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1. Gegenstand
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf
Sammleranordnungen gerichtet, welche zum Sammeln von überschüssigen Elektronen
in Linearstrahl-Elektronenvorrichtungen verwendet werden. Insbesondere ist
die Erfindung auf eine Sammlervorrichtung gerichtet mit einer heiß eingesetzten
Molybdän-Hülse zum Trennen
des keramischen Kollektorkerns von einer entsprechenden Wärmesenke,
um einen verbesserten Hochtemperaturbetrieb zu schaffen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Linearstrahlelektronenvorrichtungen
sind im Stand der Technik allgemein bekannt, um Hochfrequenzsignale
zu erzeugen und zu verstärken.
In einer Linearstrahlvorrichtung erzeugt eine Elektronenkanone mit
einer Kathode und einer Anode einen linearen Elektronenstrahl. Der
Elektronenstrahl läuft durch
eine Wechselwirkungsstruktur oder Driftröhre, in der die Energie des
Strahls in ein elektromagnetisches Signal umgewandelt wird. Am Ende
der Driftröhre
laufen die überschüssigen Elektronen
des Strahls in eine Kollektorstruktur, welche die Elektronen einfängt und
einen Teil ihrer Restenergie zurückgewinnt.
Elektroden innerhalb der Kollektorstruktur werden verwendet, die überschüssigen Elektronen sehr
nahe an ihren Restenergiepegel zu sammeln, um die Elektronen in
die Energiequelle der Linearstrahlelektronenvorrichtung zurückzuführen. Energie der überschüssigen Elektronen,
welche nicht auf den Elektroden gesammelt werden kann, wird in die
Kollektorstruktur in Form von Wärme
abgegeben.
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Da Linearstrahlelektronenvorrichtungen
mit sehr hohen Energiewerten arbeiten, muß die Kollektorstruktur in
der Lage sein, sehr hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen, beispielsweise über 200°C. Weiterhin
muß die
Kollektorstruktur dem Spannungspotential zwischen einzelnen Kollektorelektroden
widerstehen. Angesichts dieser grundsätzlichen Betriebsnotwendigkeiten
ist der mittige Kern der Kollektorstruktur oftmals aus einem thermisch unempfindlichen
und elektrisch nicht leitfähigen
Material, beispielsweise Keramik, gebildet. Um die Wärme vom
Kollektorkern abzuführen,
weisen Kollektoranordnungen für
gewöhnlich
eine Wärmesenke
auf, welche in Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Kollektorkerns
angeordnet ist. Typischerweise ist die Wärmesenke aus einem Material
mit guter thermischer Leitfähigkeit,
beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gefertigt.
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Ein Nachteil derartiger Kollektoranordnungen
nach dem Stand der Technik ist, daß der keramische Kollektorkern
und die metallische Wärmesenke inkompatibel
aufgrund der Unterschiede ihrer jeweiligen thermischen Ausdehnungsbeträge sein
können. Bei
einem Verfahren zur Herstellung, welches im Stand der Technik bekannt
ist, wird der keramische Kollektor so dimensioniert, daß er in
eine entsprechende Öffnung
der Wärmesenke
bei Raumtemperatur paßt.
Während
eines Hochtemperaturbetriebs dehnt sich die metallische Wärmesenke
mit einer höheren
Rate als der Keramikkern aus, was bewirkt, daß sich die Wärmesenke
von dem Kollektorkern weg ausdehnt und einen Spalt zwischen den
beiden benachbarten Oberflächen
zurückläßt. Die
Wärmesenke
ist hierdurch nicht länger
wirksam bei der Wärmeabführung von
dem keramischen Kollektorkern, was zu starken Belastungen des Kollektorkerns
und einem schließlichen
Ausfall dieses Bauteils führt. Eine
vorgeschlagene Lösung
für dieses
Problem ist, den keramischen Kollektorkern so zu dimensionieren,
daß er
in die thermisch erwei terte Größe der Wärmesenke
paßt und
den Kollektorkern in die Wärmesenke
einzuführen,
wobei die Wärmesenke
auf Betriebstemperatur vorerhitzt ist. Dieses Verfahren ist nicht
praktikabel aufgrund der Schwierigkeit, die gesamte Kollektoranordnung
in einer Hochtemperaturumgebung zusammenzubauen.
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Von daher ist es höchst wünschenswert,
eine Kollektorstruktur zu schaffen mit einem keramischen Kollektorkern,
der einen Hochtemperaturbetrieb ohne die Nachteile im Stand der
Technik erlaubt. Insbesondere wäre
es wünschenswert,
eine Kollektoranordnung zu schaffen, mit einer effizienten Wärmeabführung von
dem keramischen Kollektorkern an die umgebende Wärmesenke, wobei der Betrieb
bei relativ hohen Temperaturen erfolgt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Lehre der vorliegenden
Erfindung wird eine Kollektorstruktur für eine Linearstrahlvorrichtung
geschaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Die Kollektorstruktur weist eine Wärmesenke mit einer zylindrischen Öffnung,
eine Hülse
innerhalb der zylindrischen Öffnung der
Wärmesenke
und einen Kollektorkern innerhalb der Hülse auf.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die
Hülse aus
einem Material gefertigt mit einer thermischen Ausdehnungsrate unterschiedlich
zu derjenigen der Wärmesenke
und ist in engem Kontakt mit der Wärmesenke angeordnet, wenn der
Kollektor auf erhöhter
Betriebstemperatur ist. Ein kleiner Spalt ist zwischen dem Kollektorkern
und der Hülse
gebildet, wenn der Kollektor auf Raumtemperatur ist und der Kollektorkern
ist in engem Kontakt mit der Hülse, wenn
der Kollektor auf Betriebstemperatur ist. Die Wärmesenke weist weiterhin entweder
Kupfer oder Aluminium auf, die Hülse
ist gebildet aus Molybdän und
der Kollektorkern ist aus einem Keramikmaterial gebildet. Zur Herstellung
der Kollektorstruktur wird die Wärmesenke
auf eine Temperatur über
Betriebstemperatur erhitzt und die Hülse wird in die zylindrische Öffnung der
Wärmesenke
bei der erhöhten Temperatur
eingeführt.
Der Kollektorkern wird dann in die Hülse bei Umgebungstemperatur
der Kollektorstruktur eingeführt.
Während
des Betriebs des Kollektors wird innerhalb des Kollektorkerns erzeugte Hitze
wirksam über
die Hülse
auf die Wärmesenke abgeleitet.
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Ein besseres Verständnis der
Kollektorstruktur und einem Herstellungsverfahren hiervon ergibt sich
einem Fachmann auf diesem Gebiet, sowie eine Umsetzung von zusätzlichen
Vorteilen und Merkmalen hiervon unter Betrachtung der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform. Bezug genommen
wird auf die beigefügten
Seiten der Zeichnung, welche zunächst
kurz beschrieben werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine seitliche Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Kollektorstruktur
mit der heiß eingeführten Molybdänhülse;
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2 ist
eine vordere Schnittdarstellung der Kollektorstruktur von 1; und
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3 ist
eine seitliche Schnittdarstellung der Kollektorstruktur zur Darstellung
elektrischer Verbindungen mit den Kollektorelektroden.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die vorliegende Erfindung erfüllt die
Notwendigkeit nach einer Kollektorstruktur mit wirksamer Wärmeübertragung
von dem keramischen Kollektorkern zu der umgebenden metallischen
Wärmesenke bei
einem Betrieb mit relativ hohen Temperaturen. In der folgenden detaillierten
Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um in einer
oder mehrerer der Figuren gleiche Bauteile zu beschreiben.
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Bezugnehmend auf die 1 bis 3,
so ist eine Ausführungsform
einer Kollektorstruktur 10 für eine Linearstrahlvorrichtung
dargestellt. Die Linearstrahlvorrichtung beinhaltet eine Driftröhre 16,
welche einen sich axial erstreckenden Elektronenstrahl (nicht gezeigt)
umschließt.
Es sei festzuhalten, daß die
Linearstrahlvorrichtung auch andere Aspekte beinhalten kann, beispielsweise
eine Elektronenkanone, welche nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung
sind. Die Kollektorstruktur 10 beinhaltet einen keramischen
Kollektorkern 12, eine Wärmesenke 14 und eine
Hülse 18.
Der Kollektorkern 12 hat im wesentlichen Zylinderform mit
einer Öffnung,
welche in Fluchtung mit der Driftwelle 16 ist, um die überschüssigen Elektronen
des Elektronenstrahls nach Durchlauf durch die Linearstrahlvorrichtung
aufzunehmen. Wie in der Technik bekannt ist, ist der Kollektorkern 12 aus
einem Keramikmaterial aufgebaut. Der Kollektorkern 12 weist
weiterhin eine oder mehrere Elektroden in sich auf (werden nachfolgend
beschrieben), um das wirksame Sammeln der überschüssigen Elektronen zu erleichtern.
Die Linearstrahlvorrichtung arbeitet in einem Vakuum, wobei die
Driftwelle 16 und der Kollektorkern 12 die äußeren Grenzen des
Vakuumraums definieren.
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Genauer gesagt, die Wärmesenke 14 hat Kegelstumpfform
mit einem Durchmesser erheblich größer als derjenige des Kollektorkerns 12.
Die Hülse 18 hat
Rohrform und schließt den
Kollektorkern 12 vollständig
ein. Die Wärmesenke 14 hat
eine zylindrische Öffnung,
in welche der Kollektorkern 12 und die Hülse 18 eingeführt werden.
Wie weiter unten beschrieben wird, besteht die Hülse 18 aus einem Material
mit einer thermischen Ausdehnungsrate niedriger als diejenige des
Kollektorkerns 12 und der Wärmesenke 14, beispielsweise
Molybdän.
Die Wärmesenke 14 kann
ein Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer
oder Aluminium, aufweisen, um eine effiziente Wärmeabstrahlung weg vom Kollektorkern 12 und
der Hülse 18 zu
ermöglichen.
Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergeben wird, ist die Hülse 18 in
engem Kontakt mit dem Kollektorkern 12 und der Wärmesenke 14,
um eine gute thermische Übertragung
vom Kollektorkern und der Wärmesenke 14 zu
unterstützen.
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Wie in 3 gezeigt,
so weist der Kollektorkern 12 weiterhin Elektroden 24 und 26 auf.
Die Elektrode 24 ist an der Öffnung des Kollektorkerns 12 angeordnet
und schafft eine Öffnung,
durch welche die überschüssigen Elektronen
laufen. Die Elektrode 26 ist an dem hinteren Ende des Kollektors 12 angeordnet.
Wie in der Technik bekannt, können
die Elektroden 24 und 26 unterschiedlich angelegte
Spannungspotentiale haben, um eine effektive Sammlung der Elektronen
zu unterstützen.
Eine elektrische Leitung 36 verläuft zu der Elektrode 24 durch
eine entsprechende Öffnung 28,
welche sowohl im Kollektorkern 12 als auch der Hülse 18 vorgesehen
ist. Auf ähnliche
Weise verläuft
eine elektrische Leitung 34 zur Elektrode 26 durch
eine entsprechende Öffnung 32,
welche sowohl im Kollektorkern 12 als auch der Hülse ausgebildet
ist. Die Wärmesenke 14 hat
einen Raum 38, der sich axial entlang des Kollektorkerns 12 und
der Hülse 18 erstreckt,
um zu ermöglichen, daß die elektrischen
Leitungen 34 und 36 sich aus der Kollektorstruktur 10 nach
außen
zu jeweiligen Spannungsquellen erstrecken können. Wie in 2 ge zeigt, kann der Raum 38 mit
einem Vergußmaterial 22 gefüllt sein,
welches die elektrischen Leitungen 34 und 36 voneinander
isoliert und Bewegungen der elektrischen Leitungen verhindert. Das
Vergußmaterial 22 dient
weiterhin als eine Versiegelung, um das Vakuum innerhalb der Linearstrahlvorrichtung
aufrecht zu erhalten. Es versteht sich, daß eine größere oder geringere Anzahl
von Elektroden in dem Kollektorkern 12 vorgesehen werden
kann, wie dies die Betriebseigenschaften der Linearstrahlvorrichtung
notwendig machen.
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Das Verfahren zur Herstellung der
verschiedenen Bauteile der Kollektorstruktur 10 wird nun
beschrieben. Der Außenumfang
der Hülse 18 wird
bearbeitet, um mit dem thermisch erweiterten Innendurchmesser der
rohrförmigen Öffnung der
Wärmesenke 14 übereinstimmend
zu sein, wenn die Wärmesenke
auf eine Temperatur von annähernd
300°C erhitzt
wird. Auf diese Weise bilden die Hülse 18 und die Wärmesenke 14 eine
enge Preßsitzverbindung, wenn
die Kollektorstruktur 10 bei Betriebstemperatur ist. Der
Innenumfang der Hülse 18 wird
dann auf einen Innendurchmesser aufgebohrt, der annähernd 0,0005
bis 0,0013 cm größer als
der Außendurchmesser
des Kollektorkerns 12 ist. Danach wird die Wärmesenke 14 auf
eine höhere
Temperatur erhitzt, beispielsweise annähernd 350°C, so daß die Wärmesenke sich etwas weiter
ausdehnt. Die Hülse 18 wird in
die Wärmesenke 14 bei
dieser höheren
Temperatur eingeführt.
Nachdem die Kombination aus Hülse 18 und
Wärmesenke 14 auf
Raumtemperatur abgekühlt
sind, sind die Hülse
und die Wärmesenke
in engem Kontakt miteinander. Der Kollektorkern 12 wird bei
dieser niedrigeren Temperatur in die Hülse 18 eingeführt. Wichtig
ist, daß bei
dieser niedrigeren Temperatur der Kollektorkern 12 lose
innerhalb der Hülse 18 aufgenommen
ist, was erlaubt, daß der
Kollektorkern mit der Hülse
einfach durch Drehen von Hand des Kollektorkerns geeignet ausgerichtet
werden kann.
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Während
des Betriebs erhitzt sich die Kollektorstruktur 10, wenn
die überschüssigen Elektronen gesammelt
werden. Als Ergebnis dieser Erwärmung beginnen
die verschiedenen Bauteile der Kollektoranordnung 10, sich
auszudehnen; die thermischen Ausdehnungsraten der Bauteile unterscheiden
sich jedoch voneinander. Insbesondere dehnt sich der Kollektorkern 12 mit
einer höheren
Rate als die Hülse 18 aus.
Da der Spalt zwischen dem Kollektorkern 12 und der Hülse 18 relativ
eng ist, besteht eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem Kollektorkern und
der Hülse,
welche sich noch verbessert, wenn sich der Kollektorkern in die
Hülse hinein
ausdehnt. Umgekehrt besteht eine gute thermische Leitfähigkeit
zwischen der Hülse 18 und
der Wärmesenke 14, da
diese Bauteile fest zusammengepreßt verbleiben. Die Hülse 18 nimmt
die höhere
Ausdehnungsrate der Wärmesenke 14 auf
und dient dazu, eine thermische Verbindung zwischen Kollektorkern 12 und
Wärmesenke
aufrechtzuerhalten. Da die Wärme
wirksam vom Kollektorkern 12 abgeführt wird, arbeitet die Vorrichtung
wirksam oberhalb der Standardbetriebstemperaturen von 125° bis 200°C ohne Risiko
von Überhitzen
oder Ausfall. Weiterhin, wie oben erläutert, da das voranstehende
Verfahren erlaubt, daß die
Linearstrahlvorrichtung und der Kollektorkern 12 innerhalb
der Wärmesenke 14 und
der Hülse 18 bei
niedriger Temperatur zusammengebaut werden können, ist die Herstellung der
Kollektorstruktur 10 im Vergleich zu Verfahren nach dem
Stand der Technik erheblich vereinfacht.
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Es wurde eine bevorzugte Ausführungsform einer
Kollektorstruktur für
Hochbetriebtemperatur beschrieben; es versteht sich für den Fachmann
auf diesem Gebiet, daß bestimmte
Vorteile des Systems erhalten worden sind. Es sei weiterhin verstanden, daß verschiedene
Modifikationen, Anpassungen und andere Ausführungsformen innerhalb des
Umfangs der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, wie
er durch die nachfolgenden Ansprüche
definiert ist.
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