DE3238817A1

DE3238817A1 - ELECTRONIC TUBES AND STOCK CATHODE WITH IMPREGNATION OF HIGH EMISSION CAPACITY

Info

Publication number: DE3238817A1
Application number: DE19823238817
Authority: DE
Inventors: Louis Raymond 90291 Marina Del Ray Calif. Falce
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-10-29
Filing date: 1982-10-20
Publication date: 1983-05-11
Also published as: FR2515869A1; GB2109157A; IT1155407B; JPS5880235A; IT8223938A0

Description

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Beschreibungdescription

Die Erfindung bezieht sich auf thermionische Elektronenröhren, insbesondere zur Verwendung bei Mikrowellenfrequenzen, z.B. Vorratskathoden vom M- und B-Typ zur Verwendung bei solchen Röhren»The invention relates to thermionic electron tubes, particularly for use at microwave frequencies, e.g. supply cathodes of the M and B type for use with such tubes »

Im allgemeinen werden die Leistung und die Lebensdauer bei solchen Röhren durch die thermionische Emissionsdichte und die Haltbarkeit der beheizten Kathoden eingeschränkt. Es läßt sich berechnen, daß die Kathodenemissionsdichte zu einer der fünften Potenz entsprechenden Vergrößerung bezüglich der verfügbaren Ausgangsleistung einer solchen Röhre führt, wenn man annimmt, daß die Emissionsdichte den begrenzenden Faktor bildet, und daher ermöglicht es eine Kathode, die sich mit hoher Emissionsdichte betreiben läßt, Elektronen.kanonen und Elektronenoptiken zu konstruieren, bei denen sich kleinere Werte der Strahlkonvergenz ergeben, so daß sich ein besseres Betriebsverhalten erreichen läßt» Ein weiteres Erfordernis besteht insbesondere bei mit Gittern versehenen Elektronenkanonen darin, daß die Kathode höhere Werte der Emissionsdichte bei niedrigeren Temperaturen aufweisen soll, als sie normalerweise bei bekannten Kathoden mit einer imprägnierten Wolframmatrix gegeben sind, z»B» Kathoden vom B-und M-Typ.In general, the performance and the lifespan are at such tubes are limited by the thermionic emission density and the durability of the heated cathodes. It leaves calculate the cathode emission density to a power of five with respect to the available Output power of such a tube, if one assumes that the emission density is the limiting factor, and therefore it enables a cathode which can be operated with high emission density, electron guns and electron optics to construct in which smaller values of the beam convergence result, so that a better operating behavior can achieve »Another requirement is particularly in the case of electron guns provided with grids that the cathode should have higher values of emission density at lower temperatures than it does are normally given in known cathodes with an impregnated tungsten matrix, for example, cathodes of the B and M types.

Es ist bekannt, durch Aufdampfen Überzüge aus bestimmten Metallen, z.B. Osmium oder Iridium, auf der Oberfläche von Kathoden vom M-Typ zu erzeugen» Solche Überzüge führen zu einer Verringerung der Austrittsarbeit, und liefern eine verbesserte Emission, doch sind die Materialkosten hoch, und das Aufbringen im Wege des Zerstäubens ist teuer» Abgesehen vonIt is known to produce coatings from certain by vapor deposition To produce metals, e.g. osmium or iridium, on the surface of M-type cathodes »Such coatings lead to a reduction in the work function, and provide an improved Emission, but the cost of materials is high and atomization is expensive »Aside from

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den zusätzlichen Kosten des Aufsprühens solcher Filme, beschränkt sich die Nutzbarkeit der effektiven Verbesserung der Emission auf Temperaturen oberhalb von 1O75°C, wodurch wiederum die nutzbare Lebensdauer der Röhren verringert wird.the additional cost of spraying such films the usefulness of the effective improvement of the emission to temperatures above 1075 ° C, which in turn the useful life of the tubes is reduced.

Ferner ist es bekannt, diese speziellen Metalle, insbesondere Iridium, als Bestandteil der Matrix selbst zu verwenden, z.B. durch Mischen eines Prozentsatzes an teilchenförmigen! Iridium mit den Wolframteilchen der Matrix. Hierzu sei insbesondere verwiesen auf die De-OS 27 27 187. Zwar lassenIt is also known to use these special metals, particularly iridium, as part of the matrix itself, e.g. by mixing a percentage of particulate! Iridium with the tungsten particles of the matrix. For this purpose, in particular referred to the De-OS 27 27 187th Admittedly leave

sich sehr gute Ergebnisse erzielen, dochget very good results, yes

die erforderlichen optimalen Mengen an teilchenförmigen! Iridium oder anderen speziellen Metallen, die der Matrix beigefügt werden, führen zu einer erheblichen Steigerung der Kosten der Kathoden, da die genannten teilchenförmigen Materialien sehr teuer sind.the required optimal amounts of particulate! iridium or other special metals added to the matrix lead to a significant increase in costs the cathodes, since the particulate materials mentioned are very expensive.

Daher wäre es sehr erwünscht, eine verbesserte Vorratskathode von hohem Emissionsvermögen und eine damit ausgerüstete thermionische Elektronenröhre zu schaffen, bei der die vorstehend geschilderten Nachteile und Einschränkungen vermieden sind.Therefore, it would be very desirable to have an improved high emissivity supply cathode and a thermionic one equipped therewith To create an electron tube in which the disadvantages and limitations described above are avoided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorratskathode von hohem Emissionsvermögen und eine Elektronenröhre zu schaffen, die im Vergleich zu den bis jetzt bekannten Kathoden eine längere Lebensdauer erreichen, ohne daß eine kostspielige Matrix aus einem zur Verbesserung dienenden speziellen Metall verwendet wird. Ferner soll die Leistung einer Vorratskathode vom M-Typ und der zugehörigen Röhre. dadurch verbessert werden, daß Iridium oder ein anderes die Emission verbesserndes Material auf eine wirtschaftlichere Weise verwendet wird, wobei man bekannte Verfahren zum Herstellen von B-und M-Kathoden -anwenden kann.The invention is based on the object of providing a supply cathode of high emissivity and an electron tube, which, compared to the cathodes known up to now, achieve a longer service life without the need for an expensive matrix made of a special metal used for improvement. Further, the performance of an M-type supply cathode and the associated tube. can be improved by adding iridium or other emission-improving material to a more economical way is used, one can use known methods of making B and M cathodes.

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Auch soll die Notwendigkeit der Verwendung spezieller Beschichtungen sowie die Verwendung des Verbesserungsmaterials in Teilchenform in der Matrix in größeren Mengen vermieden werden. Ferner soll eine erhöhte Emissionsdichte bei niedrigeren Temperaturen als bei den bekannten imprägnierten Wolframkathoden erzielt und eine hohe Emissionsdichte erreicht vecdsn, die es ermöglicht, Elektronenkanonen und Elektronenoptiken mit kleineren Verhältnissen der Strahlkonvergenz zu konstruieren. Auch soll eine Vorratskathode von hohem Emissionsvermögen geschaffen werden, die während ihrer nutzbaren Lebensdauer mit einer gleichmäßigen Leistung arbeitet, wobei gleichzeitig die Lebensdauer der Kathode erheblich verlängert wird»Also said to be the need to use special coatings and the use of the enhancement material in particulate form in the matrix in larger amounts can be avoided. Furthermore should an increased emission density achieved at lower temperatures than with the known impregnated tungsten cathodes and vecdsn achieves a high emission density, which makes it possible Construct electron guns and electron optics with smaller beam convergence ratios. Also should be a Supply cathodes of high emissivity are created, which over their useful life with a uniform Power works, while at the same time the service life of the cathode is significantly extended »

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß es nicht erforderlich ist, das Metall, z„B«, Iridium, mittels dessen die Emission verbessert wird, in metallischer Form zu verwenden, wie es bis jetzt üblich ist. Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, kleinere Mengen dieses die Emission verstärkenden Materials als Bestandteil des eigentlichen Imprägnierungsmittels vorzugsweise in Form seines Oxides zu verwenden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden stöchiometrische Mengen des die Emission verstärkenden Metalloxids in Form eines Pulvers innig mit einem pulverförmigen alkalischen Erdaluminat gemischt, woraufhin das Gemisch erhitzt wird, um eine Interoxidverbindung zu erzeugen,. Dann wird die Kathode auf bekannte Weise hergestellt, z»B» dadurch, daß man das Interoxid-Imprägnierungsmittel auf seinen Schmelzpunkt bringt und es ihm ermöglicht, eine z»B_o aus Wolfram oder Molybdän bestehende Matrix zu imprägnieren. Das Imprägnierungsverfahren ist im wesentlichen das gleiche wie das gegenwärtig bei der Herstellung von Vorratskathoden angewendete. Da der die Emission verstärkende Bestandteil bereits einen Teil des Imprägnierungsmittels bildet, steht ständig ein Vorrat zur Verfugung, so daß eine Wanderung zu der Emissionsfläche stattfinden kann, und es ist möglich, eine lange Lebensdauer, eine hoheThe invention is based on the discovery that it is not necessary to use the metal, e.g. "B", iridium, by means of which the emission is improved, in metallic form, as has been customary up to now. It has been found that it is possible to use smaller amounts of this emission-enhancing material as a component of the actual impregnating agent, preferably in the form of its oxide. In one embodiment of the invention, stoichiometric amounts of the emission-enhancing metal oxide in the form of a powder are intimately mixed with a powdered alkaline earth aluminate, whereupon the mixture is heated to produce an interoxide compound. The cathode is then manufactured in a known manner, for example by bringing the interoxide impregnation agent to its melting point and allowing it to impregnate a matrix consisting _{, for example, of tungsten or molybdenum.} The impregnation process is essentially the same as that currently used in the manufacture of supply cathodes. Since the emission-enhancing component already forms part of the impregnating agent, a supply is always available so that migration to the emission surface can take place, and it is possible to have a long service life, a high one

Stabilität und eine Verbesserung des Emissionsvermögens zu erzielen.Stability and an improvement in emissivity too achieve.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to schematic drawings. It shows:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Bestandteile einer erfindungsgemäßen Kathode sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung;1 shows the components of a cathode according to the invention and the method in a schematic representation for their manufacture;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt eines fertigen Kathodenemissionselements nach dem Abschluß der Imprägnierung und der Fertigstellung für den Gebrauch;Fig. 2 is an enlarged partial section of a finished cathode emission element after completion of impregnation and completion for use;

Fig. 3 einen Axialschnitt einer vollständig montierten Knopfkathode mit einem Heizring nach der Erfindung;3 shows an axial section of a fully assembled button cathode with a heating ring according to the invention;

Fig. 4 einen Axialschnitt eines Klystrons mit einer thermionischen Kathode nach der Erfindung; und4 shows an axial section of a klystron with a thermionic one Cathode according to the invention; and

Fig. 5 ein Kurvenschaubild zum Vergleichen einer Kathode bekannter Art mit einer Kathode nach der Erfindung.Fig. 5 is a graph comparing a cathode of a known art Kind with a cathode according to the invention.

In Fig. 1 sind in schematischer Darstellung und einem erheblich vergrößerten Maßstab die Bestandteile einer erfindungsgemäßen Kathode dargestellt, bei denen es sich um das genannte Aluminat und die Matrix handelt, die mit dem Aluminat imprägniert wird. Die Matrix besteht aus Teilchen 10 aus Wolfram oder Molybdän oder einem anderen hochschmelzenden Metall. Wenn die Kosten keine Rolle spielen würden, könnte man als Matrixmaterial Iridium oder dergl. verwenden. Ferner kann man als Matrix ein Gemisch aus Teilchen, z.B. Wolfram- und Molybdänteilchen verwenden, wie es bei 12 angedeutet ist. Die Metallteilchen haben vorzugsweise eine Größe von 2 bis 8 Mikrometer, und wenn mehrere Metalle verwendet werden, werden sie ent-In Fig. 1, in a schematic representation and on a considerably enlarged scale, the components of an inventive Shown cathode, which is the said aluminate and the matrix that is impregnated with the aluminate will. The matrix consists of particles 10 made of tungsten or molybdenum or another refractory metal. if the costs would play no role, one could use iridium or the like as matrix material. You can also use Matrix use a mixture of particles, e.g., tungsten and molybdenum particles, as indicated at 12. The metal particles are preferably 2 to 8 microns in size, and if multiple metals are used they will be

sprechend dem angedeuteten Arbeitsschritt 14 gemischt, so daß man eine gleichmäßige Dispersion erhält. Danach werden die Teilchen komprimiert und in einem ausreichenden Ausmaß gesintert, so daß sich die Teilchen miteinander verbinden und ein selbsttragendes Matrixgefüge bilden. Dieses Gefüge enthält zahlreiche Zwischenräume oder Poren, die über alle Teile der Metallmatrix verteilt und miteinander verbunden sind, so daß eine Wanderung des Imprägnierungsmittels in der nachstehend beschriebenen Weise zu der Elektronenemissionsfläche stattfinden kann. Gewöhnlich werden die Matrixteil- mixed in accordance with the indicated step 14, so that a uniform dispersion is obtained. After that will be the particles are compressed and sintered to a sufficient extent that the particles bond together and form a self-supporting matrix structure. This structure contains numerous interstices or pores over all Parts of the metal matrix are distributed and interconnected, so that a migration of the impregnating agent in the manner described below can take place to the electron emission surface. Usually the matrix part

2 chen einem Druck von etwa 3500 kg/cm ausgesetzt, während sie einer Sintertemperatur ausgesetzt werden, die ausreicht, um die einander benachbarten Teilchen miteinander zu verbinden. Nach der Fertigstellung der Matrix wird die Elektronen emittierende Fläche auf bekannte Weise maschinell mit einer ebenen Fläche versehen.2 surfaces exposed to a pressure of about 3500 kg / cm while being exposed to a sintering temperature sufficient to to connect the neighboring particles to each other. After the completion of the matrix, the electron-emitting one will be Provide the surface with a flat surface by machine in a known manner.

Das Imprägnierungsmittel wird aus bei der Herstellung von Vorratskathoden gebräuchlichen Materialien hergestellt, denen ein aus der Gruppe Iridium und Rhenium gewähltes Metall vorzugsweise in Form seines Oxids zugesetzt wird. Diese Materialien werden gemäß Fig. 1 entsprechend dem Arbeitsschritt 18 in Form von Pulvern gemischt, so daß man eine gleichmäßige Dispersion erhält. Vorzugsweise enthält das Imprägnierungsmittel Bariumcarbonat, Aluminiumoxid, Kaliumcarbonat und ein die Emission verbesserndes Metall (Oxid), das aus der vorstehend genannten Gruppe von Materialien gewählt ist. Wie weiter unten näher erläutert, werden die Mengen dieser Materialien entsprechend den stöchiometrischen Mengen gewählt, so daß beim nachfolgenden Brennen eine Interoxidverbindung entsteht, von der angenommen wird, daß sie eine gleichmäßige und teilchenförmige chemische Struktur hat. Dieses Gemisch wird gemäß dem Arbeitsschritt 19 bei einer über seinem Schmelzpunkt liegenden Temperatur von z„B. HOO⁰C während einer Zeit gebrannt, die ausreicht, um eine vollständige Entkarbonisierung des Gemisches und die Bildung der InteroxidverbindungThe impregnating agent is made from materials customary in the manufacture of supply cathodes, to which a metal selected from the group of iridium and rhenium is added, preferably in the form of its oxide. These materials are mixed according to FIG. 1 in accordance with step 18 in the form of powders, so that a uniform dispersion is obtained. The impregnating agent preferably contains barium carbonate, aluminum oxide, potassium carbonate and an emission-improving metal (oxide) which is selected from the group of materials mentioned above. As will be explained in more detail below, the amounts of these materials are chosen according to the stoichiometric amounts so that an interoxide compound is formed during subsequent firing which is believed to have a uniform and particulate chemical structure. According to step 19, this mixture is produced at a temperature above its melting point of e.g. HOO ⁰ C for a time sufficient for a complete decarbonization of the mixture and the formation of the interoxide compound

V U 1* ι* ν -· W . ^Γ VU * 1 * ι ν - * W. ^Γ

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herbeizuführen, die sich durch die Formel BaO.Al«On.CaO„MO ¹X darstellen läßt.to bring about, which can be represented by the formula BaO.Al «On.CaO» MO ¹ X.

Die genaue chemische Formel, die sich beim Brennen dieses Gemisches zur Erzeugung einer Interoxidverbindung ergibt, ist nicht bekannt, doch wird angenommen, daß physikalische Nachweise andeuten, daß es sich um ein Eutektikum handelt und daß eine Formel der vorstehenden allgemeinen Art das resultierende Material repräsentiert. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Materials, insbesondere der Matrix, sind noch nicht geklärt, jedoch hat es sich gezeigt, daß die damit hergestellte Kathode einerseits eine erheblich verbesserte Emission aufweist und daß man andererseits nur eine kleine Menge des die Emission verbessernden Metalls benötigt. Ferner wird diese Verbesserung erzielt, indem das betreffende Metall physikalisch und chemisch in das Imprägnierungsmittel ...in Gestalt eines Interoxids eingebaut wird, wobei es sich in den Zwischenräumen der Kathode selbst befindet und nicht etwa in metallischer Form, d.h. als Oberflächenbeschichtung oder als teilchenförmiger Metallftestandteil der Matrix vorliegt, wie es bekannt ist. ~. Aus den genannten Gründen arbeitet die erfindungsgemäße Kathod.e, ohne daß das zur Verbesserung der Emission dienende Metall dadurch verloren geht, daß es von einem Oberflächenüberzug an der Emissionsfläche versprüht wird, z.B. durch eine Lichtbogenbildung als Folge eines Beschüsses mit positiven Ionen, und es ist auch nicht erforderlich, das betreffende Metall in der Matrix selbst zu verwenden, wo man eine Diffusion durch das Imprägnierungsmittel hindurch vorsehen müßte, wobei es gleichzeitig erforderlich ist, eine größere Menge des aktiven Materials zu verwenden.The exact chemical formula that will result when this mixture is fired to produce an interoxide compound is not known, but it is believed that physical evidence indicates that it is a eutectic and that a formula of the general type above represents the resulting material. The physical and chemical Properties of this material, especially the matrix, are not yet clarified, but it has been shown that the cathode produced with it, on the one hand, is considerably improved Has emission and that, on the other hand, only a small amount of the emission-improving metal is required. Further This improvement is achieved by physically and chemically incorporating the metal in question into the impregnant ... in shape an interoxide is incorporated, it being in the Gaps between the cathode itself and not in metallic form, i.e. as a surface coating or as a particulate metal component of the matrix is present, such as it is known. ~. For the reasons mentioned, the Kathod.e according to the invention works without improving the Emission-serving metal is lost in that it is sprayed from a surface coating on the emission surface e.g. by arcing as a result of fire with positive ions, and it is also not necessary to use the metal in question in the matrix itself, where one would have to provide for diffusion through the impregnating agent, which at the same time is required is to use a larger amount of the active material.

Nachdem der imprägnierte Körper erzeugt worden ist, wird die alkalische Erdaluminatverbindung in Form des Interoxids, die das Emissionsverstärkungsmetall enthält, zum Schmelzen gebracht, so daß es fließfähig wird, um die Poren der MatrixAfter the impregnated body has been produced, the alkaline earth aluminate compound in the form of interoxide, which containing the emission enhancement metal, melted so that it becomes flowable around the pores of the matrix

6AD ORJGlMAL6AD ORJGlMAL

"'.-Γ=, i Π. X O 323^B-Τ7"'.-Γ =, i Π. X O 323 ^ B-Τ7

auszufüllen* Nach dem Abkühlen wird das überschüssige Aluminat auf mechanischem Wege von der Emissionsfläche entfernt, so daß man eine fertige Knopfkathode erhält, die im wesentlichen 'ein Gefüge hat, wie es in Fig» 2 dargestellt ist; die Emissionsflächen sind in Fig. 2 mit 22a bezeichnet. Das Knopfkathodenelement ist jetzt bereit, in eine Elektronenröhre, z.B. ein Klystron, eingebaut zu werden.to fill in * After cooling, the excess aluminate mechanically removed from the emission surface, so that a finished button cathode is obtained which essentially 'has a structure as shown in Fig. 2; the Emission areas are denoted by 22a in FIG. 2. The button cathode element is now ready to be built into an electron tube, e.g. a klystron.

In Fig. 3 ist in einem Axialschnitt eine vollständige knopfförmige Kathode zur Verwendung zu dem genannten Zweck dargestellt. Die Matrix 22 aus Metall ist in einer zylindrischen Hülse 24 aus Wolfram oder Molybdän angeordnet, die mit einer querliegenden Platte 26 als Unterstützung für die Kathode versehen ist. Um eine indirekte Beheizung der Kathode zu bewirken, ist ein bifilares Heizelement 28 vorhanden, das z.B. aus Wolfram besteht. Das Heizelement 28 kann gemäß Fig. 3 als selbsttragendes Element auf Füßen 29 angeordnet oder mit einer isolierenden Beschichtung aus Aluminiumoxid versehen sein und sich an der Innenfläche der Hülse abstützen. Die Platte 26 schützt das Heizelement 28 gegen das aktive Material. Die Matrix 22 kann direkt in die Hülse eingepreßt werden, doch ist es auch möglich, den Imprägnierungsschritt nach dem Einbauen der Matrix in die Hülse durchzuführen. Bevor Beispiele für die Herstellung der Kathode gegeben werden, wird im folgenden auf die Verwendung einer solchen Kathode bei einem Klystronverstärker eingegangen.In Fig. 3 is a complete button-shaped in an axial section Cathode shown for use for the stated purpose. The matrix 22 made of metal is arranged in a cylindrical sleeve 24 made of tungsten or molybdenum, which is provided with a transverse plate 26 as a support for the cathode is provided. To bring about indirect heating of the cathode, there is a bifilar heating element 28 made of, for example, tungsten. The heating element 28 can according to FIG. 3 as self-supporting element arranged on feet 29 or provided with an insulating coating of aluminum oxide and support themselves on the inner surface of the sleeve. The plate 26 protects the heating element 28 against the active material. The matrix 22 can be pressed directly into the sleeve, however it is also possible to carry out the impregnation step after the matrix has been built into the sleeve. Before examples for the manufacture of the cathode are given below on the use of such a cathode in a Klystron Amplifier Received.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer Klystronverstärker mit einer Kathode der vorstehend beschriebenen Art dargestellt. Zu ihm gehört ein thermionischer Emitter 22 der anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen Art, der durch einen in eine isolierende Hülse 30 eingebauten Schaft 24a unterstützt wird. Die Kathode 22 wird durch die Strahlung eines Heizfadens 28 beheizt, der durch Füße 29 vom unteren Teil der isolierenden Abdichtung 32 des Röhrenkolbens aus unterstützt wird. Ein4 shows a klystron amplifier according to the invention with a cathode of the type described above. It includes a thermionic emitter 22 of the type described with reference to FIGS. 1 to 3, which is converted into an insulating Sleeve 30 built-in shaft 24a is supported. The cathode 22 is exposed to radiation from a filament 28 heated, which is supported by feet 29 from the lower part of the insulating seal 32 of the piston tube. A

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Elektronenstrom 34 wird von der Stirnfläche 22a des Kathodenemitters 22 durch eine gegenüber dem Emitter positive Spannung in Richtung auf die Anode 38 abgezogen. Der Elektronenstrahl 34 wird durch ein konvergierendes elektrisches Feld in die Form eines konvergierenden Strahls mit dem Durchmesser b gebracht und durchläuft eine Öffnung 40 der Anode 38, von wo aus er längs eines Wechselwirkungstunnels 42 mit dem Durchmesser a übertragen wird. Ein Elektromagnet 44 erzeugt ein axiales Magnetfeld zwischen eisernen Pol schuhen 46, um den Elektronenstrahl 34 in seiner zylindrischen Form zu halten. Nach dem Verlassen des Magnetfeldes breitet sich der Strahl unter der Wirkung seiner eigenen abstoßenden Raumladungskräfte aus, um dann durch einen Kollektor 48 aus Metall abgefangen zu werden.Electron flow 34 is generated from the end face 22a of the cathode emitter 22 is withdrawn in the direction of the anode 38 by a voltage that is positive with respect to the emitter. The electron beam 34 is converted into the shape of a converging beam with the diameter by a converging electric field b brought and passes through an opening 40 of the anode 38, from where it runs along an interaction tunnel 42 with the diameter a is transmitted. An electromagnet 44 generates an axial magnetic field between iron pole shoes 46 to the To keep electron beam 34 in its cylindrical shape. After leaving the magnetic field, the beam spreads under the action of its own repulsive space-charge forces to be intercepted by a collector 48 made of metal.

Längs einer Laufzeitröhre 42 sind Wechselwirkungsspalte 50, 51 und 52 angeordnet, die zwischen einander zugewandten Ansätzen 54, 55 und 56 von Hohlräumen 58, 59 und 60 liegen, welche durch Wände aus Metall abgegrenzt und bei Frequenzen in der Nähe der gewünschten Betriebsfrequenz in Resonanz korn men. Der erste Hohlraum 58 wird durch eine gekoppelte Übertragungsleitung 62 von einer nicht .dargestellten äußeren Signalquelle aus erregt. Das hierbei an dem Spalt 50 erzeugte elektrische Resonanzfeld bewirkt eine Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls 34. Wenn der Strahl die Laufzeitröhre 42 durchläuft, erzeugt die Geschwindigkeitsmodulation Bündel von Elektronen, d.h. eine Strommodulation. Der mittlere "schwimmende" Hohlraum 59 wird durch die Strommodulation erregt und ruft seinerseits eine verstärkte Geschwindigkeitsmodulation hervor. Die verstärkte Wechselspannungskomponente des Stroms induziert Wandströme in dem Ausgangshohlraum 60, wo die verstärkte Mikrowellenenergie über einen gekoppelten Ausgangshohlleiter 64 abgezogen wird.Along a transit time tube 42 are interaction gaps 50, 51 and 52 are arranged, which are located between mutually facing lugs 54, 55 and 56 of cavities 58, 59 and 60, which are delimited by metal walls and korn men in resonance at frequencies close to the desired operating frequency. The first cavity 58 is formed by a coupled transmission line 62 excited by an external signal source not shown. That generated at the gap 50 electric resonance field causes a speed modulation of the electron beam 34. When the beam passes the time tube 42, the velocity modulation generates bundles of electrons, i.e. a current modulation. The middle one "Floating" cavity 59 is excited by the current modulation and in turn calls for an increased speed modulation emerged. The amplified AC component of the current induces wall currents in the output cavity 60, where the amplified microwave energy is extracted via a coupled output waveguide 64.

Die Leistung, die durch eine Röhre wie das Klystron nach Fig. 4 erzeugt wird, ist natürlich auf einen Wert begrenzt,The power generated by a tube like the klystron of Fig. 4 is of course limited to a value

BAD"ORIGINAL BATH " ORIGINAL

λ ς_ λ ς_

der niedriger ist als die Gleichspannungsleistung in dem Strahl, aus dem die Mikrowellenenergie durch eine Umwandlung gewonnen wird. Der Durchmesser b des Strahls 34 muß kleiner sein als der Durchmesser a der Laufzeitröhre 42. In der Praxis gilt als typischer Wert b =(2/3)a.which is lower than the DC power in the beam from which the microwave energy is converted is won. The diameter b of the beam 34 must be smaller than the diameter a of the travel time tube 42. In practice The typical value is b = (2/3) a.

Der Durchmesser a der Laufzeitröhre muß hinreichend klein sein, um eine wirksame Kopplung zwischen den elektrischen Mikrowellenfeldern und dem Strahl 34 zu bewirken. Somit richtet sich ihr maximaler durchmesser nach der elektronischen Wellenlänge des Strahls, d.h·. der Strecke, welche die Elektronen des Strahls während eines Hochfrequenszyklus zurücklegen. Auf der Basis einer mathematischen Untersuchung der Wirkungsweise eines Klystrons läßt sich zeigen, daß sich die verfügbare Energie entsprechend der fünften Potenz der Kathodenemissionsdichte vergrößert. Somit führt jede Verbesserung der Emissionsdichte zu einer außerordentlichen Vergrößerung der der Röhre entnehmbaren Leistung. Beispielsweise führt schon eine Vergrößerung der Emissionsdichte um den Faktor 2 zu einer Vergrößerung der Leistung um den Faktor 32. Zu den Konstruktionsmerkmalen von Klystronröhren, durch die eine solche Leistungssteigerung ermöglicht wird, gehören, für eine höhere Beschleunigungsspannung zu sorgen, für zusätzliche Isolierung und Abhaltefähigkeit ,sowie für zusätzliche Kühlung.The diameter a of the travel time tube must be small enough for an effective coupling between the electrical To effect microwave fields and the beam 34. Thus sets up Their maximum diameter depends on the electronic wavelength of the beam, i.e. the distance the electrons take of the beam during a high frequency cycle. On the basis of a mathematical study of the How a klystron works can be shown that the available energy corresponds to the fifth power of the cathode emission density enlarged. Thus, any improvement in emission density leads to an extraordinary increase the power that can be drawn from the tube. For example, an increase in the emission density by a factor of 2 leads to this to an increase in performance by a factor of 32. Among the design features of klystron tubes, through the one such an increase in performance is made possible include providing a higher acceleration voltage, for additional insulation and containment, as well as for additional cooling.

example

Das nachstehende Beispiel veranschaulicht die Rezeptur des Interoxidverbindungs-Imprägniermittels, wobei auch die Ergebnisse von Prüfungen angegeben sind. Dieses Beispiel gilt für die Verwendung von Iridium. Stöchiometrische Mengen von Barium- und Kalziumcarbonaten, Iridiumoxid und Aluminat wurden in den nachstehend genannten Mengen gemischt: Aluminat 6, Bariumcarbonat 1, Kaliumcarbonat 1 und Iridiumoxid 1. Nach dem Mischen wurde das Material in einem Heißluft-The following example illustrates the formulation of the interoxide compound impregnant, wherein the results of tests are also given. This example is for the use of iridium. Stoichiometric Quantities of barium and calcium carbonates, iridium oxide and aluminate were mixed in the following amounts: Aluminate 6, barium carbonate 1, potassium carbonate 1 and iridium oxide 1. After mixing, the material was in a hot air

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ofen vier Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 1100 und 120O⁰C gebrannt, so daß man eine Interoxidverbindung erhielt. Diese Verbindung wird in der nachstehend verwendeten Darstellung angegeben, da angenommen wird, daß sie sich mit einer metallischen Legierung vergleichen läßt, d.h. da die genannten Stoffe offenbar ein Eutektikum bilden, das einer Metallegierung sehr stark ähnelt. Man könnte die Bezeichnung somit wie folgt schreiben: BaCaA^O₃IrOc, wenn man diese Betrachtungsweise zugrundelegt. In jedem Fall bilden diese Oxide eine ausgeprägte Interoxidverbindung, da der Kohlenstoff und ein bestimmter Teil des Sauerstoffs ausgetrieben werden. Ana-. log hierzu ist es nicht ungebräuchlich, bei der Untersuchung keramischer Silikate oder anderer glasähnlicher Materialien die vorstehende Darstellung anzuwenden. Man kann das imprägnierte Material 20 als ein quaternäres System betrachten, was bedeutet, daß die Wechselwirkung eines solchen Systems von Oxidverbindungen in Form mehrerer Phasendiagramme dargestellt werden kann, wobei gezeigt werden kann, daß bestimmte Teilmengen jedes der Bestandteile in Abhängigkeit von den in Frage kommenden Mengen bestimmte Schmelzpunkte haben.Oven for four hours at a temperature between 1100 and 120O ⁰ C, so that an interoxide compound was obtained. This compound is given in the illustration used below because it is assumed that it can be compared with a metallic alloy, ie since the substances mentioned apparently form a eutectic which is very similar to a metal alloy. One could write the designation as follows: BaCaA ^ O ₃ IrOc, if one takes this point of view as a basis. In any case, these oxides form a distinct interoxide compound, as the carbon and a certain part of the oxygen are driven off. Ana-. In this regard, it is not uncommon to use the above description when examining ceramic silicates or other glass-like materials. The impregnated material 20 can be viewed as a quaternary system, which means that the interaction of such a system of oxide compounds can be represented in the form of several phase diagrams, it being possible to show that certain partial amounts of each of the constituents are dependent on the amounts in question have certain melting points.

In Fig. 5 wird die Emissionsdichte einer erfindungsgemäßen Kathode (gestrichelte Kurve) mit derjenigen einer Kathode üblicher ^rt (ausgezogene Kurve) verglichen. Gewöhnlich zeigen Kathoden bei zunehmender Temperatur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs eine Zunahme der Emissionsdichte, und jenseits dieses Temperaturbereichs führt eine weitere Steigerung der Temperatur nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der Emissionsdichte. Innerhalb des zuerst genannten Bereichs wird angenommen, daß sich der Vorgang innerhalb eines bezüglich der Temperatur begrenzten Bereichs abspielt, während danach ein durch Raumladungen begrenzter Bereich in Frage kommt. Beim praktischen Gebrauch von Kathoden ist es erwünscht, kurz oberhalb des zuerst genannten Bereichs zu arbeiten, damit eine maximale Emissionsdichte bei einer möglichst niedrigen Temperatur erreicht wird. In Fig. 5 entspricht die gestrichelteIn Fig. 5, the emission density of an inventive Cathode (dashed curve) compared with that of a cathode more usual (solid curve). Usually show Cathodes with increasing temperature within a certain temperature range an increase in emission density, and beyond in this temperature range, a further increase in temperature does not lead to a substantial increase in the emission density. Within the first-mentioned range, it is assumed that the process is within one of the Temperature limited range plays, while after that a range limited by space charges comes into question. At the In practical use of cathodes, it is desirable to work with it just above the first-mentioned range a maximum emission density is achieved at the lowest possible temperature. In Fig. 5 corresponds to the dashed line

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Kurve dem Betrieb einer erfindungsgemäßen Kathode innerhalb dieses erwünschten Bereichs kurz innerhalb des durch Raumladungen begrenzten Emissionsbereichs. Es ist ersichtlich, daß bei einer bestimmten Betriebstemperatur von z.B. 1050⁰C im Vergleich zu einer Wolframvorratskathode bekannter Art vom Typ B nahezu eine Verdoppelung der Emissionsausgangsdichte erzielt wird.Curve the operation of a cathode according to the invention within this desired range, just within the emission range limited by space charges. It can be seen that at a certain operating temperature of 1050 ^° C., for example, the emission output density is almost doubled in comparison with a type B tungsten storage cathode of known type.

Durch die Verwendung des zur Steigerung der Emissionsdichte dienenden metallischen Bestandteils als Teil des imprägnierten Materials lassen sich erhebliche Mengen dieses Materials einsparen. Im Vergleich zu der weiter oben genannten DE-OS 27 27 187, bei der die Matrix 80% der Kathode bildet, wovon 20% auf Iridium entfallen, wird gemäß der Erfindung das Iridium in seiner Oxidform verwendet, und zwar z.B. in einer Menge von nur 1/9 des Imprägniermaterials, das seinerseits einen Anteil von 20% bis 25% der Kathode bildet. Somit läßt sich die erzielte Leistung mit derjenigen vergleichen, die man erhält, wenn das zur Verbesserung der Emissionsdichte dienende Metall in der Matrix vorhanden ist, während man nur 15% der Menge des Materials benötigt, wenn dieses in der erfindungsgemäßen Weise eingesetzt wird.By using the metallic component, which is used to increase the emission density, as part of the impregnated Material can save considerable amounts of this material. Compared to the one mentioned above DE-OS 27 27 187, in which the matrix forms 80% of the cathode, 20% of which is iridium, is according to the invention Iridium is used in its oxide form, for example in an amount of only 1/9 of the impregnation material that in turn forms a proportion of 20% to 25% of the cathode. Thus, the performance achieved can be compared with that which is obtained if the metal used to improve the emission density is present in the matrix, while only 15% of the amount of material required when this is used in the manner according to the invention.

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Claims

3238817 German Patent Attorneys · European Patent Attorneys

Munich

Vl P-561 D

Varian Associates, Inc. Palo Alto, California,

U.SoA.U.SoA.

Electr on tube and supply cathode with impregnation of high emissivity

Priority: October 29, 1981 -. USA - Serial No. 316 247

Expectations

^r l.jCathode for use in an electron tube for generating a stream of electrons of high current density when heated, characterized by a matrix (22) consisting of compressed metal particles between which there are spaces which are evenly distributed over all parts of the matrix and give it a predetermined initial porosity, the matrix consisting of metal particles (10, 12) selected from the group consisting of tungsten and molybdenum and mixtures thereof, the matrix having been compacted and treated to intimate the metal particles To bring contact with one another in such a way that they are connected to one another in areas of contact, but the particles retain their discrete character in order to delimit the gaps between them and to create a considerable cavity.

to form volume, which is distributed over the entire matrix, as well as by an electron-emitting impregnation agent which fills the interstices of the matrix to form together with the matrix a solid cathode body with a negligibly low porosity, wherein the electron-emitting impregnation agent comprises an alkaline earth aluminate 'Has at least barium oxide'"and" additionally contains at least one metal oxide (MOp) selected from the group to which iridium and rhenium ^{oxides belong, the alkaline earth aluminate and} the metal oxide having been intimately mixed with one another and heated to a temperature , in which an interoxide compound is formed in which the various components form an alkaline earth oxide compound (which can be referred to as BaO.Al ₃ O ₃ .MOp), the cathode body further being provided with an electron emission surface which has a shape such that the filled spaces and the particulate Matri x during operation a multiplicity of exposed alkaline earth metal aluminate parts form which are distributed over the entire exposed surface of the matrix, the cathode being suitable for being heated to an electron emission temperature at which an interaction between the metal oxide and the alkaline earth aluminate takes place during operation, in order to reduce the work function for the emission of electrons at said surface, while preventing the emission-increasing metal from being sprayed from said surface, since it forms a structural component of the impregnation material and is distributed over the interstices of the cathode body.

2. Cathode according to claim 1, characterized in that the interstices distributed over the entire volume of the matrix are approximately 20% to 25% of the volume.

3. Cathode according to claim 1, characterized in that the alkaline earth aluminate is calcium barium aluminate.

4. Cathode for a microwave electron tube for generating a stream of electrons of high current density when heated, characterized by a matrix (22) of compressed metal particles (10, 12), between which spaces are present which are substantially uniform over all parts of the matrix are distributed so that the matrix initially has a predetermined porosity, the matrix consisting of metal particles selected from the group consisting of tungsten and molybdenum and mixtures thereof, the matrix having been densified and treated to produce the metal particles have been brought into intimate contact with one another in such a way that they have been connected to one another in areas of contact, but with the particles retaining their discrete character in order to form the aforesaid spaces between them and to form a considerable void volume distributed over the entire matrix, and an electron-emitting impregnant (20), which fills the interstices of the matrix in order to form, together with the matrix, a solid cathode body with a negligibly low porosity, the electron-emitting impregnation agent comprising an alkaline earth aluminate, at least one barium oxide and additionally at least one metal oxide (MO ₂ ) Contains metal selected from the group to which iridium and rhenium belong, wherein the alkaline earth aluminate and the metal oxide have been intimately mixed with one another and heated to a temperature at which an interoxide compound is formed, at which the various components form an alkaline earth oxide compound, which can be characterized as BaO.Al ₃ O ₃ »MO-, the cathode body also being provided with an electron-emitting surface which has such a shape that the filled spaces and the matrix formed from the particles are exposed to during operation a variety of exposed alkaline earth metal-aluminum parts n, distributed over the entire exposed area of the matrix, a means (28) for heating

ORIGINAL

the cathode to the electron emission temperature, where the emission enhancing metal and the alkaline earth aluminate Interact during operation to do the detailing for the electron emission at the said surface to decrease, while the said metal is prevented from doing so is to be sprayed from said surface, since it forms a structural part of the impregnation agent and is distributed over all parts of the cathode body, furthermore an anode (38) which is arranged at a distance from the cathode is to accelerate the emitted electrons and convert them into the shape of an electron beam directed at the anode to bring an interaction structure arranged in the tube, through which a modulation of the electron beam is brought about at microwave frequencies, as well as a device for extracting microwave energy from the Tube.

5. A microwave tube according to claim 4, characterized in that the interaction structure is of the klystron type and that the modulation is therefore a speed modulation.

6. Cathode for an electron tube for generating an electron beam of high current density when heated, characterized by a matrix composed of compacted Metal particles exist between which there are interstices extending over substantially all "parts of the matrix." are evenly distributed so that the matrix has a predetermined initial porosity, the matrix being made of metal particles selected from the group consisting of tungsten and molybdenum or mixtures thereof, the Matrix has been compacted and treated so that the metal particles have been brought into intimate contact with one another are, wherein the particles have been connected to one another in contact zones, but the particles are their discrete

BATH ORIGINAL

Maintained character in order to define gaps between them and to form a considerable void volume distributed over all parts of the matrix, as well as an electron-emitting impregnation agent which fills the gaps in the matrix to form, together with the matrix, a massive cathode body, which is a negligibly small one Has porosity, wherein the electron-emitting impregnation agent comprises an alkaline earth aluminate, has at least barium oxide and additionally contains at least one emission-increasing metal oxide (MOp), the metal being selected from the group to which iridium and rhenium belong, the alkaline earth aluminate and the metal oxide has been intimately mixed and heated to a temperature at which an interoxide compound is formed; in which the various constituents form an alkaline earth oxide compound (which can be characterized by the expression BaO.Al-O ₃ .MOp), the cathode body also being provided with an electron-emitting surface which has a shape such that the filled Interstices and the matrix consisting of the metal particles are exposed to form, during operation, a plurality of exposed alkaline earth metal aluminate parts which are distributed over the entire exposed surface of the matrix, the cathode being capable of being heated to an electron emission temperature at which the metal oxide and the alkaline earth aluminate interact during operation in order to reduce the work function for the electron emission at the said surface, the emission-increasing metal being prevented from being sprayed off the said surface, since it forms a structural component of the impregnating agent and over all intermediate äume of the cathode body is distributed, means for heating the cathode to an electron emission temperature at which the emission-increasing metal and the

Alkaline earth aluminate interact during operation, around the work function for the electron emission at the

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reduce said area, preventing the metal from being sprayed from said area, since it forms a structural component that is distributed over the entire cathode body, it also forms a 'at a distance from the cathode arranged anode for accelerating the electrons to form an electron beam directed at the anode and means for regulating the movement of the electron beam.