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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
gegenwärtige
Erfindung bezieht sich auf Elektronenvorrichtungen und insbesondere
auf eine Schaltröhre,
die dafür
ausgelegt ist, Zustände
zwischen einem nicht leitenden Hochspannungszustand und einem leitenden
Hochstromzustand schnell zu ändern.
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2. Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind Hochleistungsschaltvorrichtungen zum Umschalten
zwischen leitenden und nicht leitenden Zuständen bekannt, um kurzandauernde
Hochstromimpulse bereitzustellen. Eine Schaltvorrichtung muss Hochspannungen
abhalten können,
wenn sie sich in dem nicht leitenden Zustand befindet, und sie muss
mit minimalem Spannungsabfall in der Vorrichtung schnell in den
leitenden Hochstromzustand umschalten können. Die Hochstromimpulse,
die durch eine Schaltvorrichtung bereitgestellt werden, finden im
Stand der Technik verschiedene Anwendungen, wie z. B. bei der Plasmaionenimplantation,
bei der Regulierung eines Mikrowellenröhrenstroms oder einer Mikrowellenröhrenspannung
und dergleichen.
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Gegenwärtig sind
zwei Typen von Hochleistungsschaltvorrichtungen und auch ein dritter
Typ im herkömmlichen
Gebrauch, der in einem vorherigen Patent des Erfinders offenbart
ist und gegenüber
den zwei anderen Typen bestimmte Vorteile hat Der erste Typ ist
die Strahlenergietetrodenschaltröhre,
die im Allgemeinen aus einer thorierten Wolframkathode, die zylindrisch
gewickelt ist, aus einem zylindrischen Steuergitter, welches diese
umgibt, aus einem Schirmgitter und schließlich aus einer zylindrischen Anode
außerhalb
des zylindrischen Schirmgitters besteht. Gewöhnlich wird das Steuergitter
bei einem elektrischen Potential betrieben, das hinsichtlich der Kathode
stets negativ ist (wenn möglich),
um ein Auffangen von Elektronen darauf und ein anschließendes Überhitzen
zu verhindern. Die Steuergitterspannung wird von einer relativ hohen
negativen Spannung in dem Strahl-AUS-Modus in eine weniger negative
Spannung geschalten, um den Strahl einzuschalten. Das Schirmgitter
ist derart angeordnet, dass es auf das Steuergitter ausgerichtet
ist, um dieses gegen ein Elektronenauffangen zu schützen. Es wird
auf einem Potenzial gehalten, das hinsichtlich der Kathode hinsichtlich
der Kathode positiv ist. Schließlich
muss das Anodenpotenzial hinsichtlich der Kathode positiv sein,
um Elektronen aufzunehmen, die von der Kathode ausgesendet wurden.
Bei diesem ersten Röhrentyp
gibt es viele Nachteile, welche eine mechanische Zerbrechlichkeit
der Drähte, die
die Kathode und die Gitter aufweisen, eine sehr hohe, notwendige
Kathodenheizerleistung, die Schwierigkeit beim Ausrichten der Gitterdrähte, was zu
einer Gitterunterbrechung und entweder zu einer Gitteremission oder
zu einem Gitterausbrennen führen
kann, und kathodische, thermische und mechanische Probleme, welche
die Zuverlässigkeit
beeinflussen und zu Lebensdauerproblemen führen können, wenn diese Röhren bei
Hochleistungsanwendungen verwendet werden, beinhalten.
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Der
zweite, herkömmlich
verwendete Typ von Schaltröhre
ist der Magnetfeldröhreneinspritzkanonentyp
(MIG-Typ). Diese Röhre
weist eine zylindrische Kathode auf, die in einer Modulationsanodenstruktur
konzentrisch angeordnet ist, wobei ein Raum zwischen der Kathode
und der Modulationsanode ausgebildet ist. Axial von der Kathode
und der Modulationsanode ist ein als Faradaykäfig ausgebildeter Kollektor
angeordnet, um den Kathodenstrom aufzunehmen, während eine sekundäre Elektronenemission
verhindert wird. Ein axiales Magnetfeld, das durch einen extern
angeordneten Elektromagneten bereitgestellt wird, weist Flusslinien
auf, die sich durch den Raum in die Öffnung des Kollektors erstrecken.
Um die MIG-Schaltröhre
in den leitenden Zustand zu schalten, wird an die Modulationsanode
ein elektrisches Potenzial, das hinsichtlich der Kathode positiv ist,
angelegt, wodurch bewirkt wird, dass von der Kathode Strom ausgesendet
wird. Das axiale Magnetfeld krümmt
den Strahl, wodurch verhindert wird, dass er die Modulationsanode
erreicht, und wodurch er in den Kollektor hineine gerichtet wird.
Während dieser
Schaltröhrentyp
belegt hat, dass er sehr zuverlässig
und langlebig ist, hat er zwischen der Kathode und dem Kollektor
einen im Allgemeinen höheren
Spannungsabfall als andere Schaltröhrentypen, wodurch er elektrisch
weniger effizient ist. Darüber hinaus
macht er einen Elektromagneten und eine entsprechende Elektromagnetenenergiezufuhr
notwendig, wodurch das Gewicht, die Komplexität und die Kosten der Vorrichtung
erhöht
werden.
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Der
dritte Schaltröhrentyp
weist eine Schattengittertetrodenvorrichtung auf, die aus einer
Vielzahl von Elektronenkanonen hergestellt ist, von welchen jede
eine Ka- thode und eine Anode aufweist. Zwischen jeder Kathode und
jeder Anode ist eine Reihe von ausgerichteten Gittern angeordnet,
welche ein Verdunklungsgitter, das sich zu der Kathode am nächsten befindet,
ein daran anschließendes Steuergitter
und ein Schirmgitter aufweist. Die Röhre weist auch ein Drosselkondensatorgitter
auf, das auf das Schirmgitter folgt, welches eine Öffnung hat,
die im Allgemeinen gleich der von dem Rand der Kathode ist. In dieser
Röhre weist
die Anode Hohlräume auf,
die eine Gruppe von als Faradaykäfig
ausgebildete Kollektoren vorsehen, um den Kathodenstrom aufzunehmen.
Im Betrieb wird die Tetrodenschaltröhre zwischen dem leitenden
und dem nicht leitenden Zustand dadurch umgeschalten, dass das Spannungspotenzial,
das an das Steuergitter angelegt wird, gesteuert wird. Ein Beispiel
für diesen
Typ von Schaltröhre
wird durch das
US-Patent Nr.
4,745,324 für
True mit dem Titel „HIGH
POWER SWITCH TUBE WITH FARADAY CAGE ANODE" bereit gestellt. Während die Abschattungsgittertetrodenschaltröhre wesentliche
Einschränkungen
von sowohl der Strahlenergietetrode als auch den MIG-Schaltröhren überwindet,
besitzt sie einen Komplexitätsgrad,
der sie teurer als Standardstrahlenergietetroden und weniger zuverlässig als
MIG-Schaltröhren
macht.
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Die
EP-A-0 863 535 offenbart
eine Schaltröhre
mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Demgemäß würde es wünschenswert
sein, eine Schaltvorrichtung bereitzustellen, die einen höheren Grad
an Stromregulierung mit der Fähigkeit, Hochstromniveaus
umzuschalten, eine schnelle Schaltansprechzeit, die Fähigkeit,
Hochspannung zu isolieren, eine hohe Schalteffizienz und eine sehr hohe
Vorrichtungszuverlässigkeit
aufweist, während sie
diese und andere Nachteile der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik überwindet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der gegenwärtigen
Erfindung wird eine Hochleistungsschaltvorrichtung bereit gestellt.
Die Schaltvorrichtung kann Hochspannungen "ohne Stromfluss abhalten, und sie kann
in einen hochstromleitenden Zustand dadurch schnell umschalten,
dass an ein nicht abfangendes Steuerelement eine Spannung angelegt
wird. Der gesamte Spannungsabfall über der Schaltvorrichtung wird
gering gehalten, was sich in eine hohe Gesamtvorrichtungseffizienz
umwandelt.
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Die
Hochleistungsschaltvorrichtung weist eine ringförmige Kathode mit einer Oberfläche, die
einen hohlen Elektronenstrahl davon aussenden kann, und einen Anodenhohlraum,
der von der Kathode beabstandet ist, auf. Der Hohlraum weist eine
ringförmige Öffnung auf,
die in ihrer Abmessung kleiner als eine entsprechende innere Abmessung
ist, die den Hohlraum definiert, um einen als Faradaykäfig ausgebildeten
Kollektor für
den hohlen Elektronenstrahl bereitzustellen. Zwischen der Kathode
und dem Anodenhohlraum ist in einer nicht abfangenden Position bezüglich des
hohlen Elektronenstrahls eine Steuerelektrode angeordnet. Die Steuerelektrode
weist ferner ein erstes Elektronenelement, das außerhalb
des hohlen Elektronenstrahls angeordnet ist, und ein zweites Elektronenelement,
das innerhalb des hohlen Elektronenstrahls angeordnet ist, auf.
Die Hochleistungsschaltvorrichtung weist darüber hinaus ein Mittel zum Anlegen
eines Potenzials an die zwischenliegende Hochspannungselektrode
auf, die zwischen der Steuerelektrode und dem Anodenhohlraum liegt,
d. h. zwischen den Potenzialen, die an die Kathode und an den Anodenhohlraum
angelegt werden. Zwischen den ersten und zweiten Steuerelektrodenelementen
ist ein Bereich eines elektrischen Steuerfeldes zur Modulation des
hohlen Elektronenstrahls vorgesehen. Zwischen der Steuerelektrode und
der Anode ist eine Lichtbogenunterdrückungselektrode angeordnet.
Die Lichtbogenunterdrückungselektrode
weist ferner eine erste Lichtbogenunterdrückungselektrode, die außerhalb
des hohlen Strahls angeordnet ist, und eine zweite Lichtbogenunterdrückungselektrode,
die innerhalb des hohlen Strahls angeordnet ist, auf. Die Lichtbogenunterdrückungselektroden
befinden sich in etwa auf dem gleichen elektrischen Potenzial wie
die Kathode.
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In
einer Ausführungsform
der Hochleistungsstromregulierungsschaltröhre ist zwischen der Lichtbogenunterdrückungselektrode
und der Anode eine zwischenliegende Hochspannungselektrode angeordnet,
um den Hochspannungsspalt zwischen der Kathode und der Anode in
zwei oder mehr Bereiche mit geringerer Spannung zu teilen. Die zwischenliegende
Hochspannungselektrode weist ferner eine erste zwischenliegende
Hochspannungselektrode, die außerhalb
des hohlen Strahls angeordnet ist, und eine zweite zwischenliegende
Hochspannungselektrode, die innerhalb des hohlen Strahls angeordnet
ist auf. Die ersten und zweiten zwischenliegenden Hochspannungselektroden
befinden hinsichtlich der Kathode auf einer positiven Spannung.
An die Steuerelektroden wird eine Spannung, die hinsichtlich der Kathode
positiv ist, angelegt, um den hohlen Elektronenstrahl von der emittierenden
Oberfläche
der Kathode abzuziehen. Das Potenzial des Anodenhohlraums ist hinsichtlich
der Kathode im Allgemeinen positiv, damit die ausgesendeten Elektronen
diesen erreichen, es muss jedoch kein so hohes Potenzial sein wie
das der Steuerelektroden.
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Für die Fachmänner auf
diesem Gebiet wird sowohl ein vollständigeres Verständnis der
Hochleistungsstromregulierungsschaltröhre als auch eine Realisierung
von weiteren Vorteilen und Aufgaben davon dadurch geliefert, dass
die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen betrachtet
wird. Es wird auf die beigefügten
Blätter der
Zeichnung Bezug genommen, die als Erstes kurz beschrieben wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine seitliche Schnittansicht einer Hochleistungsschaltröhre, welche
nicht Teil der Erfindung ist;
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2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
von der Seite der Kathode der Hochleistungsschaltröhre;
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3 eine
Seitenschnittansicht der Hochleistungsschaltröhre, die durch den Schnitt
3-3 von 1 erzeugt wurde;
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4A und 4B sind
Computersimulationen der Hochleistungsschaltröhre im nicht leitenden bzw.
leitenden Zustand;
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5 ist
eine Seitenschnittansicht einer Hochleistungsschaltröhre gemäß einer
ersten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung;
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6 ist
eine vergrößerte Seitenschnittansicht
der Kathode einer Hochleistungsschaltröhre gemäß einer zweiten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung;
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7A und 7B sind
Computersimulationen der Hochleistungsschaltröhre gemäß einer ersten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung im nicht leitenden bzw. leitenden Zustand; und
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8 ist
ein einfaches schematisches Diagramm, das eine mögliche Verwendung für eine Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
gegenwärtige
Erfindung deckt den Bedarf nach einer Schaltvorrichtung, die einen
hohen Grad an Stromregulierung mit der Fähigkeit, Hochstromniveaus umzuschalten,
eine schnelle Schaltansprechzeit, die Fähigkeit einer Hochspannungsisolierung,
eine hohe Schalteffizienz und eine sehr hohe Vorrichtungszuverlässigkeit
aufweist. In der folgenden detaillierten Beschreibung werden gleiche
Elementenbezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu beschreiben,
die in einer oder mehreren der Figuren für die ersten und zweiten Ausführungsformen
der gegenwärtigen.
Erfindung dargestellt sind.
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Es
wird als Erstes auf 1 Bezug genommen. Es ist eine
Hochleistungsschaltröhre 10 dargestellt,
welche die Erfindung nicht verkörpert.
Die Schaltröhre 10 hat
zwei Hauptabschnitte, die in Bezug auf eine mittig angeordnete Montageplatte 12 definiert
sind und einen elektronenemittierenden Abschnitt, der auf der linken
Seite der Montageplatte angeordnet ist, wie in 1 dargestellt
ist, und einen elektronenansammelnden Abschnitt, der auf der rechten
Seite der Montageplatte angeordnet ist, beinhalten. Es ist darauf
hinzuweisen, dass die Schaltröhre 10 herkömmlicherweise
in einer vertikalen Anordnung (eher als in der horizontalen Anordnung,
die in 1 dargestellt ist) betrieben werden würde, wobei der
Elektronenkanonenabschnitt nach unten und der Kollektorabschnitt
nach oben gerichtet sind. Der Elektronenkanonenabschnitt kann in
einen Fluidbehälter,
wie z. B. einen Öltank,
getaucht sein, um eine externe Hochspannungslichtbogenbildung zu
verhindern und um Einiges an der Wärme zu verteilen, die während des
Betriebs der Schaltröhre 10 erzeugt wird.
Wenn die Montageplatte 12 in der vertikalen (d. h. in der
Betriebs-) Position angeordnet ist, stellt sie eine Oberfläche bereit,
um die Schaltröhre 10 an
dem Behälter
oder an einem anderen Strukturelement fest anzubringen.
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Der
elektronenemittierende Abschnitt der Schaltröhre 10 ist mit einer
robusten Außenstruktur versehen,
die um eine mittige Achse der Schaltröhre im Allgemeinen symmetrisch
ist. Die Außenstruktur weist
ein erstes zylindrisches Gehäusesegment 14 auf,
das mit einer kreisförmigen
Ausnehmung in Eingriff steht, die in einer Oberfläche der
Montageplatte 12 vorgesehen ist. Mit einem Ende des ersten
Gehäusesegments 14 gegenüber der
Montageplatte 12 ist ein Übergangsadapter 16 gekoppelt.
Von dem Übergangsadapter 16 erstreckt
sich ein zweites zylindrisches Gehäusesegment 18. Das
zweite Gehäusesegment 18 weist
einen Innendurchmesser auf, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des
ersten Gehäusesegments 14,
und der Übergangsadapter 16 dient
für den Übergang
zwischen den zwei einzelnen Gehäusesegmenten.
Ein äußerer Endring 17 verbindet
sich mit dem zweiten Gehäusesegment 18,
um zusammen mit einem zwischenliegenden Endring 15 und
einem inneren Endring 13 ein Ende der Schaltröhre 10 teilweise
einzuschließen. Die
Montageplatte 12, das erste Gehäusesegment 14, der Übergangsadapter 16,
der äußere Endring 17 und
der zwischenliegende Endring 15 können aus einem sehr festen,
elektrisch leitenden, nicht korrodierenden Material, wie z. B. rostfreiem
Stahl, hergestellt sein. Das zweite Gehäusesegment 18 kann
aus einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material,
wie z. B. Aluminiumoxid-(Tonerde-) Keramik, hergestellt sein.
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Der
elektronenemittierende Abschnitt der Schaltröhre 10 weist ferner
eine Vielzahl von einzelnen Elektroden auf, die an dem unteren Ende
der Vorrichtung elektrisch verbunden sind (was auf der linken Seite
von 1 dargestellt ist). Die elektrischen Verbindungen
sind als eine Reihe von konzentrischen Zylindern vorgesehen, die
einen äußeren Lichtbogenunterdrückungszylinder 21,
einen Kathodenheizeinrichtungszylinder 22, einen Kathodenträger- und
inneren Lichtbogenunterdrückungszylinder 23,
ei- nen Steuerelektrodenträgerzylinder 24 und
einen Steuerelektrodenzylinder 25 aufweisen. Der Steuerelektrodenträgerzylinder 24 und
der Steuerelektrodenzylinder 25 sind durch eine Endabdeckung 27 abgeschlossen,
die ferner mit einem Steuerelektrodenanschluss 26 verbunden
ist. Ein Isolierstecker 19 umgibt den Elektrodenanschluss 26 konzentrisch, und
er ist mit dem Steuerelektrodenträgerzylinder 24 zur
strukturellen Steifigkeit mechanisch gekoppelt.
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Der
zwischenliegende Endring 15 ist mit dem äußeren Endring 17 verbunden,
der wiederum mit dem inneren Endring 13 verbunden ist,
welcher mit dem Isolierstecker 19 verbunden ist. Der Kathodenträger- und
innere Lichtbogenunterdrückungszylinder 23 ist
mit dem inneren Endring 13 verbunden. Der Kathodenheizeinrichtungszylinder 22 ist
mit einer elektrischen Leitungsstruktur 29 verbunden, die
sich durch einen innersten Abschnitt des inneren Endrings 13 und
durch den Isolierstecker 19 erstreckt, um einen Kathodenheizeinrichtungsanschluss 28 bereitzustellen.
Der äußere Endring 17,
der zwischenliegende Endring 15, der innere Endring 13 und
der Isolierstecker 19 definieren gemeinsam das Ende der Schaltröhre 10.
Der elektronenemittierende Abschnitt kann ferner einen oder mehrere
Absorptionsknöpfe 36 beinhalten,
die an einer mittig angeordneten Platte 35 angebracht sind,
welche mit dem inneren Lichtbogenunterdrückungszylinder 23 verbunden
ist. Die Absorptionsknöpfe 36 absorbieren
eine unerwünschte RF-Energie
in der Schaltröhre 10,
wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Die Absorptionsknöpfe können aus
siliziumcarbidreichem Berylliumoxidkeramik oder aus einem anderen
verlustbehafteten Material, das mit der Verwendung im Vakuum vereinbar
ist, hergestellt sein.
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Um
die Steuerelektroden kühl
zu halten, muss der Steuerelektrodenzylinder 25 eine hohe thermische
Leitfähigkeit
aufweisen und somit aus einem stark leitenden Material, wie z. B.
Kupfer, hergestellt sein. Ebenso können der Steuerelektrodenanschluss 26 und
der Kathodenträger-
und innere Lichtbogenunterdrückungszylinder 23 aus
einem hitzebeständigen,
leitenden Material, wie z. B. Molybdän, hergestellt sein. Der Isolierstecker 19 kann
aus einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material,
wie z. B. Aluminiumoxidkeramik, hergestellt sein. Die innere Oberfläche des
Isoliersteckers 19, welche dem Elektrodenanschluss zugewandt
ist, kann mit einer widerstandsfähigen
Metallschicht 19a, wie z. B. einer Molybdän-Mangan-Metallbeschichtung
oder einem Aquadag (Kohlenstoff), versehen sein. Der äußere Lichtbogenunterdrückungs zylinder 21 und
der Steuerelektrodenträgerzylinder 24 können aus
einem sehr festen, elektrisch leitenden, nicht korrodierenden Material,
wie z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Der Kathodenheizeinrichtungszylinder 22 kann
aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Monel oder Kovar,
hergestellt sein.
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Der
elektronenansammelnde Abschnitt der Schaltröhre 10 weist gemäß einer
ersten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung ein drittes zylindrisches Gehäusesegment 42 auf,
das mit einer kreisförmigen
Ausnehmung in Eingriff steht, die in der Oberfläche der Montageplatte 12 gegenüberliegend zu
dem ersten Gehäusesegment 14 vorgesehen
ist. Mit der Montageplatte 12 ist in dem dritten Gehäusesegment 42 ein
ringförmiger,
doppelwandiger, als Faradaykäfig
ausgebildeter Kollektor 50 verbunden, der eine ringförmige, elektronenaufnehmende Öffnung 51 definiert,
die durch Absätze 54 ausgeformt
wird, welche in der gleichen Ebene wie die Montageplatte liegen.
Wie im Folgenden weiterhin beschrieben ist, stellt die elektronenaufnehmende Öffnung 51 eine Anode
der Elektronenkanone 40 bereit. Mit der inneren Kante der
elektronenaufnehmenden Öffnung
ist eine mittige Platte 11 verbunden, die auch in der gleichen
Ebene wie die Montageplatte 12 liegt. Der Kollektor 50 weist
eine Innenwandung 52, die eine Innenabmessung definiert,
welche größer ist
als die elektronenaufnehmende Öffnung,
und eine Außenwandung 56,
deren innere Abmessung geringfügig größer ist
als die der Innenwandung 52, auf, so dass zwischen ihnen
ein Kühlmittelraum
gebildet wird. Wie im Folgenden weiter beschrieben ist, ist die
elektronenaufnehmende Öffnung
so angeordnet, dass sie im Wesentlichen auf die Elektronenkanone 40 des oben
beschriebenen elektronenemittierenden Abschnitts ausgerichtet ist.
Die Innenwandung 52, die Außenwandung 56 und
die Absätze 54 können aus einem
stark leitenden Material, wie z. B. Kupfer, hergestellt sein.
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Das
dritte Gehäusesegment 42 weist
ferner ein Kühlmittelflusseinlassrohr 44 und
ein Kühlmittelflussauslassrohr 46 auf.
Die Kühlmittelflusseinlass- und
Kühlmittelflussauslassrohre 44, 46 gestatten
es, dass die Schaltröhre 10 an
einem Kühlmittelsystem angebracht
ist, das einen Kühlmittelfluidbehälter (nicht
dargestellt) aufweist. Das Kühlmittelsystem stellt
für die
Kühlmittelflusseinlass-
und Kühlmittelflussauslassrohre 44, 46 eine
Quelle eines Kühlmittelfluids,
wie z. B. Wasser oder Alkohol, bereit. Durch den elektronenaufnehmenden
Abschnitt der Schaltröhre 10 wird
zwischen den Kühlmittelflusseinlass- und
-auslassrohren 44, 46 ein Kühlmittelflussweg definiert,
der den Raum beinhaltet, welcher zwischen den Innen- und Außenwandungen 52, 56 des
Kollektors 50 gebildet wird. Der Kühlmittelflussweg kann ferner
Wärmeabstrahlungselemente,
wie z. B. Lamellen, aufweisen, um die Wärmeleitfähigkeit von dem elektronenaufnehmenden
Abschnitt zu dem Kühlmittelsystem
zu verbessern. Außerdem
ist an einem Ende des elektronenansammelnden Abschnitts angrenzend
an die Kühlmittelflusseinlass-
und -auslassrohre 44, 46 eine Ionenpumpe 48 vorgesehen. Die
Ionenpumpe 48 stellt in der Schaltröhre 10 einen Vakuumbereich,
wie er im Stand der Technik bekannt ist, bereit. Das dritte Gehäusesegment 42,
die Kühlmittelflusseinlass-
und – auslassrohre 44, 46 und
die mittige Platte 11 können
aus einem sehr festen, elektrisch leitenden, nicht korrodierenden
Material, wie z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt sein.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Die Elektronenkanone 40 der
Schaltröhre 10 ist
detaillierter dargestellt. Die Elektronenkanone 40 weist eine
Kathode 66 mit einer elektronenemittierenden Oberfläche 67 auf.
In die Kathode 66 ist eine Heizeinrichtungsspule 69 eingebettet
und durch eine elektrische Leitung 68 mit dem Kathodenheizeinrichtungszylinder 22 elektrisch
verbunden. Die Heizeinrichtungsspule 49 wird verwendet,
die Temperatur der Kathode 66 ausreichend zu erhöhen, um
Thermionenemissionen von Elektronen von der elektronenemittierenden
Oberfläche 67 zu
gestattet, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Es ist darauf
hinzuweisen, dass die Kathode 66 und die elektronemittierende
Oberfläche 67 aufgrund
der axialen Symmetrie der Schaltröhre 10 eine ringförmige Gestalt
haben, wie es oben hinsichtlich 1 beschrieben
wurde. Die elektronenemittierende Oberfläche 67 ist geringfügig konkav,
was hilfreich ist, um zu verhindern, das emittierte Elektronen während des
Betriebs der Schaltröhre 10 auf
die Steuerelektrodenenden 62, 63 auftreffen, wie
es im Folgenden diskutiert wind.
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Die
Kathode 66 kann eine Wolfram-Matrix-Vorratskathode sein,
wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Die Oberfläche 67 der
Kathode 66 kann mit verschiedenen Elementen oder Verbindungen, wie
z. B. Osmium und Ruthenium (die eine so genannte Kathode des M-Typs
bereitstellen), beschichtet sein, um die erforderliche Kathodentemperatur
für ein
bestimmtes Niveau der Elektronenemission zu senken, wie es im Stand
der Technik bekannt ist. Ferner kann die Heizeinrichtungsspule 69 aus
Wolfram, Molybdän
oder einem anderen hitzebeständigen
Material oder aus Kombinationen davon hergestellt sein, wie es im
Stand der Technik bekannt ist. Die Heizeinrichtungsumwicklung 68 kann
ein leitfähiges,
hitzebeständiges
Metall, wie z. B. Molybdän,
sein. Die Heizeinrichtungsspule 69 kann in der Kathode 66 durch
Einlegen in Aluminiumoxidkeramik 69a angebracht sein, wie
es im Stand der Technik bekannt ist.
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Die
Kathode 66 wird mechanisch in einer leitenden Hülle gehalten,
die durch ein äußeres Trägerelement 64 und
ein inneres Trägerelement 65 definiert
ist. Zwischen der Kathode 66 und den äußeren und inneren Trägerelementen 64, 65 können ein
oder mehrere Hitzeabschirmungen 78 vorgesehen sein, um
die Wärmeabstrahlung
von der Kathode zu steuern. Die äußeren und
inneren Trägerelemente 64, 65 haben
eine im Allgemeinen zylindrische Gestalt, und sie sind durch ein
quer verlaufendes Element 74 miteinander und durch ein
quer verlaufendes Element 73 mit den äußeren und inneren Lichtbogenunterdrückungszylindern 21, 23 mechanisch
und elektrisch verbunden. Die vorderen Abschnitte der äußeren und inneren
Trägerelemente 64, 65,
die an die elektronenemittierende Oberfläche 67 angrenzen,
weisen Absätze 71 bzw. 72 auf.
Die Absätze 71, 72 sorgen bei
der Kathode 66 für
eine fokussierende Elektrode, um die Gestalt des Bereichs eines
elektrischen Feldes zu definieren, der zwischen der Kathode und
den Steuerelektrodenenden 62, 63 ausgeformt ist.
Die äußeren und
inneren Trägerelemente 64, 65 können aus
einem elektrisch leitfähigen,
hitzebeständigen Material,
wie z. B. Molybdän,
hergestellt sein.
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Äußere und
innere Steuerelektroden 38, 39 sind von der Kathode 66 und
den äußeren und
inneren Trägerelementen 64, 65 nach
außen
beabstandet, und sie werden verwendet, um einen Elektronenfluss
von der Kathode zu steuern, wie es im Folgenden weiter beschrieben
ist. Die äußeren und
inneren Steuerelektroden 38, 39 sind durch ein
quer verlaufendes Element 72 miteinander und mit dem Steuerelektrodenzylinder 24 mechanisch
und elektrisch verbunden. Die äußeren und
inneren Steuerelektroden 38, 39 sind von der Kathode 66 elektrisch
isoliert. Die nach vorne gerichteten Abschnitte der äußeren und inneren
Steuerelektroden 38, 39, die an die elektronenemittierende
Oberfläche 67 und
an die Absätze 71, 72 angrenzen,
weisen jeweilige Elektrodenenden 62, 63 mit einer
dazwischen definierten Öffnung
auf. Die Elektrodenenden 62, 63 weisen jeweils
eine Hammerkopfgestalt mit abgerundeten äußeren Abschnitten 82, 83 bzw.
mit sich verjüngenden
inneren Abschnitten 84, 85 auf. Zwischen den äußeren Abschnitten 82, 83 und
den inneren Abschnitten 84, 85 weisen die Elektrodenenden 62, 63 im
Wesentlichen parallele Oberflächen
auf, die zu der Ausbildung eines Bereichs eines positiven elektrischen
Feldes beitragen, um den Elektronenfluss von der elektronenemittierenden
Oberfläche 67 im
Keim zu ersticken, wie es im Folgenden beschrieben ist.
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Von
den äußeren und
inneren Steuerelektroden 38, 39 sind äußere und
innere Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 nach
außen
hin beabstandet, und sie werden verwendet, um zu verhindern, dass
durch die Steuerelektrodenmodulatorenergiezufuhr (VC)
ein Lichtbogenstrom fließt,
und um die Miller-Effekt-Kapazität
für eine
höhere
Schaltgeschwindigkeit zu verringern. Die äußeren und inneren Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 sind durch
ein quer verlaufendes Element 75 miteinander mechanisch
und elektrisch verbunden. Die äußere Lichtbogenunterdrückungselektrode 33 ist
ferner mit dem äußeren Lichtbogenunterdrückungszylinder 21 durch
einen aufgeweiteten Koppler 32 verbunden, und die innere
Lichtbogenunterdrückungselektrode 34 ist
ferner mit dem inneren Kathodenträger- und Lichtbogenunterdrückungszylinder 23 verbunden. Die äußeren und
inneren Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 sind
von den äußeren und
inneren Steuerelektroden 38, 39 elektrisch isoliert
und mit der Kathode 66 und den äußeren und inneren Trägerelementen 64, 65 elektrisch
verbunden.
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3 zeigt
die symmetrische Natur der Schaltröhre 10, in der verschiedene
Elektroden als konzentrische Zylinder erscheinen. Insbesondere weisen
von der Außenseite
der Schaltröhre 10 nach innen
die konzentrischen Zylinder das erste Gehäusesegment 14, die äußere Lichtbogenunterdrückungselektrode 33,
die äußere Steuerelektrode 38, die
innere Steuerelektrode 39 und die innere Lichtbogenunterdrückungselektrode 34 auf.
Die elektronenemittierende Oberfläche 67 ist auch zwischen den
Absätzen 71, 72 dargestellt.
Wie am besten in 1 dargestellt ist, ist die elektronenemittierende Oberfläche 67 auf
den Raum ausgerichtet, der zwischen den Steuerelektrodenenden 62, 63 und
der ringförmigen Öffnung zu
dem Kollektor 50 definiert ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 4A und 4B, worin
die Elektronenbahnen als im Allgemeinen horizontale Linien und die Äquipotenzialkonturen als
im Allgemeinen vertikale Linien in einem Computerdiagramm gezeigt
sind, wird der Betrieb der Schaltröhre 10 in ihrem nicht
leitenden und ihrem leitenden Zustand beschrieben. Als Erstes wird
auf 4A Bezug genommen. Die Schaltröhre 10 ist in einem
nicht leitenden Zustand gezeigt, wobei die Kathode 66 und die
Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 mit einem
Erdungspotenzial oder einem elektrischen Potenzial von null Volt
verbunden sind. Die Steuerelektroden 38, 39 sind
auf ein Potenzial unter dem der Kathode 66, wie z. B. –250 Volt,
durch die Steuerelektrodenmodulatorenergiezufuhr (VC)
gesenkt. Die Anode 51 ist mit einer Spannungsquelle (VA) verbunden, um ein positives elektrisches
Potenzial von mehr als +100 Kilovolt anzulegen. In diesem Zustand fließt durch
die Schaltröhre 10 kein
Strom (I0).
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In 4B ist
die Schaltröhre 10 in
einem leitenden Zustand gezeigt. Wie in dem nicht leitenden Zustand
sind die Kathode 66 und die Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 mit
einem Erdungspotenzial verbunden oder sie betragen null Volt. An
die Steuerelektroden 38, 39 wird eine Spannung
angelegt, die hinsichtlich der Kathode 66 positiv ist,
um den hohlen Elektronenstrahl von der emittierenden Oberfläche der
Kathode zu der Anode 51 zu ziehen. Das Potenzial der Anode 51 ist
zwar hinsichtlich der Kathode 66 im Allgemeinen positiv,
es muss jedoch kein so hohes Potenzial sein wie das der Steuerelektroden 38, 39,
vor allem dann, wenn von der Kathode Elektronen abgezogen werden.
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In
diesem darstellenden Beispiel wird das Potenzial an den Steuerelektroden 38, 39 von –250 Volt
auf +25,2 Kilovolt durch die Steuerelektrodenmodulatorenergiezufuhr
(VC) erhöht.
Das Potenzial an der Anode 51 fällt auf ein elektrisches Potenzial
von +7,7 Kilovolt. Wenn sich die Schaltröhre 10 in dem leitenden
Zustand befindet, kann eine Stromträgerkapazität von etwa 200 Ampere erzielt
werden. Somit ist es ersichtlich, dass die Steuerelektroden 38, 39 die
Funktion haben, den Strahlenstrom mit einer Spannungsänderung
von ungefähr
25 Kilovolt ein oder auszuschalten. Während alle Spannungen hinsichtlich
der Kathode 66, die sich auf einem Erdungspotenzial befindet,
erläutert
worden sind, ist es ersichtlich, dass die Schaltröhre 10 auch
betrieben werden kann, wenn sich die Anode auf einem Erdungspotenzial
und die Kathode auf einer negativen Spannung befinden.
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Die
Elektronen des Strahls gelangen durch die Anode 51 in den
Kollektor 50 und werden über den inneren Oberflächenbereich
des Kollektors verteilt. Durch derartiges Verteilen der Elektronen
gibt es eine gleichförmigere
Wärmeübertragung
zu dem Kühlmittelfluss,
welcher die Innenoberflächentemperatur
des Kollektors senkt, was wiederum die Lebensdauer der Schaltröhre 10 vergrößert. Der
als Faradaykäfig
ausgebildete Kollektor 50 ist auch tätig, um eine sekundäre Emission
von Elektronen von dem Kollektor zu verhindern. Darüber hinaus
bildet die positive Spannung an den Steuerelektroden 38, 39 hinsichtlich
der Kathode 66 einen Ionenabscheider, der verhindert, dass
Ionen, die in dem Kollektor 50 erzeugt werden können, zu
der Kathode zurückkehren. Es
ist bekannt, dass ein Ionenrückbeschuss
der Kathode zu einer verringerten Kathodenlebensdauer führt, und
daher ist deren Vermeidung ein wünschenswertes
Merkmal der Erfindung.
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Es
wird auf 5 Bezug genommen. Es ist eine
Hochleistungsschaltröhre 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung dargestellt. Die Schaltröhre 100 hat, wie das
oben erörterte,
illustrative Beispiel, zwei Hauptabschnitte, die hinsichtlich einer
mittig angeordneten Montageplatte 112 definiert sind und
die einen elektronenemittierenden Abschnitt, der auf der linken
Seite der Montageplatte 112 angeordnet ist, wie es in 5 dargestellt
ist, und einen elektronenansammelnden Abschnitt, der auf der rechten
Seite der Montageplatte 112 angeordnet ist, beinhalten.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Schaltröhre 100 gewöhnlich in
einer vertikalen Anordnung (eher als in der horizontalen Anordnung,
die in 5 dargestellt ist) betrieben werden würde, wobei
der elektronenemittierende Abschnitt nach unten und der elekt ronenansammelnde Abschnitt
nach oben gerichtet sind. Die gesamte Schaltröhre 100 kann in einen
Fluidbehälter,
wie z. B. einen Öltank,
getaucht sein, um eine externe Hochspannungslichtbogenbildung zu
verhindern und um einiges von der Wärme zu verteilen, die während des Betriebs
der Schaltröhre 100 erzeugt
wird.
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Der
elektronenemittierende Abschnitt der Schaltröhre 100 gemäß der ersten
Ausführungsform ist
dem elektronenemittierenden Abschnitt der Schaltröhre 100 gemäß dem dargestellten
Beispiel ähnlich,
wobei gleiche Elementenbezugszeichen verwendet werden, um die gleichen
dargestellten Elemente zu beschreiben. Daher wird eine allgemeine Beschreibung
des elektronenemittierenden Abschnitts der Schaltröhre 100 nicht
wiederholt.
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Der
elektronenansammelnde Abschnitt der Schaltröhre 100, der in 5 dargestellt
ist, weist ein drittes zylindrisches Gehäusesegment 186 auf,
das mit der Oberfläche
der Montageplatte 112 entgegengesetzt von dem ersten Gehäusesegment 14 in
Eingriff steht. Das dritte zylindrische Gehäusesegment 186 ist
teilweise durch eine Ü-bergangsplatte 198 verschlossen,
welche gegenüberliegend
zu der Montageplatte 112 angeordnet ist. Zylindrische Haltestützen 188 sind
an der Übergangsplatte 198 unter
Verwendung von Übergangsringadaptern 190 angebracht,
welche in der Übergangsplatte 198 Öffnungen
definieren. Diese Öffnungen
gestatten es, dass an den zylindrischen Haltestangen 188 ein
ringförmiger,
doppelwandiger, als Faradaykäfig
ausgebildeter Kollektor 150 in dem dritten zylindrischen
Gehäusesegment 186 aufgehängt ist.
Die zylindrischen Haltestützen 188 sind
eingeschlossen, indem eine Endabdeckung 196 angebracht
wird. Dadurch, dass die zylindrischen Haltestützen 188 und die Endabdeckung 196 verwendet
werden, kann die Schaltröhre 100 an Keramikisolatoren
(nicht dargestellt) angebracht sein, um eine weitere elektrische
Isolierung bereitzustellen. Die Montageplatte 112, das
dritte zylindrische Gehäusesegment 186,
die Übergangsplatte 198 und die Übergangsringadapter 190 können aus
einem elektrisch leitenden, nicht korrodierenden Material mit hoher
Festigkeit, wie z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt sein. Die zylindrischen
Haltestützen 188 und
die Endabdeckung 196 können
aus einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material,
wie z. B. Aluminiumoxid (Tonerde), hergestellt sein.
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Der
als Faradaykäfig
ausgebildete Kollektor 150 definiert eine ringförmige elektronenaufnehmende Öffnung 151,
die durch Absätze 154 ausgeformt ist,
welche in der gleichen Ebene wie die Montageplatte 112 angeordnet
sind. Die elektronenaufnehmende Öffnung 151 ist
mit einer ringförmigen
elektronenaufnehmenden Öffnung 182 in
der Montageplatte 112 ausgerichtet, die durch äußere und
innere, zwischenliegende Hochspannungselektroden 184, 185 definiert
ist. Wie im Folgenden weiter beschrieben ist, liefert die elektronenaufnehmende Öffnung 151 eine Anode
der Elektronenkanone 40, die elektronenaufnehmende Öffnung 182 liefert
einen Kanal für
den hohlen Elektronenstrahl, und die äußeren und inneren zwischenliegenden
Hochspannungselektroden 184, 185 liefern einen
zwischenliegenden Hochspannungsabsatz, um den Hochspannungsspalt
zwischen der Kathode und der Anode in zwei Bereiche mit niedrigerer
Spannung für
eine zuverlässige
Hochspannungsisolierung zu teilen.
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Der
Kollektor 150 weist eine Innenwandung 152, die
eine Innenabmessung definiert, welche größer ist als die elektronenaufnehmende Öffnung,
und eine Außenwandung 156 mit
einer Innenabmessung, die geringfügig größer ist als die Innenwandung 152, auf,
so dass dazwischen ein Kühlmittelraum
definiert wird. Wie im Folgenden weiter beschrieben ist, sind die
elektronenaufnehmenden Öffnungen 151 und 182 so
angeordnet, dass sie im Wesentlichen in einer Richtung mit der Elektronenkanone 40 des
elektronenemittierenden Abschnitts ausgerichtet sind, der oben beschrieben
ist.
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Die
zylindrischen Haltestützen 188 und
die Endabdeckung 196 liefern ferner ein Kühlmittelflusseinlassrohr 144 und
ein Kühlmittelflussauslassrohr 146 mit
einer strukturellen Abstützung
für die
Kühlmittelflusseinlass-
und -auslassrohre 144, 146, die durch Halteklammern 192 bereitgestellt
werden. Die Kühlmittelflusseinlass-
und – auslassrohre 144, 146 gestatten
es, dass die Schaltröhre 100 an
einem Kühlmittelsystem
angebracht wird, das einen Kühlmittelfluidbehälter (nicht
dargestellt) aufweist. Das Kühlmittelsystem
stellt für
die Kühlmittelflusseinlass- und
-auslassrohre 144, 146 eine Quelle eines Kühlmittelfluids,
wie z. B. Wasser oder Alkohol, bereit. Durch den elektronenansammelnden
Abschnitt der Schaltröhre 100 wird
zwischen den Kühlmittelflusseinlass-
und -auslassrohren 144, 146 ein Kühlmittelflussweg
definiert, der den Raum aufweist, welcher zwischen den Innen- und
Außenwandungen 152, 156 des
Kollektors 150 definiert ist. Der Kühlmittelflussweg kann ferner
Wärmeabstrahlungselemente, wie
z. B. Lamellen, aufweisen, um die Wärmeleitfähigkeit von dem elektronenansammelnden
Abschnitt zu dem Kühlmittelsystem
zu verbessern. Außerdem sorgt
die Endabdeckung 196 ferner für die Stelle einer Ionenpumpe
angrenzend an die Kühlmittelflusseinlass-
und -auslassrohre 144, 146. Die Ionenpumpe liefert
in der Schaltröhre 100 ein
Vakuum, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Die Kühlmittelflusseinlass-
und – auslassrohre 144, 146 können aus
einem sehr festen, elektrisch leitenden, nicht korrodierenden Material,
wie z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt sein.
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6 sieht
einen elektronenemittierenden Abschnitt der Schaltröhre 100 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung vor. 6 zeigt eine ver größerte Seitenschnittansicht
der Elektronenkanone 40 der Schaltröhre 100. Es ist eine Abdeckplatte 96 gezeigt,
die in dem Bereich, der durch die innere Lichtbogenunterdrückungselektrode 34 definiert
ist, mittig angeordnet ist. Die Abdeckplatte 96 wird von
einer Vielzahl von Haltestützen 94 gehalten.
Ein Ende der Haltestützen 94 ist
an der Abdeckplatte 96 mit einer Vielzahl von Schrauben 98 angebracht,
und das andere Ende ist an der mittig angeordneten Platte 35 befestigt.
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Die
Abdeckplatte 96 verringert die Größe der potenzialresonanten
Hohlräume
und sie unterdrückt störende Oszillationsmodi
in dem mittleren Bereich des elektronenemittierenden Abschnitts
der Schaltröhre 100,
der durch die innere Lichtbogenunterdrückungselektrode 34 definiert
ist. Die Abdeckplatte 96 schützt auch die Absorberknöpfe 36 vor
hohen elektrostatischen Feldern, die sich zwischen den äußeren und
inneren Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 und
dem elektronenansammelnden Abschnitt der Schaltröhre 100 entwickeln.
Schließlich
forciert die Abdeckplatte 96, dass ein unerwünschter RF-Strom
in den Spalt zwischen der Abdeckplatte 96 und der inneren
Lichtbogenunterdrückungselektrode 34 zu
den Absorberknöpfen 36 für eine Absorption strömt. Die
Abdeckplatte 96 kann aus rostfreiem Stahl hergestellt sein.
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Unter
Bezugnahme auf die 7A und 7B, in
welchen Elektronenbahnen als im Allgemeinen horizontale Linien und
die Äquipotenzialkonturen
als im Allgemeinen vertikale Linien in einem Computerdiagramm gezeigt
sind, wird der Betrieb der Schaltröhre 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung in ihrem nicht leitenden und ihrem leitenden Zustand beschrieben.
Als Erstes wird auf 7A Bezug genommen. Die Schaltröhre 100 ist
in einem nicht leitenden Zustand gezeigt, wobei die Kathode 66 und
die Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 mit
einem Erdungspotenzial verbunden sind oder eine elektrisches Potenzial
von null Volt haben. Die Steuerelektroden 38, 39 sind
durch die Steuerelektrodenmodulatorenergiezufuhr (VC)
auf ein Potenzial herabgesetzt, das unter dem der Kathode 66 liegt,
beispielsweise auf –500
Volt. Die zwischenliegenden Hochspannungselektroden 184, 185 sind
mit einer zwischenliegenden Spannungsquelle (Vi)
verbunden, um ein positives elektrisches Potenzial von ungefähr +220
Kilovolt anzulegen, und Absätze 154,
welche die Anode 151 bilden, sind mit einer Spannungsquelle
(VA) verbunden, um ein endgültiges positives
elektrisches Potenzial von ungefähr
+500 Kilovolt anzulegen. Die elektronenaufnehmende Öffnung 182,
die durch die zwischenliegenden Hochspannungselektroden 184, 185 ausgeformt
ist, sieht einen zwischenliegenden Hochspannungsabsatz vor, um den
Hochspannungsspalt von der Kathode zu der Anode in zwei Bereiche
mit geringerer Spannung zu teilen. In diesem Zustand ist kein Strom
(10) vorhanden, der durch die Schaltröhre 100 fließt.
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In 7B ist
die Schaltröhre 100 in
einem leitenden Zustand gezeigt. Wie in dem nicht leitenden Zustand
sind die Kathode 66 und die Lichtbogenunterdrückungselektroden 33, 34 mit
dem Erdungspotenzial verbunden, oder haben null Volt. An die Steuerelektroden 38, 39 wird
eine Spannung angelegt, die hinsichtlich der Kathode 66 positiv
ist, um den hohlen Elektronenstrahl von der emittierenden Oberfläche der
Kathode durch die elektronenaufnehmende Öffnung 182 zu der
Anode 151 zu ziehen. Das Potenzial der Anode 151 ist
hinsichtlich der Kathode 66 im Allgemeinen positiv, es
muss jedoch nicht auf einem Potenzial liegen, das so hoch ist wie
das der Steuerelektroden 38, 39, insbesondere
dann, wenn von der Kathode Elektronen abgezogen werden. Die elektronenaufnehmende Öffnung 182,
die durch die zwischenliegenden Hochspannungselektroden 184, 186 ausgebildet
wird, kanalisiert den hohlen Elektronenstrahl und beschleunigt die
Elektronen zu der Anode 151 hin.
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Als
ein Beispiel für
die erste Ausführungsform
kann insbesondere das Potenzial an den Steuerelektroden 38, 39 durch
die Steuerelektrodenmodulatorenergiezufuhr (VC)
von –500
Volt auf +40 Kilovolt erhöht
werden. Das Potenzial an der Anode 151 fällt auf
ein elektrisches Potenzial von +15 Kilovolt ab, während die
zwischenliegenden Hochspannungselektroden 184, 185 auf
+200 Kilovolt bleiben, um die Elektronen zu der Anode 151 hin
zu kanalisieren und zu beschleunigen. Wenn sich die Schaltröhre 100 in
dem leitenden Zustand befindet, kann eine stromtragende Kapazität von ungefähr 521 Ampere erzielt
werden. Somit ist es in der ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich,
dass die Steuerelektroden 38, 39 die Funktion
haben, den Strahlenstrom mit einer Spannungsänderung von etwa 40 Kilovolt
ein- oder auszuschalten. Während
all die Spannungen hinsichtlich der Kathode 66 erläutert worden sind,
die sich auf einem Erdungspotenzial befindet, ist darauf hinzuweisen,
dass die Schaltröhre 100 auch
dann betrieben werden könnte,
wenn sich die Anode auf einem Erdungspotenzial und die Kathode auf
einer negativen Spannung befinden.
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Die
Elektronen des Strahls gelangen durch die Anode 151 in
den Kollektor 150 und werden über den Bereich der Innenoberfläche des
Kollektors auf ähnliche
Weise verteilt, wie es oben in dem darstellenden Beispiel beschrieben
worden ist. Für
die erste Ausführungsform
liefert das Vorhandensein der elektronenaufnehmenden Öffnung 182,
die durch die zwischenliegenden Hochspannungselektroden 184, 185 ausgebildet
wird, für
den hohlen Elektronenstrahl einen Kanal, wenn es die Schaltröhre 100 gestattet, dass
Strom fließt
(ein Ein-Zustand), und es sieht wenigstens auch einen zwischenliegenden
Hochspannungsabsatz vor, um den Hochspannungsspalt zwischen der
Kathode und der Anode in zwei Bereiche mit niedrigerer Spannung
zu teilen, wenn die Schaltröhre 100 einen
Stromfluss verhindert (Aus-Zustand). Dies liefert eine zuverlässige Hochspannungsisolierung
und bietet einen Schutz gegenüber einer
Schaltröhrenlichtbogenbildung,
welche empfindliche Vorrichtungen, wie z. B. Klystrone, beschädigen kann,
die mit der Schaltröhre 100 elektrisch verbunden
sind.
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8 stellt
durch ein einfaches schematisches Diagramm eine mögliche Verwendung
einer Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung dar. Das Ladegerät
baut die Energie auf, die in dem Kondensator (C) durch einen Strombegrenzungswiderstand
(R) während
des Zeitraums gespeichert wurde, in dem die Schaltröhre, die
durch den Impulsgeber gesteuert worden ist, ausgeschalten ist. Wenn
der Impulsgeber die Schaltröhre
einschaltet, gestattet es die Schaltröhre, dass der Kondensator einen
Teile seiner gespeicherten Energie zu dem Klystron abgibt. Der Impulsgeber
schaltet anschließend
die Schaltröhre
aus und der Zyklus wiederholt sich.
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In
einer dioden-raumladungseingeschränkten Klystron-Elektronenkanone
repräsentiert
die Perveanz eine Proportionalitätskonstante
zwischen einem Strom I und einer angelegten Spannung V, die auf
3/2 einer Energie erhöht
wurde (dieses Verhältnis ist
gewöhnlich
als "Drei-Halbe-Energiegesetz" bekannt). Wenn die
Schaltröhre
während
des Impulses dem Klystron einen im Wesentlichen konstanten Strom
liefert und die Perveanz des Klystrons konstant ist, kann abgeschätzt werden,
dass während des
Impulses dem Klystron eine im Wesentlichen konstante Spannung zugeführt wird.
Die Spannung von dem Kondensator ist im Allgemeinen höher als die
an das Klystron angelegte, woraufhin dann, wenn diese Spannung während des
Impulses abfällt,
die Differenz zwischen der Energiezufuhrspannung (oder dem Ladegerät) und der
konstanten Spannung an dem Klystron als sich verändernder Spannungsabfall über der
Schaltröhre
erscheint. Die Schaltröhre,
die durch den Impulsgeber gesteuert wird, liefert somit zwischen
der Energiezufuhr und dem Klystron während des Aus-Modus eine elektrische
Isolierung und während
des Ein-Modus einen straff geregelten Strom und einen Spannungsimpuls.
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Dadurch,
dass somit eine Hochleistungsstromregulierungsschaltröhre beschrieben
worden ist, sollte es für
einen Fachmann ersichtlich sein, dass mit dem System bestimmte Vorteile
erzielt worden sind. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass verschiedene
Modifikationen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen davon in dem Schutzumfang
der gegenwärtigen
Erfindung gemacht werden können.
Beispielsweise könnte
die erste Ausführungsform
mehr als einen zwischenliegenden Hochspannungsabsatz vorsehen, um
den Hochspannungsspalt in mehrere Bereiche mit niedri- gerer Spannung
zu teilen. Die Erfindung ist ferner durch die folgenden Ansprüche definiert.