DE3789882T2 - Hochleistungsschalter. - Google Patents

Description

• Elektronenröhren mit einer Kathode, einer Anzahl Gitter und einer Anode sind bekannt. Ihr Einsatzbereich umfaßt Mikrowelleneinrichtungen, Radareinrichtungen und Hochleistungsschalter. Elektronenröhren für Hochleistungsschalter waren jedoch meist teuer, wenig zuverlässig und nicht in der Lage, hohe Stromniveaus zusammen mit mäßigen Spannungen Zwischen Kathode und Anode bereitzustellen.
• Einem Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Hochleistungsschalter bereitgestellt, beinhaltend eine Kathode, eine Anode und eine Anzahl dazwischen angeordneter Gitter, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode eine Anzahl abgeschirmter Sammelelektroden enthält, daß die Kathode eine Anzahl Kathodenunterbaugruppen enthält, die mit den zugehörigen abgeschirmten Sammelelektroden verbunden sind, und daß jede Unterbaugruppe mit einer Anzahl Gitter auftritt, so daß der Schalter beschränkt betriebsfähig bliebe, falls eine oder mehrere Kathodenunterbaugruppen ausfielen.
• Eine bevorzugte Anordnung umfaßt eine geheizte Kathode, in deren Nähe ein auf Kathodenpotential gehaltenes Schattengitter montiert ist. Hinter dem Schattengitter befindet sich auf die Anode zu ein Steuergitter mit negativem oder Positivem Potential gegen die Kathode, ein Schirmgitter mit negativem oder Positivem Potential gegen die Kathode und ein auf Kathodenpotential gehaltenes Bremsgitter. Das Bremsgitter schirmt das Schattengitter, das Steuergitter und das Schirmgitter gegen die Anode ab, um a) Schirm-, Steuer- und Schattengitter vor Lichtbogenschäden zu schützen und b) die Kapazität zu verkleinern und schnelles Schalten zu ermöglichen. Die Anode ist so entworfen, daß sie eine doppelwandige, abgeschirmt- Sammelelektrode enthält, die die Strahlsammelfläche gegenüber der Anode einer Standardstrahl-Leistungstetrode um mehr als den Faktor zwei vergrößert
• Demgemäß wird im folgenden gezeigt, daß es möglich ist, einen Hochleistungsschalter bereitzustellen, der sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme schnell schalten kann, wobei ein Signal mit relativ hoher Spannung (im Kilovoltbereich) durch eine relativ kleine Steuerspannung (im Voltbereich) ein- und ausgeschaltet werden kann. Zudem kann eine Kathode mit besonders großer Zuverlässigkeit, geringer Last und abgesenkter Temperatur bereitgestellt werden, die wenig Energie verbraucht und eine lange Lebensdauer hat.
• Der Schalter kann so entworfen werden, daß die Kathode zur Reparatur leicht zu entfernen ist. Dabei kann die Kathoden-Anoden-Anordnung redundant aufgebaut werden, so daß der Schalter im Fehlerfall eingeschränkt betriebsfähig bleibt.
• Ferner kann man eine große Strahlsammelfläche innerhalb der Anode bereitstellen, die die thermische Belastung verringert und Sekundäremission verhindert.
• Die Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Es zeigt:
• Fig. 1 die Skizze eines Hochleistungsschalters, der eine Kathode, Gitter und eine Anode enthält;
• Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 2-2 in Fig. 3, wobei die Anordnung nach Fig. 1 einschließlich einer flüssigkeitsgekühlten Anode ausführlicher dargestellt ist;
• Fig. 3 das eine Ende des Hochleistungsschalters entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, wobei acht Kathoden- Teilstrahlerzeuger in der Kathodenbaugruppe dargestellt sind;
• Fig. 4 die Computersimulator der Elektronenbahnen im Hochleistungsschalter, wenn dieser eingeschaltet ist;
• Fig. 5 die Computersimulation der Elektronen aus Fig. 4 beim Aufschlagen auf die Oberflächen der abgeschirmten Sammelelektrode, die die Anode bildet; und
• Fig. 6 eine Computersimulation ähnlich zu Fig. 4, wobei das Steuergitter mit einem negativen Signal zum Ausschalten dargestellt ist.
• Fig. 1 zeigt Schematisch einen Hochleistungsschalter 10 mit einer Vorratskathode 12, die auf der Platte 14 montiert ist. Eine schraubenförmig gewickelte Spule 16, die ihre elektrische Energie über Anschlüsse 18 erhält, heizt die Platte 14. Auf der Platte 14 ist auf leitenden Stützen 20 ein Schattengitter 22 montiert, das über die Stützen 20 und die Platte 14 auf dem elektrischen Potential der Kathode 12 gehalten wird. Hinter dem Schattengitter 22 ist auf isolierenden Stützen 24 ein Steuergitter 26 montiert, das mit dem Schattengitter 22 ausgerichtet ist. Ein zweiter Satz Stützen 24 trägt ein mit den Gittern 22 und 26 ausgerichtetes Schirmgitter 28, so daß eine Gitterbaugruppe entsteht. Hinter der Gitterbaugruppe aus Schattengitter 22, Steuergitter 26 und Schirmgitter 28 befindet sich ein Bremsgitter 30, das die Gitter von der Anode 32 abschirmt. In der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Bremsgitter 30 nicht vollständig über die Oberfläche der Kathode 12. Die Anode 32 enthält eine doppelwandige, abgeschirmte Sammelelektrode 34, deren Innenabmessung größer ist als die Elektroneneinlaßöffnung 36, die von den Schultern 38 gebildet wird.
• Die Kathode 12 kann leicht gekrümmt sein (konkav oder konvex), und die Gitter 22, 26 und 28 können ebenfalls gekrümmt sein, so daß sie konzentrisch oder koaxial zueinander und zur Kathode angeordnet sind. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Hochleistungsschalter 10 bei Betrieb dazu neigt, die Gitter aufzuheizen, wodurch sie sich thermisch ausdehnen. Durch das Krümmen der Gitter wird die Ausdehnung in eine bestimmte Richtung gelenkt. Wären die Gitter als ebene Flächen gestaltet, könnte sie die thermische Ausdehnung in die eine oder die andere Richtung biegen, wodurch ein Entwurfsproblem entsteht. Die Erfindung sollte jedoch nicht darauf beschränkt werden, daß ein ebenes oder ein gekrümmtes Gittersystem vorliegt.
• Wie Fig. 1 zeigt werden die Leistungsanschlüsse 40, 42 und 44 dazu gebraucht, das Steuergitter 26 bzw. das Schirmgitter 28 bzw. Bremsgitter 30 mit Leistung zu versorgen. Das Schattengitter und das Bremsgitter 30 werden jedoch in der bevorzugten Ausführungsform beide auf Kathodenpotential gehalten.
• Mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 wird nun die bevorzugte Ausführungsform des Hochleistungsschalters 10 ausführlicher dargestellt.
• Der Elektronenstrahlerzeuger ist in acht Teilstrahlerzeuger 46 unterteilt, die am Rand einer zentralen Montageplatte 48 befestigt sind. Durch diese Anordnung entsteht eine leicht zu reparierende Kathodenbaugruppe und ein System, das im Fehlerfall beschränkt betriebsfähig bleibt, da der Ausfall eines Kathoden-Teilstrahlerzeugers 46 noch nicht den Ausfall der Röhre 10 bewirkt.
• Man beachte, daß in Fig. 3 das Ende der Kathodenunterbaugruppe mit ihren acht Kathoden-Teilstrahlerzeugern 46 entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt jedoch nur einen Teilstrahlerzeuger 46, so als wäre die Abbildung entlang der Linie 2-2 in Fig. 3 genommen. Fig. 2 stellt auch die flüssigkeitsgekühlte Anode 32 dar, die in Fig. 3 nicht enthalten ist.
• Auf der Montageplatte 48 sind mit den Schrauben 52 (Fig. 3) einzelne Teilstrahlerzeuger-Platten 50 befestigt.
• An die Platte 50 ist eine Kathodenplatte 54 punktgeschweißt, die Stützen 56 zum Halten der Kathode 12 trägt (Fig. 2). An die Platte 50 sind leitfähige Stützen 20 angeschweißt, die das Schirmgitter 22 halten. Isolierende Stützen 24 halten das Steuergitter 26 und das Schirmgitter 28, ähnlich wie in Fig. 1 oben bereits beschrieben. Das Bremsgitter 30 ist tassenförmig und paßt über die Stützen 20, um die gezeigte Lage beizubehalten. Ein Rückblick auf Fig. 2 macht nun klar, daß die Platte 48, die Platten 50 und 54 und die Stützen 20 alle auf Kathodenpotential gehalten werden. Somit werden das Schattengitter 22 und das Bremsgitter 30 ebenfalls auf Kathodenpotential gehalten.
• Die Gitter 22, 26, 28 und 30 sind alle aus 100 bis 125 um (0.004 bis 0.005 inch) dickem Molybdän hergestellt. Wie Fig. 3 zeigt, haben alle Gitter einen gemeinsamen Aufbau.
• D. h., jedes Gitter hat eine trapezförmige Öffnung 56. Die Gitter 22, 26 und 28 haben in der Mitte ein Halteteil 58, das die Mitte der Öffnung entlang der längsten Achse überspannt. Dagegen befinden sich in der Öffnung des Gitters 30 keine Gitterelemente. Von den Seiten der Öffnung 56 in den Gittern 22, 26 und 28 verlaufen zum zentralen Halteteil eine Anzahl Gitterelemente 60, die die Gitterstruktur vervollständigen. Die Gitterelemente 60 messen typischerweise 0.004 bis 0.005 inch im Quadrat. Man beachte, daß in der trapezförmigen Öffnung des Bremsgitters 30 die Gitterelemente 60 des Gitters 28 sichtbar sind (siehe Fig. 3)
• Es wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen. Ein Leiter, z. B. ein Kupferdraht 62, verbindet den Anschluß 18 (Fig. 1) zum Zuführen von Leistung mit der Kathodenheizwicklung 16. Der Leiter 62 verläuft über eine isolierende Durchführung 64 in der Platte 48 und endet in der Nähe der Kathoden- Teilstrahlerzeuger-Unterbaugruppe 46. In der bevorzugten Ausführungsform werden drei Leiter 62 benutzt, siehe Fig.
• 3. Um jede der acht Kathodenheizwicklungen 16 mit Energie zu versorgen, ist ein ringförmiger Leiter 66 an den Leiter 62 punktgeschweißt. Ein leitfähiges Band 68 überträgt die Energie; das Band ist an einem Ende mit dem Leiter 66 und am anderen Ende mit allen Zuleitungen 70 der Heizwicklungen 16 punktgeschweißt. Die Zuleitungen 70 verlaufen über eine isolierende Durchführung 72, um sie von den leitenden Stützen 20 zu isolieren. Die Energie für das Steuergitter 26 und das Schirmgitter 28 wird in ähnlicher Weise über Leiter 74 bereitgestellt (von diesen ist lediglich einer in Fig. 2 dargestellt). Die Leiter 74 verlaufen über Isolatoren 76 und erstrecken sich zwischen der Kathode 12 und den Stützen 20. Um die elektrische Verbindung mit dem Steuergitter 24 herzustellen, verläuft der Leiter 74, wie gezeigt, durch das Schattengitter 22. In ähnlicher Weise stellt ein zweiter Leiter 74 (nicht dargestellt) die elektrische Verbindung mit dem Schirmgitter 28 her; der Leiter 74 verläuft dabei durch das Schattengitter 22 und das Steuergitter 26.
• Wie Fig. 2 zeigt, sind alle acht Anoden 32 in einem einzigen, zylindrischen Kupferblock 78 aufgebaut, wobei jede abgeschirmte Sammelvertiefung 34 aus Kostengründen in den Block eingepreßt ist. Die Anodenöffnungen 36 sind aus einer Anzahl trapezförmiger Molybdän- oder Kupferringe 79 aufgebaut, die in Nuten 80 an der Oberflächenöffnung jeder Vertiefung 34 eingepreßt sind.
• Um den äußeren Rand des Kupferblocks 78 verlaufen eine Anzahl Kühlringe 82 mit Öffnungen 84. Die Kühlringe sind von einer zylindrischen Röhre 86 verschlossen. Die Röhre 86 kann in einen Bund 88 eingepreßt werden, der am äußeren Rand des Blocks 78 verläuft und parallel mit der Anodenoberfläche ausgerichtet ist, die die Öffnungen 36 der Anodenvertiefungen trägt. Der Bund 88 trägt einen runden Ring 90, der an den Bund angeschweißt sein kann. Der Ring 90 gleitet über einen zweiten, runden Ring 92, der an der Außenfläche eines isolierten Gehäuses 94 befestigt ist. Das Gehäuse 94 umgibt die Kathoden-Teilstrahlerzeuger 46. Der Zusammenbau des Hochleistungsschalters 10 wird z. B. dadurch vervollständigt, daß die Ringe 90 und 92 punktgeschweißt werden.
• Der Anodenblock 78, die Ringe 82 und die Röhre 86 bilden Kühlkanäle, die über eine Schlaucharmatur mit einem geeigneten Kühlmittel, z. B. Wasser, versorgt werden. Um Gewicht zu sparen und die Kühlung zu verbessern ist in der gezeigten Ausführungsform die Mitte des Kupferblocks 78 hohl, z. B. ausgebohrt.
• Die Arbeitsweise des Hochleistungsschalters 10 im leitenden Zustand wird nun mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Dabei werden in einer per Computersimulation erstellten Zeichnung die Elektronenbahnen als im allgemeinen waagrechte Linien und die Äquipotentialkurven als im allgemeinen senkrechte Linien dargestellt. Die acht einzelnen Teilstrahlerzeuger 46 sind an ein elektrisches Potential angeschlossen, das z. B. die Spannung Null an die Kathode 12 legt. Wie oben erwähnt wird das Schattengitter 22 ebenfalls auf null Volt gehalten, wogegen das Steuergitter 26 auf plus 400 Volt gehalten wird. Bei Betrieb wird das Schirmgitter 28 auf plus 1250 Volt gehalten, wogegen das Bremsgitter 30 auf null Volt gehalten wird, d. h. dem Kathodenpotential. Die Anode wird auf plus 2000 Volt gehalten. Im leitenden Zustand kann der Hochleistungsschalter 10 einen Strom zwischen 25 A und 28 A führen.
• Wie Fig. 5 zeigt, ist der Elektronenfluß von der Kathode 12 zur Anode 32 über einen wesentlich vergrößerten Oberflächenbereich verteilt. Der Oberflächenbereich ist gegen den bekannten Stand der Technik mehr als doppelt so groß. Dieser vergrößerte Bereich erleichtert den Wärmetransport zur Kühlflüssigkeit; dadurch sinkt die Temperatur der inneren Sammleroberfläche, wodurch sich wiederum die Lebensdauer der Röhre erhöht. Die abgeschirmte Sammelelektrode 34 verhindert auch Elektronensekundäremission aus der Vertiefung 34.
• Es wird nun Bezug auf Fig. 6 genommen, wobei eine zu Fig. 4 ähnliche Zeichnung dargestellt ist. Sie zeigt die Hochleistungs-Schaltröhre 10 im abgeschalteten Zustand, wobei die Potentiale an der Kathode 12 und am Schattengitter 22 mit den Potentialen im eingeschalteten Zustand der Röhre 10 übereinstimmen. Das Potential am Steuergitter 26 ist von plus 400 V auf minus 680 V gefallen, wogegen das Potential am Schirmgitter 28 und am Bremsgitter 30 gleichgeblieben ist. In diesem Zustand fließt kein Strom durch den Schalter 10 und die Spannung an der Anode 32 steigt auf 25000 Volt. Obwohl alle Spannungen auf die Kathode bezogen wurden, die auf Massepotential liegt, kann die Hochleistungs-Schaltröhre 10 auch so betrieben werden, daß die Anode auf Massepotential und die Kathode auf negativer Spannung liegt. Der Hochleistungsschalter 10 kann somit 25 kV abschalten.
• In der gezeigten Ausführungsform haben die Gitter die folgenden Aufgaben. Das Schattengitter 22 verhindert das Aufheizen des Steuergitters 26 und des Schirmgitters 28. Das Steuergitter 26 schaltet den Strahlstrom aus und ein, wozu nur ein Spannungsunterschied von 1080 Volt nötig ist. Das Schirmgitter 28 verteilt bei Betrieb der Röhre 10 den Strom von 25 A gleichförmig über die Oberfläche der Kathode 12. Schließlich unterstützt das Bremsgitter 30 den Lichtbogenschutz und vermindert den Millereffekt. D. h., das Bremsgitter 30 vermindert die Kapazität zwischen den Elementen und verkürzt die Schaltzeit des Schalters 10. Zusätzlich schirmt das Bremsgitter 30 die restlichen Gitter von der Anode und jeglicher Sekundäremission von dort ab. Die Anode ist mit einem abgeschirmten Sammler versehen, der die Sekundäremission weiter vermindert und den Oberflächenbereich der Vertiefung zum Aufnehmen der Elektronen vergrößert.
• Die Erfindung wurde so beschrieben, daß sie acht Teilstrahlerzeuger 46 auf einem runden Ring 48 benutzt. Es ist jedoch klar, daß andere Kathoden- und Anodenanordnungen im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Claims (14)

1. Hochleistungsschalter (10), beinhaltend eine Kathode (12), eine Anode (32) und eine Anzahl dazwischen angeordneter Gitter (22, 26, 28), dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (32) eine Anzahl abgeschirmter Sammelelektroden (34) enthält,

daß die Kathode (12) eine Anzahl Kathodenunterbaugruppen enthält, die mit den zugehörigen abgeschirmten Sammelelektroden (34) verbunden sind, und

daß jede Unterbaugruppe mit einer Anzahl Gitter (22, 26, 28) auftritt, so daß der Schalter beschränkt betriebsfähig bliebe, falls eine oder mehrere Kathodenunterbaugruppen ausfielen.

2. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 1, wobei die abgeschirmten Sammelelektroden Öffnungen haben, die den Gittern (22, 26, 28) gegenüberstehen, und so geformt sind, daß jede abgeschirmte Sammelelektrode (34) eine Ebene hat, die die Öffnung und den Hohlraum unterteilt, wobei die Anfangsinnenbreite der Öffnung kleiner ist als die Innenbreite des Hohlraums in diesem Hohlraumbereich, so daß eine abgeschirmte Sammelelektrode vorliegt, die so geformt ist, daß Elektronen über eine noch größere Oberfläche eingefangen werden können und somit die Schaltleistung des Hochleistungsschalters größer ist.

3. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jede Kathodenunterbaugruppe vorliegt: ein Schattengitter (22), das nächst der Kathodenunterbaugruppe montiert ist; ein Steuergitter (26), das hinter dem Schattengitter (23) montiert ist; sowie ein Schirmgitter (28) das hinter dem Steuergitter (26) in enger räumlicher Zuordnung zur zugehörigen, abgeschirmten Sammelelektrode (34) angeordnet ist.

4. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 3, wobei eine Abschirmelektrode (30) zwischen jedem Schirmgitter (28) und der zugehörigen abgeschirmten Sammelelektrode (34) angeordnet ist.

5. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 2, 3, oder 4, wobei Einrichtungen (40) zur Beaufschlagung des Steuergitters (26) mit positivem oder negativem Potential vorhanden sind, so daß der Leitungszustand des Hochleistungsschalters (10) änderbar ist.

6. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtungen (14) zur Potentialversorgung des Steuergitters (26) so ausgebildet sind, daß durch Anlegen einer Spannung von etwa 1 kV am Steuergitter (26) der Schalter (10) vom leitenden in den sperrenden Zustand gebracht werden kann.

7. Hochleistungsschalter (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Anzahl Kathodenunterbaugruppen und Gitter (22, 26, 28) auf einer ersten, im wesentlichen ebenen, ringförmigen Oberfläche (48) angebracht ist, und eine Anzahl abgeschirmter Sammelelektroden (34) auf einer zweiten, im wesentlichen ebenen, ringförmigen Oberfläche, die den Kathodenunterbaugruppen gegenüber liegt, montiert ist.

8. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 7, wobei die Kathode (12) eigene Kathodenträger besitzt, die alle auf der ersten, im wesentlichen ebenen, ringförmigen Oberfläche (48) montiert sind, damit auf den Kathodenträgern die entsprechenden Kathodenunterbaugruppen und die zugehörige Anzahl Gitter (22, 26, 28) angeordnet werden können.

9. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Kathodenunterbaugruppen und die dazugehörigen Gitter (22, 26, 28) auf der ringförmigen Fläche entsprechende 45º-Abschnitte belegen.

10. Hochleistungsschalter (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathodenunterbaugruppe aus der Anzahl Kathodenunterbaugruppen jeweils auf einer eigenen Trägerplatte angebracht ist und die Trägerplatten jeweils in einer ringförmigen Anordnung auf einer einzelnen Hauptplatte befestigt sind.

11. Hochleistungsschalter (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Kathodenunterbaugruppe eine Öffnung (56) mit zugehörigen Gitterelementen (58), welche die Öffnungen durchlaufen, hat und die Öffnungen im allgemeinen, bezogen auf eine Achse des Schalters, radial nach außen gerichtete Seiten besitzen und trapezförmig sind.

12. Hochleistungsschalter (10) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abgeschirmten Sammelelektroden (34) in einem ringförmigen Muster angeordnet sind und die Kathodenunterbaugruppen samt der Anzahl zugehöriger Gitter (22, 26, 28) in einem ringförmigen Muster angeordnet sind, das direkt neben den abgeschirmten Sammelelektrodenhohlräumen (34) liegt.

13. Hochleistungsschalter (10) nach Anspruch 12, wenn abhängig von Anspruch 11, wobei die Öffnungen im wesentlichen symmetrisch um die Achse angeordnet sind.

14. Hochleistungsschalter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich Einrichtungen zum Kühlen der Anode (32) durch Flüssigkeit aufweist.