DE2532038A1

DE2532038A1 - Elektronenroehre

Info

Publication number: DE2532038A1
Application number: DE19752532038
Authority: DE
Inventors: Werner Brunhart; Wendell Grover Hardman
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-07-18
Filing date: 1975-07-17
Publication date: 1976-01-29
Also published as: JPS5136868A; NL7508470A; US3934168A; FR2279219A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Elektronenröhren mit planeren Steuergittern, die in weitem Umfang dazu verwendet werden, hochfrequente elektromagnetische Energie zu erzeugen. Die obere Frequenz solcher Röhren wird durch die Laufzeit der Elektronen durch die Elektrodenstruktur begrenzt, die kurz sein muß, verglichen mit der Hochfrequenz-Zyklus-Periode, um einen wirksamen Betrieb zu erlauben. Die Laufzeit wird dadurch reduziert, daß die Elektroden enger zusammengebracht werden, insbesondere das Gitter dicht an die Kathode gebracht wird. Für die erforderlichen präzisen mechanischen Toleranzen ist eine ebene Struktur der Elektrodenerwünscht.

Bekannte ebene Gitter bestehen aus einem Netz oder einer parallelen Anordnung von feinen Drähten, de mit einem Rahmen verbunden sind. Die Drähte sind gewöhnlich durch mechanische Vorspannung oder thermische Dehnung gespannt, die sich von der Dehnung bei der Verbindung mit dem Rahmen unterscheidet. Die Spannung trägt dazu bei, sie genau in ihrer Ebene zu halten, wenn sie durch Strahlung von der Glühkathode und durch Elektronenbombardement erwärmt werden. Da die Drähte stärker erwärmt werden als der Tragrahmen, neigen sie dazu, sich zu dehnen, so daß sie schließlich ihre Spannung verlieren und, bei weiterer Erwärmung, ausbeulen.

Für größere Elektrodenabmessungen werden die Gitterdräbte heißer, v/eil dar Uärmelei tweg zum Rahmen länger istwnd die Schwierigkeit der the mi scheu Dehnung ist stärker. Auch wird die mechanische Steifheit der Drähte reduziert und ihre Resonanzfrequenzen gehen nach unten, so daß die Röhre weniger widerstandsfähig gegen Stöße und Vibrationen ist.

Hehrere Verfahren sind entwickelt worden, «a die Drähte in Intervallen innerhalb des aktiven Öereiches uer Elektroden durch relativ massive Elemente abzustützen, die die mechanische Steifigkeit tmd die Härsjeleitfähigkeit erhöhen, um das Betriebsverhalten kleinerer Gitter zu simulieren,. Gemäß iß-Fatentschrift 2 446 271 werden Stangen quer über das Gitter gelegt, die «it der Reifte von feine« Drähten verbünden sind,

8O988S/1009 ~'ⁿ

die den Elektronenstrom steuern, und zu diesem senkrecht verlaufen. Die Stäbe selbst verbessern zwar die thermischen und mechanischen Eigenschaften, die Stäbe selbst werden jedoch heißer als der Gitterrahmen am Umfang und neigen dazu, sich aus ihrer Ebene heraus zu wölben.

Gemäß der US-Patentschrift 3 082 339 wird ein Querstab in der Mitte geschlitzt, um eine unterschiedliche Dehnung ohne Ausbeulung zu erlauben. Der Schlitz reduziert jedoch unglücklicherweise die mechanische Steifigkeit.

Gemäß der US-Patentschrift 3 297 902 wird eine Reihe von gekrümmten Gitterelementen verwendet, die mit einer Reihe von feineren Elementen zusammenwirken, um die Entladung zu steuern. Wenn bei dieser Struktur die schweren Elemente massiv genug sind, um für mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu sorgen, steuern sie nicht mehr die Entladung, sondern bilden lediglich einen toten Bereich, in dem keine Elektronen die Anode erreichen. Die gekrümmten Elemente können auch nicht gespannt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein ebenes Gitter mit verbesserter Wärmeableitung und mechanischer Steifigkeit zu schaffen, das auch bei unterschiedlicher Erwärmung sich nicht aus einer Ebene heraus wölbt.

Weiter soll ein Gitterrahmen verfügbar gemacht werden, der leicht hergestellt v/erden kann, beispielsweise durch Fotoätzen.

Weiter soll ein Gitterrahmen verfügbar gemacht werden, der genau mit einem hohen Verhältnis Dicke : Breite des Elementes hergestellt werden kann.

Die Erfindung besteht aus einem kreisförmigen Gitter für planere Röhren.

.../4 509885/ 1009

Die den Elektronenstrom kontrollierende Struktur ist eine Reihe von feinen Gitterdrähten parallel zur Kathode. Es können entweder parallele Drähte oder ein gewebtes Netz verwendet werden. Die Reihe von Drähten wird dadurch abgestützt, daß sie an einen relativ massiven Rahmen angelötet werden, wobei die Drähte nach den Montageoperationen vorzugsweise gespannt sind. Der Rahmen weist einen Außenrand auf, der mit inneren Stützelementen verbunden ist, die die freie Länge der feinen Drähte zwischen den Abstützungen reduzieren. Um die thermische Leitfähigkeit der inneren Stützelemente zum äußeren Rand zu maximieren, ebenso wie die mechanische Festigkeit, verlaufen einige der inneren Stützelemente radial, so daß der kürzestmögliche Weg zum Außenrand gebildet wird. Die radialen Elemente werden mit anderen, nicht radial verlaufenden Rahmenelementen verbunden. Die Kombination von radialen und nicht radialen Elementen verkürzt weiterhin die freie Länge der feinen Drähte, indem der Gitterbereich in eine Vielzahl von öffnungen unterteilt wird, die durch Rahmenelemente begrenzt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die nicht radialen Elemente auf einem Kreis, der zum Außenrand konzentrisch ist.

Bei bekannten Gittern waren die inneren Rahmenelemente entweder gerade Stäbe über den Außenrand, die einer Wölbung bei Erwärmung ausgesetzt waren, oder die inneren Enden waren frei, so daß sie sich bei Stoßen und Vibrationen biegen konnten. Durch die Erfindung werden beide diese Nachteile dadurch vermieden, daß die radialen Elemente mit nicht radialen Elementen verbunden werden, die eine thermische Dehnung in der Ebene des Gitters erlauben und weiterhin eine mechanische Abstützung und Wärmeleitung bilden.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Planartriode mit Merkmalen der

Erfindung;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Gitterelektrode nach der Erfindung;

.../5 509885/1009

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform eines

Gitterrahmens;

Fig. 5 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines

Gitterrahmens;

Fig. 6 verschiedene Gitterrahmen, in denen die nicht

^A " ^D radialen Elemente gerade Stäbe sind; und

Fig. 7 eine Aufsicht auf einen Rahmen, bei dem sich radiale

Elemente innerhalb der nicht radialen Elemente erstrecken.

Die in Fig.l dargestellte Triode weist eine Glühkathode 20, eine Gitterelektrode 21 und eine Anodenfläche 22 auf. Die Elektroden 20, 21 und 22 sind in einem vakuumdichten Gehäuse 23 untergebracht, das aus dielektrischen

Zylindern 24, 25 und 26, beispielsweise aus Tonerdekeramik, die an ihren

angesetzt sind, Enden dicht an dünne Metallflansche 27, 28, 29, 30, 31 und 32y beispielsweise aus Kupfer-Nickel-Legierung, einem Anoden-Wärmeabfuhrkörper 33, beispielsweise aus Kupfer, und einem Absaugröhrchen 34, beispielsweise aus Kupfer, besteht. Das Gehäuse wird dadurch montiert, daß die Flansche 28 und 29 bzw. 30 und 31 miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen. Nach dem Evakuieren wird das Quetschröhrchen 34 durch Druck unter Kaltverschweißen verschlossen.

Die Kathode 20, die beispielsweise aus porösem Wolfram besteht und mit Bariumaluminat imprägniert ist, wird mit einer Drahtwendel 35 beheizt, die beispielsweise aus Wolfram besteht und in einen dielektrischen Isolator 36, beispielsweise Tonerde, eingebettet ist. Ein Ende des Drahtes 35 ist, beispielsweise durch Punktschweißen, mit der Kathode 20 verbunden, und das andere Ende führt durch einen kräftigen Zuleitungs-

509885/1009

draht 37 zum Heizeranschlußflansch 27. Die Kathode 20 wird, beispielsweise durch Punktschweißen, auf einem dünnen.metallischen Wärmedamm 38 abgestützt, der beispielsweise aus Eisen^Nickel-Kobalt-Legierung besteht und auf Gehäuse 29 montiert ist.

Der Anodenkörper 33 ist, beispielsweise durch Löten, mit dem Gehäuseflansch 32 verbunden. Wärme wird von dem Anodenkörper 33 durch ein zirkulierendes Strömungsmittel, beispielsweise Wasser, abgeführt, das in einem Wassermantel 39 enthalten ist und durch diesen gelenkt wird, der Einlaß- und Auslaßrohre 40, 41, ein externes Gehäuse 42, ein internes strömungrichtendes Rohr 43 und eine Nullringdichtung 44, beispielsweise aus Gummi, aufweist, um das Strömungsmittel zu enthalten, Oie metallischen Teile des Wassermantels 40, 41, 42 und 43 können aus irgendeinem nichtkorrodierenden Metall bestehen, beispielsweise fionel, rostfreiem Stahl, Messing und dergl,

Die Gitterelektrode 21 ist ayf ilen GefäBflansch 30 montiert, beispielsweise durch Löten oder Punktschweißen.

Pig. 2, 3 und 4 zeigen Einzelheiten der Struktur der Gitterelektrode Ein Netz feiner Drähte 44, beispielsweise aus Wolfram, ist mit einem mit öffnung versehenen Rahmen 45 verlötet, beispielsweise mit Gold, der aus einem relativ kräftigen Außenrand-Stützelement 46 und einem flachen Band 47 aus Stützeleraenten besteht, deren Querschnitt groß im Vergleich zu den Drähten des Setzes 44 ist. Beitte Teile 46, 47 des Rahmens 45 bestehen vorzugsweise a«s dem gleichen Hetall, beispielsweise Wolfram, und sind ffiiteifiaoder un4 mit den? dazwischenliegenden Hetz 44 verlötet, beispielsweise mit Gold. Der Träger 47 besteht aus radialen Stützelementen 48, die aiit nicht radialen Stütze lementen 49 miteinander verbunden sind, ßei dieser bevorzugte« Aüsfünrungsforra Hegen die nichtradialen Elemente 49 auf konzentrischen Kreisen und die radialen Elemente auf Radien dieser Kreise*

.../7 SQ9835/1009

Die radialen Elemente 48 bilden den kürzestmöglichen Weg, mit dem Wärme von der Mitte des Gitters 21 zum Außenrand 46 abgeleitet werden kann, von wo aus sie leicht mit Flansch 30 an das gekühlte Gehäuse 23 weitergeleitet werden kann. Wenn diese Elemente derart kurz sind, drhöht sich auch ihre mechanische Steifigkeit, und die Fähigkeit der Röhre, einwandfrei zu arbeiten, wenn sie Stößen oder Vibrationen ausgesetzt wird. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform enden die radialen Elemente 48 am Außenring in gekrümmten Lappen 50, die größere Flächen bilden, mit denen sie an das Gitter 44 und den Außenring 46 angelötet werden können. Die Innenenden der radialen Elemente 48 enden an ihren Verbindungen 51 mit nicht radialen Elementen 49. Während der Lötmontage des Gitterrahmens werden die Innenelemente der Träger 47 auf eine höhere Temperatur geheizt als der Außenring 46, so daß sie sich relativ zum Ring 46 radial dehnen. Die Lappen 50 werden voneinander getrennt, statt zu einem vollständigen Kreis vereinigt zu werden, so daß sie radial außerhalb über den Ring 46 gleiten, ohne auszubeulen, was geschehen würde, wenn sie mit einem kompletten kälteren Ring gehalten würden. Die Teile 46, 47 und 44 v/erden dann miteinander verlötet. Nach dem Abkühlen neigen die inneren Elemente des Trägers 47 dazu, sich stärker zusammenzuziehen als der Außenring 46, sie werden jedoch von dem massiveren Ring 46 daran gehindert. Die Innenelemente befinden sich deshalb unter Spannung, was sie derart behindert, daß sie genau eben bleiben.

Im Betrieb der Röhre wird der innere Teil des Gitters stärker erwärmt als der Außenring 46. Die Neigung der Innenelemente, sich auszudehnen, wird durch deren restliche Spannung aufgehoben, so daß die unterschiedliche Erwärmung lediglich eine Verringerung der inneren Spannung mit sich bringt. Wenn die Erwärmung zu stark wird, so daß die Spannung vollständig aufgehoben wird, sorgt eine weitere Erwärmung dafür, daß sich die radialen Elemente weiter einwärts mit Bezug auf den Außenring 46 dehnen, so daß die Verbindungsstellen 51 nach einv/ärts gepreßt werden. Die nicht radialen Elemente 50 sind jedoch in der Ebene des Gitters 51 verformbar, wie stark

.../8 509885/ 1 Of! 9

übertrieben durch die unterbrochene Linie 52 angedeutet, die mit "heiße Form" bezeichnet werden kann. Wenn radialen Elemente 48 miteinander verbunden wären, um vollständig diametrale Stäbe zu bilden, wie das bei vielen bekannten Gittern der Fall ist, würde ihre Dehnung sie dazu zwingen, auszubeulen, wenigstens teilweise aus der Gitterebene heraus.

Die Verbindung von radialen und nicht radialen Stützelementen unterteilt den Gitterbereich in kleinere Öffnungen 53, so daß der Wärmeflußweg längs der Gitterdrähte zu den Stützelementen reduziert wird und die mechanische Resonanz des Gitters innerhalb einer einzelnen Öffnung verhindert wird.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil der Fig. 2. Die Herstellung der Stützstruktur 47 erfolgt am einfachsten durch Fotoätzung von Metallblech. Die Rippen-Stützelemente 48, 49 können durch Fotoätzen in 4qt Vteise hergestellt werden, daß ihre Breite W nicht kleiner ist als etwa die Dicke des Bleches T. Es ist erwünscht, die Breite W klein zu halten, um ein Stromabfangen durch die Stützstruktur zu minimieren, für gute Steifigkeit und Wärmeleitung ist es jedoch besser, die Stützelefflente dick in Richtung senkrecht zur Ebene des Gitters zu haben* Das kann dadurch erreicht «erden, ύ&Β zwei oder mehr identische Stützbleche hergestellt werden ,diese ausgefluditetaufeinandergestapelt werden, wie dargestellt* und miteinander verlötet werden* Die Lappen 54 werden dazu verwendet, die Stützstrukturen azimuthal auszufluchten. Nach dem Löten werden die Lappen 54 abgebrochen und weggeworfen.

Fig. 4 zeigt nur den ywriß einer anderen Ausführungsforra eines Sitterrahnens zu« Abstützen großflächiger Gitter, Es ist ein zweiter Satz Öffnungen 55 gebildet, der den Satz 53 umgibt« in dem zwischen liegende nicht radiale Elemente 56 mit äußeren Randeletnenten 50 * durch Zusätzliche radiale Elemente 57 verbanden sind.

Fig. 5 zeigt eine einfache Ausführungsform der Erfindung, die für kleine Gitter geeignet 1st, wo nur zwei radiale Elemente 48 und zwei nicht radiale Elemente 59 innerhalb des äußeren Randelernentes 50 verbunden sind«

.../9 509885/10D9

Fig. 6 zeigt AusfUhrungsformen der Erfindung, bei denen nicht radiale Elemente 49' aus geraden Stücken gebildet sind statt aus gekrümmten. Die geraden Stücke sind in der Ebene des Gitters leichter zu verformen, um einer thermischen Dehnung der radialen Elemente 48 Rechnung zu tragen. Die Fig 6A, B, C und D zeigen drei, vier bzw. sechs äußere radiale Elemente. Fig. 6D zeigt sechs äußere radiale Elemente und einen inneren Satz von drei radialen Elementen.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der radiale Elemente 48 sich innerhalb des innersten nicht radialen Elementes 49 erstrecken. Die kurze freie Länge erlaubt ihnen, mechanische Steifigkeit aufrechtzuerhalten.

509885/ 1009

Claims

Patentansprüche

1. !Elektronenröhre, bestehend aus einem Gefäß, einer Anzahl im wesentlichen ebener und paralleler Elektroden, Abstützeinrichtungen für diese Elektroden und Einrichtungen zum elektrischen Anschluß der Elektroden, wobei als Elektroden wenigstens eine elektronenemittierende Kathode, eine Elektronen aufnehmende Anode und wenigstens ein elektronendurchlässiges Gitter zwischen der Kathode und der Anode vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus einer planaren Anordnung von im Abstand voneinander befindlichen Drähten besteht, die mit einem kreisförmigen Rahmen verbunden sind, der seinerseits aus einem Außenrand besteht, der mit einer Vielzahl von verlängerten Stützelementen innerhalb des Randes verbunden ist, wobei die Stützelemente größeren Querschnitt haben als die Drähte und aus radialen Elementen bestehen, die mit nicht radialen Elementen verbunden sind, umwenigstens drei geschlossene Öffnungen innerhalb des Außenrandes zu bilden.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Öffnungen eine zentrale Öffnung ist, die im wesentlichen von den anderen öffnungen umgeben ist.

3. Röhre nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht radialen Elemente auf einem oder mehreren Kreisen liegen, die konzentrisch zum kreisförmigen Rahwen sind.

4. Röhre nach Anspruch 1» 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der radialen Elemente sich über weniger als einen vollen Radius des kreisförmigen Äahmens erstreckt.

5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl radialer Elemente die nicht radialen Elesnente mt 4em \Mfang

.../A2 509885/1003

des Rahmens verbinden.

6. Röhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand

aus einem massiven kreisförmigen Ring besteht und die Vielzahl radialer Elemente vor ihrer Befestigung am Ring gegenseitig getrennt sind.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Elemente einen Abstand von der Mitte des kreisförmigen Rahmens haben.

8. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente innerhalb des Rahmens aus einer Struktur bestehen, die ihrerseits aus einer Anzahl von identischen, miteinander verbundenen Lagen besteht, die parallel zu der ebenen Anordnung verlaufen.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Elemente sich unter Spannung befinden, wenn das Gitter an allen Stellen gleiche Temperatur hat.

10. Verfahren zur Herstellung einer Röhre nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf den einzelnen Lagen ein Lappen vorgesehen ist, der nach außerhalb des kreisförmigen Rahmens hervorsteht, die Stützelemente der Lagen wenigstens teilweise durch Ausrichten der Lappen ausgerichtet werden, die Lagen miteinander verbunden werden, und schließlich die Lappen entfernt werden.

509885/ 1009