DE4340984C2 - Leitungsgekühlter Bremsfeld-Kollektor mit hoher thermischer Kapazität - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung hat einen Elektronenstrahlkollektor und insbesondere einen lei­ tungsgekühlten Kollektor zum Gegenstand, welcher ohne Spannungsdurchschlag einen Betrieb mit einem starken Bremsfeld ermöglicht.

Viele elektronische Vorrichtungen verwenden beim Betrieb der Vorrichtung einen Wanderfluß von geladenen Partikeln, wie z. B. Elektronen, der als Strahl geformt eine wesentliche Funktion einnimmt. Bei linearen Strahlvorrichtungen wird ein von einer Elektronenkanone ausgehender Elektronenstrahl dazu veranlaßt, sich durch einen Tunnel oder eine Driftröhre fortzupflanzen, welche im allgemeinen eine Hochfrequenz- Wechselwirkungsstruktur beinhalten. Innerhalb der Wechsel­ wirkungsstruktur muß der Strahl durch Magnet- oder elektro­ statische Felder gebündelt werden, damit er effektiv und ohne Energieverlust durch die Wechselwirkungsstruktur trans­ portiert wird. In der Wechselwirkungsstruktur wird kineti­ sche Energie von den in Bewegung befindlichen Elektronen des Strahls auf eine elektromagnetische Welle übertragen, welche sich mit annähernd dergleichen Geschwindigkeit wie die in Bewegung befindlichen Elektronen durch den Wechselwirkungs­ bereich fortpflanzt. Die Elektronen geben durch einen Aus­ tauschvorgang, welcher als elektronische Wechselwirkung cha­ rakterisiert wird, Energie an die elektromagnetische Welle ab, was an einer verringerten Geschwindigkeit des Elektro­ nenstrahls aus dem Wechselwirkungsbereich erkennbar ist.

Diese "verbrauchten" Elektronen verlassen den Wechselwir­ kungsbereich, in dem sie auf ein letztes Element, den soge­ nannten Kollektor, auftreffen und von ihm gesammelt werden.

Der Kollektor sammelt die eintreffenden Elektronen und lie­ fert sie an die Spannungsquelle zurück. Ein großer Teil der in den geladenen Partikeln verbleibenden Energie wird als Wärme frei, wenn die Partikel auf ein stehendes Element wie die Kollektorwände auftreffen.

Der Elektronenkollektor kann entweder direkt auf das Gehäuse der Hochfrequenzvorrichtung montiert sein, welche die Hoch­ frequenzwechselwirkungsstruktur beinhaltet, oder er kann von der Struktur elektrisch isoliert sein. Isolierte Kollektoren können mit beträchtlich niedrigerer Spannung als derjenigen der Hochfrequenzvorrichtung arbeiten und sind als Bremsfeld- Kollektoren bekannt. Durch den Betrieb des Kollektors mit einem Bremsfeld verlangsamt das elektrische Feld im Inneren des Kollektors die sich bewegenden Elektronen, so daß die Elektronen bei verminderter Geschwindigkeit gesam­ melt werden können. Dieses Verfahren erhöht die elektrische Effektivität der Hochfrequenzvorrichtung und vermindert die unerwünschte Wärmeerzeugung im Inneren des Kollektors. Bremsfeld-Kollektoren sind z. B. im U.S.-Patent Nr. 4,794,303 von Hechtel et. al. diskutiert, auf welches hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Ein Bremsfeld-Kollektor weist in einem typischen Fall eine äußere metallische Struktur auf, welche an der Hochfrequenz­ vorrichtung befestigt ist und einen Bestandteil der Vakuum­ hülle des Wechselwirkungsbereichs bildet. Eine innere Me­ tallstruktur ist innerhalb der Außenstruktur zentriert und dient als Empfänger für den Elektronenstrahl. Diese Kollek­ torstrukturen sind oft zylinderförmig, es werden aber auch alternative Formen verwendet. Um die Innenstruktur zu fixie­ ren und Wärmeleitung sowie elektrische Isolation zur Verfü­ gung zu stellen, sind Abstandseinheiten vorgesehen, welche die Außen- und Innenstruktur miteinander verbinden. Die Ab­ standseinheiten müssen für die Wärmeleitung von der Innen­ struktur zur Außenstruktur sorgen, so daß die Wärme letzt­ endlich aus der Vorrichtung entfernt werden kann.

Um das Bremsfeld in der Innenstruktur zu erzeugen, wird eine negative Spannung an die In­ nenstruktur angelegt. Da die Spannung der Außenstruktur gleichwertig ist zu derjenigen der Hochfrequenzvorrichtung, besteht ein Spannungsdifferential zwischen der inneren und der äußeren Kollektorstruktur, wodurch ein elektrisches Feld zwischen den Strukturen erzeugt wird. Die Abstandseinheit muß elektrisch gut isolierend sein, um elektrische Leitung zwischen den Strukturen zu verhindern. Falls die Spannungs­ differenz zu groß wird, kann sich ein Durchbruchszustand ereignen, in dem ein elektrischer Lichtbogen die Oberfläche eines oder mehrerer der Abstandseinheiten überbrückt. Dieser Durchbruchszustand würde die Effektivität des Bremsfeld- Kollektors beträchtlich herabsetzen und könnte in einigen Fällen die Struktur beschädigen.

Um die erforderliche elektrische Isolierungsqualität zur Verfügung zu stellen, werden in einem typischen Fall Kera­ mikmaterialien in der Abstandseinheit eingesetzt. Diese Ke­ ramikkomponenten können verschiedene Formen annehmen, u. a. massive Blätter aus Keramikmaterial, welche den Feldraum teilweise oder vollständig ausfüllen, innerhalb des Feld­ raums gleichförmig angeordnete Kugeln, und rechtwinklige Polster, deren Konturen so beschaffen sind, daß sie den Spannungsabstand maximieren. Diese vorbekannten Abstandsfor­ men weisen jedoch aufgrund der hohen Spannungen und thermi­ schen Belastungen, welche bei modernen Hochfrequenzvorrich­ tungen erfahren werden, weniger als die gewünschten Resul­ tate auf. Die Blattkeramikformen sind im Normalfall nicht in der Lage, hohe thermische Belastungen zu vertragen, ohne zu reißen. Die kugel- oder polsterförmigen Formen sind nicht in der Lage, hohe Spannungsdifferentiale ohne Lichtbogenbildung abzuhalten. Somit waren die Abstandsformen des Standes der Technik nicht in der Lage, annehmbare Niveaus sowohl an thermischer Leitfähigkeit als auch an Spannungsdurchbruchs­ widerstand zu erreichen.

Aus der DE-AS 25 26 681 ist ein Elektronenkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, von dem die vor­ liegende Erfindung ausgeht. Mehrere auf unterschiedlichem Potential liegende Elektroden eines mehrstufigen Kollektors sind dort mechanisch und thermisch über Isolatoren, die zwischen wärmeleitfähigen Zwischenelementen angeordnet sind, an eine Außenwand gekoppelt. Die Isolatoren sind scheibenförmig ausgebildet.

Ferner ist die DE-AS 17 66 364 zu erwähnen, die einen Bremsfeld-Elektronenkollektor offenbart, der durch ein teilweise mit Metallisierungsschichten überzogenes Kunst­ harzabschirmrohr von einem Abschirmzylinder isoliert und gleichzeitig mechanisch an ihn gekoppelt ist.

Aus dem Stand der Technik ergibt sich keine Möglich­ keit, bei guter thermischer Ankopplung an eine Außenstruk­ tur gleichzeitig - wegen den bei Bremsfeld- Kollektoren auftretenden sehr hohen Spannungen - für eine sehr gute Oberflächenspannungsdurchbruchsfestigkeit zu sor­ gen.

Es wäre also wünschenswert, einen lei­ tungsgekühlten Bremsfeld-Kollektor mit hoher thermischer Leitungskapa­ zität und hoher Spannungsdurchbruchfestigkeit zur Verfügung zu stellen. Es wäre auch wünschenswert, einen Bremsfeld- Kollektor mit Abstandshaltern zur Verfügung zu stellen, welche einen kurzen thermischen Pfad mit einem langen Spannungsdurchbruchpfad über die Oberfläche des Abstands vereinigt.

Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leitungsgekühlten Bremsfeld-Kollektor mit annehmba­ rer thermischer Leitungskapazität und hoher Spannungsdurch­ bruchfestigkeit anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Elektronenkollektor gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Es wird ein Elek­ tronenkollektor zur Verfügung gestellt, welcher von einem geladenen Partikelvorrichtung erzeugte und nach ihrem Durch­ gang durch einen Wechselwirkungsbereich einer Hochfrequenz­ schaltung verbrauchte Elektronen sammeln kann. Der Kollektor weist eine äußere Kollektorstruktur auf, welche mit der Hochfrequenzschaltung gekoppelt ist. Eine innere Kollek­ torstruktur ist innerhalb der Außenstruktur angeordnet und nimmt die verbrauchten Elektronen auf. Eine negative Span­ nung, welche zwischen der Innenstruktur und der Außenstruk­ tur ein elektrisches Bremsfeld erzeugt, wird an die Innenstruktur angelegt.

Eine Vielzahl von thermisch leitenden und elektrisch isolie­ renden Abstandseinheiten erstreckt sich zwischen der Innen- und Außenstruktur. Jede der Einheiten weist ein in einer elektrisch nichtleitenden Außenwand zentriertes, elektrisch nichtleitendes Flachelement sowie thermisch und elektrisch leitende Stöpsel auf, welche jede Seite des Flachelements an eine entsprechende Seite der Kollektorstruktur anfügen. Vorteilhafterweise verläuft eine Symmetrieachse jeder Einheit parallel zu einem von dem elektrischen Feld zwischen der Innen- und Außenstruktur des Kollektors definierten Feldvektor. Da die leitenden Stöpsel teilweise von den Außenwänden umgeben sind, ist ein relativ langer Durchbruchspannungspfad zwischen den Stöpseln vorgesehen, während ein relativ kurzer thermischer Pfad quer über die Breite des Flachelements vorgesehen ist.

Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung sind die Kollektorstrukturen zylinderförmig ausgebil­ det, wobei die Innenstruktur konzentrisch im Inneren der Außenstruktur angeordnet ist. Die Abstandseinheiten erstrecken sich radial zwischen der Innen- und Außenstruktur des Kollektors. Das Flachelement ist scheibenförmig, und die Außenwand ist im allgemeinen zylindrisch und stellt eine doppelendige Schüsselform zur Verfügung. Das Flachelement und die Außenwand sind einstückig aus einem Keramikmaterial mit den gewünschten, elektrisch nichtleitenden Eigenschaften konstruiert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht des leitungsgekühlten Kollektors, welcher an eine bei­ spielhafte Hochfrequenzvorrichtung gekoppelt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht des leitungsgekühlten Kollektors entlang des Schnittes 2-2 aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des leitungsgekühlten Kollektors entlang des Schnittes 3-3 aus Fig. 2;

Fig. 4 eine Endansicht einer Abstandseinheit für den lei­ tungsgekühlten Kollektor; und

Fig. 5 eine Schnittseitenansicht der Abstandseinheit ent­ lang des Schnittes 5-5 aus Fig. 4.

Mit Bezug auf Fig. 1 bis 3 ist ein leitungsgekühlter Kollek­ tor 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Kollektor 10 ist mit einer Hochfrequenzvorrichtung 12 gekoppelt, welche einen Wechselwirkungsbereich 16 und eine Mittellinie 14 auf­ weist. Ein Elektronenstrahl entlang der Mittellinie 14 wird durch den Wechselwirkungsbereich 16 projiziert, in welchem er Energie auf eine elektromagnetische Welle überträgt, welche sich durch die Hochfrequenzvorrichtung 12 fortpflanzt. Nach sei­ nem Durchgang durch die Hochfrequenzvorrichtung 12 verläßt der Elektronenstrahl die Vorrichtung und tritt in einen eimerförmigen Bereich 18 des Kollektors 10 ein. Anstatt der Mittellinie 14 weiter zu folgen, zerstreuen sich die verbrauchten Elek­ tronen aus dem Strahl, indem sie auf die Innenflächen des Bereichs 18 und dessen hinteres Ende 22 auftref­ fen.

Der Kollektor 10 liegt auf einem stark negativen Potential, um die Streuung der verbrauchten Elektronen zu verstärken, welche die Hochfrequenzvorrichtung 12 verlassen. Um dieses Potential zu erzeugen, weist der Kollektor eine Außenstruktur 24 und eine Innenstruktur 26 auf. Die Innenstruktur 26 ist mit einer vorgegebenen Ab­ standsgrößenordnung im Inneren der Außenstruktur 24 angeord­ net. Die Kollektorstrukturen sind zylinderförmig ausge­ bildet, wobei die Innenstruktur 26 konzentrisch innerhalb der Außenstruktur 24 angeordnet ist.

Eine elektrische Durchführung 28 erstreckt sich durch die Rückplatte 64 und stellt eine Spannung von einer externen Spannungsquelle 60 an die Innenstruktur 26 zur Verfügung. Die Durchführung 28 weist eine isolierte Manschette auf, welche einen Draht umgibt, der die Innenstruktur mit der Spannungsquelle 60 verbindet. Die an den inneren Zylinder 26 gelieferte Spannung ist stark negativ in Bezug auf den äußeren Zylinder 24, welcher mit der Hochfrequenzvorrichtung 12 und Masse elektrisch verbunden ist. Es wird angenommen, daß die an den inneren Zylinder 26 angelegte Spannung ungefähr -15.000 Volt beträgt, wenn der Abstand zwischen der Innen­ struktur 26 und der Außenstruktur 24 ca. 0,4 Zoll beträgt. Aufgrund dieses beträchtlichen Spannungsdifferentials bildet sich zwischen der Innenstruktur 26 und der Außenstruktur 24 ein elektrisches Feld aus.

Eine Mehrzahl von Abstandseinheiten 30 hält die Innen­ struktur 26 im Inneren der Außenstruktur 24. In der bevor­ zugten Ausführungsform erstrecken sich die Abstandseinheiten 30 radial zwischen der Innen- und Außenstruktur 26 bzw. 24 und hängen die Innenstruktur fest im Inneren der Außenstruk­ tur auf. Die Abstandseinheiten haben den Zweck, Wärme aus der Innenstruktur 26 an die Außenstruktur 24 zu leiten und die elektrische Isolierung der Innenstruktur sicher­ zustellen. In die Außenstruktur 26 geleitete Wärme kann dann durch an sich bekannte Konvektions-, Leitungs- oder Strahlungstechniken entfernt werden. Die Abstandseinheiten 30 müssen auch die elektrische Isolierung der Innenstruktur 26 sicherstellen, indem sie sowohl Oberflächendurch­ bruch über die Abstandseinheiten als auch direkten Durch­ bruch über die Vakuumtrennung zwischen der Außenstruktur 24 und der Innenstruktur 26 verhindern. Somit müssen die Ab­ standseinheiten elektrisch hochisolierend und hochwärmelei­ tend sein.

Mit Bezug auf Fig. 4 und 5 werden nun die Abstandseinheiten 30 in größeren Einzelheiten gezeigt. Jede der Einheiten weist einen Isolator 32 und ein Paar von Stöpseln 42 und 52 auf. Die Abstandseinheiten 30 sind mit einer Symmetrieachse 66 konstruiert, um welche die Hälfte der Einheiten gleiche Größe und Form aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung weisen die Abstandseinheiten 30 einen Durchmesser von ca. 0,5 Zoll auf.

Der Isolator 32 weist ein Flachelement 34 auf, welches in­ nerhalb einer Außenwand 36 zentriert ist und eine doppelen­ dige Schüsselform aufweist. In der bevorzugten Ausführungs­ form ist das Flachelement 34 rund und die Außenwand 36 zy­ linderförmig. Eine runde Form des Isolators ist mit den bekannten Herstellungsverfahren besonders einfach herzustellen. Es ist jedoch auch möglich, daß alternative Formen des Flachelements 34 und der Außenwand 36, wie etwa rechteckige, Formen vorteilhaft angewendet werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Isolator 32 aus einem Keramikmaterial wie Berylloxid, und das Flachele­ ment 34 und die Außenwand 36 sind einstückig aus einem ein­ zelnen Keramikstück konstruiert. Beide Komponenten können aber auch einzeln kon­ struiert und während der Herstellung zusammengefügt werden. Die Flachelemente 34 sind so angeordnet, daß sich die Symmetrieachse 66 der Einheit 30 parallel zu dem elek­ trischen Feldvektor befindet. Diese Anordnung reduziert die Möglichkeit eines Oberflächendurchbruchs über den Isolator 32. In einer Konfiguration, welche eine zylindrische Innen­ struktur 26 im Inneren einer zylindrischen Außenstruktur 24 einsetzt, verläuft die Symmetrieachse 66 senkrecht zu einem ra­ dialen Vektor von der Mittellinie 14 des Kollektors 10. Da das elektrische Feld zwischen der Innenstruktur 26 und der Außenstruktur 24 radial ausgerichtet ist, verläuft die Symmetrieachse parallel zu dem elektrischen Feldvektor.

Die Dicke des Flachelements 34 muß so gewählt sein, daß sie die thermischen, elektrischen und strukturellen Anforderun­ gen an die Komponente ausgleicht. Da das Flachelement zu­ sätzlich empfindlich ist gegen Volumendurchbruch direkt durch sein Keramikmaterial, erhöht eine erhöhte Dicke des Materials seine Festigkeit gegen Volumendurchbruch. Zusätz­ lich verringert eine erhöhte Dicke des Flachelements 34 die Möglichkeit eines Strukturschadens am Isolator 32, d. h. Springen, bzw. Brechen. Wenn die Dicke jedoch zu stark er­ höht wird, verschlechtert sich die thermische Leitfähigkeit der Abstandseinheit 30. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dicke des Flachele­ ments ca. 0,070 Zoll.

Der innere Stöpsel 42 wie auch der äußere Stöpsel 52 sind aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material herge­ stellt und verbinden den Isolator 32 mit der Außenstruktur 24 bzw. der Innenstruktur 26. Der innere Stöpsel 42 weist eine erste Oberfläche 44 auf, welche mit dem Flachelement 34 in Verbindung steht, sowie eine zweite Oberfläche 48, welche mit der Außenfläche, der Innenstruktur 26 in Verbindung steht. Umgekehrt weist der äußere Stöpsel 52 eine erste Oberfläche 56 auf, welche mit der Innenfläche der Außen­ struktur 24 in Verbindung steht, sowie eine zweite Oberflä­ che 58, welche mit dem Flachelement 34 in Verbindung steht. Es ist vorgesehen, daß die Stöpsel 42, 52 am Isolator durch ein an sich bekanntes Befestigungsverfahren, z. B. Hartlöten, befestigt sind. Die Stöpsel 42, 52 können auch an den inne­ ren und äußeren Zylinder 26 bzw. 4 gelötet sein, oder durch weitere Befestigungsverfahren angebracht sein, z. B. vermit­ tels Schrauben oder Bolzen.

Der Durchmesser der Außenwand 36 des Isolators 32 ist um ein Geringes größer als derjenige der Stöpsel 42, 52, so daß eine Lücke zwischen ihnen gebildet wird. Diese Lücke hat wichtige Funktionen. Ein lan­ ger Oberflächendurchbruchpfad ist zwischen dem inneren Stöp­ sel 42 und dem äußeren Stöpsel 52 vorgesehen. Ein Oberflä­ chenspannungsdurchbruch muß vom Stöpsel zum Flachelement 34, zum inneren Abschnitt der Außenwand 36, dann über den Außen­ abschnitt der Außenwand und wieder zurück zum Innenabschnitt der Außenwand, und endlich über das Flachelement verlaufen, um den äußeren Stöpsel 52 zu erreichen. Die Lücke erlaubt auch eine Wärmeausdehnung der Stöpsel aufgrund der hohen Temperaturen, welche im Inneren des Kollektors 10 auftreten.

Die Figuren zeigen eine Kollektorkonfiguration mit sechs Ab­ standseinheiten 30, welche radial über den inneren Zylinder 26 angeordnet sind, wobei sich sechs Reihen von Abstandsein­ heiten entlang der Längenrichtung des Zylinders erstrecken.

Der Kollektor kann aber statt der zylindrischen Form auch alter­ native Formen aufweisen, darunter rechtwinklige oder flache Konfigurationen. Auch sind unter­ schiedliche Anzahlen und Lokalisierungen von Abstandseinhei­ ten je nach der Größe und Form des Kollektors vorteilhaft möglich.

Claims (8)

1. Elektronenkollektor (10) zum Sammeln von verbrauchten Elektronen, welche von einer Vorrichtung für geladene Partikel erzeugt wurden, mit:
einer Außenstruktur (24);
einer innerhalb der Außenstruktur angeordneten Innen­ struktur (26), welche die Elektronen auffängt;
Mitteln zum Liefern einer negativen Spannung an die In­ nenstruktur, wobei die Spannung ein elektrisches Feld zwischen der Innenstruktur (26) und der Außenstruktur (24) erzeugt;
einer Vielzahl von wärmeleitenden und elektrisch isolie­ renden Abstandseinheiten (30), welche sich zwischen der Innenstruktur (26) und der Außenstruktur (24) erstrecken, wobei jede der Einheiten ein Flachelement (32) und leitfähige Stöpsel (42, 52), welche jede Seite des Flachelements (32) an eine entsprechende Seite der Strukturen (24, 26) anfügen, aufweist;
dadurch gekennzeichnet,
daß das Flachelement (32), innerhalb einer Außenwandung (36) zentriert ist, daß die Stöpsell (42, 52) teil­ weise von den Außenwandungen (36) umgeben sind, und daß die Außenwandungen (36) einen relativ langen Oberflächenspannungsdurchbruchpfad zwischen den Stöpseln (42, 52) bilden.

2. Elektronenkollektor (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Flachelement (32) aus Berylllium­ oxid-Keramikmaterial gefertigt ist.

3. Elektronenkollektor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stöpsel (42, 52) aus Kupferma­ terial gefertigt sind.

4. Elektronenkollektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenstruktur (26) und die Außenstruktur (24) im allgemeinen zylinderförmig mit einer gemeinsamen Mittel­ linie (14) gebildet sind, so daß die Innenstruktur kon­ zentrisch innerhalb der Außenstruktur angeordnet ist.

5. Elektronenkollektor (10) nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abstandseinheiten (30) sich radial zwischen der Innenstruktur (26) und der Außenstruktur (24) erstrecken.

6. Elektronenkollektor (10) nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede der Abstandseinheiten (30) eine Symmetrieachse (66) aufweist, welche parallel zu einem sich von der Mittellinie (14) erstreckenden radialen Vektor verläuft.

7. Elektronenkollektor (10) nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Symmetrieachse (66) parallel zu einem von dem elektrischen Feld definierten elektrischen Feldvektor verläuft.

8. Elektronenkollektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stöpsel (42, 52) an die Flachelemente (32) gelötet sind.