DE2309766A1 - Thermionische elektronenroehre - Google Patents

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thul 230976$

Stuttgart

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Thermionische Elektronenröhre

Die Erfindung betrifft eine thermionische Elektronenröhre, bei der zwischen Anode und Kathode ein Elektronenst rahl erzeugt wird und die ein Steuergitter besitzt.

In einer solchen Röhre wird der Anodenstrom und damit die Ausgangsleistung durch Anlegen verschiedener Potentiale an die Gitter- oder Steuerelektrode geändert. Um das Abfangen des Elektronenstrahls durch die Steuerelektroden so gut wie möglich zu verhindern, wird der Elektronenstrahl magnetisch fokussiert. Bei der Anwendung im Rahmen der Erzeugung von Wärme mittels Oszillatoren, für die sich die magnetisch fokussierten Elektronenröhren gut eignen, legt man Wert auf eine gute Steuerungsmögliohkeit der Ausgangsleistung.

Eine Möglichkeit zur Steuerung ist die Anwendung von Thyristorschaltungen, mit denen im wesentlichen die Elektrodenpotentiale beeinflußt werden, aber diese Steuerungsart ist teuer und führt nicht im gewünschten Umfang zum Ziel, wie dies bei Sonderfällen notwendig ist.

Eine andere Möglichkeit ist die Anwendung von Steuereinrichtungen mit Gleichrichtern und einstellbaren Transformatoren am Ausgang, aber diese Lösungen sind nicht nur teuer sondern haben auch den Nachteil mangelhafter Genauigkeit und fehlenden

26.2.1973

PIA -/

309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Umfang der Einstellung. Eine bekannte magnetisch fokussierte Röhre ist in der GB-PS 1 195 7o3 beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung für eine gute Einstellbarkeit der Ausgangsleistung einer Elektronenröhre der eingangs angegebenen Art zu geben.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuergitter entlang der Kathodenelektrode und des Elektronenstrahls erstreckt, daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Elektronenstrahl fokussierenden Magnetfeldes vorhanden ist, das die Elektroden umschließt und im wesentlichen parallel zur Richtung des Elektronenstrahls verläuft und daß das Magnetfeld zur Änderung der über die Anode abgenommenen Leistung steuerbar ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein sehr großer Einstellbereich für die Ausgangsleistung erreicht wird, ohne daß sich z.B. das Abfangen des Strahlstromes im nennenswertem Umfang ändert, obwohl doch das Pokussierfeld geändert wird. Dieses Ergebnis war in höchstem Maße unvorhersehbar.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein offener Magnetkreis mit einem Permanentmagneten vorhanden ist, daß die Magnetpole als sich gegenüberliegende Flächen ausgebildet sind, daß die Röhre mit den Elektroden zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen angeordnet ist, daß neben den sich gegenüberliegenden Polen des Magneten ein Shunt aus magnetischem Material angeordnet ist, daß eine Einrichtung zur Bewegung des Shuntes auf den Magneten zu oder von ihm weg vorhanden ist, mittels derer die Stärke des Magnetfeldes durch Teilkurzschluß und damit die Ausgangsleistung einstellbar ist.

309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Sie hat den Vorteil, daß das Magnetfeld in einfachster Weise beeinflußt wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen entnommen werden.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Elektrodenanordnung einer magnetisch fokussierten Triodenröhre (Typ ITT 3RM/24 OG), wobei ein Teil der Anode abgeschnitten erscheint,

Fig. 2 zeigt eine andere Sicht der gleichen Röhre,

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht der Röhre mit der Anordnung des Fokussiermagneten,

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Magnetanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 zeigt eine Oszillatorschaltung gemäß einer Ausbildung der Erfindung und

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsleistung vom angelegten Magnetfeld im Rahmen der Schaltung gemäß Fig. 5.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Anzahl von thermionischen Faden-Kathoden Io parallel zueinander angeordnet. Außerdem verlaufen sie in der Mittelebeneyparallel zwischen den sich gegenüberliegenden Breitseiten der rechteckigen Anode 11. Welterr hin ist jede Kathode Io symmetrisch zwischen einem Paar von Gitterplatten 12 angeordnet; die Gitterplatten 12 weisen mit ihren Kanten zu den Breitseiten der Anode 11. Jede Gitterplatte 12

V-309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps β/1-1/2

ist an einem Stab 13 befestigt, der seinerseits auf einer Trägerplatte 14 sitzt.

Im Betriebszustand ist ein Magnetfeld H - hier durch den Pfeil angedeutet - vorhanden, das senkrecht zu den Breitseiten der Anode 11 und parallel zu den Gitterplatten 12 gerichtet ist. Das hat die Wirkung, daß die in Richtung der Anode beschleunigten Elektronen zwischen den Gitterplatten auf die Anode fokussiert werden ohne daß sie von den Gitterplatten abgefangen werden, selbst wenn diese positiv betrieben werden. Prinzipiell arbeitet die Röhre als gittergesteuerte Röhre, deren Gitterplatten Aequipotentialflächen zu beiden Seiten jeder Fadenkathode sind. Die Platten können auch ggf. durch entsprechend angeordnete, zueinander parallele Stäbe ersetzt worden. Zusätzliche Stäbe zwischen den Ecken der Platten und der gegenüberliegenden Anode können ggf. als zweites Gitter wie in einer Bündeltetrode vorgesehen werden.

Die Elektrodenanordnung ist an Stäben 15 befestigt, die in nicht gezeigter Weise am Röhrengehäuse angeschmolzen sind.

In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, die in ihren Größenverhältnissen der Triodentype 3RM/24 OG entspricht und bei der für gleiche Teile auch die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 gewählt sind. Die Maßangaben sind in Zoll gemacht. Die Länge der bedeckten Kathoden und Gate-Elektroden beträt drei Zoll.

Fig. 3 zeigt ausschnittsweise die schematische Darstellung einer Röhre, die einen ähnlichen Elektrodenaufbau hat wie in Fig. 1 gezeigt und die zwischen einem Paar von Magnetpolen 2o und 21 angeordnet ist. Auch hier sind wieder entsprechende Bezugszeichen verwendet.

6/0968

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Die Tragstäbe 15, die hier gestrichelt dargestellt sind, werden gehalten von Isolatoren 16 und 17, die ebenfalls die hier nicht sichtbaren Kathodenfäden tragen. Die Elektrodenanordnung ist auf einer Keramikplatte montiert und von einem Kühlwassermantel 23 umgeben. Das Kühlwasser fließt zwischen der Anode und Wänden des Kühlmantels durch Ein- bzw. Ausgangsröhren, von denen eine mit

24 bezeichnet ist. Der Kühlwassermantel, die Anode 11, die Gitterplatten 12 ebenso wie die Trägerplatten 14 sind sämtlich aus nichtmagnetischem Material hergestellt, so daß zwischen den Polen 2o und 21 ein virtueller Luftspalt existiert.

Um die Stärke des magnetischen Feldes im Luftspalt zwischen den Polen 2o und 21 einstellen zu können, ist ein magnetischer Shunt

25 vorgesehen. Die Einstellung des wirksamen Luftspaltes geschieht durch Verschieben des Shuntes 25 in Richtung des Pfeiles 26.

Wenn der Shunt 25 sich in einem solchen Abstand von den Polen befindet, daß sein Einfluß auf den magnetischen Fluß vernachlässigbar ist, dann seien Elektrodenpotentiale so, daß eine maximale Ausgangleistung abgegeben wird; das magnetische Fokussierfeld hat dann ebenfalls seinen Maximalwert Ho. Wenn der Shunt 25 gegen die Pole bewegt wird, dann sinkt, ohne daß die Steuerspannung geändert werden muß, die Ausgangsleistung. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, wo die Ausgangsleistung über dem Wert des Magnetfeldes aufgetragen ist. Bei einer typischen Röhre mit einer Ausgangsleistung von Jo kW und einem Magnetfeld von 12oo Gauss führte eine Verminderung des Fokussierfeldes auf 6oo Gauss zu einer Ausgangsleisung von 3 kW ohne merkliches Anwachsen des Strahlabfangens durch die Gittersteuerplatten.

309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Fhipps 6/7-1/2

Pig. 4 zeigt die augenblicklich bevorzugte Ausbildung des Magneten mit Polen 27 und 28 (entsprechend 2o und 21 in Fig. 3) mit gegenüberliegenden Polflächen, die auf einem U-förmigen Permanentmagneten 29 mit Schraubenbolzen 27a befestigt sind. Die Anordnung 29 enthält zwei U-förmige Teile 3o und 31, die mit einem durchgehenden Spannbolzen 33 auf einem Unterteil 32 befestigt sind.

Die Shuntplatten 34 und 35 sind in nicht gezeigter Weise gleitend in dem Unterteil 32 gelagert und weisen wegen des durchgehenden Spannbolzens Langlöcher 36 und 37 auf. Jedes Teil 34 und 35 reicht in einen Steuerkasten 38, der mit Platten 39 und 4o an dem Unterteil 32 verbunden ist. Ein Steuerglied besteht aus einer Spindel 41 und nicht gezeigten Zahnrädern, die innerhalb des Kastens 38 mit den entsprechenden Teilen der Shuntplatten 34 und 35 in Eingriff stehen. Auf diese Weise können die Shuntplatten 34 und 35 durch Drehen der Spindel auf die Pole zu oder von diesen weg bewegt werden, wodurch die Stärke des dazwischenbefindlichen Magnetfeldes geändert werden kann.

Die Röhre selbst wird auf dem Unterteil zwischen den Polflächen befestigt. Die Fig. 4 und der Schaltkreis in Fig. 5 mit der Kurve gemäß Fig. 6 beziehen sich auf eine Röhre vom Typ 3RM/24 OG.

Die Schaltung gemäß Fig. 5 zeigt eine abgestimmte Anode, einen gekoppelten Gitteroszillator, der für induktive Heizung geeignet ist. Er ist dargestellt mit einer Arbeitsspule und in Reihe liegender Anodenlastspule um eine hohe Ausgangsimpedanz zu erreichen. Man könnte auch den Ausgang an einer Sekundärwicklung eines Anpaßtransformators abgreifen um eine geringe Ausgangsimpedanz zu haben. Die Primärwicklung des Transformators liegt zwischen den Anschlußpunkten der großen Impedanz.

309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Der Anodenlastkreis stellt die größte Einheit dar, wegen der großen HP-Ströme ist es wünschenswert, sowenig Verbindung wie möglich zu haben. Die Lastkapazität besteht aus sechs 45oo pP Kondensatoren, die auf einer Platte montiert sind und wassergekühlt sind. Die Verbindungen sind in Bezug auf gute thermische Eigenschaften hinsichtlich der Kühlung der Kondensatoren ausgebildet.

Eine Lastspule L2, die aus vier Windungen mit 228,6 mm (9 Zoll) Durchmesser und 12,7-mm (o,5 Zoll) Kupferleitung besteht. Sie ist direkt an den Wasseranschluß der Kondensatorsammeischiene angeschlossen, wodurch die Spule wassergekühlt ist. Das andere Ende der Spule ist über eine Spule L5 oder die Primärspule des Anpaßtranformators an Erde angeschlossen. Die ganze Spulen- und Sammelschienen-Anordnung ist sorgfältig silberplattiert um die Schaltkreisverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Die Röhre und der Magnet sind auf Isolatoren montiert und mit dem Lastkreis über einen 9ooo pP Kondensator C3 verbunden.

Die Hochspannung wird der Röhre über eine Induktivität L4 von 25oojuH zugeführt, die aus einer 91*44 cm (3 Fuß) langen, einlagigen Zylinderspule, deren 16 s.w.g-Einheiten starker emaillierter Kupferdraht auf einen Winkelkörper von 72,6 mm (3 Zoll) Durchmesser gewickelt ist (1 s.w.g = 1 engl. Normstärke).

Die Rückkopplung zur Steuerelektrode wird über eine Koppelspule Ll geführt, die aus einer Spule von 279,4 mm (11 Zoll) Durchmesser besteht und die aus 3/8-Zoll Kupferleitung (Rohr) gewickelt ist. Sie ist so angebracht, daß sie einerseits die Anodenspule mit maximaler Kopplung umfaßt, aber auch zur Verminderung der Kopplung von der Anodenspule wegbewegt werden kann. Die Spule ist in umgekehrten Sinne wie die Anodenspule gewickelt und das den Kondensatoren abgewandte Ende ist direkt an Erde angeschlossen.

303838/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Das andere Ende ist über einen looo pF Kondensator und über eine Drosselspule mit Io Windungen aus 16 s.w.g.-Einheiten starker Draht, die auf einem Pormträger mit 12,7 mm (lo,5 Zoll) Durchmesser gewickelt sind mit der Steuerelektrode verbunden. Die Gleichstromrückverbindung der Steuerelektrode verläuft über eine 1 mH Drossel L5, zu einem Widerstand Rl, der etwa 6-8 Knhat und für I00-I50 W ausgelegt ist. Die Anode ist an ein Potential von 6-8 KV einer Gleichspannungsquelle gelegt und die Kathode liegt an Erde. Die Intensität des magnetischen Flusses zwischen Kathode und Anode ist veränderbar.

Im Betriebszustand der Röhre fließt für den Teil eines Schwingungszyklus ein Strom über das Gittter, der von der Zeitkonstante des Kreises abhängt. Die Elektronen erreichen die Anode während entsprechender Zeitabschnitte eines Schwingungszyklus, während zu der anderen Zeit negatives Sperrpotential herrscht. Die Ausgangsleistung hängt einmal vom Spitzenwert des Anodenstromes und der Betriebszeit der Anode ab, andererseits sind noch die Gitterschwingung bzw. die Zeitkonstanten des Gitterkreises zu berücksichtigen. Wenn man nun versucht, die Ausgangsleistung durch die Änderung des Vorspannungswiderstandes Rl zu erreichen, so stellt man nur eine geringe Änderung der Ausgangsleistung von ihrem Höchstwert bei fester Anodenspannung und Rückkopplung fest.

Wenn man aber den magnetischen Fluß durch die Röhre ändert, dann ändert sich die Ausgangsleistung der Röhre in erheblichem Umfang, wie in Fig. 6 dargestellt ist, in der die Ausgangsleistung in Kilowatt über dem Magnetfluß in Gauss aufgetragen ist. Eine Speisegleichspannung von 7*3 kV und ein magnetisches Feld von 12oo Gauss wurde benötigt um den Strom der Steuerelektrode auf einen niedrigen Wert zu bringen, und zwar unter statischen Bedingungen. Die Kurve für die Beziehung zwischen Steuerstrom und magnetischem Fluß fällt nur langsam mit steigender Flußdichte.

V-309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Fhipps 6/7-1/2

Vor der Existenz der Erfindung wurde bei der Röhre normalerweise die Flußdichte auf 12 ooo Gauss gebracht, die Ausgangsleistung bei 4oo kHz und einem Leitendwinkel von 115° und bei einem Gitterspitzenstrom von o,6 A bzw. einem mittleren Gitterstrom von 54 mA.

Bei einer Verringerung des Pokussierfeldes auf 850 Gauss wurde überraschend festgestellt, daß die Ausgangsleistung auf 13,6 kW sank, daß der Leitendwinkel auf 155° stieg, daß der Spitzensteuerstrom auf o,4 A bzw. der Mittelwert auf J>6 mA sank. Die Gleichstromleistung sank von 46,15 auf J>2 kVA.

Dieses Ergebnis ist ziemlich unerwartet und obwohl angenommen werden kann, daß die spezielle Bauart der Röhre einen bestimmten Beitrag ausmacht, kann doch angenommen werden, daß ähnliche Ergebnisse bei Röhren mit konzentrischem Elektrodenaufbau auftreten, bei denen die Steuerelektrode radial aufgebaut ist und das veränderliche Magnetfeld radial gerichtet ist.

Es sei betont, daß zwar in den obigen Ausführungen und den Ansprüchen von Gleichspannungspotentialen gesprochen wird, das soll aber nicht heißen, daß die jeweiligen Elektrodenpotentiale bei der Änderung des Magnetfeldes unverändert bleiben. So werden sich, abhängig von jeweils benutzten Schaltungsanordnungen, der Anodenstrom und der Gitter- oder Steuerelektrodenstrom mit dem Magnetfeld ändern, so daß auch die mittleren Werte der Elektrodenpotentiale etwas geändert werden, wobei aber die äußeren Spannungen konstant bleiben.

Auf die durch die Erfindung vorgeschlagene Weise läßt sich die Ausgangsleistung einer magnetisch fokussierten thermionischen Röhre leichter und in einem größeren Bereich steuern als dies mit den bisher verwendeten, teuren Einrichtungen der Fall war.

309836/0966

J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

Es ist selbstverständlich, daß die Erzeugung des Magnetfeldes und dessen Intensitätssteuerung auch elektromagnetisch durch Änderung des Magnetisierungsstromes erreicht werden kann.

5 Patentansprüche

4 Blatt Zeichungen mit 6 Figuren

309836/0966

Claims (4)

1. J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

   Patentansprüche;

   Γ1J Thermionische Elektronenröhre, bei der zwischen der Anode und der Kathode ein Elektronenstrahl erzeugt wird und die ein Steuergitter besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Steuergitter entlang der Kathodenelektrode und des Elektronenstrahls erstreckt, daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines den Elektronenstrahl fokussierenden Magnetfeldes vorhanden ist, das die Elektroden umschließt und im wesentlichen parallel zur Richtung des Elektronenstrahls verläuft und daß das Magnetfeld zur Änderung der über die Anode abgenommenen Leistung steuerbar ist.
2. 2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein offener Magnetkreis mit einem Permanentmagneten vorhanden ist, daß die Magnetpole als sich gegenüberliegende Flächen ausgebildet sind, daß die Röhre mit den Elektroden zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen angeordnet ist, daß neben den sich gegenüberliegenden Polen des Magneten ein Shunt aus magnetischem Material angeordnet ist, daß ein Einrichtung zur Bewegung des Shuntes auf den Magneten zu oder von ihm weg vorhanden ist, mittels derer die Stärke des Magnetfeldes durch Teilkurzsohluß und damit die Ausgangsleistung einstellbar ist.
3. 3. Elektronenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, dessen Schenkel den Magnetpolen gegenüberliegen.
4. 4. Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel in einen Schlitz einer Trägeranordnung gleitend gelagert ist.

   309836/0966

   J.J.Behenna-G.H.G.Phipps 6/7-1/2

   Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenwände die Kathode und das Gitter umgeben, daß die Kathode aus mehreren langgestreckten und in gegenseitigem Abstand angeordneten, parallelen Drähten besteht, daß das Gitter aus mehreren, langgestreckten, parallelen Platten besteht, die abwechselnd zwischen den Kathodendrähten angeordnet sind und daß die Gitterplatten jeweils parallel zum Elektronenstrahl ausgerichtet sind.

   309836/0966

   Leerseite