DE4315755C2

DE4315755C2 - Elektronenkanone

Info

Publication number: DE4315755C2
Application number: DE4315755A
Authority: DE
Inventors: Richard Brownell True
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: FR2691012B1; DE4315755A1; GB2267175A; GB2267175B; GB9309661D0; FR2691012A1; US5332945A; JPH06150838A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Elektronen kanone mit einer Kathode, einer in einem festen Abstand von der Kathode angeordneten Anode und n Abstufungs elektroden, die die Positionen von Äquipotentiallinien einer zwischen der Kathode und der Anode vorgesehenen elektrischen Potentialdifferenz steuern.

Es ist in der Technik sehr wohl bekannt, eine lineare Strahlvorrichtung innerhalb einer Wanderfeldröhre eines Klystrons oder einer anderen Vor richtung für geladene Teilchen zu verwenden. In einer li nearen Strahlvorrichtung wird ein Elektronenstrahl, welcher einer Elektronenkanone entstammt, dazu veranlaßt, sich durch einen Tunnel oder einen Röhrengang auszubreiten, welcher im allgemeinen eine Hochfrequenz-Wechselwirkungsstruktur bein haltet. Am Ende seiner Wegstrecke wird der Elektronenstrahl von einem Kollektor aufgefangen. Der Strahl muß durch magnetische oder elektrostatische Felder in der Wechselwirkungsstruktur der Vorrichtung fokussiert werden, um effektiv von der Elektro nenkanone zu dem Kollektor ohne Verlust gegenüber der Wech selwirkungsstruktur befördert zu werden.

Insbesondere ist eine Wanderfeldröhre eine breitbandige Mikrowellen röhre, deren Charakteristik von der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld einer Welle, welche sich entlang einem Wellenleiter ausbreitet, und dem Elektronenstrahl abhängt, welcher sich innerhalb der Welle bewegt. In dieser Röhre bewegen sich die Elektronen in dem Strahl mit Geschwindig keiten, welche etwas größer sind als die der Welle, und wer den im Durchschnitt durch das Feld der Welle verlangsamt. So erscheint der Verlust von kinetischer Energie der Elektronen als eine erhöhte Energie, welche durch das Feld der Welle zugeführt wird. Diese Röhre kann daher als Verstärker oder Os zillator verwendet werden.

Die Elektronenkanone, welche den Elektronenstrahl bildet, umfaßt typischerweise eine Kathode und eine Anode. Die Ka thode enthält eine interne Heizung, um die Temperatur der Kathodenoberfläche auf einen Pegel anzuheben, welcher hin reichend für thermionische Emission ist. Wenn das Potential der Anode hinsichtlich der Kathode positiv ist, werden Elek tronen aus der Kathodenoberfläche herausgezogen und bewegen sich in Richtung auf die Anode zu. In dem Raumladungsstrom wird der Strahlfluß durch die Stärke des elektrostatischen Felds an der Kathodenoberfläche bestimmt. Die Geometrie der Kathode, Anode und einer fokussierenden Elektrode sieht eine elektrostatische Feldform vor, welche das Flußmuster defi niert. Der elektronische Fluß fließt durch eine Öffnung in der Anode und in die Wanderfeldröhre. Eine Elektronenkanone dieses Typs ist als Pierce-Kanone bekannt.

Es ist lange gewünscht worden, die Strahlleistung der typi schen Pierce-Kanone zu erhöhen, da ein stärkerer Strahl zu einer höheren Leistung führen könnte, die auf die Welle übertragen werden würde. Die Betriebsspannung der Kanone ist in etwa proportional zu der Ausgangsleistung des Strahls und ein Erhöhen der Betriebsspannung ist als ein Verfahren zum Erhöhen der Strahlleistung vorgeschlagen worden. Wenn jedoch die Betriebsspannung über eine Schwelle hinaus erhöht wird, welche von der negativen Spitze des Feldgradienten bestimmt wird, wird das Feld empfindlich für einen Durchschlag. Eine Durchschlagsbedingung ist sowohl für die Kanone als auch für die Wanderfeldröhre katastrophal. Während eines Durchschlags überbrückt ein Hochspannungsbogen die Anode und die Kathode oder die fokussierende Elektrode, was zur weiteren Plasmaerzeugung führt, welche die Kanone und die Röhre zünden und zerstören könnte. Beispielsweise würde eine Pierce-Kanone, welche bei 600 kV betrieben wird, einen negativen Spitzengradienten an der Fokussierelektrode von etwa 200 kV/cm besitzen. Obwohl diese Ausführung für einen Kurzzeitbetrieb in dem Bereich von 1 µs hinreichend sein könnte, würde ein Bogen wahr scheinlich auftreten, wenn die Pulslänge auf 5 µs und dar über hinaus ausgedehnt wird.

Ein Verfahren des Erhöhens der Betriebsspannung einer Pierce-Kanone bringt ein Aufteilen des Zwischenelektroden raums durch Abstufungselektroden mit sich. Dieses Verfahren ist beschrieben worden in R. True, "Design of Electron Sour ces and Beam Transport-Systems for Very High Power Microwave Tubes," Proceedings of the Fifth National Conference on High Power Microwave Technology, United States Military Academy, West Point, New York, Seiten 178-181, Juni 1990. In dem Do kument ist gezeigt worden, daß mit der Verwendung von Abstu fungselektroden entlang Äquipotentiallinien die Maximalspan nung vor einem Durchschlag im wesentlichen erhöht ist. Die Berechnung der maximalen Durchschlagsspannung in einer Pierce-Kanone ist beschrieben in A. Staprans, "Electron Gun Breakdown," High Voltage Workshop, Monterey, California, Fe bruar 1985, welche die Gleichung liefert:

V = kL^0,8

wobei L gleich dem minimalen Zwischenelektrodenraum ist. Der Faktor k ist die abhängige Pulslänge und ist etwa gleich 9 × 10⁶, 6 × 10⁶, 4 × 10⁶ und 3 × 10⁶ für Pulse von 1, 5, 100 µs bzw. Gleichstrombetrieb. Für einen Zwischenelektrodenraum, welcher n Gebiete aufweist, würde die Durchschlagsspannung für jedes Gebiet durch die Gleichung definiert werden:

Daher wäre V' gleich Vn^0,2. In der Summe ist die Gesamt durchschlagsspannung über den Zwischenelektrodenraum, wel cher in n Gebiete aufgeteilt ist, größer als die ursprüngli che Durchschlagsspannung einer nicht aufgeteilten Kanone.

In einer Kanone, welche drei Abstufungselektroden (n = 4) verwendet, würde sich die Maximalspannung vor dem Durch schlag um einen Faktor von 1,32 erhöhen. In Hochleistungs klystrons ist die Spitzenausgangsleistung etwa proportional zu PV^2,5, wobei P der Perveance gleicht. Für das Beispiel der drei Abstufungselektroden kann eine erreichbare Leistung des Doppelten erwartet werden. Obwohl diese Analyse gewisse Faktoren vernachlässigt, welche die Hochspannungs-Durch schlagsgrenze beeinträchtigen kann und wobei die tatsächli che Spannung und die Leistungserhöhung geringer als das Dop pelte sein kann, ist sie nicht zuletzt noch sehr signifi kant.

Dennoch werden bei Hochleistungsanwendungen weiterhin Elek tronenkanonen gefordert, welche für die Erzeugung von an wachsenden Leistungsbeträgen geeignet sind. So wäre es wün schenswert, eine Pierce-Kanone vorzusehen, welche zur Erzeugung von höherer Strahleistung als bei einer konventionellen Kanone unter Verwendung von Abstufungselek troden geeignet wäre.

Aus der US-PS 3 906 280 ist eine Elektronenkanone nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die dort beschriebenen Abstufungselektroden sind so geformt, daß sich einerseits ein den Elektronenstrahl gut bündelndes elektrisches Feld in einem von den Abstufungselektroden freigelassenen zen tralen Kanal ergibt und andererseits die Gehäuseinnenwand zur Vermeidung einer durch Streuelektronen induzierten Desorption absorbierten Materials von dem Außenteil der einzelnen Abstufungselektroden abgedeckt wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektronenkanone mit Abstufungselektroden bereitzu stellen, die gegenüber herkömmlichen Elektronenkanonen eine höhere Strahlleistung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Elektronenka none nach dem Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen beansprucht. In anderen Worten wird eine Pierce-Elektronenkanone vorgesehen, welche eine Katho de, eine fokussierende Elektrode, welche die Kathode umgibt, und eine Anode besitzt, die in einer festen Entfer nung von der Kathode angeordnet ist und eine Öffnung durch sie besitzt. Wenigstens eine Abstufungselektrode ist zwi schen der fokussierenden Elektrode und der Anode angeord net. Die wenigstens eine Abstufungselektrode weist eine äußere und eine innere Krümmung auf, um die Position von Äquipotentiallinien eines elektrischen Feldes in dem Raum zwischen der Kathode und der Anode derart zu steuern, daß die durch das elektrische Feld gebildeten Feldgradienten reduziert werden.

In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung werden drei Abstufungselektroden verwendet. Jede Ab stufungselektrode besitzt eine doppelte radiale Biegung, mit einer äußeren radialen Krümmung mit einem ersten Radius und einer inneren radialen Krümmung mit einem zweiten Radi us. Die Abstuftungselektroden weisen des weiteren abgerun dete Enden auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus führungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer Pierce- Kanone gemäß der vorliegenden Erfindung, welche Ab stufungselektroden aufweist; und

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Pierce-Kanone, welche Abstufungselektroden aufweist, und zeigt die Äquipo tentiallinien und die laminare Strömung von Elektro nen.

Bezüglich der Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Elektronenkanone 10, welche eine Anode 12 und ein Kathoden-Gehäuseaufbau 16 aufweist. Der Kathoden-Gehäuseaufbau 16 ist an einer Kano nen-Trageanbringung 14 gesichert und umfaßt eine Kathode, welche eine glatte, konkave Elektronen-Aussendungsoberfläche 18 besitzt. Die aussendende Oberfläche wird von einer einge kapselten Heizspule 20 geheizt. Eine fokussierende Elektrode 22 umgibt den äußeren Umfang des Kathodenaufbaus 16 und ist physikalisch von dem Kathodenaufbau isoliert, so daß sie kälter als die Kathode bleibt. Hitzeschilder 17 und 19 sind vorgesehen, um die Leitung von Hitze von der aussendenden Oberfläche 18 zu der fokussierenden Elektrode 22 zu verhin dern.

Die Anode 12 besitzt eine kreisförmige Öffnung 24, welche axial relativ zu der aussendenden Oberfläche 18 des Katho denaufbaus 16 angeordnet ist. Es sollte verstanden werden, daß die Anode 12 und der Kathodenaufbau 16 symmetrisch über einer Zentralachse durch das Zentrum der Anode und Kathode angeordnet sind.

Die Elektronen, welche von der glatten konkaven Oberfläche 18 des Kathodenaufbaus 16 ausgesendet werden, werden gegen die kreisförmige Öffnung 48 in der Anode 12 beschleunigt. Diese emittierten Elektronen verbinden sich zu einem Strahl, wie generell an 26 von Fig. 2 gezeigt ist. Der Strahl kann durch Verändern der Spannung zwischen der Anode 12 und der aussendenden Oberfläche 18 mo duliert werden. Die fokussierende Elektrode 22 wirkt, um das elektrische Feld in dem Zwischenelektrodenraum zwischen dem Kathodenaufbau 16 und der Anode 12 zu formen. In dem in Fig. 2 gezeigten Zwischenelektrodenraum sind Äquipotentiallinien 28 gezogen, welche imaginäre Oberflächen bezeichnen, die ein konstantes elektrisches Potential besitzen.

In der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl von Abstu fungselektroden 30 in dem Zwischenelektrodenraum zwischen der Anode 12 und dem Kathodenaufbau 16 vorgesehen. Die Ab stufungselektroden 30 sind positioniert, um den elektrischen Feldgradienten in dem Zwischenelektrodenraum zu minimieren und um die Position der Äquipotentiallinien zu steuern. Die genaue Form kann durch Computersimulation bestimmt werden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Abstufungselektroden 30 nicht notwendigerweise den Äquipotentiallinien folgen, son dern stattdessen Oberflächen bilden, welche im allgemeinen die Linien kreuzen, und eine doppelte radiale Biegung auf weisen. Die Enden 36 der Abstufungselektroden 30 sind im allgemeinen abgerundet.

Die Abstufungselektroden 30 besitzen jeweils eine äußere Krümmung 32, welche in eine innere Krümmung 34 übergeht. Der Radius der Krümmung jeder der Abstufungselektroden 30 sowohl der äußeren Krümmung 32 als auch der inneren Krümmung 34 wird bestimmt durch Verschieben zentraler Punkte nahe der fokussierenden Elektrode 22 bzw. der Anode 12. Die äußere Krümmung 32 jeder der Abstufungselektroden 30 wird entlang eines Radius gebildet, welcher radiale Mittelpunkte an A, B und C besitzt. Die innerste Abstufungselektrode 30 ₁ ent spricht einem radialen Mittelpunkt A, welcher im wesentli chen innerhalb der fokussierenden Elektrode 22 zentriert ist. Die äußere Krümmung 32 ₂ der zweiten Abstufungselektrode 30 ₂ hat einen radialen Mittelpunkt B, welcher ebenso inner halb der fokussierenden Elektrode 22 vorgesehen ist, jedoch näher an dem äußeren Rand der fokussierenden Elektrode. Die äußerste Abstufungselektrode 30 ₃ besitzt eine äußere Krüm mung 32 ₃, welche durch den radialen Mittelpunkt C bestimmt ist, welcher über der fokussierenden Elektrode 22 hinaus in dem Zwischenelektrodenraum liegt.

Ähnlich wird die innere Krümmung 34 ₁ der innersten Abstu fungselektrode 30 ₁ von einem radialen Mittelpunkt A' be stimmt, welcher auf einer Equipotentiallinie 28 liegt, wel che im wesentlichen innerhalb des Zwischenelektrodenraums zentriert ist. Die zweite Abstufungselektrode 30 ₂ besitzt eine innere Krümmung 34 ₂, welche durch den radialen Mittel punkt B' bestimmt ist, welcher ebenso auf einer Equipotentiallinie 28 liegt, jedoch näher an der Elektrode 12 innerhalb des Zwischenelektrodenraums. Zuletzt besitzt die äußerste Abstufungselektrode 30 ₃ eine innere Krümmung, welche von einem radialen Mittelpunkt C' gebildet wird, wel cher im wesentlichen innerhalb der Anode 12 zentriert ist.

Es wird vorweggenommen, daß die Abstufungselektroden aus Zy lindern eines nichtmagnetischen metallischen Materials ge bildet sind. Die doppelten radialen Krümmungen können leicht durch bekannte Herstellungstechniken gebildet werden, wie z. B. durch Drücken. Die innewohnende Typstruktur könnte mechanisch steif und rauh sein. In einer bevorzugten Ausführungsform könnten die Elektroden aus konzentrischen Zylindern von nichtrostendem Stahl und Kupfer sein. Die Zy linder werden integriert zusammen gebildet unter Verwendung von bekannten Schweißtechniken. Der nichtrostende Stahlteil würde außen liegen, gegen die Anode 12, während das Kupfer innen liegen würde. Oxidierter nichtrostender Stahl ist ein bevorzugtes Material für Abstufungselektroden, da es eine gute hohe Spannungsbeständigkeits-Charakteristik besitzt. Das Kupfer hat eine gute thermische Charakteristik für Hitzeabfuhr aus den Abstufungselektroden. Alternativ könnte ebenso verarmtes Uran oder Molybdän anstelle von nichtro stendem Stahl verwendet werden.

Computermodellieren hat gezeigt, daß die Verwendung von drei Abstufungselektroden 30, welche die doppelte radiale Krüm mung besitzen, den maximalen negativen Gradienten auf etwa 170 kV/cm reduzieren könnten, oder auf eine 15%ige Reduzie rung des negativen Spitzengradienten. Dies würde übersetzt ein potentiell erreichbares Leistungsansteigen von dem drei fachen gegenüber dem Fall der Pierce-Elektronenkanone mit Nichtabstufungselektroden bedeuten. Bei einer Betriebsspan nung von 600 kV wäre die vorliegende Erfindung für einen ver läßlichen Betrieb bei einem Pulslängenpegel von 5 µs und darüber hinaus geeignet.

Claims

1. Elektronenkanone mit einer Kathode (18), einer in einem festen Abstand von der Kathode (18) angeordneten Anode (12) und n Abstufungselektroden (30), die die Po sitionen von Äquipotentiallinien (28) einer zwischen der Kathode (18) und der Anode (12) vorgesehenen elek trischen Potentialdifferenz steuern, dadurch gekenn zeichnet,
daß eine fokussierende Elektrode (22) benachbart zu der Kathode (18) angeordnet ist,
daß die n Abstufungselektroden (30) (n ≧ 1) zwischen der fokussierenden Elektrode (22) und der Anode (12) angeordnet sind,
daß jede der Abstufungselektroden (30) eine äußere (32) und eine innere Krümmung (34) in einer Ebene durch die elektronenoptischen Achse der Elektronenkanone (10) aufweist,
daß die äußere Krümmung (32) jeder der Abstufungselek tronen (10) jeweils einen ersten radialen Mittelpunkt (A, B, C) nahe der fokussierenden Elektrode (22) auf weist, und
daß die innere Krümmung (34) jeweils einen zweiten ra dialen Mittelpunkt (A', B', C') nahe der Anode (12) aufweist,
um die durch die elektrische Potentialdifferenz gebil deten Oberflächengradienten zu reduzieren.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektronenkanone (10) eine Pierce- Elektronenkanone ist.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Abstufungselektroden (30 ₁, 30 ₂, 30 ₃) vorgesehen sind.

4. Elektronenkanone nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere Krümmung (32) einer ersten Ab stufungselektrode (30 ₁) einen ersten radialen Mittel punkt (A) aufweist, welcher im wesentlichen innerhalb der fokussierenden Elektrode (22) zentriert ist.

5. Elektronenkanone nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere radiale Krümmung (32) einer zweiten Abstufungselektrode (30 ₂) einen ersten radialen Mittelpunkt (B) innerhalb der fokussierenden Elektrode (22) benachbart dem ersten radialen Mittelpunkt (A) der äußeren radialen Krümmung (32) der ersten Abstufungs elektrode (30 ₁) aufweist.

6. Elektronenkanone nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste radiale Mittelpunkt (B) der äußeren radialen Krümmung (32) der zweiten Abstufungs elektrode (30 ₂) sich am äußeren Rand der fokussierenden Elektrode (22) befindet.

7. Elektronenkanone nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere radiale Krümmung (32) einer dritten Abstufungselektrode (30 ₃) einen ersten radialen Mittelpunkt (C) nahe dem ersten radialen Mit telpunkt (B) der äußeren radialen Krümmung (32) der zweiten Abstufungselektrode (30 ₂) besitzt.

8. Elektronenkanone nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste radiale Mittelpunkt (C) der äußeren radialen Krümmung (32) der dritten Abstufungs elektrode (30 ₃) sich außerhalb der fokussierenden Elek trode (22) befindet.

9. Elektronenkanone nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere radiale Krümmung (34 ₁) der ersten Abstufungselektrode (30 ₁) einen zweiten radialen Mittelpunkt (A') aufweist, wel cher im wesentlichen zwischen der Anode (12) und der Kathode (18) zentriert ist und auf einer der Äquipoten tiallinien (28) liegt.

10. Elektronenkanone nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere radiale Krümmung (34 ₂) der zweiten Abstufungselektrode (30 ₂) einen zweiten radia len Mittelpunkt (B') zwischen der Anode (12) und der Kathode (18) aufweist, welcher auf einer anderen Äqui potentiallinie zwischen dem zweiten radialen Mittel punkt (A') der inneren radialen Krümmung (34 ₁) der er sten Abstufungselektrode (30 ₁) und der Anode (12) liegt.

11. Elektronenkanone nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß, die innere radiale Krümmung (34 ₃) der dritten Abstufungselektrode (30 ₃) einen zweiten radia len Mittelpunkt (C') aufweist, welcher im wesentlichen innerhalb der Anode (12) zentriert ist.

12. Elektronenkanone nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungs elektroden (30) aus metallischen nicht-magnetischen Zy lindern gebildet sind.

13. Elektronenkanone nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abstufungselektroden (30) des weite ren aus konzentrischen Zylindern aus nichtrostendem Stahl und Kupfer gebildet sind.

14. Elektronenkanone nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstufungs elektroden (30) im wesentlichen abgerundete Enden auf weisen.