowellenröhren mit linearem Strahl sowie vielen gittergesteuerten Leistungsröhren, ist es erwünscht, maximale Steilheit und den maximalen Verstärkungsfaktor zu erreichen« Diese können gleichzeitig nur durch ein feinmaschiges Steuergitter erreicht werden, das sehr dicht an der Kathode angeordnet ist.

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Die Verbesserung von gittergesteuerten Elektronenquellen durch konventionelle Techniken zur Unterstützung des Gitters im Abstand von der Kathode hat ihre höchste Entwicklung in den Planartrioden erreicht, wo parallele Gitterdrähte über einen Rahmen gespannt werden, der dann sorgfältig einige Zehntel Millimeter von der flachen Kathodenoberfläche entfernt angeordnet wird. Die Grenzen dieser konventionellen Struktur, die sich durch mechanisches und thermisches Verziehen der Teile und durch Vibration des Gitters ergeben, haben zu Versuchen geführt, die Gitterelemente fest auf der Kathode zu montieren, wobei isolierende Stützelemente zwischengeschaltet wurden. Bei diesen bekannten Versuchen wurde ein Netz aus Isoliermaterial auf der Kathodenoberfläche niedergeschlagen, beispielsweise durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase. Metallene Leiter wurden dann auf der Oberseite des Isolators niedergeschlagen, um die Steuerelektrode zu bilden. Diese früheren Versuche zur Herstellung von gebundenen Steuergittern waren nicht erfolgreich, weil während des Niederschiagens die emittierende Kathode zwangsläufig vergiftet wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gittergesteuerte Elektronenquelle verfügbar zu machen, bei der die Steuerelemente direkt auf die emittierende Kathode montiert sind, wobei isolierende Stützen zwischengeschaltet sind.

Weiter soll durch die Erfindung ein Steuergitter verfügbar gemacht werden, das sehr dicht an der Kathode ist und das sehr kleine Öffnungen zwischen den Steuerelementen aufweist. Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung einer

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gittergesteuerten Elektronenquelle verfügbar gemacht werden, bei dem die Steuerelemente direkt über isolierende Stützen an die Kathode gebunden werden.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß die Gitterstruktur als laminierte Platte aus Isoliermaterial mit Metallschichten, die auf beide Oberflächen gebunden sind, hergestellt wird. Die laminierte Platte bildet steg- oder bandartige Elemente, zwischen denen sich öffnungen befinden. Eine der Netallschichten wird an der emittierenden Kathode befestigt. Die andere, isolierte Metallschicht bildet die Steuerelektrode. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die laminierte Platte als kontinuierliche Platte hergestellt und dann werden Teile entfernt, beispielsweise durch Abtragen, um die öffnungen zwischen den Stegelementen zu bilden. Die Band- oder Stegstruktur wird dann an der emittierenden Kathodenoberfläche befestigt. Die untere Metallschicht kann fest an die Kathodenoberfläche gebunden werden, beispielsweise durch thermische Diffusion.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

einen Schnitt durch eine Elektronenquelle nach der Erfindung;

die Schritte bei der Herstellung der Struktur nach Fig. 1;

eine Planartriode nach der Erfindung; und

ein Erzeugungssystem für einen konvergierenden Strahl nach der Erfindung zur Verwendung in einer Mikrowellenröhre mit linearem Strahl.

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Fig. 1 illustriert die Struktur eines kleinen Teils einer Elektronenquelle nach der Erfindung. Eine Glühkathode 10, beispielsweise eine poröse Wolframmatrix, die mit geschmolzenem Bariumaluminat imprägniert ist, wird durch eine Wendel aus Wolfram-Heizdraht geheizt, der mit einer Schicht aus Aluminiumoxyd isoliert ist (vergl. Fig. 3). Eine obere, emittierende Oberfläche 12 der Kathode 10 ist so geformt, daß sie einer Anode (Fig. 3) zuweist, mit der Elektronenstrom von der Kathode gezogen wird. Gitterstegelemente 10 haben eine darunterliegende Sperrschicht die direkt an der emittierenden Oberfläche der Kathode befestigt ist, beispielsweise durch mechanische Klemmen oder durch thermische Diffusion unter Druck. Die Sperrschicht 14 besteht aus einem Material, das die Kathode nicht vergiftet und eine chemische Wechselwirkung zwischen der Kathode 10 und anderen Materialien der Gitterstege verhindert. Insbesondere soll sie eine Diffusion von Barium von der Kathode 10 in die Gitterstruktur verhindern. Die Schicht 14 kann aus einem Metall, beispielsweise Wolfram, oder einer stabilen Verbindung, beispielsweise Siliciumnitrid, bestehen. Vorzugsweise besteht sie aus einem Metall, das durch thermische Diffusion mit der Kathode verbunden werden kann. An die unten liegende Schicht 14 ist eine Schicht 16 aus einem Isoliermaterial gebunden, beispielsweise Bornitrid. Auf der Oberseite der Isolierschicht 16 ist eine Metallschicht 18 gebondet, die auf diese Weise gegen die Kathode isoliert ist und als Steuergitterelektrode dient. Die Stegelemente 11 sind vorzugsweise als ein Netz mit öffnungen 19 zwischen den Stegelementen 11 geschaltet, durch die der Elektronenstrom gezogen wird. Um den Umfang der Stegstruktur befindet sich ein breiterer Ring aus dem Laminat, dessen Metallschicht 18 einen elektrisch leitenden Anschluß bildet. Die gebondeten Metallschichten können zweckmäßigerweise Hochtemperaturmetalle sein. Sie können durch Aufdampfen

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oder Sprühniederschlag oder durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf an den Isolator gebondet sein. Ihre Dicke kann durch Elektroplattieren vergrößert werden. Die Steuerelektrode 18 kann aus einem Glühemission verhindernden Material bestehen, beispielsweise Titan oder Zirkon, oder die exponierte Oberfläche kann mit einem solchen Material beschichtet sein, um die Gitteremission zu reduzieren. Es wurde festgestellt, daß die Sperrschicht 14 1 bis 50 Mikron stark sein kann, die Isolierschicht 16 kann 25 Mikron stark sein und die Steuerelektrodenschicht 18 kann 20 Mikron stark sein. Stegelemente 11 sind mit einer Breite von 20 Mikron hergestellt worden. Die öffnungen 19 zwischen den Stegelementen 11 sind vorzugsweise als längliche Rechtecke geformt, um den größtmöglichen Anteil offener Fläche zu ermöglichen, und gleichzeitig die Gitterstegelemente 11 in enger Nachbarschaft an allen Teilen der emittierenden Fläche zu halten.

Fig. 2 zeigt die Schritte bei der Herstellung der kritischen Teile der Elektronenquelle nach Fig. 1.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch eine laminierte Platte 20, die dadurch hergestellt ist, daß Metallschichten 22 und 24 auf die gegenüberliegenden Seiten einer isolierenden Platte 26 aus Bornitrid niedergeschlagen werden. Gemäß Fig. 2b ist eine Maske 27, die die Konfiguration der gewünschten Gitterstegstruktur hat, auf die laminierte Platte gelegt. Die Maske 27 ist aus Metallblech und hat öffnungen, die durch konventionelle Fotoätztechniken hergestellt sind. Feine Schleifpartikel, die mit einem Luftstrahl eingeblasen werden, schneiden die Teile 19 der laminierten Platte 20 unterhalb der öffnungen 28 in der Maske 27 weg, so daß die Stegelemente 11 übrigbleiben, in denen die Teile der beiden gegenüberliegenden Netallschichten durch die restlichen Teile 16 der Isolierschicht

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getrennt sind. Eine verbesserte Genauigkeit der Herausarbeitung wurde dadurch erreicht, daß von beiden Seiten durch ausgefluchtete Masken geschnitten wurde.

Gemäß Fig. 2c wird die Steggitterstruktur dann auf die emittierende Fläche 12 einer Kathode 10 aufgesetzt. Eine Druckkraft, beispielsweise durch ein Gewicht 29, wird gleichmäßig über die Oberfläche angelegt. Das Ganze wird erwärmt, beispielsweise auf 1100° C, und bei dieser Temperatur verbindet sich die untere metallene Sperrschicht 14 durch Diffusion mit der emittierenden Oberfläche 12. Statt dessen kann die Gitterstruktur einfach körperlich an der Kathode 10 befestigt werden, etwa mit Federklemmen.

Fig. 3 zeigt eine Planartriode mit einer Elektronenquelle nach der Erfindung. Die Röhre besteht aus einem Vakuumgefäß 30, das teilweise aus einer metallenen Anode 32, beispielsweise aus Kupfer, besteht, die in einen zylindrischen Keramikisolator 34, beispielsweise aus Aluminiumoxydkeramik, dicht eingesetzt ist, und zwar über einen Metallflansch 36, beispielsweise aus Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung. Ein leitender Flansch 38, beispielsweise aus dieser letzteren Legierung, ist dicht zwischen dem Keramikzylinder 34 und einem zweiten, zylindrischen Keramikisolator 40 angeordnet. Der Flansch 38 ist mit der Gitterelektrode 42 durch Leiterfedern 41 verbunden, beispielsweise aus Molybdän oder Tantal-Wolfram-Columbium-Legierung, die ausreichend flexibel sind, um der Position des Gitters 42 Rechnung zu tragen, die an der Kathode 10' fixiert ist. Die Kathode 10' ist mechanisch und elektrisch an eine metallene Stirnwand 44 montiert, die dicht über das untere Ende des Isolierzylinders 40 gesetzt ist, wodurch das Vakuumgefäß vervollständigt wird und elektrische Kontakte

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für Hochfrequenzströme an alle Elektroden möglich sind. Die Kathode 10' wird mit einem Strahlungsheizer 46 geheizt, der durch eine Wendel aus Wolframdraht 48 gebildet ist, der mit einer Schicht aus Aluminiumoxyd 50 isoliert ist. Eine isolierte Durchführung 52, die beispielsweise durch Löten an die metallene Stirnwand 44 dicht angesetzt ist, führt den Heizstrom. Im Betrieb werden Resonanzhohlraum-Hochfrequenzkreise, beispielsweise Koaxialresonatoren, zwischen den Kathodenflansch und den Gitterflansch 38 und zwischen den Gitterflansch und den Anodenflansch 36 geschaltet. Diese (nicht dargestellten) Resonatoren enthalten Reihen-Nebenschluß-Kondensatoren, so daß eine positive Spannung an die Anode 32 und eine Gleichvorspannung zwischen Kathode 10' und Gitter 42 angelegt werden kann. HF-Treibenergie wird zwischen Kathode 10' und Gitter 42 gelegt, so daß der Elektronenfluß von der Kathode 10' zur Anode 32 moduliert wird. Mit dem außerordentlich geringen Abstand Kathode-Gitter, der durch die Erfindung erreichbar ist, ist die Laufzeit der Elektronen zwischen Kathode und Gitter so klein, daß außerordentlich hochfrequente Signale verstärkt werden können. Gleichzeitig eliminiert die steife Abstützung der Gitterelektrode mit Bezug auf die Kathode die Nodulation durch Mikrophonie-Vibrationen und verhindert Kurzschlüsse durch Verformung der Gitterstruktur.

Fig. 4 illustriert ein Elektronenstrahlerzeugungssystem nach der Erfindung, das so ausgebildet ist, daß ein gittergesteuerter linearer Elektronenstrahl zur Verwendung in einem Klystron oder einer Wanderfeldröhre erzeugt wird. Die Kathode 10'' weist eine konkave, sphärische Emissionsfläche 12'' auf, die die Elektronen in einen Strahl konvergiert, der beträchtlich kleiner ist als die Fläche der

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Kathode ΙΟ¹¹. Das Gitter 42'' ist genau wie bei der Planartriode nach Fig. 3 an der Kathode 10'' gebondet oder befestigt. Die Bornitridplatte 26'' ist als sphärische Kappe geformt, beispielsweise durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf, und das Gitter 42'' wird dann in der oben für ein ebenes Gitter beschriebenen Weise hergestellt. Andere Teile des Strahlerzeugersystems sind ähnlich denen der Triode nach Fig. 3, nur daß die Anode eine einspringende Elektrode ist, die symmetrisch zur Strahlachse liegt und eine Zentralöffnung 56 aufweist, durch die der Elektronenstrahl 58 hindurchtritt, um in der Mikrowellenröhre verwendet zu werden.

Andere Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann von selbst. Die obigen Beispiele sind lediglich als Illustration und nicht als Einschränkung aufzufassen. Beispielsweise kann die Elektronenquelle in einer Mehrgitterröhre verwendet werden, wie einer Tetrode oder Pentode, und kann auch in Gasentladungseinrichtungen verwendet werden.

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-42 Leerseite

Claims

FATZ\TANWÄLTE

OR. CLAUS REINLANOER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 ■ D-8000 München 60 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent 2719660
2. Mai 1977

Vl P4-46 D

VARIAN ASSOCIATES, INC. Palo Alto, CaI., USA

Steuergitter für eine Elektronenquelle, damit ausgestattete Elektronenquelle und Verfahren zu deren Herstellung

Priorität: 10. Mai 1976 - USA - Ser. No. 684 689

Patentansprüche

ι 1.jSteuergitter für eine Glüh-Elektronenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß es aus laminierten Platten-Stegelementen und öffnungen zwischen diesen Elementen besteht, und daß die laminierte Platte aus einer Sperrschicht aus einem Material besteht, das mit direktem Kontakt mit einer Glühkathode verträglich ist, einer an die Sperrschicht gebondeten Isolierschicht, und einer Metallschicht, die an die der Sperrschicht ferne Seite der Isolierschicht gebondet ist.

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2. Gitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht metallisch ist.
3. Gitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus Bornitrid besteht.
4-, Gitter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Netallschicht Zirkon und/oder Titan enthält.
5. Gittergesteuerte Elektronenquelle, bestehend aus einer Glühkathode mit einer Emissionsfläche und einer elektronendurchlässigen Gitterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur an der Emissionsfläche befestigt ist und aus laminierten Platten-Stegelementen und Öffnungen zwischen diesen Stegelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht.
6. Quelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes an die zweite Metallschicht, der gegen die Kathode isoliert ist.
7· Quelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der der Emissionsfläche benachbarte Teil der Kathode ein poröser Metallkörper ist, der mit einer aktiven Salzmischung imprägniert ist.
8. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper aus gesinterten Wolframpartikeln besteht.
9. Quelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Salzmischung aus Barium- und. Aluminium-Oxyden besteht.

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10. Verfahren zur Herstellung einer gittergesteuerten Elektronenquelle nach einem der Ansprüche 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrschicht und eine Metallschicht an die beiden Seiten einer Platte aus Isoliermaterial gebondet werden, um ein Laminat zu bilden, Teile der Fläche des Laminats entfernt werden, um durchgehende öffnungen zu bilden, die durch Stegelemente getrennt sind, und die Sperrschicht an der Emissionsfläche einer Glühkathode befestigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer, gegen die Kathode isolierter Kontakt an die Metallschicht hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile durch abrasives Abtragen entfernt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht durch thermisches Bonden an der Emissionsfläche befestigt wird.

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