DE2727187A1

DE2727187A1 - Mikrowellen-elektronenroehre, gluehkathode fuer diese und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2727187A1
Application number: DE19772727187
Authority: DE
Inventors: Louis Raymond Falce
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1977-12-29
Also published as: US4165473A; JPS5313348A; JPS5821771B2; FR2356263A1; FR2356263B1; GB1586664A

Description

Zusammenfassung

Das Betriebsverhalten von Mikrowellenröhren bei sehr hohen Frequenzen ist durch die Fähigkeit ihrer Glühkathoden begrenzt, eine hohe Eaissionsstromdichte in Kombination mit langer Lebensdauer und geringer Verdampfung des aktiven Materials zu liefern. Eine verbesserte Röhre arbeitet mit einer Kathode, die aus einer porösen Metallmatrix besteht, die aus einer komprimierten Mischung von Wolfram- und Iridiumpartikeln besteht und mit einem geschmolzenen Bariumaluminat imprägniert ist. Andere Erdalkalioxyde können als Additive verwendet werden. Die imprägnierte Kathode gast leicht aus und hat eine gro3e Lebensdauer, weil sie nicht von dünnen Oberflächenfilnen abhängig ist. Die Glühemission ist gegenüber einer Wolframmatrix verbessert, und die Bariumverdampfung ist reduziert. Die Kombination aus Leistung und Frequenz, die von der Mikrowellenröhre erzielbar ist, wird dadurch erheblich erhöht.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Glüh-Elektronenröhren, insbesondere für sehr hohe Frequenzen, und ihr Betriebsverhalten, bezogen auf ihre Glühkathoden.

Die von Elektronenröhren bei sehr hohen Mikrowellenfrequenzen erzeugte Leistung ist in vielen Sätzen von Betriebsparametern durch die Glühemissionsdichte begrenzt, die von der Kathode erhalten werden kann. In für Lauerstrichbetrieb ausgelegten Röhren sind die am besten geeigneten Kathoden sehr unterschiedlich von der oxydbeschichteten Kathode, die gewöhnlich für Kurzimpulsbetrieb verwendet wird, und die Forderungen sind erheblich schärfer.

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Die exakten Skaliergesetze für die Leistungsfähigkeit der Röhre sind nicht leicht zu definieren, einige Potenzgesetze sind jedoch leicht abzuleiten. Beispielsweise ist in einer Röhre mit linearem Strahl mit festen Werten von Perveanz und Flächenkonvergenz des Elektronenstrahls (die beide durch Konstruktionsbetrachtungen begrenzt sind) die maximale Mikrowellenausgangsleistung proportional der fünften Potenz der Stromdichte. Eine Verdopplung der Emissionsfähigkeit der Kathode erlaubt also eine 32-fache Steigerung der Leistung in dem Frequenzbereich, in dem die Emission der begrenzende Faktor ist.

Es sind bereits lange Glühkathoden bekannt, die aus einer Metallmatrix bestehen, die Poren aufweist, die ein aktives Oxydmaterial enthalten, insbesondere Bariumoxyd. Solche Kathoden sind dadurch hergestellt worden, daß Mischungen von Nickelpulver und Erdalkalikarbonaten gepresst wurden ("mush"-Kathoden). Diese Kathoden werden in der Elektronenröhre, in der sie verwendet werden, erwärmt, um die Karbonate in Oxyde aufzubrechen, wobei viel Kohlendioxyd entsteht und die Röhre entsprechend schwierig zu evakuieren ist. Solche "mush"-Kathoden haben bei höheren Stromdichten eine etwas verbesserte kontinuierliche Emission als die traditionelle oxydbeschichtete Kathode. Bei ihrer Betriebstemperatur ist der Dampfdruck des Nickels marginal hoch.

Für Kathoden, die Emissionsströme von 1 A oder mehr pro cm kontinuierlich liefern, wurde es als erwünscht festgestellt, eine kontinuierliche Matrix aus Metall vorzusehen, um die hohen Ströme zu führen.

Die Vorrats-"L"-Kathode arbeitet mit einer Matrix aus zusammengesinterten Wolframpartikeln. In einem Hohlraum innerhalb der Matrix befand sich eine Charge aus Bariumoxyd (die dadurch hergestellt wurde, daß Bariumkarbonat

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-ϊϊ.

aufgebrochen wurde). Im Betrieb diffundieren Bariumoxyd und freies Barium, das durch Reaktion des Oxyds mit Wolfram reduziert wurde, zur Oberfläche des porösen Wolframkörpers und aktivieren diesen zur Glühemission. Die "L"-Kathode hat wegen einiger inhärenter Schwierigkeiten nur begrenzt Anwendung gefunden. Die enorme freiliegende Oberfläche des porösen Wolframs und die gewundenen Diffusionswege durch dessen Poren ergaben eine Gasentwicklung von der Oxydcharge und vom porösen Körper selbst, die zu einer sehr langen Auspumpzeit führte. Weiter ist die Betriebstemperatur der

ti T It

L"-Kathode hoch, beispielsweise über 1100 C. Diese Temperatur macht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer isolierter Heizer schlecht.

Viele Versuche sind gemacht worden, Bariumoxyd direkt in die Poren einer porösen Metallmatrix zu imprägnieren. Es wurde festgestellt, daß geschmolzenes Bariumoxyd mit dem Wolfram reagiert und die Kathode vergiftet.

Eine verbesserte imprägnierte Kathode ist in der US-Patentschrift 2.7OO.OOO beschrieben. Es ist daraus bekannt, daß, wenn das Bariumoxyd mit Aluminiumoxyd kombiniert wird, um ein Bariumaluminat zu bilden, das geschmolzene Oxydgemisch in eine Wolframmatrix imprägniert werden kann, ohne mit dem Wolfram zu reagieren, um die ungünstigen Bariumwolframate zu bilden.

Aue der US-PS 3.201.639 ist es bekannt, daß die Hinzufügung des Oxyds eines zweiten Erdalkalielementes, beispielsweise Calcium, die Emissionsqualitäten der imprägnierten Kathode verbessert. Bei diesen Kathoden ergab eine Emission von

ρ
1 A pro cm eine sehr lange Lebensdauer und es wurde ein erfolgreicher Betrieb bei 3 A pro cm erreicht. Um die Emission zu erhöhen, wird bei höherer Temperatur gearbeitet,

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mit einer entsprechend stärkeren Verdampfung des aktiven Materials und kürzerer Lebensdauer der Röhre - sowohl aufgrund der Verarmung der Kathode als auch der Verunreinigung anderer Teile, beispielsweise der Isolatoren, durch das verdampfte Material.

In dem Aufsatz "High Power Sources at Millimeter Wavelengths" von D.C. Forster, Proceedings of the IEEE, Band 54·, Nr. 4, April 1966, S. 533» ist die "technologische Grenze" von

ρ
3 A pro cm Gleichstrom als die beste verfügbare in Millimeterwe11enröhren beschrieben.

Aus der US-PS 3.373.307 ist es bekannt, daß eine Beschichtung der Emissionsfläche einer mit Bariumaluminat imprägnierten Wolframkathode mit metallischem Osmium die Glühemission bei einer gegebenen Temperatur erhöhen kann, oder umgekehrt, die Temperatur für eine bestimmte Emissionsdichte reduzieren kann, und bei dieser reduzierten Temperatur ist die Verdampfung des aktiven Materials von der Emissionsfläche reduziert und wird die Lebensdauer der Bohre verlängert. Von anderen Elementen wurde behauptet, daß sie ähnliche die Emission verbessernde Eigenschaften haben, nämlich von Ruthenium, Iridium und Rhenium. In der US-PS 3.4-97.757 wird die Verwendung von Legierungen dieser Materialien beschrieben, insbesondere Osmiumlegierungen. Der exakte Mechanismus der Emissionsverbesserung durch eine Osmiumschicht ist nicht klar. Es wird angenommen, daß das Osmium Oberflächen-Anziehungskräfte hat, die aktivierende Bariumatome festhalten und diese polarisieren, um eine reduzierte Austrittarbeit zu erhalten. Solche Osmiumschichten wurden dadurch hergestellt, daß ein dünner Film auf die Emissionsfläche der Kathode aufgesprüht wurde. Es gibt mehrere Nachteile der mit einem Osmiumfilm beschichteten imprägnierten Kathode. Bekanntlich bildet Osmium ein fluchtigeβ Oxyd, das ein sehr gefährliches Gift ist. Ferner

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kann im Betrieb die Osmiumschient durch elektrische Bogenüberschläge entfernt werden, die die Kathodenoberfläche erreichen, oder dadurch, daß sie durch Bombardierung mit energiereichen positiven Ionen von der Kathodenoberfläche weggesprüht werden, und solche Ionen werden inner in einer Hochleistungsröhre durch Elektronenkollisionen mit Gasmolekülen erzeugt. Es erscheint auch wahrscheinlich, da3 die dünne Beschichtung langsam in den Kathodenkörper eindiffundieren kann. Auf jeden Fall verlieren diese Kathoden bei langem Betrieb ihre Aktivität und wandeln ihre Eigenschaften in die gewöhnlicher imprägnierter Kathoden um.

Untersuchungen in den U.S. Naval Research Laboratories haben vielversprechende Resultate mit einer Kathode ergeben, die aus einer Matrix aus reinem Iridium besteht, die Bariumoxyd in ihren Poren enthält. Es wurde von diesen Laboratorien vorgeschlagen, daß eine Mischung von Wolfram und Iridium gleiche Ergebnisse bei geringeren Kosten liefern kann. In diesen Untersuchungen wurden die Matrizen mit wasserlöslichen Erdalkalisalzen infiltriert, beispielsweise Ba:Ca:Sr-Azetat-Mischlingen. Die Matrix wurde dann getrocknet und bei hoher Temperatur gebrannt, um die Azetate in Oxyde aufzubrechen. Von der Anmelderin wurden Kathoden nach diesen Lehren hergestellt. Es wurde festgestellt, daß die Zersetzungsprodukte der löslichen organischen Verbindungen, die in den Poren der Matrix dispergiert sind, für eine unpraktikabel lange Zeit als Gase austreten. Da weiterhin das resultierende Oxyd weniger ist als die Azetatlösung, sind die Poren nur teilweise mit Oxyd gefüllt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumröhre mit erheblich gesteigerter Elektronenstromdichte verfügbar zu machen.

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Weiter soll durch die Erfindung eine Elektronenröhre mit erheblich größerer Lebensdauer verfügbar gemacht werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine Elektronenröhre verfügbar gemacht werden, die schnell ausgegast werden kann.

Weiter soll durch die Erfindung eine Röhre verfügbar gemacht werden, deren Zuverlässigkeit durch Kathoden-Anoden-Bogenüberschläge nicht verschlechtert wird.

Ferner soll durch die Erfindung eine Röhre zur Erzeugung höherer Leistung bei Mikrowellenfrequenzen verfügbar gemacht werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine verbesserte Glühkathode verfügbar gemacht werden, die eine höhere Stromdichte als bisher verfügbare Kathoden emittieren kann.

Weiter soll durch die Erfindung eine Kathode verfügbar gemacht

2 werden, die 10 A pro cm Dauerstrichemission hat.

Weiter soll durch die Erfindung eine Kathode verfügbar gemacht werden, die leicht ausgast.

Ferner soll durch die Erfindung eine Kathode verfügbar gemacht werden, die lange Lebensdauer und niedrige Verdampfungsrate des aktiven Materials hat.

Außerdem soll durch die Erfindung eine Kathode verfügbar gemacht werden, die gegen Verschlechterung durch Bogenüberschläge und Ionenbombardierung widerstandsfähig ist.

Um diese Ziele zu erreichen, weist die erfindungsgemäße Röhre eine Glühkathode auf, die aus einer porösen Metallmatrix besteht, in der Iridium ein Massenbestandteil ist statt nur eine Oberflächenschicht. Die Matrix ist vollständig mit

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einem geschmolzenen Erdalkalialuminat imprägniert. Die resultierende vollständige Füllung der Poren der Matrix liefert eine Struktur, die schnell ausgast. Eine aus einer Mischung von Partikeln aus Iridium und Wolfram zusammengesetzte Matrix hat sich als gut gezeigt, und andere Metalle, wie Molybdän, gemischt mit Iridium, können verwendet werden. Eine Matrix aus reinem Iridium ist jedoch eine mögliche Ausführungsform. Die Metallpartikel werden gepresst und leicht gesintert. Eine Erwärmung nur auf die Temperatur, die zum Imprägnieren erforderlich ist, kann zum Sintern ausreichen. Das Imprägniermittel ist hauptsächlich Bariumaluminat. Stattdessen können auch geringere Mengen anderer Erdalkalioxyde dem Bariumaluminat hinzugefügt werden. Es wurde festgestellt, daß Röhren, die diese Kathoden enthalten, mit bis zu

10 oder mehr Ampere pro cm Emissionsstromdichte betrieben werden können, verglichen mit 3 Ampere bekannter Kathoden. Die bei hohen Mikrowellenfrequenzen erzeugte Leistung kann damit auf das Vielfache erhöht werden.

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

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen

Teil eines Kathodenemitters nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch eine

andere Ausführungsform;

Fig. 3 die Schritte bei der Herstellung der

Kathode nach Fig. 1;

FIf. 4 einen Schnitt durch einen vollständigen

Kathodenemitter;

Fig« 5 graphisch die Emission von einer experimentellen Kathode;

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Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch ein Klystron nach den Lehren der Erfindung; Fig. 7 graphisch die Emission in Abhängigkeit von

der Temperatur bei alten und neuen Kathoden;

Fig. 8 graphisch die Emission von Kathoden verschiedener Zusammensetzung.

Der Klarheit halber sind die Partikelgrößen in Fig. 1, 2 und 3 in Beziehung zu den Kathodenabmessungen gegenüber der Praxis erheblich vergrößert dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur einer Kathode nach der Erfindung. Die Kathode besteht aus Partikeln 10 aus reinem Iridium, die statistisch mit Partikeln aus reinem Wolfram gemischt sind. Die Metallpartikel haben vorzugsweise Abmessungen von 2 bis 8 Mikrometer. Die Metallpartikel formen eine kontinuierliche Matrix mit vorzugsweise 20 bis 25 % Porosität. Die Metallpartikel berühren einander und sind vorzugsweise verbunden, wie es sich durch Pressen und ein Sintern in geringem Grade ergibt. Eine gewisse Legierungsbildung der verschiedenen Metalle ist selbstverständlich vorhanden, es wird jedoch angenommen, daß für optimale Resultate die Legierungsbildung unvollständig sein soll. Die Poren in der Metallmatrix sind im wesentlichen mit einen aktiven Material 14, einem Erdalkalialuminate gefüllt. Die glatte Emissionsfläche ist dadurch gebildet, daß die Metallmatrix gefräst wird, ehe sie imprägniert wird, wie unten in Verbindung mit Fig. 3 erläutert.

Die physikalische und chemische Natur der Betriebsweise der Kathode von Fig. 1 ist nicht ganz bekannt. Mit bekannten Kathoden, die mit metallischem Osmium, Iridium

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und/oder Rhenium beschichtet waren, wurde angenommen, daß die Emissionsflächen vollständig aus diesen Materialien gebildet sein sollten, in dem Maße, daß Wolfram ausgeschlossen war. Es wurde jedoch festgestellt, daß Mischungen aus Iridiumpartikeln mit Wolframpartikeln eine verbesserte Emission ergeben können, die selbst die Emission von einer reinen Iridiummatrix übersteigen. Es wird angenommen, daß Mischungen mit nur 10 % des teuren Iridiums effektiv sind, während etwa 20 % das Optimum zu sein scheint. Überraschenderweise scheint es also so zu sein, daß eine Iridiumschicht auf der Emissionsfläche nicht erforderlich ist, und daß das Iridium seine Vorteile liefern kann, wenn es als Massenbestandteil der Metallmatrix dispergiert ist. Das notwendige Iridium geht also nicht dadurch verloren, daß es durch positive Ionenbombardierung oder durch auf die Kathode auftreffende Bogenüberschläge von der Emissionsfläche abgesprüht wird, oder dadurch, daß es durch Diffusion in die Masse verschwindet. Ein Verlust an Barium von den Emissionsflächen wird schnell durch Diffusion von den darunterliegenden oxydgefüllten Poren aufgefüllt .

Ein Betriebstest einer Kathode gemäß Fig. 1 mit 50 % Iridium zeigte, daß nach 200 Betriebsstunden bei 1050° C Helligkeitstemperatur die erfindungsgemäße Kathode eine

vollständig raumladungsbegrenzte Emission von 10 A pro cm hatte, verglichen mit einer normalen imprägnierten Wolframkathode in einem identischen Testgefäß, die nur 5 A pro cm lieferte.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Iridiumpartikel 10' nahe der Emissionsfläche 16* der Kathode konzentriert sind. Die tieferen Schichten dieser Kathode bestehen nur aus Wolframpartikeln. Auf diese Weise wird die Menge des teuren Iridiums minimiert,

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während im Bereich nahe der Oberfläche, von dem angenommen wird, daß er die Emissionseigenschaften bestimmt, die Konzentration an Iridium hoch ist. Eine solche Struktur kann dadurch hergestellt werden, daß die Metallpartikel in die Pressform in geeigneten Schichten eingeführt werden.

Fig. 3 zeigt die Schritte bei der Herstellung einer Kathode gemäß Fig. 1. Fig. 3& zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Mischung aus Partikeln aus Iridium 10 und Wolfram 12, wie sie in eine Form gebracht sind. Die Partikel berühren einander nur punktweise.

Fig. 3b zeigt die Mischung nach dem Pressen mit beispielsweise 3*^86 Bar (50.000 psi). Die Mischung ist zu einem relativ dichten, aber porösen festen Körper komprimiert. Die Kontakte zwischen den Partikeln 10, 12 sind verbreitert, so daß anliegende Flächen gebildet werden.

In Fig. 3c ist die poröse Matrix mit einer polymerisierbaren organischen Monomerflüssigkeit 18, beispieleweise Methylmethacrylat, imprägniert worden und die Struktur ist erwärmt, um das organische Metall 18 zu polymerisieren, so daß eine solide dichte Masse gebildet wird.

Gemäß Fig. 3d ist der imprägnierte Körper gefräst worden, um eine glatte Oberfläche 16 mit den erforderlichen genauen Abmessungen zu erhalten. Das Kunstetoffimprägniermittel dient dazu, die Partikel 10, 12 zusammenzuhalten, so daß der Körper gefräst werden kann. Die Verwendung «ines organischen Imprägniermittels bei dem Fräsen von Matrixkathoden ist bekannt (US-PS 3.076.916).

In Fig. 3· ist das Monomer 18 entfernt worden, beispielsweise durch Verdampfung bei hoher Temperatur, und ein Körper 20 aus Erdalkalialuminat ist auf dl· Oberseite der

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Matrix aufgelegt worden, als Vorbereitung für die endgültige Aktivierungs-Imprägnierung. Die Aluminate sind vorher verschmolzen worden, um eine einheitliche Mischung zu bilden. Das Resultat des Endschrittes ist in Fig. 1 dargestellt, wo das Aluminat 20 geschmolzen ist und durch kapillare Anziehung so geflossen ist, daß es die Poren der Matrix füllt. Überschüssiges Aluminat ist mechanisch von der Emissionsfläche 16 entfernt worden.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine vollständige knopfförmige Kathode. Die aktive Metallmatrix 22 ist in einer zylindrischen Büchse 24, beispielsweise aus Molybdän, mit einer Querplatte 26 enthalten. Ein bifilarer Heizer 28, beispielsweise aus Wolframdraht, heizt die Kathode durch Strahlung. Der Heizer 28 kann selbsttragend auf seinen Schenkeln 29 sein, wie dargestellt, oder kann mit einer nicht dargestellten Tonerdeisolierung beschichtet sein und innerhalb der Büchse 24 ruhen. Die Platte 26 schützt den Heizer 28 gegen das aktive Material. Die Matrix 22 kann direkt innerhalb der Büchse 24 gepresst werden oder kann,wie in Verbindung; mit Fig. 3 beschrieben, hergestellt und dann in eine Büchse 24 eingesetzt werden. Die Matrix wird mit dem geschmolzenen Oxyd nach der Montage in die Büchse 24 imprägniert.

Fig. 5 zeigt die Emission einer experimentellen Kathode Nr. nach 250 Betriebsstundeη in einer Testrohre. Die Kathode hatte eine Matrix von 50 % Wolfram, 50 % Iridium. Die Temperaturen sind Helligkeitsablesungen, die nicht für einen Glaskolben korrigiert sind.

Die obigen Beispiele zeigen die Struktur und Herstellungsverfahren für spezielle Kathoden, wie sie in der Erfindung verwendet werden. Es ist für den Fachmann leicht ersichtlich, daß viele andere Variationen und Ausführungsformen

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möglich sind. Beispielsweise ist es bekannt, daß die Elemente Osmium, Ruthenium und Rhenium alle Eigenschaften haben, die denen von Iridium sehr ähnlich sind. Wenigstens die ersten beiden dieser Elemente, oder deren Legierungen, können für das beschriebene reine Iridium substituiert werden. Viele Zusammensetzungen von Erdalkalialuminaten wurden als brauchbar in imprägnierten Kathoden festgestellt, je nach den gewünschten speziellen Eigenschaften.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kathode kann ein weiterer Schritt eingeschoben werden. Das heißt, die komprimierte Matrix kann in Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert werden, ehe sie zum Fräsen imprägniert wird. Das Sintern erhöht die Dichte der Matrix und auch ihre mechanische Festigkeit. Es wurde festgestellt, daß ein Sintern bei 1900° C günstig sein kann, die für das Imprägnieren erforderliche Temperatur kann jedoch adäquat sein. Es wurde jedoch festgestellt, daß ein zu starkes Sintern die Emissionseigenschaften ungünstig beeinflußt.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Klystron-Verstärker-Ausführungsform der Erfindung. Ein Glühkathodenemitter 22' wird mit einem Fuß 24* von einer isolierenden Hülse 30 getragen. Die Kathode 22' wird durch Strahlung von einem Heizdraht 28* geheizt, der mit Schenkeln 29' von einer isolierenden Kolbenabdichtung 32 getragen wird. Ein Elektronenstrom 34 wird von der konkaven Frontfläche 36 des Kathodenemitters 22' mit einer gegen den Emitter 22* positiven Spannung auf der Anode 38 gezogen. Der Elektronenstrahl 34 wird mit dem konvergierenden elektrischen Feld zu einem Durchmesser b konvergiert und durchläuft eine öffnung 40 in Anode 38, von wo er weiter durch einen Wechselwirkungstunnel 42 mit einem Durchmesser a weiterläuft. Eine Zylinderspule 44 liefert ein axiales Magnetfeld zwischen eisernen Polschuhen 46, um den Elektronenstrahl 34 innerhalb einer zylindrischen

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Begrenzung fokussiert zu halten. Nach dem Verlassen des Magnetfeldes expandiert der Strahl 34 durch seine eigenen abstoßenden Raumladungskräfte und wird mit einem metallnen Kollektor 48 aufgefangen.

Im Abstand längs des Wechselwirkungstunnels 42 sind Wechselwirkungsspalte 50, 51» 52 angeordnet, die zwischen einspringenden Nasen 54, 55, 56 von hohlen metallnen Hohlräumen 58* 59» 60 gebildet sind, die bei Frequenzen in der Nähe der gewünschten Betriebsfrequenz in Resonanz sind. Der erste Hohlraum 58 wird über eine gekoppelte Übertragungsleitung 62 von einer nicht dargestellten externen Signalquelle angeregt. Das resultierende elektrische Resonanzfeld über dem Spalt 50 liefert eine Geschwindigkeitsmodulation des Strahls 34. Wenn der Strahl durch die Triftröhre läuft, bündelt die Geschwindigkeitsmodulation die Elektronen, d.h., Strommodulation. Der freischwingende Zwischen-Hohlraum 59 wird durch die Strommodulation angeregt und liefert seinerseits eine stärkere Geschwindigkeitsmodulation. Die verstärkte Wechselkomponente des Stroms induziert Wandströme im Ausgangshohlraum 60, von wo verstärkte Mikrowellenenergie durch einen gekoppelten Ausgangshohlleiter abgezogen wird.

Die von einer Röhre wie dem Klystron nach Fig. 6 erzeugte Leistung ist selbstverständlich auf einen Wert kleiner als die Gleichstromleistung des Strahls begrenzt, von dem die Mikrowellenleistung umgewandelt wird. Der Durchmesser b des Strahls 34 muß kleiner sein als der Durchmesser a der Triftröhre 42. In der Praxis ist b = 2/3 a ein typischer Wert.

Der Triftröhrendurchmesser a muß klein genug sein, um effektiv die elektrischen Mikrowellenfelder zum Strahl

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zu koppeln. Sein maximaler Durchmesser wird also durch die elektronische Wellenlänge ^ des Strahls bestimmt, d.h., die Distanz, die die Strahlelektronen während eines Hochfrequenzzyklus durchlaufen. In der Praxis ist a « 1/4 Λ etwa das denkbare Maximum, woraus sich ergibt

b - 1/6 Λ_β·

Bei einem Strahl mit einer Geschwindigkeit ν unterhalb des relativistischen Bereiches ist die Elektronengeschwindigkeit gegeben durch

^ve -

wo e/m das Verhältnis Ladung/Masse eines Elektrons und V die beschleunigende Gleichspannung sind. Es gilt ferner

wobei f die Mikrowellenfrequenz ist; daraus ergibt sich

(2e/m)^1/2	I	_vl/2	,
' i *.+■y»eV 1 β+"ΤΛΤΤΙ**	V	' 72mf²
¹ uX "I I M. O w JL \JUL

i ν °

wobei i die Stromdichte ist, die durch die Kathodenemissionsf&higkeit begrenzt ist.

Die Strahlleietung ist damit P-IV- i V²

Die Beziehung zwischen I und V in einer raumladungsbegrenzten Entladung ist gegeben durch die Perveanz k - I/V^?/ . In der Praxis ist der nutzbare Bereich der Perveanz durch Schwierigkeiten bei der Konstruktion des Elektronenetrahlerzeugungssystems begrenzt sowie durch die erforderliche Bandbreite der Röhre. In sehr hohen Frequenzen ist ein repräsentativer Wert k « 10~⁶ Ampöre/Volt*'

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Wenn dieser Ausdruck mit dem für den Strahlstrom kombiniert wird, ergibt sich

" 72mf^z

woraus folgt:

V °

K f

Das Verhältnis R, um das die Fläche des Strahls von der Fläche der Kathode konvergiert werden kann, ist durch Konstruktionsbetrachtungen auf einen Faktor von etwa 100 begrenzt. Die Strahlstromdichte i ist damit proportional der Kathodenemissionsdichte i

*o ^{= R 1}C

TTeR \⁵ il 72mK' f'°

Wir sehen also, daß die erzielbare Energie mit der fünften Potenz der Kathodenemissionsdichte variiert. Eine Verbesserung von wenigstens einem Faktor 2, die bei Röhren nach der Erfindung erzielbar ist, erlaubt also eine Erhöhung um 2, oder die 32-fache Ausgangsleistung bekannter Röhren, wenn sich die Konstruktionsparameter in einem Bereich befinden, in dem die Stromdichte ein begrenzendes Merkmal ist. Das ist bei sehr hohen Mikrowellenfrequenzen, etwa oberhalb von 10 GHz,der Fall. Die extrem starke Abhängigkeit von der Frequenz (zehnte Potenz) in der obigen Gleichung ist zu beachten. Dadurch wird weiter hervorgehoben, daß bei hohen Frequenzen die Emission am kritischsten ist.

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Es ist darauf hinzuweisen, daß nicht alle durch die Erfindung realisierbaren Vorteile einfach dadurch erhalten werden können, daß einfach die Kathode in einer bekannten Röhre ersetzt wird. Um die erhöhte Emission auszunutzen, muß die Röhre dafür ausgelegt sein. Im allgemeinen wird die Spannung höher sein, so daß eine bessere Isolation und Distanzierungsmoglichkeit erforderlich sind. Die Leistungsdichten sind größer, so daß eine bessere Kühlung erforderlich wird. Die Elektron-Wechselwirkungsabmessungen, die Triftröhren und Wechselwirkungskreise müssen an den Hochstrom-Elektronenstrom angepaßt werden.

Fig. 7 zeigt die verfügbare Emissionsdichte in Ampere

2
pro cm in Abhängigkeit von der Kathodentemperatur in Grad Celsius. Die obere Kurve stellt Daten von einer repräsentativen erfindungsgemäßen Kathode dar, bei der die Metallmatrix aus 20 % Ir ur.d 80 Yo W bestand. Die untere Kurve gehört zu einer Kathode identischer Abmessungen, die aus einer reinen Wolframmatrix bestand. Das imprägnierende Material ist in beiden Fällen Barium-Calcium-Aluminat mit der Zusammensetzung Ba Ca Al 0 . Ersichtlich wird mit der erfindungsgemäßen Kathode bei einer bestimmten Temperatur die mehr als zweifache Emission erhalten. Stattdessen kann eine Emission gleich der einer konventionellen Kathode bei etwa 100 geringerer Temperatur erhalten werden, mit einer resultierenden Verbesserung der Röhrenlebensdauer durch erheblich reduzierte Verdampfung des aktiven Materials und reduzierte Heizertemperatur. Lebensdauertests auf experimentellen Röhren sind über 2000 Stunden bei 1100° C durchgeführt worden, ohne daß sich eine Verschlechterung der Emission ergab und kein Anzeichen für zu starke Verdampfung.

Fig. 8 zeigt graphisch die Emissionsdichte bei 1100° C für eine Anzahl von Testkathoden mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen Iridium/Wolfram. In allen Fällen wurden die Metallpartikel vor dem Pressen gründlich gemischt, so daß

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die Verteilung des Iridiums wahrscheinlich statistisch ist. Im Gegensatz zu früheren Erwartungen wurde festgestellt, daß sich eine optimale Emission nicht mit reinem Iridium ergab. Stattdessen scheint sich ein Maximum bei etwa 20 ·."<> Iridium zu ergeben. Dieses überraschende Resultat ist sehr günstig, weil es die Menge des teuren Iridiums reduziert, während eine optimale Emission erhalten wird.

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Le e rs e i t e

Claims

PAI LNTANWALl c

DR. CLAUS REINLANDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstroße 12 ■ D-8000 München 60 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 - Telegramm« Interpatent 2727187

Or. ».inlander - Dipl.-Ing. Bfnhnrd» ■ OtMtroB. II ■ «WO MOodiwi «0 .

15. Juni 1977

Vl P449 D

Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI., USA

Mikrowellen-Elektronenröhre, Glühkathode für diese und Verfahren zu deren Herstellung

Prioritäten: 21. Juni 1976 - USA - Cer. No. 697 905 27. Mai 1977 - USA - Ser. No. 800 837

Patentansprüche

1. Mikrowellen-Elektronenröhre mit einem Glüh-Kathodenemitter für einen dichten Elektronenstrom, der aus einem porösen Metallkörper besteht, dessen Poren ein Oxyd aus Aluminium und wenigstens einem Erdalkalielement enthalten, dadurch Rekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper als Massenbestandteil wenigstens eines der Elemente Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhenium enthält und die Poren mit dem Oxyd im wesentlichen gefüllt sind.

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ORIGINAL INSPECTED

-Ά:

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil des porösen Metallkörpers Iridium ist.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper im wesentlichen aus Iridium besteht.

4. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper aus einer Mischung aus Wolfram und dem metallischen Element besteht.

5. Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper eine Mischung von Wolframpartikeln und Partikeln des betreffenden Metalls ist, die miteinander verbunden sind.

6. Röhre nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10 bis 90 Gew. % des porösen Körpers ausmacht.

7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10.bis 30 Gew. % des porösen Körpers bildet.

8. Röhre nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus dem metallischen Element in einer Schicht des Körpers konzentriert sind, die einer für Glühemission vorgesehenen Fläche des Körpers benachbart ist.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd aus einem geschmolzenen Imprägniermittel verfestigt ist.

10. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalielement Barium enthält.

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11. Röhre nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches Erdalkalielement zusätzlich zu Barium enthalten ist.

12. Glühkathode für eine Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bestehend aus einem porösen Metallkörper, dessen Poren ein Oxyd aufweisen, das Aluminium und wenigstens ein Erdalkalielement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Metallkörper als Massenbestandteil wenigstens eines der Elemente Osmium, Iridium, Ruthenium und Rhenium enthält und die Poren mit dem Oxyd im wesentlichen gefüllt sind.

13- Kathode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil des porösen Metallkörpers Iridium ist.

14. Kathode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper im wesentlichen aus Iridium besteht.

15. Kathode nach Anspruch 12oder 13,dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper aus -einer Mischung aus Wolfram und dem metallischen Element besteht.

16. Kathode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper eine Mischung von Wolframpartikeln und Partikeln des betreffenden Metalls ist, die miteinander verbunden sind.

17. Kathode nach Anspruch-15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10 bis 90 Gew.% des porösen Körpers ausmacht.

18. Kathode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10 bis 30 Gew.% des porösen Körpers bildet.

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- JA - -ν-

19. Kathode nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus dem metallischen Element in einer Schicht des Körpers konzentriert sind, die einer für Glühemission vorgesehenen Fläche des Körpers benachbart ist.

20. Kathode nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd aus einem geschmolzenen Imprägniermittel verfestigt ist.

21. Kathode nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalielement Barium enthält.

22. Kathode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches Erdalkalielement zusätzlich zu Barium enthalten ist.

23. Verfahren zur Herstellung einer Glühkathode nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröser Metallkörper dadurch geformt wird, daß Partikel aus einem Metall zusammengepresst werden, das als Massenbestandteil wenigstens eins der Elemente Osmium, Iridium, Euthenium und Rhenium enthält, der poröse Körper mit einem geschmolzenen Oxyd imprägniert wird, das Aluminium und wenigstens ein Erdalkalielement enthält, und das Oxyd in den Poren des Körpers eingefroren wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxyd die Poren des Körpers im wesentlichen füllt.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element aus Iridium besteht.

26. Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper eine Mischung von

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Wolfram und wenigstens einem der metallischen Elemente ist,

27· Verfahren nach Anspruch 26» dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10 bis 90 Gew. % des porösen Körpers ausmacht.

28. Verfahren nach Anspruch 27» dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element 10 bis 30 Gew. % des porösen Körpers ausmacht.

29· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet» daß der metallische Körper im wesentlichen aus Iridium besteht.

30. Verfahren nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einer Mischung von Partikeln aus Iridium und Wolfram besteht.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das ErdaLkalielement Barium enthält.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiteres Erdalkalielement zusätzlich zu Barium vorhanden ist.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel vor dem Imprägnieren zusammengesintert werden.

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