DE3603149A1

DE3603149A1 - Sekundaeremissions-kathode sowie mit einer solchen kathode ausgestattete roehre

Info

Publication number: DE3603149A1
Application number: DE19863603149
Authority: DE
Inventors: George H. Lexington Mass. MacMaster; Lawrence J. Burlington Mass. Nichols
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1985-02-01
Filing date: 1986-02-01
Publication date: 1986-08-07
Also published as: JPH0628138B2; JPS61181027A; NL8600235A; GB8601496D0; US4677342A; GB2170648A; GB2170648B

Description

Dorner + Hufnagel
Patentanwälte
Ortnitstraße 20
8000 München 8l

München, den 29- Januar l'-J'oo Anwaltsaktenz.: 2? - Pat. 37^

Raytheon Company, I¹H Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Sekundäremissions-Kathode sowie mit einer solchen Kathode

ausgestattete Röhre

Die Erfindung betrifft Sekundäremissions-Kathoden. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Sekundäremissions-Halbleiterkathode für eine Querfeldröhre hoher Leistung, die eine Kathode erfordert, welche hohe Stromdichten zu liefern vermag, sowie eine entsprechende Röhre.

v Bekannte Sekundäremissions-Kathoden mit isolierenden Dünnfilmschichten , die z.B. aus BeO, AlO oder MgO bestehen und Dicken von etwa 50 Angström haben, besitzen aufgrund des Tunneleffekts eine erhöhte Leitfähigkeit. Deshalb können sie hohe Stromdichten liefern (etwa 1 bis 10 A/cm-j), die eine Anwendung als Sekundäremissions-Kathoden in Querfeldröhren hoher Leistung ermöglichen. Diese Dünnfilmschichten erodieren jedoch unter dem Elektronenbombardement in relativ kurzer Zeit weg. Deshalb ist die Lebensdauer solcher Dünnfilmschichten, die vorzugsweise aus einem Material wie Magnesiumoxyd bestehen, bei der Anwendung in Hochleistungsröhren recht begrenzt. Sie benötigen außerdem bei der Herstellung eine sehr große Zeit für das Ausgasen der Röhre, damit sie bei hohen Leistungen eingesetzt werden können. Um die Lebensdauer der Kathode heraufzusetzen, sind dickere Kathodenschichten erwünscht. Das Ausgasungsproblem wird dadurch

3603U9

jedoch nicht verringert. Dickere Filmschichten bringen wiederum Probleme in bezug auf die effektive Leitfähigkeit mit sich. Dies führt zu Aufladeeffekten innerhalb der Filmschicht und zu einer Beeinträchtigung der verfügbaren Stromdichte im Vergleich zu derjenigen, die mit den sehr dünren Isolierstoff-Filmen erreichbar. Es wurde versucht, eine bessere elektrische Leitfähigkeit in Dickfilmschichten dadurch zu erreichen, daß man in den Isolierstoff-Film Metallpartikel einführt. Ein Beispiel für ein solches Material ist Magnesiumoxyd, das Goldpartikel enthält. Die Metallpartikel verbessern zwar die Leitfähigkeit des Materials, verschlechtern jedoch den Sekundäremissions-Koeffizienten in signifikanter Weise. Außerdem ist nicht zu erwarten, daß die durch den Zusatz von Metallpartikeln mögliche geringfügige Dickenvergrößerung tatsächlich zu einer langlebigen Kathode führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sekundäremissionskathode zu schaffen, die mit hoher Stromdichte betrieben werden kann, aufgrund ihrer verbesserten Leitfähigkeit die Verwendung einer dickeren und damit langlebigeren Kathode ermöglicht. Die Sekundäremissionskathode gemäß der Erfindung soll außerdem dem Elektronenbombardement, dem sie bei der Anwendung in einer Querfeld-Vakummröhre hoher Leistung ausgesetzt ist, gewachsen sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Kathode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Kathode gemäß der Erfindung sind in den Patentsprüchen 2 bis 7 beschrieben, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung verwiesen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine entsprechende Röhre zu schaffen, die hohe Leistungen bei gutem Impulsverhalten ermöglicht.

Der Patentanspruch 8 beschreibt eine mit einer Kathode gemäß der crfiiii/ci ausgestattete Quer feldröhre. In den weiteren Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Röhre beschrieben.
5

Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß die Ausgasungszeit einer Röhre mit einer Halbleiterkathode gemäß Anspruch 1 im Vergleich zu bekannten Kathoden relativ kurz ist, da die Halbleiterkathode im Gegensatz zu Dünnfilmoxyd-Kathoden keinen Sauerstoff enthält. Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß die mit einer solchen Kathode ausgestattete Röhre bei Impulsbetrieb einen Ausgangsimpuls liefert, der sich durch eine sehr kurze Anstiegszeit sowie dadurch auszeichnet, daß die Vorderflanke des Impulses in dem auf wenige Nanosekunden begrenzten Meßbereich keinen nachweisbaren Jitter aufweist.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist also, daß die Sekundäremissions-Kathode ein Halbleiter mit einem Sekundäremissions-Koeffizienten größer als eins ist. Ein Galliumarsenid-Halbleiter, der mit einer Verunreinigung dotiert ist, durch die seine Leitfähigkeit gegenüber der dem Galliumarsenid eigentümlichen Leitfähigkeit erhöht wird, erwies sich Sekundäremissions-Kathoden nach dem Stand der Technik gegenüber als überlegen für Querfeld-Verstärkerröhren hoher Leistung, die mit hohen Durchschnitts- und Spitzenströmen betrieben werden. Die Querfeld-Verstärkerröhre mit einer Galliumarsenid-Kathode gemäß der Erfindung liefert einen hochfrequenten Ausgangsimpuls, der im Vergleich zu einer gleichartigen Röhre mit einer herkömmlichen Sekundäremissions-Kathode eine sehr kurze Anstiegszeit und in der Vorderflanke verringerten Jitter aufweist.

f) Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene und teilweise aus-

361)3149

einandergezogene perspektivische Darstellung einer Querfeld-Verstärkerröhre mit einer Sekundäremissions-Halbleiterkathode gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt die Querfeld-Verstärkerröhre von Fig. 1 in einem Schnitt nach der Linie 2-2,

Fig. 3 zeigt die Sekundäremissions-Koeffizienten verschiedener Halbleiter-Materialien,

Fig. 4A, zeigen einige Parameter einer Querfeld-Verstärker-4B und 4C röhre gemäß der Erfindung.

Die in Figur 1 in perspektivischer, teilweise geschnittener und auseinandergezogener Ansicht dargestellten Querfeld-Verstärkerröhren 10 besitzt eine Halbleiterkathode 11 und eine Kathode 12. Letzterer ist ein Eingangs-Wellenleiter 13 und ein Ausgangs-Wellenleiter 14 zugeordnet. Die Anode umfaßt einen Hohlraum 15, der durch obere und untere Wandungen 16 bzw. 17, eine Außenwandung 18 und Rippen 28 gebildet ist, die parallel zur Symmetrieachse 190 der Röhre verlaufen. Die Rippen 28 erstrecken sich ferner in radialer Richtung und sind mit ihren Enden an der oberen und unteren Wandung 16 bzw. 17 befestigt. Jede Rippe 28 besitzt einen Ansatz 19, der sich ra- : dial erstreckt. Diese Ansätze 19 sind auf benachbarten Rip- j pen 28 in Längsrichtung gegeneinander versetzt, wobei die Ansätze abwechselnder Rippen in derselben Längsebene liegen. An den Ansätzen sind in den jeweiligen Längsebenen Ringe 20 zur Unterdrückung von Schwingungsmoden befestigt, die in Längs- j richtung gegeneinander versetzt sind, wobei diese Versetzung derjenigen der Ansätze 19 entspricht. Die Ringe 20 haben jeweils in dem Bereich zwischen dem Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter 13 bzw. 14 (nicht dargestellte) Lücken. Die Wellenleiter 13 und 14, die in Figur 1 in auseinandergezogener Darstel- | lung gezeigt sind, sind mit der Wandung 18 des Hohlraums 15 im j Bereich von in dieser Wandung 18 angebrachten Öffnungen 21 bzw.

22 Defestigt. Jeder der Wellenleiter 13 und 14 enthält einen
Keil 131 bzw. 141 zur Impedanzanpassung. Anstelle eines solchen Keils kann auch ein anderes Element, z. B. in Form einer abgestuften Schulter, verwendet werden. Jeder Keil 131 und 141 ist
über einen Draht 132 bzw. 142 mit einem jeweils verschiedenen der Ringe 20-^ bzw. 2O₂ (Figur 2) verbunden. Ein weiterer Draht 133,143 ist jeweils zwischen die Wellenleiter 13 bzw. 14 und den jeweils anderen Ring 2O₂ bzw. 20-, geschaltet. Da die Röhre 10 evakuiert ist, besitzt jeder Wellenleiter eine Vakuumdichtung 134 (Figur 2). An der oberen Wandung 16 und der unteren Wandung 17 des Hohlraums 15 jeweils eine magnetische Struktur 23 bzw. 24 angelötet, die ein longitudinal gerichtetes Magnetfeld erzeugen,
wenn sie mit einem (nicht dargestellten) Magneten verbunden
ist. Die magnetische Struktur 23 umfaßt zwei kreisförmige
Stahlplatten 231, 232, die mit einer Weicheisenscheibe 233 ver-i lötet sind. Ein Evakuierungsrohr 234, das aus einer zentralen
öffnung der magnetischen Struktur 23 herausragt, dient zur
Evakuierung der fertigmontierten Röhre und wird anschließend
abgedichtet. Die magnetische Struktur 24, die Platten 241 und
242 sowie eine Scheibe 433 umfaßt, ist an der unteren Wandung
17 des Hohlraums 15 befestigt. Die magnetische Struktur 24 besitzt in ihrem Zentrum eine öffnung, durch die ein Kathodenträgerrohr 25 hindurchgeht. Eine Scheibe 26 bildet eine Vakuumdichtung zwischen der unteren Stahlplatte 241 der Struktur 24 j und einem Hochspannungsisolator 27. Letzterer ist ebenfalls
über eine Vakuumdichtung mit dem Kathodenträgerrohr 25 ver- ' bunden. Somit stellt die in Figur 2 dargestellte Röhre eine
vakuumdichte Konstruktion dar.

Die Kathodenkonstruktion 11 umfaßt das Kathodenträgerrohr 25, _} an dem ein zylindrischer Körper 29 mit einer oberen Wandung -, 290 und einer unteren Wandung 295 befestigt ist. Letztere ragen mit Kanten 291 über die zylindrische Mantelwandung 292
und begrenzen damit eine Ausnehmung, in der sich das Halbleiter-Kathodenmaterial 293 zur Sekundäremission befindet. Der |

zwischen der Wandung 292 und dem Rohr 25 liegende Bereich des zylindrischen Körpers 29 ist mit Wasser gefüllt, das zur Kühlung der Kathode dient. Zum Kühlen läuft das durch das Einlaßrohr 251 eintretende Wasser durch das Innere des Rohrs 25 zu einer Austrittsöffnung 253 und füllt den Bereich 294. Der Austritt des Wassers aus dem Bereich 294 erfolgt durch eine
Öffnung 252, die ins Innere eines Rohrs 254 führt, das zu einem Auslaßrohr 255 führt, durch welches das Kühlwasser austritt. Das Rohr 25 besitzt ein mit einem Gewinde versehenes Ende mit einer Mutter 257, an der die negative Klemme einer (nicht dargestellten) Hochspannungs-Versorgungsquelle angeschlossen ist. Die Anode 12 ist mit Erde verbunden.

Die Außenwandung 18 des Mikrowellenhohlraums 15 ist von einer konzentrischen Wandung 30 umgeben, die zusammen mit entsprechenden Verlängerungen der oberen und unteren Wandung 16 bzw. 17 des Hohlraums 15 eine Kammer 31 bildet, durch die Wasser
32 zum Kühlen der Anode 12 fließt. Anschlußstutzen 33 und 34 bilden Zugänge zu der Kammer 31, durch die das Wasser ein-
bzw. austritt.

Die Querfeldröhre 10 ist in Figur 1 ohne den Magneten dargestellt, der für die Erzeugung eines longitudinal gerichteten Magnetfeldes in dem Interaktionsbereich 35 erforderlich ist. Dieser Bereich 35 liegt zwischen dem Sekundäremissionsmaterial 293 der Kathode und den Rippen 28. Der Magnet ist mit Nordpol- und Südpolflächen ausgebildet, die in die Ausnehmungen 235
bzw. 236 der magnetischen Strukturen 23 bzw. 24 gleiten.

Die in Figur 2 dargestellte Schnittzeichnung der Röhre 10
zeigt einige Einzelheiten in größerer Klarheit als Figur 1.
Die Ansicht von Figur 2 entspricht der Schnittlinie 2-2 von
Figur 1. Figur 2 zeigt die Vakuumdichtung 131 am Ende des
Wellenleiters 13. Man erkennt ferner, daß der Impedanzanpassungskeil 131 über den Draht 132 mit dem Ring 20-^ zur Unterdrückung von Schwingungsmoden verbunden ist. Ferner ist die

— 6 —

3603U9

Verbindung des anderen Rings 2CU über den Draht 131 mit der Wandung des Wellenleiters 13 erkennbar. Diese Verbindung erfolgt an der Stelle, an der der Wellenleiter 13 in die Wandung 18 des Hohlraums 15 mündet.

Figur 3 zeigt Kurven, die für verschiedene Halbleiter den Sekundäremissions-Koeffizienten in Abhängigkeit von der Energie der auftreffenden Primärelektroden in Volt wiedergeben. Die Kurven 50, 51 und 52 stellen den Sekundäremissions-Koeffizienten für Galliumarsenid, Kadmiumsulfid bzw. Kadmiumtellurid dar. Der Dotierungspegel, falls vorhanden, ist den Erfindern unbekannt. Dieses akademisch interessierende Phänomen existiert möglicherweise auch in anderen als den genannten Halbleitern. Der Stand der Technik gibt jedoch keine Anregung dafür, Halbleiter als Sekundäremissions-Kathoden in Querfeldröhren zu verwenden, bei denen andere Materialeigenschaften als der Sekundäremissions-Koeffizient von vitaler Wichtigkeit sind. Halbleiterkathoden, die als Sekundäremissions-Kathoden in Querfeld-Verstärkerröhren hoher Leistung verwendet werden sollen, müssen außer einem großen Sekundäremissions-Koeffizienten im Interesse einer hohen Lebensdauer eine vergleichsweise große Dicke besitzen, wobei sie außerdem in der Lage sein müssen, für die in Querfeld-Verstärkerröhren hoher Leistung erforderlichen hohen Stromstärken entsprechend hohe Stromdichten zu liefern. Die Halbleiterkathode muß außerdem einen niedrigen Dampfdruck haben, so daß das in der Röhre erforderliche Vakuum nicht durch die Verdampfung des Halbleitermaterials der Kathode beim Bombardement.durch die auftreffenden Elektronen kontaminiert wird. Ferner muß die Halbleiterkathode langzeitig der Erosion widerstehen können, die aus dem Bombardement durch die hochenergetischen Elektronen resultiert, welche umgelenkt werden und auf die Kathode prallen und dabei die Sekundäremission erzeugen. (Die Erosionsbeständigkeit ist der Grund für die geforderte Dicke). Ein Material, das lediglich einen Sekundäremissions-Koeffizienten besitzt, der größer ist als Eins, ist daher nicht notwendiger-

3603Η9

weise als Kathode in einer Querfeld-Verstärkerröhre hoher Leistung geeignet.

In Figur 4A, 4B und 4C sind die Spannung, die Ausgangsleistung bzw. der Wirkungsgrad einer Querfeld-Verstärkerröhre mit einer Halbleiterkathode aus dotiertem Galliumarsenid dargestellt. Um bei einer Kathode von etwa 20 mm Durchmesser und 15 mm Länge und einer Dicke von etwa 50 Angström aus dem Kathodenmaterial 293 den gewünschten Kathodenstrom zu erhalten, muß der betreffende Halbleiter mit herkömmlichen Dotierungsmaterialien dotiert werden, damit seine Leitfähigkeit groß genug ist, um die bei der geforderten Stromdichte notwendige Anzahl von Elektronen liefern zu können. Die experimentellen Daten von Figur 4A, 4B und 4C wurden mit einer Kathode der oben genannten Abmessungen erzielt, das eine p-Dotierungsdichte von 10^ Löchern pro cm·^ aufweist. Höhere Ströme als die dargestellten sind ebenfalls erreichbar. Unterschiedliche Dotierungswerte mit P- und N-Dotierungen ergeben in Abhängigkeit von der für das Kathodenmaterial geforderten Stromdichte und seine Dicke befriedi- ; gende Ergebnisse. Die Wahl des Halbleiters, der Dotierung und der Dotierungsdichte werden in gewissem Grad durch den zuläs- j sigen Dampfdruck, den Widerstand gegen das Elektronenbombardement und die geforderte Stromdichte bestimmt. j

Obwohl die Lebensdauer der 50 Angström dicken Galliumarsenid- ', Kathode noch nicht experimentell bestimmt wurde, dürften grössere Dicken des Kathodenmaterials 293 eine größere Lebensdauer der Kathode zur Folge haben. Bei diesem Kathodenmate- j

rial stellt die Leitfähigkeit keine Begrenzung für die zulässige Dicke und damit für die Lebensdauer der Röhre dar. Dicken j von 500 000 Angström erscheinen vernünftig. Die Galliumarsenid-¹ Kathode ergab bei einer Röhre sehr kurze Anstiegszeiten des j Ausgangs impulses und sehr kleinen Jitter der Vorderflanke des !

Ausgangs impulses relativ zu einer vergleichbaren Röhre mit i herkömmlichen MgO-Kathode. Der niedrige Übergangswert (etwa i 20 Volt) der Halbleiterkathode trägt zu der niedrigen Anfangs- !

AZ 36Ü3U9

charakteristik des Jitters bei. Ein anderer Vorteil der Halbleiterkathode gemäß der Erfindung besteht darin, daß die im Vergleich zu bekannten Kathoden hoher Sekundäremission höhere Impulsleistungen ermöglicht, als dies bei Röhren mit gleichgroßen Kathoden herkömmlicher Bauart der Fall ist. Deshalb kön-i nen für gleiche Ausgangsleistungen kleinere Röhren vorgesehen ^: werden. Ein Vorteil kleinerer Röhrengrößen bei gleicher Ausgangsleistung besteht darin, daß die Interferenz der Schwingungsmoden umso geringer ist, je kleiner die Größe des Aktionsbereichs 35 wird.

Leerseite -

Claims

3603H9

/1. Halbleiter-Kathode

dadurch gekennzeichnet ,

daß der Halbleiter einen Sekundäremissions-Koeffizienten hat, der größer ist als eins. 5
2. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,

daß der Halbleiter ein Dotierungsmaterial zur Erhöhung seiner elektrischen Leitfähigkeit enthält. 10
3. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Dotierungsmaterial p-leitend ist.
4. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 2, ^

dadurch gekennzeichnet, /

daß das Dotierungsmaterial η-leitend ist. *
5. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Halbleitermaterial der Gruppe angehört, die Galliumarsenid, Kadmiumsulfid und Kadmiumtellurid enthält.
6. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Halbleitermaterial p-leitendes Galliumarsenid ist.
7. Halbleiter-Kathode nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß das p-leitende Galliumarsenid eine Dotierungskonzentration von 10¹⁹ Löchern pro cm³ hat.
8. Querfeldröhre

mit einer Sekundäremissions-Kathode,

3603H9

mit einer Anode mit geringer Wellenstruktur, die in der Nähe der Kathode einen Interaktionsraum zwischen der Wellenstruktur und der Kathode bildet,

sowie mit Wellenleitermitteln, die mit der Wellenstruktur verbunden sind und zur Ein- und Auskopplung in die bzw. aus der Röhre dienen,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die Kathode ein Halbleiter mit einem Sekundäremissions-Koeffizienten größer als eins ist. 10
9. Röhre nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die Röhre eine Verstärkerröhre ist

und daß die Wellenleitermittel einen Eingangs-Wellenleiter und einen Ausgangs-Wellenleiter umfassen, die beide mit der genannten Wellenstruktur der Anodeverbunden sind.
10. Verstärkerröhre nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiter-Kathode ein Dotierungsmaterial zur Erhöhung ihrer Leitfähigkeit enthält.
11. Verstärkerröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial p-leitend ist.
12. Verstärkerröhre nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß das Dotierungsmaterial η-leitend ist.
13. Verstärkerröhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß das Halbleitermaterial der Gruppe angehört, die Galliumarsenid, Kadmiumsulfid und Kadmiumtellurid enthält. 35
14. Verstärkerröhre nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

3603H9

daß das Halbleitermaterial p-leitendes Galliumarsenid ist.
15. Verstärkerröhre nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

daß das p-leitende Galliumarsenid eine Dotierungskonzentration von 10*^ Löchern pro cm-' hat.