DE2743108C2 - Mehrstufiger Kollektor mit abgestufter Kollektorspannung - Google Patents

Description

men werden muß, Ist darin zu sehen, daß die ebenen, parallelen Elektroden nicht In der Lage sind, einen hohen Fokusslerungsgrad zu erreichen. Aufgrund dieser relativ schlechten Fokussierung treten eine größere Anzahl von Sekundäremlsslonselektroden auf, die auf die Kathode auftreffen und damit die Lebensdauer der Kathode verringern.

Aufgabe der Erfindung Ist es demgegenüber, bei mehrstufigen Kollektoren mit abgestufter Kollektorspannung der gattungsgemäßen Art den Wirkungsgrad der Röhre mit Kollektorelektrode Im Betrieb zu verbessern und den Effekt des Rückströmens von Elektronen zu verhindern.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es 1st für die Erfindung somit erforderlich, einerseits eine Versetzung zwischen Strahlachse und Kollektorelektrodenachse vorzusehen und andererseits die Elektroden In der Welse auszubilden, daß sie aus In nur einer Dimension gekrümmtem Metallblech hergestellt sind. Dies führt zu einem asymmetrischen Aufbau In Verbindung mit asymmetrischen, verzögernden, elektrostatischen Feldern und einer asymmetrischen Arbeltskenngröße der Kollektorelektrode. Insbesondere ergibt die asymmetrische Arbeltskenngröße der Kollektorelektrode, daß statistisch gesehen alle oder die meisten Strahlelektronen durch das verzögernde Feld In Bahnen abgelenkt wer- Αλ — Al** aIIa π..Γ sl_HA. Cnlln A_n* Ct.nkUnUnn 1l»»n~ Drnl/Ilnnk Λ-rwtUt «lr*k klovnlac· HiO H\<* malrian .wortn nlfVtt UVIl, UlV ailV aUl VlllVl hJVllV UVl *JliailiaVII3V IIV5VII. 1 lamiaVII VIgIVl OIVll lliviUUO, UCIM UIv lltvidlvil, »yviiii iiiviu alle Elektronenbahnen aus der Strahlachse abgebogen sind und somit, anstatt daß sie In die Eintrittsöffnung und In die Röhre zurückkehren, Ihre Bewegungsbahn von der Achse weg auf die eine Seltenfläche der unmittelbar vorausgehenden Elektrode fortsetzen und an dieser Oberfläche gesammelt werden.

Des weiteren ergibt sich mit vorliegender Erfindung, daß Kollektorelektroden einen wesentlich höheren Wirkungsgrad ergeben. Dieser höhere Wirkungsgrad einer konkaven Elektrode ergibt sich daraus, daß die Elektronen entsprechend Ihrer Energiestufe sortiert werden, und daß die Elektronen In jeder Energiestufe auf dem geringstmöglichen Potential gesammelt werden. Das Sortleren und Sammeln der Elektronen wird durch Fokussleren mit konkav gekrümmten Feldern erzielt, d. h. durch räumliches Trennen der Elektronen nach Ihrer Energlestufe und durch Richten einer maximalen Anzahl von Elektronen In jeder Energiestufe auf die entsprechende Elektrode mit dem niedrigsten Verzögerungspotential für diese Energiestufe.

Schließlich wird mit der Erfindung die Gefahr einer Zerstörung der Kathode aufgrund von Ionenbombardierung ganz erheblich herabgesetzt. Dies hat seinen Grund darin, daß die Elektronen verzögert worden sind und ihre Richtung reversiert haben, so daß sie auf die Rückseite der Elektroden nahezu mit Nullgeschwindigkeit auftreffen. Damit wird die Anzahl von Ionen, die aus den Elektroden aufgrund der Sekundäremission beinv Auftreffen von Elektronen frei werden, auf ein Minimum herabgesetzt. Von den freigesetzten Elektronen können nur einige wenige von der Rückseite der Elektroden abwandern und die Kathode erreichen.

Nachstehend wird die Erfindung In Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt
Flg. 1 eine schematische Teilschnittansicht des Kollektors,

Flg. 2 eine graphische Darstellung, aus der der Wirkungsgrad des Kollektors nach der Ausführungsform nach Fig. 1 ersichtlich Ist (theoretisch durch Computeranalyse berechnet),
Fig. 3 eine Schnittansicht einer praktischen Ausführungsform,

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung der Elektroden, die bei der Ausführungsform nach Fig. 3 verwendet werden.

Flg. 5 eine graphische Darstellung des Kollektor-Wirkungsgrades als Funktion der Sirahlstreuung, und
Flg. 6 einen graphischen Vergleich der Ergebnisse mit anderen Kollektoren.

Eine Ausführungsform des Kollektors Ist In Teilschnittansicht In Flg. 1 gezeigt und stellt eine Idealisierte Form dar. Der Kollektor 1 Ist als ein Element einer Mikrowellenröhre 2, beispielsweise vom Linearstrahltyp, die symbolisch angedeutet ist, dargestellt. Der detaillierte Aufbau der Elemente der Mikrowellenröhre Ist für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich und an sich bekannt; der Röhrenteil Ist deshalb In schematischer Form angedeutet und wird nicht näher erläutert. Die relativen Abmessungen des Kollektors in bezug auf den anderen Hauptkörper der Mikrowellenröhre Ist übertrieben und nicht maßstabsgdtreu dargestellt. Der Kollektor nach dieser Ausführungsform wird als fünfstufiger, vertiefter Kollektor bezeichnet; er enthält fünf im Abstand so versetzte Metallelektroden, nämlich die Elektroden 3, 5, 7, 9 und 11. Eine Metallwand 13, die als Endwand des Röhrenkörpers oder andererseits als Vorderwand des Kollektors betrachtet werden kann, weist eine Eintrittsöffnung i5 mii kreisförmigem Querschnitt auf, durch weichen ein Elektronenstrahl, der innerhalb des Rö'nrenkörpers 2 erzeugt wird, in den evakuierten Bereich eintreten kann, der durch die Kollektorwände definiert ist, welche nicht alle dargestellt sind. Wie gezeigt, besitzt jede der Elektroden und die Elntrluswand 13 eine zweidimensional geometrische Form einer Hyperbel. Jede der Elektroden 3, S₄ 7 und 9 weist eine Öffnung etwa schlitzförmiger Geometrie auf, die längs der Achse des Eintritts 15 angeordnet ist. Diese Öffnung Ist in der ersten Elektrode 3 am kleinsten und nimmt In der Breite In nachfolgenden Elektroden bis zur Öffnung maximaler Größe in der Endelektrode 9 zu. Die Endelektrode 11, die manchmal als die Reflektorelektrode bezeichnet wird, enthält keine Öffnung für den Durchgang von Elektronen. Die Elektroden sind Im Abstand voneinander versetzt und elektrisch gegeneinander durch vakuumdichtes Keramikmaterlal, das nicht dargestellt ist, isoliert. In der dritten Dimension sind die Elektroden geradlinig ausgebildet. Ein Querschnitt des Kollektors längs der Strahlachse, der Eintrittsachse 15 und In einer Ebene senkrecht zur Darstellung der Zeichnung zeigt eine Reihe von Im Abstand angeordneten geraden Linien. Der Kollektor Ist so ausgebildet, daß er vakuumdicht Ist, und der gesamte Raum oder Bereich, der die Koliektorelektroden aufnimmt, liegt Im Vakuum. An die Elektroden werden verschiedene GS-Spannungen aus einer entsprechenden Spannungsspelsequelle oder Quellen angelegt. BeI-

spiclsweise liegt die Eintrittswand 13 an einer Spannung von 100 Volt, die Elektrode 3 an einer Spannung von 80 Volt, die Elektrode 5 an einer Spannung von 60 Volt, die Elektrode 7 an einer Spannung von 40 Volt, die Elektrode 9 an einer Spannung von 20 Volt und die Endwandung 11 auf Nullvolt. Diese Spannungen gelten In

bezug auf die Spannung der Kathode In der Mikrowellenröhre 2. Betrachtet man ferner einen Elektronenstrahl, der durch 15 mit einer Sirahlstreuung von 20 Grad und einer Energiebereichsabdeckung zwischen 40 und 100 Elektronenvolt eintritt, verlaufen die Trajektorlen der Elektronen wie In der Figur dargestellt, die durch eine Rechnerbewertung der Kollektorwirkung festgelegt Ist.

Die von der Endwand 11 gebildete Hyperbel weist einen Scheitel auf, der von der Achse des Elektronenstrahlelntrltts 15 versetzt ist, d. h., daß die Eintrittsöffnung asymmetrisch Im Kollektor angeordnet Ist. Wie sich aus dem Beispiel Im Betrieb dieses Kollektors ergibt, kehren die meisten der Elektronen die Bewegungsrichtung um und treffen auf die Rückseite der einen oder anderen der Elektroden auf. Im Idealfall treffen überhaupt keine Elektronen auf die Endclektrode 11 auf, die als Reflektor wirkt. Einige der Elektronen jedoch treffen auf die Vorderseite der Elektroden auf. ^ln

Im Betrieb werden Elektronen, die durch den Eintritt 15 gelangen, entsprechend Ihrer Anfangsenergie sortiert und In einem zweidimensional, verzögernden elektrostatischen Feld gesammelt. In welchem die Größe des Feldes In Richtung des ursprünglichen Elektronenflusses abnimmt. Ein derartiges elektrostatisches Feld kann durch eine Reihe von Äquipotentiallinien über bekannte elektrostatische Abbildungstechniken dargestellt werden, die eine Reihe von konkaven Kurven, vom Eintritt 15 her gesehen, ergeben. Die Spannungen In dem Feld '* nehmen längs der Achse des Kollektors von der Elntrlttswancj 13, zur Endreflektorelektrode 11 ab, und die zweite Ableitung der Spannung längs der y-Achse, d'Vidf Ist positiv und charakterisiert ein lokusslerendes elektrostatisches Feld. Insbesondere 1st die Geometrie des elektrostatischen Feldes Im wesentlichen die einer Hyperbel, die durch die Gleichung V = V_B 0>² ₂-x²-C²)/(C₂ ²-Ci²') ausgedrückt werden kann, wobei V_B die Spannung des Röhrenkörpers 13 In bezug auf Kathodenpotential, V eine beliebige Spannung zwischen V = 0 Kathodenpotentlal und V = V₁₁, und die Faktoren G und C₂ konstante Größen, die die physikalischen Dimensionen des Kollektors darstellen, sind. Wie In Flg. 1 gezeigt, definiert jede der Elektroden 3 bis 9 eine Äqulpotentlalllnie und Ist auf dieser angeordnet. Im Idealfall kann die Geometrie der hinteren Elektrode durch den mathematischen Ausdruck >^|2-x²-£>i² = O definiert werden, und die Oberfläche de? Röhrenkörpers, die dem Kollektor zugewandt ist, kann durch den Ausdruck ν²-χ²~ί\² = 0 beschrieben werden· Der Abstand zwischen dem Scheitel der ^2S hinteren Reflektorelektrode und dem Scheitel des Röhrenkörpers Ist durch G-Ci gegeben. Der Elektronenstrahl, der durch den Eintrittskanal austritt, gelangt In den Kollektor In einem endlichen Abstand d von der x-Achse, für die beispielsweise >> = 0, </ = 0,2 multipliziert durch die Größe (C₂-Ci) Ist und tritt In einem kleinen, aber endlichen Winkel, besplelswelse 5 Grad zur v-Achse ein.

Flg. 2 zeigt den Wirkungsgrad In Prozent, wie er durch ein Comppterprogramm für den Idealisierten fünfstuflgen vertieften Kollektor nach Flg. 1 als Funktion der Anfangsstrahlenergie V_B, normiert auf V₀ bestimmt wird. Wie sich aus dieser Voraussage ergibt, läßt sich ein sehr Hoher Wirkungsgrad dort erzielen, wo die Strahlenerglt am größten Ist.

Die Herstellung der Kollektorelemente auf die präzise hyperbolische Gestalt, wie sie In Flg. 1 dargestellt Ist, Ist außerordentlich schwierig.

Eine weitere Ausführungsform eines Kollektors gemäß der Erfindung Ist Im Querschnitt In Flg. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform 1st In der Praxis leichter zu verwirklichen, da sie die am einfachsten herzustellende ist. Der Kollektor weist eine Elsen-Vorderwand 33, eine Kupfermetall-Rückwand 35, eine Metallkupfer-Seitenwand 37, Metallkupfer-Wandbauteile 39 und 41, Kollektorelektroden 40 und 42, zweckmäßigerweise aus Kupfer, elektrisch isolierende Keramikteile 43, 45, 47, die In Ihrer Gestalt zylindrisch sind, auf. Das Bauteil 43 1st an jedem * Ende mit Metallrändern 42 und 44 verlötet, und diese Metallränder Ihrerseits sind mit einer Verlängerung von der Seitenwand 37 und mit einer Verlängerung von der Wand 39 verlötet, damit eine vakuumdichte Verbindung entsteht. In ähnlicher Weise Ist das Keramikbauteil 45 zwischen Metailbautelle 46 und 48 eingelötet, wodurch das Bauteil 35'mlt einer Verlängerung von der Wand 3? und mit einer Verlängerung von der Wand 41 befestigt wird. Schließlich ist das Keramikbauteil 47 mit einer Verlängerung von der Wand 41 und mit der Vorderwand 33 über Bauteile 50 und 52 verbunden. Somit 1st jede der Elektroden Im Abstand versetzt angeordnet und elektrisch isoliert gegenüber der anderen Innerhalb eines vakuumdichten Bereiches gehalten, der durch die äußeren Wände und die Keramik definiert ist. Der Aufbau weist ferner umgebende Kühlkanäle 58, 5? und 60 auf, damit Kühlmittel-Wärme abzieht, die In den Kollektorplatten 40 und 42 und der Platte 35 erzeugt wird, und die Wärme durch die Wände ableitet. Das Ende des Röhrenji'örpers wird durch das Element 53 dargestellt, das einen zylindrischen Kanal 54 enthält. Dieser Kanal Ist mit einem entsprechenden Kanal In der Eintrittswand 33 ausgerichtet und durch ein nichtmagnetisches Kupplungselement 55 verbunden. Ein Magnet 57. zweckmäßlgerweise ein Ringmagnet, Ist über der äußeren Oberfläche der Kupplung 55 Im Raum zwischen dem Röhrenkörper 53 und der Eintrittswand 33 befestigt. Der Magnet soll ejn'axiajes Feld erzeugen, damit bis zu einem gewissen Grade eine erneute Fokussierung des Elektrpnenstrahles erhielt wird. Die Endelektrode 38, die als der Reflektor bezeichnet wird, hat im wesentlichen eine zweidlrnensloriale konkave Konfiguration, Insbesondere eine Hyperbel, und besteht aus Molybdendrahtgeflecht oder Gittermaterial; die Elektrode 1st mit der Wand 37 befestigt. Der Scheitel der Kurve, die durch die Elektrode 38 gebildet wird, ist von der Eintrittsachse 54 versetzt, damit beide in eine asymmetrische Beziehung entsprechend den Faktoren gebracht werden können, die in dem welter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert sind. Die Reflektorelektrode 38 wird vorzugsweise aus dem Drahtnetz oder Gittermaterial gebildet, um auf den Oberflächen der Elemente 35 und 37 durch Elektronenauffall erzeugte Sekundärelektrpnen innerhalb des Bereiches hinter dem Reflektor 38 einzufangen und zu ermöglichen, daß viele dieser Elektronen mit einem ausreichend hohen Energiepegel In der Lage sind, den Reflektor zu erreichen und durch Ihn hindurch In den hinteren Bereich zu gelangen. Die Elektrode 40 hat einen verhältnismäßig geradlinigen Querschnitt und einen verjüngten Querschnitt mit einem Kanal dazwischen, damit der Durchgang des Elektronenstrahles möglich ist. Der Querschnitt dieser gezeigten Elektrode Ist angenähert eine konkave Kurve, Insbesondere eine Hyperbel. Der Röhrenkörper 53 und die Eintrittswand 33 bestehen aus magnetischem Eisenmaterial. Dieses bildet eine magnetische Schaltung für den Magneten 57.

; Nachstehend wird Bezug auf die Explosivdarstellung der Elemente des Kollektors nach Flg. 3 genommen,

mit Ausnahme der Vakuumanschlußteile In Flg. 4, wobei Identische Teile mit Identischen Bezugszeichen versehen sind. Die Elektrode 40 hat eine gekrümmte Gestalt, so daß sie der zylindrischen Abstützwand 39 angepaßt Ist. Eine schlitzförmige öffnung 4Oo Ist für den Elektronendurchgang in Ihr ausgebildet. Ferner ist die j geradlinige Abbiegung 406 gezeigt.

Die Elektrode 42 bei der Ausführungsform nach Flg. 3 ist In der Querschnittsform einer Hyperbel angenähert. Die Elektrode 40 weist zwei geradlinige Abschnitte auf, die durch einen geradlinigen gekippten Abschnitt verbunden sind, welcher einen Durchgang für Elektronen enthält. Auch hler wird auf die F.xplosivdarstellung nach Fl g. 4 Bezug genommen. In der die Elektrode 42 der Ausführungsform nach Fi g. 3 gezeigt Ist. ίο Die Umfangsfläche Ist gekrümmt und erscheint kreisförmig, so daß sie mit der Inneren Oberflache der zylindrischen Tragwand 41 In Flg. 3 übereinstimmt. Der Elektronendurchgang 42a 1st eine kleine. Im wesentlichen kreisförmige öffnung, und die Elektrode Ist längs der geraden Linie 42b und 42c gebogen.

Der Kollektor 1st beispielsweise an einem Ende einer Mikrowellenröhre, die als Element 2 In Flg. 1 angedeutet 1st, angekoppelt. Wie bei dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel sind an die Im Abstand voneinander 15 angeordneten Elektroden entsprechende Spannungen K₁, K₂, V_} und K₄ aus einer Speisequelle angelegt, und die Spannungen nehmen Im Wert In der gegebenen Reihenfolge In bezug auf die Kathodenspannung des Mlkrowelienröhrenabschnittes ab, damit ein hypdrbolisches, fokusslerendes elektrostatisches Feld im Koilektorbereich aufgebaut wird, und zwar ein Feld, In welchem die zweite Ableitung der Spannung V In bezug auf die y-Achse, die sich zwischen der Eintrittswand und dem Reflektor erstreckt, eine positive Zahl Ist, wobei die Äquipotential-20 linien In dem Bereich Im wesentlichen ein Hyperbel der gleichen mathematischen Beziehung festlegen, wie sie In Verbindung mit der Erörterung der Flg. 1, wobei jedoch die Konstanten unterschiedliche Werte haben und die Im Abstand versetzten Elektroden Im wesentlichen Längsspannungsäqulpotentlalllnlen angeordnet sind.

Im Betrieb durchlaufen Im Idealfall die meisten Elektronen, die längs der Achse des Eintritts 54 eintreten, _t einen gekrümmten Pfad, werden elektrostatisch sortiert und treffen auf die Rückselten einer der Elektroden 42

25 oder 40 auf, zweckmäßigerweise an der linken Seite der Achse nach Flg. 3. Einige Elektronen mit höherem I Energiepegel können die Reflektorelektrode 38 erreichen und treffen auf sie auf oder gelangen durch die Gitteröffnung hindurch und treffen auf die Rückwand 35 auf oder werden auf andere Art im Bereich zwischen 38 und 35 eingeschlossen. Wärme, die In den Elektroden 40 und 42 erzeugt wird, wird über die Wandungen 39 und 41 ,1 In das Kühlmittel abgeleitet, das von einer nicht dargestellten Kühlmltlelquelle In Kanäle 59 und 60 eingeführt

so wird.

Ein zusätzlicher Vorteil, der sich daraus ergibt, daß der Elektronenstrahl In den Kollektor asymmetrisch oder IV von der Achse versetzt eintritt, besteht darin, daß die Gefahr, daß Elektronen Ihre Bewegungsrichtung umkeh-

& ren und zurück In die Röhre gelangen, wo sie eine Oszillation hervorrufen, erheblich reduziert, wenn nicht voll-

\ ständig ausgeschaltet wird.

fj 35 Bei einem praktischen Betrieb eines Kollektors nach Flg. 3 wurde der Kollektor mit einer periodischen, mit

r> Permanentmagnet fokussieren, Im Doppelbetrieb gekoppelten Hohlraum-Wanderwellenröhre hoher Leistung

f (bekannter Art) betrieben. Die magnetischen Linsen 57 erfüllten dabei einen Doppelzweck, nämlich, zu verhin-

' dem, daß der Elektronenstrahl vor dem Eintritt In den Koilektorbereich zu stark streute, und die Transversal-

* geschwlndlgkeltsstreuung Im Elektronenstrahl zu reduzieren. Folgende Spannungen gegen Kathode wurden an

£ 40 die Elektroden angelegt:

Ϊ - X= ϊςΓ'

E? V₁ = 0,5 K₀;

k K₃ = 0,25 K₀; und

ti 45 K₄ = O, wobei V₀ gleich der Potentialdifferenz zwischen der Kathode und dem Röhrengehäuse ist.

ύ Die Röhre und der Kollektor wurden unter pulsmodulierten Bedingungen bei einer relativen Einschaltdauer

ψ von 0,001 und einem Verhältnis zwischen Strahldurchmesser W zu Kollektorlänge L von 0,044 getestet, und die

P Resultate waren folgende:

27 43 108	Tabelle I	Röhrunhclriebsiirt	Niedrig	kV
	■II och	24,44	A
	24,54	0,831	kW
Slrahlspannung, V1,	3,43	20,31	μ pervs
Strahlstrom, /„	«4,17	0,217	kW
Strahlleistung, VJ„	0,892	1,97	GHz
Strahlperveanz	13,18	9,4	Prozent
HF-Leistungsabgabe (Spitze)	9,4	9,7
Frequenz	15,7		v V
Grundröhrenwirkungsgrad, t;„		-12,0	kV
Kollektorspannungen w.r.t. Grund (Körper)	-i2;0	-18,0	kV
Stufe 1	-18,50	-24,4
Sture 2	-24,0		A
Stufe 3		0,376	A
Kollektorströme	2,30	0,308	A
Stufe 1	0,546	0,110	A
Sture 2	0,312	0,794	Prozent
Stufe 3	3,158	95,7	kW
Stufe 1 bis 3	92,1	12,75	kW
Strahlübertragung	44,92	7,56	Prozent
Im Kollektor wiedergewonnene Leistung	39,25	26,1	kW
Nennleistungseingabe, ΡΜ	33,6	0,743	Prozent
Röhrenwirkungsgrad, η-γ	2,31	0,73	kW
H F-Schaltungsverluste	0,85	0,74	kW
Schaltungswirkungsgrad, ηΛχ	5,47	16,86	Prozent
Leistung aufgrund von (ß = 0,82)	63,21	75,6
In den Kollektor gelangende Leistung	71,1
Kollektorwirkungsgrad, ηαΜ

Der Kollektorwirkungsgrad 1st eine Funktion des Verhältnisses LI W, wobei W die Strahlbreite und L die Länge des Kollektors zwischen dem Elektroneneintritt und der Endelektrode Ist. Je größer somit die Länge des Kollektors, desto höher ist der Wirkungsgrad. Die Änderung des Wirkungsgrades als Funktion eines Strahlstreuwinkels α für Kollektoren mit hyperbolischen Feldern für unterschiedliche Verhältnisse von WIL und für zwei unterschiedliche Strahlenergiepegel V_H Ist In Flg. 5 dargestellt.

Im Vergleich zu bekannten vertieften Kollektoren wurde festgestellt, daß unter allen Bedingungen der Strahlenergie, Strahlbreite und des Streuwinkels Kollektoren mit Feldern mit Fokusslereigenschaften höhere Kollektorwirkungsgrade ergaben als solche mit Feldern mit defokussierenden Eigenschaften. Ferner ergaben Kollektoren mit gleichförmigen Verzögerungsfeldern Resultate zwischen denen, die aufgrund der fokusslerenden Felder erzielt wurden, und denen mit defokussierenden Feldern, und unter den fokussiefenden Feldern ergaben die hyperbolischen Felder den höchsten Kollektorwirkungsgrad. Diese mit vorliegender Erfindung erzielten Resultate sind graphisch in Flg. 6 dargestellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Mehrstufiger Kollektor mit abgestufter Kolleklorspannung zum Auffangen von Elektronen, rrit einer zentrischen Achse, einer ersten Elektrode, die eine Eintrittsöffnung besitzt, durch die ein Elektronenstrahl in

den Kollektor längs einer durch die Mitte der Öffnung gehenden Strahlachse hindurchtreten kann, mit einer Endelektrode und mindestens einer Zwischenelektrode, die Im Abstand zwischen der ersten Elektrode und der Endelektrode längs der Mittelachse angeordnet ist und die eine Öffnung aufweist, durch die ein in den Kollektor längs der Strahlachse eintretender Elektronenstrahl in einer Richtung zur Endelektrode laufen kann, wobei die Strahlachse parallel und versetzt zur zentrlschen Achse verläuft, und wobei aufeinanderfol-

gend'reduzierte Spannungen an die Elektroden, beginnend mit der ersten Elektrode, anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zwischenelektrode (3, S, 7, 9; 40, 42) und die Endelektrode (U; 38) In nur einer Dimension so gekrümmt ist, daß der Querschnitt durch eine Elektrode längs der einzigen Symmetrieebene, die sowohl die Strahlachse als auch die zentrische Achse des Kollektors (1) enthält, eine Form hat, die - von der Eintrittsöffnung her gesehen - konkav Ist.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelektrode (11; 38) und jede Zwischenelektrode (3, 5, 7, 9; 40, 42) eine hyperbolische Querschnittsform hat.

3. Kollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Magneten (57), der ein axiales Magnetfeld längs der Strahlachse erzeugt.

4. Kollektor nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelektrode (38) aus Drahtmaschen- oder Drahiglttermaterial besteht und eine hinter der Endelektrode angeordnete Metallwand (35) aufweist.

5. Kollektor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kanäle (54) in einer Zwischenelektrode Schlitzform hat.

6. Kollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Raum (33, 35, 37) mit einer Metallwand (13, 33), die einen kreisförmigen Eintritt (15, 55) besitzt, durch den die Elektronen in den Raum gelangen,

eine Reihe von zweldlmenslonalen Elektroden (3, 5, 7, 9; 40, 42) Innerhalb des Raumes, deren jede einen rechteckförmigen Durchlaß In Achsrichtung besitzt, und eine Endelektrode (11; 38), wobei die Elektroden elektrisch voneinander Isoliert und Im Abstand versetzt sind,
eine Spannungsquelle (13), die die Metallwand (13; 133) auf einer Spannung K_fl hält und

eine Spannungsquelle (K₂, Vy · ■ ■), die jeder der Elektroden eine unterschiedliche, fortschreitend kleinere Spannung w.r.t. In bezug auf die Kathode aufzugeben, wobei die Spannungen und die Elektroden so ausgelegt sind, daß ein elektrostatisches Feld V gebildet wird, das durch die Gleichung V {x, y) = V₁₁ (.^-/-GVkV-G²) definiert ist, wobei C, und G konstante Größen sind.

7. Kollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelektrode (11; 38) eine Oberflächengeometrie aufweist, die dem Eingang (15; 55) zugewandt und durch die Gleichung x²-y²-C² = 0 definiert

1st, und daß die Oberfläche der dem Kollektor zugewandten Metallwand (13; 33) durch die Gleichung¹ xW-Ci² = 0 definiert ist.

8. Kollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelektrode (11; 38) einen Schelte! und die Oberfläche der Metallwand eine einen Scheitel definierende gekrümmte Form aufweist, und daß der

to Scheitel der Endelektrode (11; 38) seitlich zur Achse des Eintritts gegenüber dem Scheitel der Metallwand um den Abstand d- k (G-G) versetzt ist, wobei A: ein Wert in der Größenordnung des 0,2fachen der Länge des Kollektors ist.

9. Kollektor nach Anspruch 1, für Mlkrowcllcnröhren, mit einem begrenzten evakuierten Raum (35, 33, 37, 39), eine erste Elektrode mit einer kreisförmigen Öffnung für den Elntriu eines Elcktronenstrahlcs In den

evakuierten Bereich, einer Vielzahl von Im Abstand angeordneten Zwlschenelcktroden und eine Endelcktrode Innerhalb des Raumes, wobei die Elektroden eine Im wesentlichen zweidimensional geometrische Kurve devlnleren,

Elektronenstrahldurchgänge (40«, 42a) In Zwlschcnelektrodcn (40, 42) und einer Vorrichtung, die an jede der Mctallelektroden eine Spannung (K₁ bis K_b) aufgibt, damit ein fokussieren-

des elektrostatisches Feld (von der Öffnung Im evakuierten Bereich gesehen) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ableitung der Spannung In bezug auf die Litnge des Kollektors, U¹VId/, von der Öffnung (55) einen positiven Wert hat, und daß die kreisförmige Öffnung asymmetrisch In bezug auf die Elektroden angeordnet Ist.

10. Kollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung (57) ein Ringmagnet ist, der ein Magnetfeld längs der Achse des Elektroneneintrittes erzeugt.

11. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

Eine Kammer definierende Wände (33, 35, 37, 39, 41), wobei die Kammer sich über eine vorbestimmte Länge längs einer ersten Kammerachsc zwischen einem vorderen und einem hinteren Knde erstreckt,

ω einen Elektronenstrahldurchgang (54) Im vorderen Ende der Kammer, der Im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und eine Durehtrlttsachsc aufweist, die seitlich In bezug auf die Kammerachsc versetzt Ist,

eine Vlcl/ahl von Elektroden (38. 40, 42), die innerhalb der Kammer angeordnet sind und die voneinander verset/,1 und elektrisch voneinander Isoliert sind, wobei jeder der Elektroden eine zweidimensional konkav

<>5 gekrümmte Geometrie (von dem Elcktronenstrahldurchtrltt gesehen) aufweist, eine Endclektrodc GH) in

unmittelbarer Nahe des hinteren Endes der Kammer angeordnet lsi und einen Kurvcnschcllcl besitzt, der seitlich zur Durchgangsachse versetzt ist und auf oder naher an der Kammerachse als die Durchgangsachse angeordnet Ist. und die übrigen Elektroden zwischen der Endclektrodc und dem Elntrltisdurchgang angcord-

net sind, und wobei jede der Zwtschenelektroden einen Elektronendurchgang aufweist, alle Durchgange über dem Elektronenstrahldurchgang Hegen und die Breite des Elektronendurchganges in einer der weker hinten angeordneten Elektroden der Zwischenelektroden größer 1st als die Breite des entsprechenden Elektronendurchganges In einer benachbarten, welter vorne angeordneten Zwischenelektrode.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Kollektor mit abgestufter Kollektorspannucg nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem mehrstufigen Kollektor mit abgestufter Kollektorspannung wird die elektrische Leistung des Betriebes, z. B. einer Wanderwellenröhre erhöht, sowie eine unerwünschte Wärmeerzeugung durch einen Vorgang der Geschwindigkeitssortierung der Elektronen, die durch ein elektrisches Verzögerungsfeld gesteuert werden, reduziert. Das Feld verlangsamt die Elektronen, so daß sie auf der Elektrode mit einer verringerten Geschwindigkeit und im Idealfall mit Nullgeschwindigkeit gesammelt werden.

Die beiden maßgeblichen Arten von mehrstufigen Kollektoren mit abgesenkter Kollektorspannung bekannter Art sind der sog. Japan-Kollektor und der NASA-GE-Kollektor. Hierzu wird auf die US-PS 35 26 805, 36 44 778 und 37 02 951 sowie folgende Llteraturstellen hingewiesen: IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-■9, Nr. 1, Januar 1972, Seiten 104 bis 110; The Tilted Electric Field Soft Landing Collector and Its Application to a Traveling Wave Tube, Okoshi und indere; IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-I9, Nr. 1, Januar 1972, Seiten 111 bis 12]; A Ten-Stage Electrostatic Depressed Collector for Improving Klystron Efficiency, Neugebauer und andere; Multistage Depressed Collector Investigation for Traveling Wave Tubes, Tammaru, NASA CR-7295G EDDW-3207, Contract NAS 3-11356 Final Contract Report.

Der Japan-Kollektor verwendet eine Kombination aus einem elektrischen Querfeld und einem magnetischen Längsfeld zum Sortieren von Elektronen als Funktion der Elektronengeschwindigkeit. Der NASA-Koliektor 2S arbeitet mit einem elektrischen Verzögerungsfeld, das durch eine Topfelektrode und einen spitzen Zacken in der Mitte des Topfbauteiles erzielt wird. Die Wirkung einer solchen Anordnung bei einer angelegten Spannung besteht darin, daß ein Elektronenspiegel mit einer negativen Brennweite für sich In der Nähe der Achse bewegende Elektronen vorliegt. Somit wird der reflektierte Strahl stärker divergent als der einfallende Strahl. Die Leistung des vorerwähnten NASA-Kollektors 1st auf die Defokusslerelgenschafteii des zackenförmlgen Reflektorelementes begrenzt. Ferner können einige Elektronen auf das zackenförmlge Element auftreffen, das wiederum eine Sekundärelektronenemlsslon erzeugt, und diese Sekundärelektronen können In den Zwischenwirkungsraum der Röhre zurück beschleunigt werden, wodurch Schwierigkeiten auftreten. Der Japan-Kollektor macht die Aufrechterhaltung eines axialen magnetischen Feldes kritischer Größe für den einwandfreien Betrieb erforderlich. Der Kollektor 1st somit für den Betrieb mit hoher Leistung nicht geeignet.

Ein entscheidender Nachteil derartiger bekannter mehrstufiger Kollektoren mit abgestufter Koliektorspannung besteht darin, daß Elektronen Ihre Bewegungsrichtung umkehren und In die Röhre zurückgelangen können. Ein derartiges Rückströmen von Elektronen beeinflußt die Verstärkungs-Frequenz-Charakteristik der Röhre, von der die Kollektorelektrode einen Teil darstellt. Wenn der Rückström- oder Reflexionseffekt einen bestimmten Wert erreicht, kann die Röhre In einen Betriebszustand umschalten. In welchem sie als Oszillator arbeitet. Dies Ist *> natürlich unerwünscht, weil solche Röhren, beispielsweise Wanderwellenröhren, als Verstärker arbeiten sollen. Das Rückströmen bei bekannten Kollektorelektroden ergibt sich daraus, daß die Beschleunigungsfelder Innerhalb des Kollektors den Elektronenstrahl becherartig dispergieren, so daß Elektronen aus der ursprünglichen Strahlorientierung abweichen, d. h. gestreut werden, wodurch eine fächerartige Streuung In zwei entgegengesetzten Richtungen erhalten wird. Eine derartige Streuung des Strahles bedeutet eine Abweichung von der Ursprung- ^4S liehen Orientierung auf entgegengesetzten Selten. Eine solche Strahlkonflguratlon mit Geschwindigkeitssortierung zur Ablenkung der Strahlelektronen hat notwendigerweise zur Folge, daß ein wesentlicher Teil der Strahlelektronen sich welter auf einem geradlinigen Pfad oder wenigstens einem Pfad bewegt, der dem geradlinigen Verlauf ziemlich nahe kommt, d. h. also längs der ursprünglichen Orientierung bzw. der Strahlachse. Von diesem Teil der Strahlelektronen geht für kurze Zelt stets die Gefahr aus, daß sie in die Röhre zurückreflektiert werden, wie die Praxis bestätigt.

Beispielsweise ergibt sich aus der DE-OS 24 29 025 eine asymmetrische Anordnung, d. h. eine Anordnung, bei der die die Orientierung des Elektronenstrahles definierende Achse In bezug auf die Mittelachse der Kollektorelektrode parallel und Im Abstand versetzt verläuft. Obgleich hierbei eine öffnung mit versetztem Strahleintritt vorgesehen Ist, so daß der Strahl In den Kollektor längs einer versetzten Achse eintritt, sind Elektronen vorhanden, die In gerader Richtung In die Kollektorelektrode wandern, und diese und andere ähnlich orientierte Teile des Strahles laufen Gefahr, daß sie In die Röhre zurück reflektiert werden und damit den Effekt des Rückströmens ergeben.

Aus der Literaturstelle »IEEE Transactions on Electron Devices«, Band 19, Nr. 1, Januar 1972, Seite 115, Flg. 3 sind die Elektronenbahnen dargestellt, die In einer Kollektorelektrode nach Flg. 2 dieser Literaturstelle auftreten. Die schematische Darstellung, die einen Becher und einen den Hohlräumen eines Klystrons zugewandten Stab zeigt, läßt erkennen, daß es sich um eine rotationssymmetrische Anordnung mit konischen Elektroden handelt, die den Nachteil hai, daß Elektronen In die Röhre zurückreflektlert werden und damit einen Rückströmeffekt ergeben.

Die Literaturstelle NASA-Bericht CR-72950 EDDW-3207, Contract NAS-11536 zeigt einen Kollektor mit ebenen, parallelen Elektroden, die ein gleichförmiges elektrisches Feld erzeugen. Es wird ein Kollektorwirkungsgrad von 6296 angegeben, was Im Falle dieses Berichtes als zu gering und als entscheidender Nachteil für derartige. Kollektoren bezeichnet wird. Der Grund dafür, daß hierbei ein relativ geringer Wirkungsgrad In Kauf «enorn-