DE2917269A1

DE2917269A1 - Steuergitter fuer eine elektronenquelle

Info

Publication number: DE2917269A1
Application number: DE19792917269
Authority: DE
Inventors: George Valentine Miram
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1979-11-15
Also published as: CA1135324A; NL7903441A; FR2425143A2; US4263528A; JPS54144861A; NL188874B; FR2425143B2; GB2020482B; GB2020482A; NL188874C; JPH0122699B2

Description

⁰ATENTArJWALTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 . D-8000 München <50 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

Vl P494 D

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

Steuergitter für eine Elektronenquelle

Zusatz zu Patent ... (Patentanmeldung P 27 19 660.7)

Priorität: 3. Mai 1978 - USA - Ser. No. 902 529

Zusammenfassung

In einem Elektronenstrahlerzeugersystem mit einem Steuergitter, das mit der Stirnseite der Kathode in Kontakt steht, kann unerwünschte Glühemission von der Kathode effektiv dadurch unterdrückt werden, daß eine dünne (1 Mikron) Schicht aus Bornitrid auf die Oberfläche des Steuergitters aufgebracht wird. Das Bornitrid hat selbst eine geringe Glühemission und hat zusätzlich die ungewöhnliche Fähigkeit, irgendwelche Niederschläge aus Enüissionsmaterial, wie Barium oder dessen Oxyde» abzuschütteln oder zu eliminieren, die mit der Bornitridschicht in Kontakt kommen. Für optimales Betriebsverhalten und größte Lebensdauer wird die Bomitridschicht über eine pyrolyiische Graphitschicht aufgebracht» bei der es sich um das leitende Gitter selbst handeln kann,

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Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein die Unterdrückung von unerwünschter Glüh-Elektronenemission und insbesondere die Unterdrückung dieser Emission vom Steuergitter einer Glühe!ektronenquelle mit Gitter. Die Erfindung ist speziell in den Fällen anwendbar, in denen das Steuergitter tatsächlich von einem isolierenden Bauteil in Kontakt mit der Emissionsfläche der Kathode abgestützt wird, weil die Gittertemperatur unter diesen Umständen nahezu so hoch ist wie die Kathodentemperatür.

Solche gittergesteuerten Elektronenquellen werden in Hochfrequenzröhren verwendet, beispielsweise Planartrioden, und in den Elektronenstrahl erzeugersystemen für Mikrowellen-Strahlrohren. Das Steuergitter in einer Hochfrequenztriode muß sehr eng an der Oberfläche der Kathode angeordnet sein, so daß die Elektronenlaufzeit zwischen Kathode und Gitter minimal ist.

In anderen gittergesteuerten Quellen, wie bei den Strahlerzeugungssystemen für Mikrowellenröhren mit linearem Strahl und den Kathoden von gittergesteuerten Leistungsröhren wird ein feinmaschiges Steuergitter verwendet, das sehr nahe an der Kathodenoberfläche angeordnet ist, um den Gegenwirkleitwert und den Verstärkungsfaktor zu maximieren. In einigen dieser Röhren wird das Problem der unerwünschten Elektronenemission vom Gitter noch weiter dadurch vergrößert, daß (1) eine gebondete Gitterkonstruktion verwendet wird, bei der das leitende Gitter tatsächlich auf die Fläche der Kathode montiert ist und von dieser nur durch eine dünne Isolierschicht getrennt ist, und (2) durch die Verwendung von Vorratskathoden.

Die Verwendung einer gebondeten Gitterkonstruktion gewährleistet praktisch, daß das Gitter auf einer Temperatur sehr nahe der Kathodentemperatur arbeitet statt auf einer herabgesetzten Temperatur, was möglich wäre, wenn das Gitter einen Abstand von der Kathodenoberfläche hat.

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Vorratskathoden liefern einen Dampf des Emissionsmaterials (typischerweise Barium oder dessen Oxyde), der sich auf in der Nähe befindlichen Oberflächen der Röhre niederschlagen kann. Während dieser unerwünschte Niederschlag nicht besonders störend ist, solange diese Oberflächen erheblich kühler sind als die Kathode, können sie doch eine erhebliche unkontrollierte Glühemission von Elektronen verursachen, wenn sie in die Nähe der Kathodentemperatur kommen.

Gebondete Gitter sind besonders Problemen durch unerwünschte Glühemission beim Vorhandensein einer Vorratskathode ausgesetzt, weil sie der Kathode extrem nahe sind und weil sie typischerweise auf einer Temperatur arbeiten, die sehr nahe der der Kathode ist.

Im Hauptpatent wird ein Steuergitter für eine Glüh-Elektronenquelle beschrieben, das an die Kathode gebondet ist, so daß es auf der Emissionsfläche der Kathode mittels einer relativ dünnen Isolierschicht abgestützt wird, die zwischen das eigentliche Steuergitter und die Kathodenemissionsoberfläche gebondet ist. Bei dieser bekannten Elektronenquelle wurde eine ausreichende Behinderung der Glühemission vom Steuergitter dadurch erreicht, daß dieses aus einem Emission verhindernden Material hergestellt wurde, beispielsweise Titan oder Zirkon. In vielen Anwendungsfällen ist jedoch der Grad der Behinderung der Glühelektronenemission durch solche Einrichtungen einfach nicht ausreichend. Insbesondere ist zu erwähnen, daß die Emissionspegel sich mit wachsender Betriebsdauer der Röhren erhöhen, so daß nach vielen Betriebsstunden die Emissionspegel mehrmals so groß sein können wie bei Betriebsbeginn.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die Glühelektronenemission von beheizten Elektroden zu verhindern.

Weiter soll durch die Erfindung eine gittergesteuerte Elektronenquelle verfügbar gemacht werden, bei der die Glühemission vom Steuergitter im wesentlichen verhindert ist.

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Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß die Oberflächen, von denen eine Glühemission verhindert werden soll, mit einer dünnen Schicht aus Bornitrid beschichtet werden. Insbesondere kann die Oberfläche eines so zu sperrenden Gitters mit einer dünnen Lage Bornitrid beschichtet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht ein hinsichtlich aer Emission gesperrtes Steuergitter aus einem Block aus Isoliermaterial, beispielsweise Bornitrid, der mit einer Schicht aus pyrolytischem Graphit beschichtet ist, die als leitendes Steuergitter dient, und einer dünnen Lage Bornitrid, die über dem pyrolytischen Graphit liegt, wobei die Gittereinheit mit öffnungen versehen und entweder an die Emissionsfläche der Kathode gebondet oder gegen diese geklemmt ist.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Elektronenquelle nach der Erfindung; Fig. 2 die Schritte bei der Herstellung der Quelle nach Fig. 1; Fig. 3 eine Planartrioden-Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 ein Erzeugungssystem für einen konvergierenden Strahl zur Verwendung in einer Mikrowellenröhre mit linearem Strahl, bei dem die Erfindung verkörpert ist.

Fig. 1 zeigt die Struktur eines kleinen Teils einer Elektronenquelle nach der Erfindung. Eine Glühkathode 10, beispielsweise eine poröse

■Wolframmatrrx, die mit geschmolzenem Bariumaluminat imprägniert ISt₉ wird mit einer Wendel aus Wolframheizdraht erhitzt., die mit einer Schicht Aluminiumoxyd isoliert ist (wie am besten in Fig„ 3 erkennbar). Die Emissionsfläche 12 der Kathode 10 ist so geformt* daß sie einer Anode zuweist., die auf einem geeigneten positiven "Potential arbeitete, um" Elektronenstrom von der Kathode zu ziehen»

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Gitterstegelemente 11 können eine darunterliegende Sperrschicht 14 aufweisen, die direkt an der Emissionsfläche der Kathode befestigt ist, durch mechanische Klemmen oder thermische Diffusion unter Druck. Die Sperrschicht 14 ist aus einem Material, das die Kathode 10 nicht vergiftet,und verhindert eine chemische Wechselwirkung zwischen der Kathode 10 und anderen Materialien des Gittersteges 11. Die Lage 14 kann aus einem Metall bestehen, das mit der Kathode 10 durch thermische Diffusion in der Gegenwart von Wärme und Druck bondet, oder es kann eine Lage aus einer stabilen Kohlenstofform sein, beispielsweise pyrolytischer Graphit.

An die darunterliegende Schicht 14 ist eine Schicht 16 aus Isoliermaterial gebondet, beispielsweise Bornitrid. Auf die Oberseite der Isolierschicht 16 ist eine leitende Schicht 18 gebondet, die metallisch sein kann, in einer bevorzugten Ausführungsform jedoch eine stabile Kohlenstofform ist, vorzugsweise pyrolytischer Graphit. Die Schicht ist durch die Schicht 16 gegen die Kathode isoliert und dient als Steuergitterelektrode.

Die Stegelemente 11 sind vorzugsweise zu einem Netz mit Offnungen 19 verbunden, durch das Elektronenstrom von der Kathode 10 gezogen wird. Um den Umfang der Stegstruktur ist ein weiterer Ring aus dem Laminat vorgesehen, dessen leitende Schicht 18 einen elektrisch leitenden Anschluß bildet, mit dem Vorspannung an das Steuergitter gelegt werden kann, wie am besten in Fig. 3 ersichtlich ist.

In der bevorzugten Form besteht die Schicht 18, wie oben erwähnt, aus pyrolytischem Graphit, einer relativ mechanisch stabilen Kohlenstoffform mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Da die Bildung einer Schicht relativ hoher Qualität aus pyrolytischem Graphit auf der Oberfläche des Bornitridisolators eine ziemlich spezielle Technologie ist, wurde festgestellt, daß Beschichtungen bester Qualität und Haftung dadurch gewährleistet werden, daß die Bornitridblöcke Betrieben überlassen werden, die auf die Herstellung der gewünschten Beschichtung aus pyrolytischem Graphit spezialisiert sind,

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beispielsweise Union Carbide Corporation, Cleveland, Ohio, USA, und Super-Temp Company, 11120 South Norwald Boulevard, Santa Fe Springs, CaI., USA.

Erfindungsgemäß wird eine zusätzliche Schicht 21 aus Bornitrid über der Oberfläche der leitenden Schicht 18 gebildet, um Glühemission von der Schicht 18 zu unterdrücken. Die Schicht 21 muß ausreichend dünn gemacht werden, so daß eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit (durch Kriechen) vorhanden ist, um die Oberfläche der Schicht 21 daran zu hindern, sich als reiner Isolator zu verhalten, der ein durch Oberflächenladung induziertes Potential entwickeln könnte, das sich von dem der leitenden Schicht 18 unterscheidet. Es wurde festgestellt, daß gute Resultate in dieser Beziehung dadurch erreicht werden können, daß die Schicht 21 in einer Dicke von etwa 1 Mikron oder weniger hergestellt wird. Die Sperrschicht 14 kann 1 bis 50 Mikron dick sein, die Isolierschicht 16 kann 50 Mikron dick sein, und die Steuerelektrodenschicht 18 kann 25 Mikron dick sein. Die Stegelemente 11 können 20 Mikron breit sein. Die öffnungen 19 zwischen den Stegelementen 11 können zweckmäßigerweise als längliche Rechtecke geformt sein, um den größtmöglichen Anteil an offener Fläche zu ermöglichen, während weiterhin Gitterstegelemente 11 eng benachbart allen Teilen der Emissionsfläche gehalten werden.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch eine Laminatplatte 20, die dadurch hergestellt ist, daß Scnichten 22 und 24 aus pyrolytisehern Graphit oder Metall auf beide Seiten einer isolierenden Platte 26 aus Bornitrid niedergeschlagen werden. Dann wird die Oberseite der Schicht 24 zur Säuberung durch Ionensprühen geätzt, und eine etwa 1 Mikron starke Schicht 23 aus Bornitrid wird niedergeschlagen.

In Fig. 2b ist eine Maske 27 mit der Konfiguration der gewünschten Gitterstegstruktur über die laminierte Platte gebracht. Die Maske besteht aus Metallblech, wobei die öffnungen durch konventionelle Photoätztechniken gebildet sind. Feine abrasive Pulver, die mit einem Hochdruckluftstrahl mitgerissen werden, nehmen die Teile 19

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der Laminatplatte 20 durch öffnungen 28 in Maske 27 weg, so daß Stegelemente 11 zurückbleiben, die die gleiche zusammengesetzte Laminatstruktur haben wie die ursprüngliche Platte 20. Eine verbesserte Genauigkeit des Abtrags wurde dadurch erreicht, daß von beiden Seiten durch ausgefluchtete Masken abgetragen wurde.

Fig. 3 zeigt eine Planartriode mit der Elektronenquelle nach der Erfindung. Die Röhre besteht aus einem Vakuumkolben 30, der teilweise durch eine metallische Anode 32, beispielsweise aus Kupfer, gebildet ist, die dicht an einen zylindrischen Keramikisolator 34, beispielsweise aus Aluminiumoxydkeramik, mit einem Metallflansch 36, beispielsweise aus Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung, angesetzt ist. Ein leitender Flansch 38, beispielsweise aus eben dieser Legierung, ist dicht zwischen den keramischen Zylinder 34 und einen zweiten keramischen zylindrischen Isolator 40 eingesetzt. Der Flansch 38 ist mit einer Gitterelektrode durch Federleiter 41, beispielsweise aus Molybdän oaer einer Tantal-Wolf ram-Col umbium-Legierung, verbunden, die ausreichend flexibel sind, um sich an die Position des Gitters 42 anzupassen, das fest an der Kathode 10' sitzt. Die Kathode 10' ist mechanisch und elektrisch auf eine metallische Stirnwand 44 montiert, die dicht über das Bodenende des Isolierzylinders 40 gesetzt ist, so daß der Vakuumkolben vervollständigt wird und elektrische Hochfrequenz-Strom-Kontakte an alle Elektroden möglich sind.

Die Kathode 10' wird mit einem Strahlungsheizer 46 beheizt, der durch eine Wendel aus Wolframdraht 48 gebildet wird, die mit einer Aluminiumoxydschicht 50 isoliert ist. Eine isolierte Durchführung 52, die beispielsweise durch Anlöten an die metallne Stirnwand 44 dicht angesetzt ist, leitet Heizstrom.

Im Betrieb werden Resonanzhohlraum-HF-Anordnungen, beispielsweise Koaxial resonatoren, zwischen den Kathodenflansch 43 undden Gitterflansch 38 und zwischen den Gitterflansch 38 und den Anodenflansch 36 geschaltet. Diese nicht dargestellten Resonatoren enthalten Reihen-Nebenschluß-Kondensatoren, um das Anlegen einer positiven Spannung an Anode 32 und einer Gleich-Vorspannung zwischen Kathode 10' und Gitter

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zu ermöglichen. HF-Treibenergie wird zwischen Kathode 10' und Gitter angelegt, so daß der Elektronenfluß von der Kathode 10' zur Anode moduliert wird.

Mit dem außerordentlich kleinen Abstand Kathode-Gitter» der durch die Erfindung erreichbar ist, ist die Laufzeit der Elektronen zwischen der Kathode und dem Gitter so klein_s daß Signale außerordentlich hoher Frequenz verstärkt werden können. Gleichzeitig eliminiert die feste Abstützung der Gitterelektrode mit Bezug auf die Kathode eine Modulation durch Mikrophonievibrationen und verhindert Kurzschlüsse durch Verformung der Gitterstruktur.

Fig. 4 zeigt ein Elektronenstrahlerzeugungssystem nach der Erfindung;, das so abgewandelt ist, daß es einen gittergesteuerten linearen Elektronenstrahl zur Verwendung in einem Klystron oder einer Handerfeldröhre liefert. Die Kathode 10" hat eine konkave, sphärische Emissionsfläche 12", um die Elektronen in einem Strahl zu konvergieren_s der erheblich kleinere Fläche hat als die Kathode 10". Das Gitter 42" ist an die Kathode 10" genau wie im Fall der Planartriode nach Fig.3 gebondet oder an dieser befestigt. Eine Bornitridschicht 26" wird als sphärische Kappe geformt;, beispielsweise durch chemischen Niederschlag aus dem Dampf;, und das zusammengesetzte Gi\ :r 42" wird dann hergestellt-, wie oben für ein planares Gitter beschrieben. Andere Teile des Elektronenstrahlerzeugungssystems sind ähnlich denen der Trioden nach Fig. 3₉ nur daß die Anode 54 eine einspringende Elektrode ist, symmetrisch um die Strahlachse., und eine Zentral öffnung 56 aufweist_B durch die der Elektronenstrahl 58 hindurchtntt_s um in der Mikrowellenröhre verwendet zu werden. ■ . -

Es wurde festgestellt, daß die Unterdrückungsschicht für Glühemission aus Bornitrid nach der Erfindung in einer extrem effektiven Unterdrückung der Glühelektrodenemission von der Oberfläche von Gittern mit vielen öffnungen resultiert«, selbst wenn diese in Kontakt mit der Stirnseite der Kathode stehen,, wenn diese Boraitridschicht über die bevorzugte Gitterschicht 18 geschichtet wird₉ die aus etwa -

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1 rail (0,025 mm) pyrolytischem Graphit besteht. Tatsächlich war nach mehr als 1.500 Betriebsstunden in einer Röhre entsprechend der in Fig. 4 dargestellten keine meßbare Gliihemission vom Gitter vorhanden. In Experimenten unter Verwendung einer ähnlichen Schicht aus Bornitrid über anderen Steuergittermaterialien, wie den Metallen Wolfram oder Molybdän, war die anfängliche Unterdrückung der Glühemission vom Gitter ebenfalls ausgezeichnet, wenn auch die Glühemission mit längerem Betrieb der Röhre stieg.

Vermutlich ist dieses ausgezeichnete Verhalten des Bornitrids als Glühemissions-Unterdrückungsschicht auf die Tatsache zurückzuführen, daß Barium und seine Verbindungen, die kontinuierlich von der Kathodenoberfläche freigegeben werden, scheinbar nicht an Bornitrid kleben bleiben, wenigstens bei den Temperaturen, die im normalen Röhrenbetrieb auftreten. Die weitere Verbesserung des BetriebsVerhaltens von Boraitnd-Unterdrückungsschichten, wenn diese über Steuergitterschichten aus pyrolytischem Graphit geschichtet werden, kann derzeit nicht erklärt werden.

Da viele andere Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung für den Fachmann leicht ersichtlich sind;, sind die obigen Beispiele nur als I11ustrationen_s nicht als Einschränkung aufzufassen. Insbesondere können Glühemissions-Unterdrückungsschichten aus Bornitrid voraussichtlich in Elektronenröhren und anderen ähnlichen Einrichtungen vielfach verwendet werden.

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Claims

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Patentansprüche

ίIj Steuergitter für eine Glüh-Elektronenquelle in Form einer leitenden Schicht mit vielen öffnungen, die elektrisch von der Glühkathode isoliert ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 27 19 660.7) dadurch gekennzeichnet, daß die der Kathode ferne Oberfläche der leitenden Schicht mit einer Schicht Bornitrid beschichtet ist, so daß die Glühelektronenemission von dieser fernen Fläche durch die Bornitridschicht verhindert ist.
2. Steuergitter nach Anspruch 1, das aus einer mit Offnungen versehenen elektrisch isolierenden Schicht zwischen der leitenden Schicht und der Kathodenemissionsfläche besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Klemmeinrichtungen vorgesehen sind, mit denen das Steuergitter gegen die Elektronenemissionsfläche der Kathode gespannt wird.
3. Steuergitter nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht eine Kohlenstoffschicht ist.
4. Steuergitter nach Anspruch 3_a dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus pyrolytischem Graphit besteht.
5. Steuergitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die Bornitridschicht eine Dicke von 1 Mikron oder weniger hat„