DE2636913C2 - Strahlungsgekühlter Mehrstufenkollektor - Google Patents
Strahlungsgekühlter MehrstufenkollektorInfo
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
- H01J23/027—Collectors
- H01J23/0275—Multistage collectors
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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 400cC 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-
4r> 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)
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.
Priority Applications (2)
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DE2636913A1 DE2636913A1 (de) | 1978-02-23 |
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ID=5985604
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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- 1976-08-17 DE DE19762636913 patent/DE2636913C2/de not_active Expired
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