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Elektronenröhre mit einem Heizer aus pyrolytischem Graphit
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenröhre mit einem Heizer
aus pyrolytischem Graphit für eine direkt oder indirekt geheizte Kathode, der flächenhaft
ausgebildet ist und dessen kristallographische c-Achse im pyrolytischen Graphit
über die gesamte Fläche senkrecht auf der dem Elektronen emittierenden Körper oder
der Elektronen emittierenden Schicht zugewandten Oberfläche des Heizers steht.
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Elektroden für Elektronenröhren, insbesondere für Senderöhren im VHF-
und UHF-Bereich und für größere Leistungen, sind während des Betriebes hohen spezifischen
Wärmebelastungen ausgesetzt,
und zwar insbesondere dann, wenn Kathoden
verwendet werden, deren Emissionsmaterial hohe Austrittsarbeitswerte hat, wodurch
zu ihrem Betrieb hohe Kathodentemperaturen erforderlich sind. Hohe Temperatur in
diesem Sinne sind z.B. für Wolfram-Thorium-Kathoden 11000 C, während bei mit Barium
bedampften sogenannten Oxidkathoden nur etwa 8000 C in Betracht kommen.
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Insbesondere auf dem Gebiet der gittergesteuerten Leistungsröhren
für GroBleibungssender sind sowohl Trioden als auch Tetroden mit strahlungsgekühlten
Gittern bereits aus pyrolytischem Graphit ausgeführt worden, wie z.B. in den "Rundfunktechnischen
Mitteilungen" 1977 Seite 158 bis 161 beschrieben. Insbesondere auf Seite 161 befinden
sich Angaben über Frequenzbereich, Anodengleichspannung und insbesondere Anodenstrom
sowie Nutzausgangsleistung.
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Der pyrolytische Graphit eignet sich auch für die Elektrode in den
Elektronenröhren, die als Heizer verwendet wird, und zwar deswegen, weil aufgrund
der Anisotropie in dem Werkstoff bei entsprechender Dimensionierung und Zuführung
des elektrischen Stromes in Richtung der Schichten ein Heizkörper erhalten werden
kann, der über seine Fläche eine äußerst gleichmäßige Erwärmung aufweist und daher
die auf ihm unmittelbar als Schicht angebrachte Emissionssubstanz, d.h. direkt geheizte
Kathode, oder um ihn im geringen Abstand angeordnete emissionsindirekte fähige Körper,
d.h./geheizte Kathode, sehr gleichmäßig erhitzt.
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Dazu ist in der älteren deutschen Patentanmeldung nach P 27 32 960.8
der Vorschlag gemacht worden, den Heizer flächenhaft
auszubilden,
und zwar derart, daß die kristallographische c-Achse des pyrolytischen Graphits
überall senkrecht zu der dem emittierenden Körper zugewandten Oberfläche des Heizers
steht. Ein derartiger emittierender Körper kann als Schicht auf dem Heizer selbst
angeordnet sein oder er kann auch ein gesonderter Körper sein, der im Zwischenraum
vor dem Heizer angeordnet ist, in dem zuerst genannten Fall also für eine sogenannte
direkt geheizte Kathode und in dem zuletzt genannten Fall für eine indirekt geheizte
Kathode. In dem älteren Vorschlag sind verschiedene Ausführungsformen für einen
derartigen Heizer angegeben, z.B. in Form eines Stabes, in Form einer Kappe oder
~ Form einer gekrümmten Bahn oder auch einer Platte, jedoch ist nicht näher ausgeführt,
wie im einzelnen die Stromanschlüsse erfolgen müssen. Es ist lediglich vorgeschlagen
worden, die Stromanschlüsse derart auszuführen, daß der Strom vorzugsweise, d.h.
mit Hauptkomponente, parallel zur Schichtung des pyrolytischen Graphits fließt.
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Die Zeichnung zeigt hierzu einen punktförmigen Anschluß, z.B.
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bei der Kappe in deren Mitte und an einem äußeren Punkt, und bei der
gekrümmten Fläche an zwei Ecken dieser Fläche.
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In der älteren deutschen Patentanmeldung nach P 26 23 828.8 ist beschrieben,
daß Gitteniektroden auch aus glasartigem Kohlenstoff hergestellt werden können.
Diese Gitterelektrode kann die Form einer ebenen oder gekrümmten Fläche eines Zylinders
oder einer Kugelkalotte aufweisen oder in sonstiger Weise der Geometrie der Röhren
angepaßt sein. Es ist aber nicht offenbart, wie eine derartige kugelkalottenförmige
Ausbildung einer Elektrode zu erfolgen hat.
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Die gleiche Aussage gilt für die Offenbarung aus der DE-OS 16 39 168.
Dort ist insbesondere in der Fig. 17 ein Verfahrensschritt für ein Herstellungsverfahren
kugelschalenförmiger Gitter aus pyxSytischem Graphit gezeigt, Jedoch ist nicht näher
beschrieben, wie die endgültigen Bauformen derartiger Gitter aussehen sollen.
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Kugelkalottenförnige Elektroden sind nämlich aus den Metallen, wie
sie bisher im Elektrodenbau rur die Gitter von Röhren verwendet wurden, zwar verwirklichbar,
aber in der Praxis schlecht einsetzbar, weil sich nämlich die Krümmung unter dem
Einfluß der großen Hitze in der Röhre ändert und daher nicht nur die Abstände zwischen
den einzelnen Elektroden sich ändern, sondern auch über die Fläche gesehen ein unterschiedlicher
Elektronenstrom fließt, was besonders gefährlich ist, wenn diese Unterschiede im
Laufe längerer Betriebszeit größer werden und daher die unterschiedlichen Ströme
zu unterschiedlichen Erhitzungen der Elektroden führen.
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Derartige kugelkalottenförmige Elektroden aus Metall sind z.B. bekannt
aus der US-PS 2,722,624,der DE-PS 905 209, während kugelkalottenförmige Heizer aus
Metall in den FR-PS 982 695, 58 949 und 978 6274 gezeigt sind. Schließlich zeigt
noch die FR-PS 1.037.522 eine kugelfdrmige Kathode für ein Reflex-£tstron, während
leicht gewölbte emittierende Schichten auf Kathoden, also sogenannte Emissionskörper,
noch aus der US-PS 2,899,590 bekannt sind.
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Die Erfindung geht von diesem Stand der Technik und den genannten
älteren Vorschlagen aus. Die Aufgabe nach der Erfindung bestand darin, die in den
älteren Vorschlägen bzw.
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im Stand der Technik im Prinzip gezeigten Miwendungen für den Röhrenbau
zu realisieren und tatsächlich ausführbare Elektrodenformen anzugeben, die sich
für die verschiedenartigen Röhrentypen auch für eine IjTassenfertigung eignen, wobei
diese Elektroden nunmehr in an sich bekannter Weise aus pyrolytischem Graphit bestehen
sollen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist für eine Elektronenröhre der eingangs
genannten Art nach der Erfindung der Heizer eine kugelkalotten- oder kegelstumpfförmige
Form auf und die Stromzuführungen sind segmentförmig ausgebildet. Wie oben im Stand
der Technik näher zitiert, sind kugelkalottenförmige Heizer aus Metall bereits bekannt.
Diese müssen aber wegen der bereits beschriebenen Schwierigkeit der Ausdehnung der
Metalle bei Erhitzung Wärmeausdehnungsschlitze aufweisen und führen daher zu sehr
verwickelten Bauformen, die in dem praktischen Einsatz auch zu unterschiedlichen
Emissionen führen, wenn diese Heizer direkt mit Schichten bedeckt werden sollen,
die emittieren müssen. Infolgedessen sind diese Heizer nur für indirekt geheizte
Kathoden anwendbar, aber auch hier bringen sie immer dort, wo Schlitze vorhanden
sind, unterschiedliche Emissionswerte.
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Der Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin, in an sich bekannter
Weise zwar einen pyrolytischen Graphit zu verwenden und auch in der einen Ausführungsform
in an sich bekannter
Weise diesen kugelkalotten- oder kegelstumpfförmigzau3zubilden.
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Der Unterschied zum Stand der Technik besteht Jedoch darin, daß bei
dea kugelkalotten- oder kegelstumpfförutgen aus pyrolytischem Graphit bestehenden
heizer dieser hinsichtlich seiner Stromanschlüsse derart ausgebildet wrden muß,
daß der Strom in der Vorzugsrichtung, die durch den anisotropen pyrolytischem Graphit
gegeben ist, fließen muß und daher müssen die segmentförmigen Stromzuführungen derart
angeordnet werden, daß über eine möglichst große Fläche der Strom in den pyrolytischem
Graphit eintreten kann. Dies sind also völlig andere Gesichtspunkte wie bei einer
metallischen Elektrode, bei der praktisch nur punktförmige Anschlüsse für den elektrischen
Strom genügen weil sich nämlich der Strom beim Eintritt in das Metall der Elektrode
sofort über die ganze metallische Elektrode ausbreiten kann, was beim anisotropen
pyrolytischem Graphit nicht der Fall ist. Diese segmentförmigen Stromzuführungen
müssen sich über einen gewissen Bereich des Heizers an dessen aufstehendem Rand
erstrecken, wobei die Segmente sich über einen mehr oder weniger großen Winkel erstrecken
können, aber niemals sich ganz herum um den Heizer erstrecken dürfen, weil sonst
ein Kurzschluß entsteht.
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Eine derartige Stromzuführung ist, wie näher ausgeführt, dem Stand
der Technik und auch dem älteren Vorschlag, insbesondere nach P 27 32 980.8, nicht
entnehmbar, so daß auch die Ausnutzung der Anisotropie des neuartigen Werkstoffes
für die kugelkalotten-oder kegelstumpfförmige Form in den weiteren Ausführungsformen
der Erfindung neu und erfinderisch ist, wobei an diese Heizer angepaßt sogenannte
Scheibentrioden
oder Scheibentetroden weiterhin hergestellt werden können, aber mit dem Ergebnis,
daß die Gitter nicht aus Metall sind und sich bei großer Hitze verziehen können,
sondern nunmehr aus pyrolytischem Graphit bestehend nicht nur leichter werden, sondern
sich auch während des Betriebes nicht verziehen.
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Der flächenmäßige Stromübergang ist weiterhin auch aus hochfrequenztechnischen
Gründen von grobem Vorteil, weil aus an sich belcannten Gründen über eine große
Fläche die Hochfrequenz zu den betreffenden Elektroden besser zu bzw. ab geführt
werden kann.
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Die kugelkalottenförmige Ausbildung auch mit dem Werkstoff "Pyrolytischer
Graphit" kann zu Spannungen im Elektrodenbauteil dann führen, wenn der Krümmungsradius
in ungünstiger Weise dimensioniert ist. Daher ist es oftmals günstiger, gerade Abschnitte
zu schaffen, so daß die Elektroden dann nach der Erfindung eine kegelstumpfförmige
Ausbildung erfahren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Heizer zwischen den
Stromzuführungen sektorförmige Ausnehmungen auch im kugelkalotten- oder kegelstumpfförmigen
Bereich aufweisen. Diese sektorförmigen Ausnehmungen liegen nun völlig anders wie
beim oben, insbesondere aus den FR-PS genannten Stand der Technik bekannten Heizern,
denn dort waren sie aus wärmetechnischen Gründen vorhanden, hier sind sie aber derart
ausgebildet, daß die Stromlaufrichtung auf der Kugelkalotte oder dem Kegelstumpf
eine bestimmte gewünschte und gewollte
Vorzugsrichtung erhält.
Die bessere Stromführung auf der Kalotte oder dem Kegelstumpf wird also dadurch
erreicht, daß die Ausnehmung auch in den Bereich hineinreicht, der schon innerhalb
der Kugelkalotte oder des Kegelstumpfes liegt. Innerhalb der Kugelkalotte oder des
Kegelstumpfes liegen natürlich auch emittierende Bereiche und es muß dann der Heizer
derart ausgebildet sein, daß die Ausnehmungen möglichst geringe Abmessungen, wie
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, aufweisen.
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Zwecks Schaffung unverwechselbarer Anschlüsse ist es bei Röhren üblich,
diese in unterschiedlichen Ebenen einzuordnen und dazu können in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung die Stromzuführungen unterschiedlicher Potentiale in unterschiedlichen
Ebenen angeordnet sein.
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Es kann weiterhin der Heizer vier Stromzuführungen aufweisen, deren
beide auf gleichem Potential liegende senkrecht zu dem auf dem anderen Potential
liegenden angeordnet sind. Das schafft den Vorteil des Ueberganges zu geringeren
Heizspannungen und größeren Heizströmen.
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Weiterhin kann auch der emittierende Körper als indirekt geheizte
Kathode kugelkalotten- oder kegeltumpfförmig und aus pyrolytischem Grpahit ausgeführt
sein. Es können weiterhin das Steuergitter sowie gegebenenfalls weitere Gitter aus
pyrolytischem Graphit bestehen. Dabei können da. oder die Gitter und die diesem
zugewandte Oberfläche der Anode gleichzeitig kugelkalotten- oder kegelstump££Rrmig
ausgebildet sein. Auf
diese Art und Weise wird eine Triode oder
Tctrodc mit kugelkalotten- oder kegelstumpfförmigen Elektrodensystemen vom Heizer
bis zur Anode hin geschaffen. Dazu ist dann auch nach der Erfindung der Reflektor,
der hinter dem Heizer steht, der Bauform des Heizers anzupassen.
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Weiterhin kann nach der Erfindung der Elektronen emittierende Körper
als indirekt geheizte Kathode ausgeführt sein, wobei dessen dem Heizer zugewandte
Oberfläche kugelkalotten- cdcr kegelstumpfförmig und dessen Elektronen ezittierende
Oberfläche eben ausgebildet sein können.
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Es kann schlioßlich der Elektronen emittierende Körper als indirekt
geheizte Kathode ausgeführt sein, desscn dem Heizer kegelstumpfförmig zugewandte
Oberfläche kugelkalotten - oder/und dessen Elektronen emittierende Oberfläche entgegengesetzt
kugelkalotten-oder kegelstutnpff9'rmig ausgebildet ist. 23ei dieser Anordnung wird
ein sogenanntes Elektronenstrahlerzeugungssystem, z.B.
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für Ein- oder Mehrkammerklystrons geschaffen, das den Elektronenstrahl
dann entsprechend fokussiert.
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Der Vorteil der Änderungen nach der Erfindung, wie oben beschrieben,
besteht darin, zu leistungsfähigeren Röhren bei gleichen Abmessungen oder zu kleineren
Röhren bei gleichen Leistungen zu kommen, wobei außerdem noch der Wirkungsgrad und
die Lebensdauer der Röhre dadurch verbessert werden kann, weil nämlich durch den
veriendeten Werkstoff, wie an sich bekannt, leichtere und stabilere Elektroden verwendet
werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werdem im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Heizer nach der
Erfindung mit kugelkalottenförmiger Form und segmentförmigen Stromzuführungen, Fig.
2 einen Heizer ähnlich Fig. 1, aber mit kegelstumpfförmiger Form und zusätzlich
mit sektorförmigen Ausnehmungen auch im kegelstumpfförmigen Bereich, Fig. 3 einenlleizer
ähnlich Fig. 1, nur mit Stromzufühnrngen in unterschiedlichen Ebenen, Fig. 4 einen
Heizer ähnlich Fig. 1 mit paarweise senkrecht zueinander angeordneten Stromzuführungen
in unterschiedlichen Ebenen und sektorförmigen Ausnehmungen im kugelkalottenförmigen
Bereich, Fig. 5 eine Anordnung nach Fig. 4 in Draufsicht mit einer anderen Ausführungsform
der sektorförmigen Ausnehmungen im kugelkalottenförmigen Bereich, Fig. 6 einen Teilschnitt
durch eine Sendetriode mit einem Heizer, dessen Stromzuführungen in unterschiedlichen
Ebenen angeordnet sind, Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine Sendetriode mit einem
Heizer mit Stromzuführungen in der gleichen Ebene, Fig. 8 ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
mit einem Heizer mit Stromzuführungen in unterschiedlichen Ebenen und einer Kathode
mit Wärmefalle in kugelkalottenförmiger Form sowie einer Fokussierelektrode, Fig.
9 ein Elektronenstrahlerzeugungssystem ähnlich Fig. 8, nur mit einer beidseitig
entgegengesetzt gekrümmten
Oberfläche der Kathode und Fig. 10 eine
Klemmhalterung der Elektroden.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Heizer bezeichnet, und zwar ganz allgemein,
dessen kugelkalolstenförmiger Bereich 2 ar der Auflagefläche in zwei segmentförmige
Bereiche 3 übergeht, die als Stromzuführungen benutzt werden ksnnen. Die Bcschreibung
mit Zeichnungen für die einzelnen Ausführungen beziehen sich auf die kugelkalottenförmige
Form, obgleich hier auch die kegelförmige Form jeweils ersatzueise behandelt werden
könnte, da sich die Erfindung auf beide Bauformen bezieht.
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Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1, nur ist jetzt im
kegelstumpfförmigeu Bereich 2 auf jeder Seite zwischen den Stromzuführungen 3 eine
Ausnehmung 4 vorhanden.
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Der Bereich 2a ist geschlossen und liegt in einer Ebene parallel zu
der, in der die Segmente 3 liegen. Der Mantelbereich kann abgeknickt sein, wie bei
2b gezeigt. Es können auch mehrere Knicke in der Mantelfläche angeordnet sein, um
die elektronenoptisch günstigste Krümmung weitgehend anzunähern.
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Fig. 3 zeigt einen Heizer 1, bei dem die Stromzuführung 3 auf der
einen Seite mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist und in einer anderen Ebene liegt.
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Fig. 4 zeigt schließlich eine Kombination eines Heizers 1 mit einem
kugelkalottenförmigen Bereich 2, zwei segmentförmigen StromzufUhrungen 3 in einer
Ebene, zwei segmentförmigen
Stronzuführimgen 5 in einer zweiten
Ebene, wobei diese gleichzeitig senkrecht zu den StromzuSührmgen 3 liegen und zwischen
diesen Stromuftlhrungen Ausnehmungen 6.
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Der eine Pol einer Spannungsquelle wird also an die segmentförmigen
Anschlüsse 3, der andere Pol der gleichen Spannungsquelle an die ncgmentförmigen
Anschlüsse 5 angeschlossen.
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Fig. 5 zeigt schließlich eine Draufsiht auf einen Heizer 1 nach Fig.
4, nur mit anderen segmentförmigen Ausnehmungen 6.
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Diese laufen an ihrem Azide noch in T-förmige Teile 7 aus, um eine
bessere Stromführung auf dem kugelkalottenförmigen Heizer 1 zu gewährleisten.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführung für eine Sendetriode. Diese besteht in
an sich bekannter Weise aus mehreren Keramikringen 8, die aufeinander aufgeschichtet
sind. Zwischen diesen Keramikringen befinden sich ebenfalls in bekannter Weise die
Elektrodenanschlüsse 9. Die Form der Elektroden ist jedoch nach der Erfindung Jetzt
neu, denn der Heizer besteht, wie in den Fig. 4 bzw. 5 gezeigt, aus einer Kugeikalotte
mit segmentförmigen Stromzuführungen in unterschiedlichen Ebenen, und zwar sind
in der unteren Ebene wieder die Stromzuführungsanschlüsse 3 und in einer etwas höher
gelegenen Ebene die Stromzuführungsanschlüsse 5 angeordnet. In Elektronenlaufrichtung
gesehen hinter dem Heizer 1 befindet sich ein Reflektor 10, der an sich bisher auch
in Röhren verwendet wurde, Jeoch hier eine neue 3auform aufweist, und zwar weist
er an seiner Oberfläche eine kugelkalottenförmige Form auf. In Elektronenlaufrichtung
gesehen vor dem Heizer befindet sich eine Kathode 11. Sie weist
eine
1ärmefalle 12 auf, z.B. in Form einer Perforation oder einer Gitterstruktur. Zwischen
den Bereichen dieser Gitterstrukturen 12 ist die Kathode, die also aus pyrolytischem
Werkstoff nach der Erfindung bestehen kann, mit einer emissionsfähigen Schicht versehen,
so daß beim Aufheizen die Elektronen durch das Gitter 13 zur Anode 14 gelangen,
wobei das Gitter 13 ebenfalls eine kugelkalottc-nförmige Form aufweist und die Anodenoberfläche,
auf die die Elektronen aufprallen, auch eine kugellalottenförmige Form aufweist.
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Die Fig. 7 zeigt eine ahnliche Anordnung wie die Fig. 6, nur ist in
diesem Fall der heizer 1 mit Anschlüssen in einer Ebene versehen, d.h. die Stromzuführungen
3 und 3' liegen in der gleichen Ebene. Es sind aber, wie im Prinzip in Pig. 4 dargestellt,
vier Stromanschlüsse vorhanden. Der Flächenheizer ist hier wieder nur schematisch
mit 10 bezeichnet, alle anderen Bezeichnungen sind von der Fig. 6 übernommen und
bedeuten auch das gleiche. Die Strotnzuführungen der einzelnen Elektroden sind jedoch
etwas anders als in Fig. 6 ausgeführt.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen schließlich Elektronenstrahlerzeugungssysteme,
d.h. Kathoden mit einer gel{rümmten Form, und zwar kugelkalottenförmig derart, daß
der Elektronenstrahl zur Fokussierelektrode hin fokussiert wird. Die wichtigsten
Teile sind also die Fokussierelektrode 15 und die Kathode 16, wobei in der Fig.
3 die Katode 16 kugelkalottenförmig ausgebildet ist, und zwar ähnlich der Ausbildung
in Fig. 6 und 7, jedoch im Elektronenstrom entgegengesetzt gekrümmt angeordnet ist.
Auch die Würmefalle ist hier wieder vorhanden und wieder
mit 12
bezeichnet. Diese Kathode 16 wird geheizt durch einen Heizer 1, dessen beiden segmenförmigen
Stromzuführungen 3 und 5 hier bei der Anordnung in Fig. 8 in unterschiedlichen Ebenen
liegen. Das gleiche trifft übrigens für die Fig. 9 zu.
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Auch dort liegen die Stromzuführungen für den Heizer in unterschiedlichen
Ebenen. Hinter dem Heizer 1 befindet sich wieder ein Reflektor 10.
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Der Unterschied zwischen den Fig. 8 und 9 besteht darin, daß in Fig.
8 ein lagelkalottenförmiger Heizer 1 über einem kugelkalottenförmigen Reflektor
10 angeordnet ist und in Elektronenlaufrichtung vor dem Heizer 1 e ine eine kugelkalottenförmige
Kathode 16 angeordnet ist, die entgegengesetzt zur Elektronenlaufrichtung gekrümmt
ist, während bei der Anordnung nach Fig. 9 die Kathode 17 eine emittierende Oberfläche
aufweist, ähnlich der Kathode 16 nach Fig. 8, aber ihre dem Heizer 1 zugewandte
Oberfläche ist entgegengesetzt zu ihrer der Fokussierelektrode zugewandten Oberfläche
gekrümmt, so daß die Kathode 17 also eine unterschiedliche Wandstärke in Richtung
ihres Radius aufweist, lund zwar im zentralen Bereich ist die Wandstärke am geringsten
und am Rande, also bei größtem Radius, ist die Wandstärke am größten. Entsprechend
ist auch der Heizer 1 anders gekrümmt als in Fig. 8.
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Fig. 10 zeigt schließlich eine Klemmhalterung 15 der Elektroden, z.B.
der Stromzuführungen 3 und 5.
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