DE2636913C2 - Strahlungsgekühlter Mehrstufenkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen strahlungsgekühlten Mehrstufenkollektor für Elektronenstrahlröhren hoher Leistung, insbesondere für Satelliten-Bordröhren, mit mehreren in Elektronenstrahlrichtung hintereinander angeordneten, elektrisch gegeneinander isolierten Elektroden und mit einem die Elektroden umgebenden Außenmantel, der mit einem sich quer zur Elektronenstrahlrichtung erstreckenden Trägerflansch verbunden ist und einen Teil der Vakuumhülle der Elektronenstrahlröhre bildet. Ein derartiger Elektronenstrahlauffänger befindet sich bereits auf dem Markt.

Transparent-Keramik ist als ein durchscheinender Werkstoff an sich wohlbekannt und wird beispielsweise bereits seit vielen Jahren als Hüllenmaterial für Dampflampen angeboten. Ebenfalls ist aus der US-PS 37 02 951 ein strahlungsgekühlter Mehrstufenkollektor für Elektronenstrahlröhren hoher Leistung, insbesondere für Satelliten-Bordröhren bekannt. Der Kollektor hat mehrere in Elektrodenstrahlrichtung hintereinander angeordnete, elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden und einen, die Elektroden umgebenden Außenmantel. Die Elektroden sind abwechselnd mit elektrisch isolierenden Distanzstücken über ebenfalls elektrisch isolierende Stäbe, die von einem Trägerflansch ausgehen und parallel zur Elektronenstrahlrichtung verlaufen, geschoben und in ihrer Lage fixiert.

Bei dieser Auffängerversion für geladene Teilchen, deren Elektroden räumlich in Strahlrichtung hintereinander liegen, von strahlparallelen Isolatorstäben durchsetzt werden und im Inneren eines glockenförmigen Gehäuses untergebracht sind, stellt allerdings das großvolumige, aus Metall bestehende Gehäuse die gesamte Vakuumhülle dar und ist vor allem an eine Strahlungskühlung offensichtlich nicht gedacht.

Bei manchen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Weltraumeinsatz der Röhre, ist es sinnvoll, die im Kollektor entstehende Verlustwärme durch Strahlung abzuführen. Eine solche Kühlungsart wird um so leistungsfäh'ger, je größer die Differenz zwischen der Temperatur des abstrahlenden Körpers und der Umgebungstemperatur ist: Nach der bekannten Beziehung O=C-F- (Tf-T₂*). mit Q = abgestrahlte Wärmemenge, C = Strahlungszahl, F = abstrahlende Fläche,

ίο T₁ -- Temperatur der abstrahlenden Fläche und T₂ — Umgebungstemperatur, wächst die pro Flächeneinheit abgestrahlte Wärmemenge mit der vierten Potenz der Körpertemperatur. Demgemäß muß man beim Entwurf eines strahlungsgekühlten Kollektors vor allem darauf achten, daß die Konstruktion möglichst hohe Betriebstemperaturen auf den abstrahlenden Flächen erlaubt und daß die abgestrahlte Wärme unter möglichst geringer Reflektion und Absorption durch die Vakuumhülle hindurch in den Außenraum befördert wird.

Bei der eingangs erwähnten Auffängerversion besteht der Außenmantel aus Metall und sind die Elektroden jeweils über Isolatorstücke an diesem Metalltopf fixiert. Ein solches Konzept dürfte extremen Temperaturbelastungen nicht ohne weiteres standhalten, da sich das strahlungsundurchlässige Metall selbst aufheizt und dadurch die Elektrodenhalterungen gefährdet und unter Umständen Kurzschlüsse auslöst (Verdampfung und Zerstäubung von Lotmaterial). Die erforderlichen Abstrahlieistungen können daher nur mit relativ großvolu-

jo migen. also auch schweren und aufwendigen Bauformen erbracht werden.

Wollte man für die Vakuumhülle stau absorbierender Materialien Werkstoffe nehmen, die für die thermische Strahlung transparent sind, so könnte man theoretisch auf Hartglas oder, wie in der US-PS 34 48 325 diskutiert, Quarz bzw. Saphir zurückgreifen. Hartglas, das bei strahlungsgekühlten Senderöhren schon seit Jahrzehnten in Gebrauch ist, scheidet aber für die vorliegenden Zwecke aus. weil es eine nur begrenzte Temperaturbeständigkeit hat und bei Temperaturen oberhalb 400^cC zu Formveränderungen neigt. Quarzglas ist zwar formstabil und verfügt auch über günstige Transmissionseigenschaften, kommt aber nur für die allerwenigsten Falle in Frage, da es umständliche und teuere Verbindungslechniken für Metallpartner verlangt (eine Anglasung gelingt in der Praxis nur bei Verwendung von mindestens fünf Zwischengläsern). Und auch der letztgenannte Werkstoff. Saphir, kann in der Regel nicht in die engere Wahl gezogen werden, weil Saphir-Formstücke nur mit erheblichcin Aufwand synthetisiert werden können.

Die geschilderten Schwierigkeiten ließen sich umgehen, wenn es gelänge, zwischen den Elektroden selbst eine vakuumdichte, elektrisch isolierende und dabei mcchanisch robuste Verbindung herzustellen. Ein solches Konzept ist bereits mit Graphitelektroden und verbindenden Metall-Keramik-Metall-Brücken realisiert worden (DE-PS 23 55 902), erfordert allerdings zumindest im gegenwärtigen Entwicklungsstadium, diffizile Ferti-

feo gungstechniken und ein relativ sorgfältiges Arbeiten.

Für weitere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten wird auf die bereits ziüerte US-PS 34 48 325 sowie auf die Arbeit von W. Neugebauer und G. Mihran in IEEE Trans. Electron Devices. Vol. ED-19. 1972. S. 111 bis 121

b5 verwiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines durch Wärmeabstrahlung gekühlten Elektronenstrahlauffängers, der bei hohen Betriebstem-

peraturen zuverlässig arbeiten kann und dabei relativ einfach zu fertigen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kollektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Außenmantel (Strahlungsglocke) aus einer an sich bekannten, für Licht- und Infrarot-Strahlung durchlässigen Keramik (»Transparen'.-Keramik«) besteht und daß die Elektroden abwechselnd mit elektrisch isolierenden Distanzstücken über ebenfalls elektrisch isolierenden Stäben (Halterungsstäbe), die von dem Trägerilansch ausgehen und parallel zur Elektronenstrahlrichtung verlaufen, geschoben und in ihrer Lage fixiert sind.

Diese Maßnahmenkombination bringt folgende Vorteile mit sich:

Transparent-Keramik zeichnet sich durch sehr gute Licht- und Infrarot-Transmissionseigenschaften aus (bei 3 pm noch 70% Transmission), bleibt auch unter hohen Hitzebelastungen formstabil, ist ein relativ preiswerter Werkstoff und kann vor allem mit der bei normaler Keramik üblichen, vergleichsweise bequemen Technik mit Metallen vakuumdicht verbunden werden.

Die Elektroden sind mit isolierenden Distanzstücken zu einer selbsttragenden Baueinheit zusammengefaßt, und zwar in einer lotfreien Stapelbauweise, bei der sämtliche Elektroden große Abstrahlflächen haben und höchste Temperaturen annehmen können, ohne dadurch die mechanische Stabilität oder die Überschlagsfestigkeit zu beeinträchtigen. Auch wenn die Transparent-Keramik die empfangene Strahlungsenergie zu einem gewissen Teil absorbiert und auch reflektiert, se ist dies unkritisch, da die Transparent-Keramik in der gewählten Konstruktion erhöhte Dauertemperaturen von mehreren 100°C ohne weiteres verträgt und die reflektierte Strahlung wegen des erwähnten Zusammenhangs zwischen Abstrahlleistung und Körpertemperatur zu nur geringfügigen Temperaturerhöhungen führt.

Im Ergebnis steht ein Kollektor zur Verfügung, bei dem das Prinzip der Strahlungskühlung wirkungsvoll und ohne großen Herstellungs- oder Kostenaufwand realisiert ist; insbesondere kann die vorgeschlagene Ausführung in relativ geringen Abmessungen gehalten werden.

Die Erfindung soll nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Seitenschnitt einen fünfstufigen Elektronens>rah!'iuffänger, der für eine Satelliten-Bordwanderfeldröhre hoher Leistung vorgesehen ist.

Der eigentliche Elektronenauffänger der dargestellten Kollektorversion besteht aus mehreren, in Richtung der Elektronenstrahlachse (strichpunktierte Linie 20) hintereinander angeordneten Elektroden 1,2,3,4.5 und dem Auffängerboden 6. Jede Elektrode ist als ein MetallloDf ausgebildet und enthält eine zentrale Bohrung 7 zum Durchtritt der Elektronen; zur Vergrößerung der Abstrahlfläche ist dabei die Elektrode 3 noch mit einem zusätzlichen Blech (Abstrahlblech 19) versehen. Die Boden der einzelnen Metalltöpfe sind unter verschiedenen Winkeln durchgebogen, die entsprechend den Elektronenbahnen berechnet werden. Einige dieser Flugbahnen sind als gestrichelte Linien 8 angedeutet.

Die Elektroden sind auf längs der Elektronenstrahlachse 20 verlaufenden Halterungsstäben 9 übereinander gestapelt und durch zwischengesetzte Isolierbuchsen 10 voneinander distanziert. Um diese Buchsen vor jeglicher Bedampfung zu schützen, sind sie von Abschirmtöpfchen Il in der dargestellten Weise umgeben.

Die Halterungsstäbe selbst werden von einem Trägerflansch 12 mittels am Flansch angelöteter Manschetten i3 gehaltert und sind an ihrem freistehenden Ende mit einer Klemmsicherung 14 versehen, so daß die Elektroden gegen den Elektronenstrahl zentriert und in ihrer Lage sicher fixiert sind.

Da die einzelnen Elektroden mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, müssen sie mit Spannungszuleitungen versorgt werden. Hierzu sind auf dein

:o Trägerflansch 12 in kreisförmiger Anordnung Spannungsdurchführungen 25 eingelötet, an die die Elektroden mittels Zuleitungsdrähten 15 und Durchführungsstiften 16 angeschlossen sind.

Die aus den Elektroden, den Halterungsstäben und den Isolierbuchsen gebildete Baueinheit ist zusammen mit dem Auffängerboden von einer Strahlungsglocke 17 aus Transparent-Keramik umgeben. Diese Glocke ist in üblicher Metall-Keramik-Verbindungstechnik über ein Vacon-Zwischenstück 18 mit dem Trägerflansch verbunden. Ihr Bodenteil wird von einem Metallstift 24 durchsetzt, der in bekannter Weise den Elektronenstrahl aufspreizt und dadurch für eine bessere Geschwindigkeitssortierung der Elektronen sorgt. Dieser Stift halten zugleich auch den Auffängerboden 6.

Damit der Kollektor auch hohen Vibrations- und Stoßbeanspruchungen gewachsen ist, empfiehlt es sich, federnde Bleche (Stützbleche 21) am bodennahen Kollektorende anzubringen, die die Elektrodenbaueinheit an der stabilen Glocke abstützen. Sollte sich der Trägerflansch im Betrieb der Röhre zu stark erwärmen, könnten ihm Strahlungsabfangende Bleche (auf Stützen 22 montierte Strahlungsbleche 23) vorgelagert, werden.

Die einzelnen Teile des geschilderten Ausführungsbeispiels bestehen aus folgenden Materialien:

Die Elektroden, der Auffängerboden und der Stift sind aus einem hochwarmfesten Werkstoff mit niedrigem Dampfdruck und guter Wärmeleitfähigkeit, sie bestehen also insbesondere aus Wolfram, Tantal, Molybdän oder Graphit; für die Halterungsstäbe und Isolierbüchsen eignet sich arn besten Keramik; für die Strahlungsglocke kann eine der von mehreren Herstellern angebotenen Transparent-Keramik genommen werden, die aus hochreinem Aluminiumoxid durch ein spezielles Sinterverfahren gewonnen wird. Die Elektroden könn-

4^r> ten zusätzlich noch mit einer Oberflächenschicht, vorzugsweise einer Graphit- oder Zirkonschicht. überzogen werden, wenn man die Abstrahlleistung noch weiter verbessern und zugleich die Entstehung von Sekundärelektroden erschweren wollte.

so Die Ausführung läßt sich besonders bequem zusammensetzen: Zunächst wird die Elektrodenbaueinheit in einfacher Montagearbeit, von allen Seiten zugänglich, auf dem Trägerflansch aufgebaut; dann schiebt man die Strahlungsglocke darüber und verschweißi sie mit dem Flansch.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Strahlungsgekühlter Mehrstufenkollekior für Elektronenstrahlröhren hoher Leistung, insbesondere für Satelliten-Bordröhren, mit mehreren in Elektronenstrahlrichtung hintereinander angeordneten, elektrisch gegeneinander isolierten Elektroden und mit einem die Elektroden umgebenden Außenmantel, der mit einem sich quer zur Elektronenstrahlrichtung erstreckenden Trägerflansch verbunden ist und einen Teil der Vakuumhülle der Elektronenstrahlröhre bildet, dadurch gekennzeichnet, daß de,- Außenmantel (Strahlungsglocke 17) aus einer an sich bekannten für Licht- und Infrarot-Strahlung durchlässigen Keramik (»Transparent-Keramik«) besieht und daß die Elektroden (!, 2, 3, 4, 5) abwechselnd mit elektrisch isolierenden Distanz-Stücken (10) über ebenfalls elektrisch isolierenden Stäben (Halterungsstäbe 9). die von dem Trägerflansch (12) ausgehen und parallel zur Elektronenstrahlrichtung (20) verlaufen, geschoben und in ihrer Lage fixiert sind.

2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2,3,4, 5) aus einem der Metalle Wolfram, Tantal, Molybdän oder aus Graphit bestehen.

3. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1,2,3,4,5) mit Graphit oder Zirkon beschichtet sind.