CH650102A5

CH650102A5 - Elektronenroehre mit einer anode und einer elektronenquellenbaugruppe.

Info

Publication number: CH650102A5
Application number: CH8258/80A
Authority: CH
Inventors: Merrald Buren Shrader
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1985-06-28
Also published as: GB2063555B; FR2469794B1; US4277718A; JPS5676142A; JPS6347106B2; DE3041113A1; GB2063555A; FR2469794A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenröhre mit einer Anode und einer Elektronenquellenbaugruppe. Solche Röhren werden in manchen Fällen als elektrisches Äquivalent für eine grössere Anzahl kleiner Röhren konstruiert, die in einem einzigen evakuierten Röhrenkolben zueinander parallelgeschaltet sind.

Es besteht schon seit langer Zeit das Problem, den Energiedurchsatz einer gittergesteuerten Röhre zu steigern und gleichzeitig kleine Abstände zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten, wie es für den Betrieb bei niedriger Spannung und hoher Frequenz erforderlich ist. Wenn man die Flächen der Elektroden lediglich vergrössert, ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten aus variablen Elektrodenabständen und mechanischer Verformung. Vor längerer Zeit wurde als Verbesserung vorgeschlagen, einfach mehrere Sätze von Röhrenelektroden in einem gemeinsamen evakuierten Röhrenkolben anzuordnen und die einzelnen Sätze von Kathoden, Gittern und Anoden parallelzuschalten. Hierbei ergaben sich etwas niedrigere Kosten als bei einem gleichwertigen Satz getrennter Röhren, die ausserhalb ihrer Kolben parallelgeschaltet waren. Ferner wurden Verbindungsleitungen von geringerer Länge verwendet, wodurch parasitäre Schwingungen in einem grösseren Ausmass vermieden wurden, wobei ein Betrieb mit höherer Frequenz möglich war.

Eine weitere Verbesserung wurde möglich, als man erkannte, dass es nicht erforderlich war, für jede Gitter-Kathoden-Zelle eine gesonderte Anode vorzusehen. Da die Anode grösseren Abstand hat und es sich um eine einfache Konstruktion handelt, kann man eine gemeinsame Elektrode verwenden, die Elektronen von einer Anzahl einzelner bzw. getrennter Gitter-Kathoden-Einheiten aufnimmt. In der US-PS 2 853 640 ist eine solche Röhre beschrieben. Bei dieser Röhre werden einzelne bandförmige Kathoden in Aussparungen eines massiven Metallzylinders festgehalten. Um den Zylinder ist ein Drahtgitter herumgewickelt, um einzelne Flächen von Strommodulationsgittern dort zu bilden, wo das Gitter die Öffnungen der Aussparungen kreuzt. Diese Konstruktion ermöglichte eine genaue Einhaltung der Gitter-Kathoden-Abstände. Jedoch ist die Herstellung sehr teuer, da zahlreiche Teile mit hoher Genauigkeit manuell montiert werden müssen. Wenn bei der Herstellung oder während des Betriebs irgendeine Zelleneinheit versagt, wird ausserdem die gesamte Röhre unbrauchbar.

Eine weitere Verbesserung ist in der US-PS 4 011 481 beschrieben. In diesem Fall werden einzelne Bausteine oder Module hergestellt, von denen jeder eine einzige Kathode und ein Gitter enthält. Diese Bausteine werden dann an einer gemeinsamen Halterung befestigt, um eine Gitter-Kathoden-Elektronenquelle zu bilden, die dann in einer gemeinsamen

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Anode angeordnet wird. Bei dieser Konstruktion war es möglich, die Gitter-Kathoden-Bausteine, die die kritischen Abstände enthalten, im Wege der Massenfertigung als gleichartige Elemente herzustellen und sie getrennt zu prüfen und zu erproben, bevor sie an der gemeinsamen Röhrenkonstruktion angebracht wurden. Als Kathoden werden Glühfäden aus Runddraht verwendet. Zwar wird festgestellt, dass man auch andere Querschnitte verwenden könnte, doch wird nicht gesagt, welche Vorteile sich hierdurch erzielen lassen.

Weitere bekannte Vorschläge, die nicht in Beziehung zu dem Bausteinkonzept stehen, betreffen die Materialien und den Aufbau von Gittern. Bekanntlich sollen Gitter eine geringe sekundäre und Glüh-Emission aufweisen, wenn sie mit aktivem Material aus der Kathode verunreinigt werden. Ferner ist bekannt, dass Kohlenstoff in dieser Beziehung hervorragende Eigenschaften hat und dass ein hoher thermischer Abstrahlungskoeffizient einen Betrieb bei niedriger Temperatur ermöglicht. Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen bezüglich des Beschichtens metallischer Gitterdrähte mit Kohlenstoff oder Metallkarbiden. In neuerer Zeit wurden Verfahren zum Herstellen von Gittern aus einem einzigen Stück pyroly-tischen Graphits angewendet, wobei Nutzen aus der hervorragenden Leitfähigkeit in zur Niederschlagsbasis parallelen Richtungen gezogen wurde. Ein solches Verfahren ist in der US-PS 3 307 063 beschrieben. Mit Gittern versehene Leistungsröhren wurden unter Anwendung einer zylindrischen Anodenform gebaut, so dass der Graphitrohling, aus dem die Gitter zugeschnitten werden, auf einem zylindrischen Dorn geformt werden musste. Hierbei handelt es sich um ein sehr kostspieliges Verfahren, und es hat sich als sehr schwierig erwiesen, Becher aus pyrolytischem Graphit mit gleichmässi-ger und geregelter Wandstärke herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gittergesteuerte Elektronenröhre zu schaffen, die sich leicht und mit geringen Kosten herstellen lässt. Weiter sollen die Elektrodenabstände genau geregelt werden können. Ferner soll es möglich sein, die Gitter-Kathoden-Abmessungen vor der entgültigen Montage zu prüfen. Ferner soll sie mit einer geringen Gitteremission arbeiten. Schliesslich sollen zwischen den Elektroden lange elektrische Kriechwege vorhanden sein.

Erfindungsgemäss sind diese Aufgaben durch eine Elektronenröhre mit den im Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnitt einer erfindungsgemässen Triode;

Fig. 2 eine Schrägansicht eines einzelnen Gitter-Kathoden-Bausteins;

Fig. 3 die Draufsicht eines Bausteins mit haarnadelförmi-gen Glühfäden;

Fig. 4 den Schnitt 4-4 in Fig. 3 ; und

Fig. 5 einen Teil eines Querschnitts einer erfindungsgemässen Tetrode mit leicht gekrümmten Elektroden.

In Fig. 1 ist unter starker Vereinfachung der Grundgedanke der Erfindung dargestellt. Man erkennt in einem quer zur Längsachse verlaufenden Schnitt eine Triode 10, bei der die Elektrodenkonstruktionen allgemein als gleichachsige gerade Kreiszylinder ausgebildet sind. Zur Anode der Röhre 10 gehört ein hohles, zylindrisches, dickwandiges Rohr 12 aus Metall, z.B. Kupfer. In der Anode 12 befindet sich die Elek-tronenquellenkonstruktion 14, die durch einen nicht dargestellten elektrisch isolierenden Teil des evakuierten Röhrenkolbens unterstützt wird und zu der ein gemeinsamer Träger 16 gehört, an dem mehrere getrennte Gitter-Kathoden-Bausteine 18 befestigt sind. Zu jedem Baustein 18 gehört ein eigenes Befestigungsteil 20, das z.B. aus Kupfer besteht und mittels Schrauben 21 an dem gemeinsamen Träger 16 befestigt ist.

Mit dem Befestigungsteil 20 ist auf nicht dargestellte Weise eine bandförmige Kathode 22 verbunden, die z.B. aus thoriertem Wolfram besteht und deren Längsachse sich im rechten Winkel zur Zeichenebene von Fig. 1 erstreckt; mindestens ein Ende der Kathode ist gegenüber dem Träger 16 isoliert. Ausserhalb der Kathode 22 ist ein flaches Gitter 24 mit Öffnungen 26 gegenüber der ebenen Emissionsfläche der Kathode angeordnet, so dass ein Elektronenstrom zu der Anode 12 gelangen kann. Die Gitter 24 werden von dem Befestigungsteil 20 aus durch Isolatoren 28 unterstützt. Nicht dargestellte Zuleitungen dienen dazu, die Gitter 24 und die Kathoden 22 sämtlicher Bausteine 18 mit gemeinsamen Anschlüssen zu verbinden, wobei sich isolierte Abdichtungen auf bekannte Weise durch den evakuierten Röhrenkolben erstrecken.

Die Gitter 24 bestehen aus Graphit-Flachmaterialstücken, um die Glüh- und sekundäre Emission von Elektronen gering zu halten und eine schwarze Fläche für gute Wärmeabstrah-lung und eine entsprechend niederige Betriebstemperatur bereitzustellen. Als Gittermaterial wird vorteilhaft pyrolyti-scher Graphit verwendet, der sich in Form von Flachmaterialstücken leicht beschaffen lässt. Gemäss der Erfindung ist es somit nicht erforderlich, vollständige Zylinder aus pyrolytischem Graphit herzustellen, wie es bis jetzt nicht zu vermeiden ist. Solche Zylinder sind sehr kostspielig, da sie unter Anwendung eines sorgfältig geregelten Chargenverfahrens hergestellt werden müssen. Ausserdem ist es sehr schwierig, ihre Wandstärke gleichmässig zu halten. Dagegen lassen sich Flachmaterialstücke leicht auf gleichmässige Weise und mit geringem Kostenaufwand herstellen. Die Flachmaterialstücke aus Graphit können durch Stanzen, Abschleifen, Schneiden mittels Laser oder unter Anwendung von Ultraschall mit Öffnungen versehen werden. Der pyrolytische Graphit hat in der Ebene des Flachmaterials eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, was sich bezüglich der Kühlung des Gitters durch Wärmeleitung als vorteilhaft erweist. Ferner ist die Wärmedehnung in der Ebene des Flachmaterials sehr gering, so dass sich nur eine minimale unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Gitter 24 und dem Befestigungsteil 20 ergibt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die mechanische Ausbildung eines Bausteins 18. Das Gitter 24 weist eine Reihe von rechteckigen Öffnungen 26 auf, die durch Stege 27 aus Kohlenstoff getrennt sind. Das Gitter ist mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 30 an isolierenden Säulenteilen 28 befestigt, die mit dem Befestigungsteil 20 verbunden sind. Die Isolatoren 28 können gemäss Fig. 2 nahe den Enden des Bausteins oder aber in der Mitte so angeordnet sein, dass das Gitter einen Kragträger bildet, und sind von den Säulenteilen 28 der anderen Bauteile unabhängig. Bei dieser letzteren Anordnung kann das Gitter 24 eine Wärmedehnung erfahren, ohne dass es dazu neigt, sich zu verformen, doch bildet es hierbei eine weniger feste Unterstützung. Die bandförmige Kathode 22 ist parallel zu dem Gitter 24 unterstützt und in einem kleinen Abstand von dessen Unterseite angeordnet. An einem Ende ist eine leitfähige Unterstützung 32 vorhanden, die z.B. aus Molybdän besteht und dem Befestigungsteil 20 den Kathodenheizstrom zugeführt. Das andere Ende der Kathode 22 wird durch eine zweite leitfähige Unterstützung 33, die z.B. aus Wolfram besteht, getragen; diese Unterstützung steht in Eingriff mit entsprechenden Ausschnitten 34 der bandförmigen Kathode 22. Eine flexible Zuleitung 36 führt den Heizstrom der Unterstützung 33 und von dort aus der Kathode 22 zu. Die Unterstützung 33 ist an einem isolierenden Klotz 38 befestigt, der z.B. aus Aluminiumoxidkeramik besteht und auf dem Befestigungsteil 20 gleitend geführt ist, um eine Wärmedehnung der Kathode zu ermöglichen. Die Kathode bzw. der Glühfaden 22 wird durch eine Druckfeder 39 einer gerin5

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gen Zugspannung ausgesetzt.

Fig. 3 zeigt im Grundriss und Fig. 4 in einem abgestuften Längsschnitt einen Tetrodenbaustein mit zwei Kathodenglühfäden in einer haarnadelförmigen Anordnung, deren Verwendung die Herstellung der Heizstromanschlüsse und die mechanischen Vorgänge bei der Wärmedehnung verbessert. Ebenso wie bei dem mit nur einem Glühfaden versehenen Baustein nach Fig. 2 sind die Einzelteile des Bausteins nach Fig. 3 und 4 auf einem Befestigungsteil 20' angeordnet, das z.B. mit Hilfe von nicht dargestellten Schrauben mit einem gemeinsamen Träger entsprechend dem Träger 16 nach Fig. 1 verbunden werden kann. Bei dem Baustein nach Fig. 3 und 4 handelt es sich um eine Elektronenquelle für eine Tetrode mit einem Steuergitter 24' auf der Vorderseite der Kathodenbänder 22' und einem Schirmgitter 40 von ähnlicher Konstruktion. Jedes der Gitter 24' und 40 ist aus einem einzigen Kohlenstoff-Flachmaterialstück ausgeschnitten und weist zwei Reihen von Öffnungen 26' auf, die durch Stege 27' getrennt sind, wobei jede Reihe über einem der parallelen Glühfadenbänder 22' angeordnet ist. Alternativ könnte man eine einzige Reihe von breiteren Öffnungen vorsehen, die sich über beide Glühfäden erstrecken. Die Gitter 24' und 40 sind mit dem Befestigungsteil 20' durch Schrauben 30' und Isolatoren 28' verbunden; die z.B. aus Aluminiumoxidkeramik bestehenden Isolatoren haben eine langgestreckte Form, damit lange Kriechwege vorhanden sind. Ein Ende jedes der Glühfäden 22' wird durch eine gesonderte leitfähige Tragzunge 42 unterstützt, die zwei Zähne 44 aufweist, welche durch Öffnungen des bandförmigen Glühfadens bzw. der Kathode 22' ragen. Die Zungen 42 sind durch Isolatoren 46 mit einem nach oben ragenden Klotzabschnitt 48 des Befestigungsteils 20' verbunden. Zuleitungen 36' dienen zum Zuführen des Heizstroms zu den Kathoden 22', die an ihren entgegengesetzten Enden durch eine Verbindungszunge 50 in Reihe geschaltet sind, die ähnliche Zähne 44 aufweist wie die Zungen 42. Die Verbindung 50 wird durch zwei Stäbe 52 und 54 aus keramischem Material geführt, so dass sie sich ungehindert in axialer Richtung bewegen kann, damit eine Wärmedehnung der Kathoden 22' beim Aufheizen möglich ist. Die Stäbe 52 und 54

regen durch Öffnungen 56 und 58 des Befestigungsteils 20'. Eine in der Öffnung 58 angeordnete Druckfeder 60 bringt eine Zugkraft genau in der Ebene der Kathoden 22' und genau in der Mitte zwischen ihnen auf, um die Kathoden 5 gestreckt zu halten. Wegen der Reihenschaltung der Kathoden 22' wird an den bewegbaren Enden keine Heizstromleitung benötigt, so dass sich keine Schwierigkeiten aus der Verwendung flexibler Zuleitungen ergeben können. Gemäss Fig. 4 sind zwei Abschirmungen 62 aus Metall vorhanden, um zu io verhindern, dass verdampftes Material der Kathoden 22 auf den Gitterisolatoren 28' niedergeschlagen wird und Anlass zum Auftreten von Leckströmen gibt.

Fig. 5 zeigt in einem Teil eines Querschnittes eine etwas abgeänderte Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall 15 sind die Glühfäden bzw. Kathoden 22" und die Gitter 24" und 40" leicht gekrümmt, so dass sie Streifen aus den Mänteln von geraden Kreiszylindern bilden. Dies führt zu einer besseren mechanischen Stabilität im Vergleich zu ebenen Flachmaterialstücken, bei denen die Gefahr besteht, dass sie 20 sich unter der Einwirkung von Wärme ausbeulen. Ausserdem hat die zusammengesetzte Elektronenquellenkonstruktion 14" eine Form, die sich in höherem Masse einem geraden Kreiszylinder annähert, wodurch sich möglicherweise eine gewisse Verbesserung der Elektronenoptik der Röhre ergibt. 25 Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung. Für jeden Fachmann liegt es auf der Hand, dass man im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Abänderungen bei den Bausteinen mit Gittern aus Kohlenstoff vorsehen kann. Die 30 Kathoden bzw. Glühfäden brauchen nicht als Bänder mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet zu sein, sondern man könnte auch, wie schon erwähnt, langgestreckte Steifen eines Zylindermantels vorsehen. Als Zylinder wird hierbei eine geschlossene Fläche betrachtet, die durch eine gerade Linie 35 beschrieben wird,welche parallel zu einer weiteren geraden Linie gewegt wird. Zusätzlich zu der leicht zylindrisch gekrümmten Form nach Fig. 5 können die Kathoden auf ihrer Emissionsseite eine konvexe Form haben, um die Elektronen so zu foskussieren, dass sie durch die Gitter hindurchtreten.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Elektronenröhre mit einer Anode und einer Elektronen-quellenbaugruppe, gekennzeichnet durch einen gegenüber der Anode (12) isolierten gemeinsamen Träger (16), mehrere Gitter-Kathoden-Bausteine (18), wobei zu jedem Baustein mindestens eine Gliih-Kathode (22) mit einer im wesentlichen ebenen Emissionsfläche gehört, ferner eine Einrichtung zum Erhitzen der Kathode, mindestens ein Gitter (24) in Form eines im wesentlichen ebenen Flachmaterialstücks aus Kohlenstoff mit Öffnungen (26) als Durchlässe für Elektronen sowie eine Einrichtung (28) zum Unterstützen und Isolieren der Kathode und des Gitters gegeneinander, um den Baustein so zu bilden, dass das Flachmaterialstück im wesentlichen parallel zu der Emissionsfläche der Kathode angeordnet ist, wobei die Unterstützungseinrichtung (28) von jedem Baustein unabhängig von der Unterstützungseinrichtung der anderen Bausteine ist, eine Einrichtung (20) zum Befestigen der Bausteine unabhängig voneinander an dem gemeinsamen Träger (16) derart, dass die Emissionsflächen der Anode zugewandt und die Gitter zwischen den Emissionsflächen der Anode angeordnet sind, Einrichtungen (32, 33,36) zum elektrischen Verbinden der Kathoden mit einem gemeinsamen Anschluss sowie eine Einrichtung zum elektrischen Verbinden der Gitter mit einem gemeinsamen Anschluss.
2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (24) aus einem Flachmaterialstück aus pyrolytischem Graphit hergestellt ist.
3. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (22") die Form eines Streifens aus dem Material eines Zylinders aufweist.
4. Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Erhitzungseinrichtung Einrichtungen (32,33,36) zum Hindurchleiten eines Stroms durch die Kathode (22) gehören.
5. Elektronenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Baustein (18) mindestens zwei einander benachbarte parallele Kathoden (22') gehören und dass zu den Einrichtungen zum Hindurchleiten eines Stroms eine Einrichtung (50) gehört, die dazu dient, den Strom in einer Richtung durch eine erste der beiden Kathoden und in einer Reihenschaltung in der entgegengesetzten Richtung durch die zweite Kathode zu leiten.
6. Elektronenröhre nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Federn (39), die an den Enden der beiden Kathoden (22') befestigt sind, welche elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Federn flexibel sind, um eine Ausdehnung der Kathoden (22) in der Richtung der Erzeugenden des Zylinders zu ermöglichen.
7. Elektronenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (39) gespannt sind, um die Kathoden (22) in der Richtung der Erzeugenden des Zylinders einer Spannung auszusetzen.
8. Elektronenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Baustein (18) ferner ein zweites Gitter (40") gehört, dass im wesentlichen parallel zu dem genannten Gitter (24") und auf der von der Emissionsfläche abgewandten Seite dieses Gitters angeordnet ist.
9. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Einrichtung zum Unterstützen der Kathode (22) und des Gitters (24) ein Rahmenteil (20) gehört, das an dem gemeinsamen Träger (16) befestigt ist, und dass mindestens ein als Abstandhalter ausgebildeter Isolator (28) zum Abstützen des Gitters (24) gegenüber dem Rahmenteil vorhanden ist.
10. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Einrichtung zum Unterstützen der Kathode (22) und des Gitters (24) ein Rahmenteil (20) gehört, das an dem gemeinsamen Träger (16) befestigt ist, und dass mindestens ein als Abstandhalter ausgebildeter Isolator (48) zum Unterstützen der Kathode (22) gegenüber dem Rahmenteil vorhanden ist.
11. Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (12) eine erste Zylinderfläche aufweist, die dem Gitter (24) zugewandt ist, und dass die Bausteine (18) auf dem gemeinsamen Träger (16) so angeordnet sind, dass die Emissionsflächen annähernd auf einer zweiten geraden Kreiszylinderfläche liegen, die gleichachsig mit der ersten Zylinderfläche angeordnet ist.
12. Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsfläche der Kathode (22") eine leicht konvexe Form hat und dass das Gitter (24") zu der Emissionsfläche passend gekrümmt ist.