DE69600813T2

DE69600813T2 - Kathode-Anode Abstandshalter mit einem Vorsprung der einer beschränkte Länge besitzt bezüglich seines Abstandes zu der Kathode

Info

Publication number: DE69600813T2
Application number: DE69600813T
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Minato-Ku Tokyo Konishi; Osamu Ukyo-Ku Kyoto Yamamoto
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Netcomsec Co Ltd Tokyo Jp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: US5637957A; JP2766243B2; JPH08321261A; DE69600813D1; EP0734041A1; EP0734041B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Isolator oder dielektrischen Abstandshalter zur Verwendung in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode, die zwei Elektroden sein können, die entweder mit einer Gleich- oder Wechselspannung gespeist werden.
Obwohl Halbleitervorrichtungen in breitem Umfang verwendet werden, sind Vakuumröhren immer noch unentbehrlich. In einer derartigen Vakuumröhre wird eine Spannung mit einem hohen Potential, wie beispielsweise 100 kV, zwischen einer Kathode und einer Anode angelegt, wobei ein Abstandshalter dazu verwendet wird, Kathode und Anode voneinander zu isolieren. Die Spannung entwickelt ein elektrisches Feld mit einer starken Feldintensität, wie beispielsweise 100 kV/cm, entlang einer Abstandshalteroberfläche des dielektrischen Abstandshalters. Eine derartige hohe Spannung und ein derartiges starkes elektrisches Feld führen zum Oberflächenüberschlag oder einer unerwünschten Oberflächenleckage.
Es wurden verschiedene Konstruktionen verwendet, um zu verhindern, daß der Oberflächenüberschlag stattfindet. Beispiele sind in den japanischen Patentveröffentlichungen (A) Nrn. 106 745 von 1983, 255 642 von 1992 und 280 037 von 1992 offenbart. Der Oberflächenüberschlag wird theoretisch diskutiert in einer Veröffentlichung von J. M. Wetzer und anderen in IEEE Transactions on Electrical Insulation, Band 28r Nr. 4 (August 1993), Seiten 681 bis 691 unter dem Titel "The Effect of Insulator Charging on Breakdown and Conditioning", und einer Veröffentlichung von O. Yamamoto, einem der zwei Erfinder der vorliegenden Erfindung, und drei anderen Autoren, in IEEE Transactions on Electrical Insulation, Band 28, Nr. 4 (August 1993), Seiten 706 bis 712, unter dem Titel "Monte Carlo Simulation of Surface Charge on Angled Insulators in Vacuum".
Auf die später im einzelnen beschriebene Art und Weise sind diese herkömmlichen Abstandshalter immer noch beanstandbar. Beispielsweise ist ein herkömmlicher Abstandshalter voluminös, in seiner Form kompliziert, teuer herzustellen oder er hat keinen gut entwickelten Konstruktionsmechanismus.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daraus folgend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dielektrischen Abstandshalter für die Verwendung in Vakuum zwischen zwei Elektroden, wie beispielsweise einer Kathode und einer Anode, zu schaffen, der einer Spannung standhalten kann, die an den Elektroden anliegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen dielektrischen Abstandshalter der beschriebenen Art zu schaffen, der kompakt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen dielektrischen Abstandshalter vom beschriebenen Typ zu schaffen, der eine einfache Form hat.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen dielektrischen Abstandshalter vom vorstehend beschriebenen Typ zu schaffen, der billig herzustellen ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen dielektrischen Abstandshalter vom vorstehend beschriebenen Typ zu schaffen, dessen Konstruktionsmechanismus gut etabiliert ist.
Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit dem Fortgang der Beschreibung klar.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrischer Abstandshalter zur Verwendung in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode geschaffen, unter Vermeidung eines Oberflächenüberschlags, der aus einer Spannung herrührt, die zwischen Kathode und Anode anliegt, und hat eine Abstandshalterseitenfläche und einen Vorsprung, der rechtwinklig an der Abstandshalterseitenfläche vorsteht, wobei der Vorsprung ausgehend von der Abstandshalterseitenfläche eine Vorsprungslänge, ein kathodenseitiges Ende mit einem Kathodenabstand relativ zur Kathode, ein anodenseitiges Ende und eine Dicke mit einer Mittenebene zwischen dem kathodenseitigen Ende und dem anodenseitigen Ende und näher zur Kathode als zur Anode hat, wobei das Verhältnis der Vorsprungslänge zum Kathodenabstand nicht kleiner als 0,4 ist, wobei die Kathode keinen dem anodenseitigen Ende zugewandten Vorsprung hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrischer Abstandshalter zur Verwendung in Vakuum zwischen ersten und zweiten Elektroden geschaffen, mit Vermeidung von Oberflächenüberschlag, resultierend aus einer Spannung, die zwischen der Kathode und der Anode angelegt ist, wobei der dielektrische Abstandshalter eine Abstandshalterseitenfläche und erste und zweite Vorsprünge hat, die rechtwinklig an der Abstandshalterseitenfläche vorstehen, wobei jeder der ersten und zweiten Vorsprünge eine Vorsprungslänge zur Abstandshalterseitenfläche, eine Dicke mit einer Mittenebene, die zu einer der ersten und zweiten Elektroden näher liegt als zur anderen Elektrode der ersten und zweiten Elektroden, und eine Vorsprungsseitenfläche parallel zu der Mittenebene hat, um einen Vorsprungsabstand relativ zu der einen Elektrode der ersten und zweiten Elektroden zu haben, wobei das Verhältnis der Vorsprungslänge zum Vorsprungsabstand nicht kleiner als 0,4 ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es zeigt:
Fig. 1 einen ersten herkömmlichen Abstandshalter in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 2 einen zweiten herkömmlichen dielektrischen Abstandshalter in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 3 einen dritten herkömmlichen dielektrischen Abstandshalter in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 4 einen vierten herkömmlichen dielektrischen Abstandshalter in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode, in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 5 einen fünften herkömmlichen dielektrischen Abstandshalter in Vakuum zwischen einer Kathode und einer Anode in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 6 einen dielektrischen Abstandshalter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Kathode und einer Anode in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 7 eine grafische Darstellung der sekundären Emissionsrate des dielektrischen Abstandshalters gemäß Fig. 6;
Fig. 8 den dielektrischen Abstandshalter und die Kathode und Anode gemäß Fig. 6 in einer Teilansicht im Schnitt;
Fig. 9 eine grafische Darstellung der Testergebnisse von Widerstand zu Spannung des dielektrischen Abstandshalters gemäß Fig. 6;
Fig. 10 einen dielektrischen Abstandshalter gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Kathode und einer Anode, teilweise im Schnitt entlang einer Drehachse, angegeben durch eine strichpunktierte Linie mit einem die Rotation anzeigenden kleinen Kreis;
Fig. 11 einen dielektrischen Abstandshalter gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Teilansicht im Schnitt; und
Fig. 12 einen dielektrischen Abstandshalter gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Teilansicht im Schnitt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:

Bezugnehmend auf die Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 werden als erstes herkömmliche dielektrische Abstandshalter beschrieben, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird auf die später im einzelnen beschriebene Art und Weise ein dielektrischer Abstandshalter 25 zwischen einer Kathode 21 und einer Anode 23 verwendet, und ist aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt. Der dielektrische Abstandshalter 25 hält die Kathode 21 und die Anode 23 auf Abstand.
Der dielektrische Abstandshalter 25 hat eine gleichförmige zylindrische Seitenfläche, sowohl rechtwinklig zur Seitenfläche der Kathode 21 als auch zur Seitenfläche der Anode 23. Die Formen der Kathode 21, der Anode 23 und des dielektrischen Abstandshalters 25 sind rotationssymmetrisch. Ein Oberflächenüberschlag kann bei dieser Art von dielektrischem Abstandshalter 25 wahrscheinlich entlang der Seitenfläche auftreten.
In diesem Fall wird der zylinderförmige dielektrische Abstandshalter häufig als ein Vakuumgefäß verwendet, wobei im Inneren des Abstandshalters Vakuum aufrechterhalten wird und die Außenseite des Abstandshalters einen atmosphärischen Druck hat. Die Außenseite des Abstandshalters ist mit einer Struktur hergestellt oder geformt, die der Spannung widersteht, und daraus folgend ist die Entladung auf die Außenseite des Vakuums begrenzt.
In der Fig. 2 ist ein dielektrischer Abstandshalter 25, der aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, vorgesehen, um die Charakteristik des Spannungswiderstandes zu verbessern. Die Form des dielektrischen Abstandshalters 25 ist die eines Kegelstumpfes und hat eine konische Seitenfläche, die zu beiden Oberflächen einer Kathode 21 und einer Anode 23 geneigt (nicht rechtwinklig) ist.
Bei dieser Art von dielektrischem Abstandshalter 25 wird gesagt, daß dieser eine Auswirkung auf die verbesserte Charakteristik unter Berücksichtigung der folgenden Gründe hat.
Allgemein gesprochen, wenn eine Spannung an einer Kathode und Anode anliegt, wobei ein dielektrischer Abstandshalter dazu verwendet wird, die Kathode und die Anode voneinander zu isolieren, dann kann sich ein elektrisches Feld an einem Triplekontakt zwischen Elektrode, Vakuum und dielektrischem Abstandshalter konzentrieren, und der Triplekontakt kann als ein Punkt der Elektronenemission dienen. Die Elektrode 21, 23 und der Isolator 25 sind beispielsweise durch Löten miteinander verbunden. Wenn die Verbindungsoberfläche im einzelnen untersucht wird, hat diese viele Hohlräume und Ausstülpungen, nämlich Riffelungen, die aus Tropfen metallisiertem und fest gewordenem Lotfüllmetall gebildet sind. Ein sehr hohes elektrisches Feld beeinflußt die Hohlräume, die querschnittsmäßig gewachsen sind.
Der Triplekontakt zwischen einer Elektrode, Vakuum und einem Isolator ist bekannt unter dem Namen Dreifachübergang. Daraus folgt, daß es wahrscheinlich ist, daß ein Kathoden- Dreifachübergang T als ein Punkt der Elektronenemission dient.
Die Intensität eines elektrischen Feldes in Vakuum in der Nähe des Kathoden-Dreifachübergangs T wird im Fall des dielektrischen Abstandshalters 25 gemäß Fig. 2 schwächer, weil die Verteilung von Flächen mit gleichem Potential innerhalb der Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante dünner wird. Daraus folgt, daß die Elektronenemission nur schwer ausgehend von dem Kathoden-Dreifachübergang T auftreten kann.
Selbst wenn die Elektronenemission von dem Kathoden-Dreifachübergang T auftritt, werden Elektronen zur Anode 23 hin beschleunigt. Emittierte Elektronen kollidieren nicht mit dem dielektrischen Abstandshalter 25 und laden den dielektrischen Abstandshalter 25 nicht, weil der Öffnungswinkel an der Vakuumseite zwischen dem elektrischen Abstandshalter 25 und der Kathode 21 sehr breit ist.
In der Fig. 3 ist ein dielektrischer Abstandshalter 25 aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt und hat eine Anzahl von Vorsprüngen und Aussparungen 35 an seiner Oberfläche.
Aber die Keramikentladung in Vakuum ist bis heute theoretisch nicht klar und die geeignetste Gestaltung der Rippen ist noch nicht in die Praxis umgesetzt worden. Es ist zu sagen, daß, je länger der Überschlagabstand ist, umso besser ist der Effekt des Widerstandes gegenüber Spannung. Diese Angelegenheit ist jedoch nicht klar.
In der Fig. 4 ist ein dielektrischer Abstandshalter 25 gezeigt, der säulenförmig ist und aus Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist. Eine Kathode 21 hat eine Korona-Ringform. Die Korona-Ringform bezeichnet eine Form, bei der die Kathode 21 zu einer Anode 23 entlang einer Oberfläche eines Isolators 25 verlängert ist, und ein elektrisches Feld des Kathoden-Dreifachübergangs T senkt.
Die Bezugsziffer 37 bezeichnet einen Koronaring. Es wird gesagt, daß die Koronaringform im Effekt des Widerstandes gegenüber Spannung hat, weil die Intensität des elektrischen Feldes an dem Kathoden-Dreifachübergang T schwächer wird.
Aber bei der Korona-Ringform wird die Fläche ES mit gleichem Potential im Vakuum von der Seite des dielektrischen Abstandshalters 25, der aus Keramik mit hoher Permittivität hergestellt ist, zu einer Kante S des Koronarings 37, dichter, weil die Fläche ES gleichen Potentials im Inneren des dielektrischen Abstandshalters 25 dünner wird, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist. Und die Intensität des elektrischen Feldes der Kante 5 des Koronarings 37 wird üblicherweise sehr viel stärker, weil die Dicke des Koronarings 37 dünn ist.
Daraus folgt, daß es ein Fehler dieses herkömmlichen dielektrischen Abstandshalters ist, daß Entladung an der Kante S des Koronarings 37 auftreten kann, wo sich das elektrische Feld konzentriert.
Fig. 5 ist ein dielektrischer Abstandshalter in Vakuum, der bereits in der japanischen Patentvorveröffentlichung (A) Nr. 255,642 von 1992 beschrieben ist. Eine zylindrische Keramik 45 hat einen Vorsprung 41. Ein Abschirmteil 51, der an einer Kathode 21 vorsteht, steht einer Fläche 41a des Vorsprunges 41 gegenüber. Bei diesem herkömmlichen dielektrischen Abstandshalter in Vakuum gibt es auch eine Anode 23, einen Keramikzylinder 43, einen Keramikzylinder 47, ein Wehnelt-Element 49, einen Wehnelt-Halter 53 und eine Ka thode 55.
Da das elektrische Potential des Abschirmteils 51 und das der Kathode 21 gleich sind, wird die Intensität eines elektrischen Feldes in der Nähe eines Kathoden-Dreifachübergangs T schwächer, die Elektronenemission von dem Kathoden- Dreifachübergang T begrenzt.
Bei dem Aufbau dieses herkömmlichen dielektrischen Abstandshalters steht die Kathode an der Anodenseite vor und begünstigt ein Vermindern des elektrischen Feldes in der Nähe des Kathoden-Dreifachübergangs. Daraus folgt, daß diese Konstruktion ähnlich der Korona-Ringform ist.
Das heißt folgendes. Da Elektronen, die an dem Kathoden- Dreifachübergang emittiert werden, schwache Energie haben, ist die Sekundäremissionsrate der Keramik kleiner als 1 und die Elektronen kollidieren mit der Keramikoberfläche, um inexistent zu werden. Aber eine Ladungswirkung ist nicht in Betracht gezogen.
Die Elektronenemission von dem Kathoden-Dreifachübergang T kann bei dieser Konstruktion nur schwierig auftreten. Da das elektrische Feld sich an der Kante des Abschirmteils 51 konzentriert, der vor der Fläche 41A des Vorsprunges 41 vorsteht, beginnt die Elektronenemission an der Kante des Abschirmteils 51 und eine Keramikseite 45A wird positiv geladen.
Daraus folgt, daß eine Entladung an der Kante des Abschirmteils 51 zur Anode 23 über die Keramikseite 45A stattfinden kann, und der Überschlagsabstand des Kermikzylinders 45 wird im Gegensatz zu diesem Entladungsweg kürzer.
Insgesamt ist es ein Fehler dieses herkömmlichen dielektrischen Abstandshalters, daß eine Entladung an der Kante der Elektrode wie bei einer einfachen Korona-Ringform auftreten kann.
Bezugnehmend auf die Fig. 6, 7, 8 und 9 geht die Beschreibung nun weiter zu einem dielektrischen Abstandshalter 25 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 6 ist ein dielektrischer Abstandshalter 25 zwischen einer Kathode 21 und einer Anode 23 angeordnet. Der dielektrische Abstandshalter 25 ist aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt und kann aus Berylliumoxidkeramik oder einem anderen Isolator hergestellt sein.
Die Kathode 21 definiert eine plane Ebene. Die Seitenfläche des dielektrischen Abstandshalters 25 ist eine zylindrische Fläche rechtwinklig zu der ebenen Ebene.
Der dielektrische Abstandshalter 25 hat einen Vorsprung 27. Die Mitte der Dicke des Vorsprungs 27, liegt näher an der Kathodenseite als die Mitte zwischen Kathode 21 und Anode 23.
Eine strichpunktierte Linie 31 gibt die Mitte zwischen Kathode 21 und Anode 23 an, und eine strichpunktierte Linie 33 zeigt die Mitte der Dickenabmessung des Vorsprunges 27 an.
Der Grund dafür, warum diese Konstruktion die Charakteristik des Widerstandes gegenüber Spannung zwischen Kathode 21 und Anode 23 verbessert, ist der folgende.
Wenn Elektronen, die an einem Kathoden-Dreifachübergang T zwischen der Kathode 21, der Anode 23 und dem Vakuum, mit der Keramikoberfläche des dielektrischen Abstandshalters 25 kollidieren, laden die Elektronen die Keramikoberfläche gemäß einer Kurve der Sekundäremissionsrate der Keramik und der auftreffenden Energie der Elektronen auf der Keramik oberfläche.
Die Sekundäremissionsrate ist in der Fig. 7 dargestellt. Eine horizontale Achse zeigt die an der Keramik auftreffende Energie E der Elektronen an und eine vertikale Achse zeigt die Anzahl δ (pro auftreffendem Elektron) der Sekundärelektronen an, die emittiert werden.
Die Elektronen werden von dem Kathoden-Dreifachübergang T in unterschiedliche Richtungen emittiert, in Übereinstimmung mit einer bestimmten Verteilung. Einige Elektronen kollidieren mit einer Keramikseite 27A zwischen der Kathode 21 und der Basis des Vorsprungs 27 nach Beschleunigung. Sekundärelektronen werden gemäß der Kurve der Sekundäremissionsrate der Keramik emittiert und laden eine Keramikseite 27B des Vorsprungs 27 auf der Seite der Kathode.
Einige Elektronen, die mit der Keramikseite 27A kollidieren, haben eine Energie, die in dem Bereich A (Verhältnis der Sekundärelektronenemission δ > 1) in Fig. 7 als erstes gezeigt sind. Daraus folgt, daß die Keramikseite 27A positiv geladen ist.
Die positive Elektrisierung führt zu einer vermehrten Anziehung von Elektronen und die positive Elektrisierung der Keramikseite 27A wird größer.
Eine Änderung des Elektronenorbits unter Berücksichtigung der positiven Elektrisierung wird zum Schluß sehr viel größer. Elektronen, die an dem Kathoden-Dreifachübergang T emittiert worden sind, und Sekundärelektronen, die an der Keramikseite 27A emittiert worden sind, kollidieren mit der Keramikseite 27A, bevor sie eine übermäßige Beschleunigung durch die Spannung der Anode 23 erfahren haben.
Zum Schluß führt die Kurve zum Punkt B (die Sekundäremissi onsrate δ = 1) in Fig. 7. Das Auftreffen und die Emission der Elektronen an und von der Keramikseite 27A hält sich an einem Punkt B stabil.
Für den Fall einer Aluminiumoxidkeramik ist die Elektronenenergie an dem Punkt B ungefähr 50 eV. Andererseits kollidieren Sekundärelektronen von der Keramikseite 27A und Elektronen von dem Kathoden-Dreifachübergang T mit der Keramikseite 27B. Da das Elektron, welches wiederum an der Keramikseite 27B des Vorsprungs 27 auf der Kathodenseite emittiert wird, eine kleine Energie hat, wird es durch die Spannung der Anode 23 wieder zurück zur Keramikseite 27B gebracht. Die Kollisionsenergie der Sekundärelektronen ist zu diesem Moment ungefähr gleich der Emissionsenergie der Sekundärelektronen und ist gleich einigen eV.
Wenn die Kollisionsenergie der Sekundärelektronen in ein Territorium C (Sekundäremissionsrate δ < 1) in Fig. 7 gelangt, wird die Keramikseite 27B des Vorsprungs 27 auf der Kathodenseite negativ geladen.
Diese negative Elektrisierung senkt die Intensität des elektrischen Feldes in der Nähe des Kathoden-Dreifachübergangs T und begrenzt die Entladung.
Daraus folgt, daß je näher der Vorsprung 27 an der Keramik 25 an der Kathode 21 ist, umso größer ist die Auswirkung der Entladungsbegrenzung.
Und je länger die Länge des Vorsprunges 27, ist umso breiter ist der negativ geladene Bereich. Daher ist die Wirkung der Entladungsbegrenzung umso größer, je länger der Vorsprung 27 ist.
Die Testergebnisse des Widerstandes gegenüber Spannung sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.
Die Formen der Test-Abstandshalter sind in der Fig. 8 gezeigt.

Tabelle 1

TESTERGEBNISSE DES WIDERSTANDES GEGENÜBER SPANNUNG VON KERMIK MIT VORSPRUNG

a: Abstand zwischen Kathode und Kathodenseitenfläche des Keramikvorsprunges (mm)
b: Länge des Keramikvorsprunges (mm)
c: Dicke des Keramikvorsprunges (mm)
c: Höhe der Keramik (mm)
In dem Test wurde eine säulenförmige Aluminiumoxidkeramik 25 mit einer Höhe von 5 mm zwischen eine Kathode 21 und eine Anode 23 gesetzt, an die Kathode 21 und die Anode 23 wurde eine Hochspannung angelegt und die Entladungsspannung wurde in Vakuum gemessen.
Ein Paar Proben mit einem Vorsprung an einer Keramikseite wurden ebenfalls hergestellt und es wurde die Entladungsspannung an unterschiedlichen Längen und Positionen der Probe gemessen.
Die Aluminiumoxidkeramiken wurden an ihren Oberflächen jeweils durch elektrisches und mechanisches Berühren von Kathode und Anode metallisiert und es wurde sowohl die Kathode als auch die Anode berührt.
In der Fig. 9 und der folgenden Tabelle 2 sind die Tester gebnisse des Widerstandes gegenüber Spannung angeordnet. Tabelle 2 NORMIERUNGS-TESTERGEBNISSE DES WIDERSTANDES GEGENÜBER SPANNUNG VON KERAMIK MIT VORSPRUNG
(Anmerkung) Normierung durch anfängliche Entladungsspanung der Säulenkeramik
In der Fig. 9 zeigt die Vertikalachse das normierte Verhältnis der anfänglichen Entladespannung V2 der säulenförmigen Keramik mit einem Vorsprung zur anfänglichen Entladespannung V1 der säulenförmigen Keramik ohne irgendeinen Vorsprung an, und die Horizontalachse zeigt das Verhältnis der vorstehenden Länge (b) des Vorsprunges nächstens der Kathode zum Abstand (a) zwischen der Kathode und der Oberfläche des Vorsprunges auf der Kathodenseite nächstens der Kathode an.
Aus der Fig. 9 ist zu ersehen, daß es offensichtlich ist, daß, je näher der Vorsprung der Keramik an der Kathode liegt und je länger die Länge des Vorsprunges ist, umso größer ist die Wirkung der Entladungsbegrenzung.
Der Widerstand gegenüber der Spannung der Keramik hängt von den Zuständen der Keramikoberflächen, der Metallisation und des Lötens ab.
Daraus folgt, daß, solange die säulenförmige Keramik mit einem Vorsprung angesichts der Wirkung auf den Widerstand gegenüber Spannung von nicht weniger als 10%, verglichen mit der einfachen säulenförmigen Keramik ohne einen Vorsprung, konstruiert ist, die Wirkung auf den Widerstand gegenüber Spannung nicht klar zu erzielen ist.
Die vorstehend genannte Wirkung auf den Widerstand gegenüber Spannung von nicht weniger als 10% wird innerhalb der Grenzen der folgenden Formel auf der Basis von Fig. 9 erzielt.
Wenn (b) die vorstehende Länge des Vorsprunges ist und (a) der Abstand zwischen der Kathode und der Oberfläche des Vorsprungs auf der Kathodenseite ist, dann gilt:
(b)/(a) = 0,4
Daraus folgt, daß eine Verbesserung der Charakteristik des Widerstandes gegenüber Spannung die Erfordernisse der vorstehend genannten Formel bei der praktischen Anwendung erfüllen muß.
In diesem Fall gibt es keinen Abschirmteil 51 (siehe Fig. 5) der Kathode, der gegenüber der Anodenseite des Vorsprunges der Keramik liegt, das heißt des vorstehenden Teils. Daher ist die Entladung nicht ausgehend von dem vorstehenden Teil der Kathode gegeben.
Es scheint, als wenn die Form der Keramik gemäß Fig. 5 die Erfordernisse der vorstehenden Formel erfüllt. Eine tatsächliche Größe der Keramik ist aber in dieser Figur nicht präzise darstellt. Da die Fig. 5 die einzige zweckmäßige Zeichnung ist, die gezeichnet worden ist, um einfach zu sehen, zu verstehen und zu zeichnen, wurden die numerischen Werte der vorstehenden Formel nicht berücksichtigt.
Auf dem technischen Stand der Zeit, zu welcher der dielektrische Abstandshalter in Vakuum, wie in der Fig. 5 ge zeigt, (die vorstehend genannte Patentvorveröffentlichung) in Japan angemeldet wurde, gab es noch nicht mal ein Problembewußtsein bezüglich der Elektrisierung des Vorsprunges der Keramik, wie vorstehend erwähnt.
Da die Elektronen von dem Kathoden-Dreifachübergang emittiert wurden, wurde die Elektrisierung an der Keramikoberfläche durch das Monte Carlo Simulationsverfahren simuliert und die Intensität des elektrischen Feldes des Kathoden- Dreifachübergangs wurde numerisch gelöst. Die vorstehend beschriebenen Angelegenheiten wurden zum erstenmal in der vorliegenden Erfindung klar.
Das Phänomen wurde zum erstenmal klar, weil sowohl eine theoretische Berechnung als auch ein Experiment durchgeführt wurde und deren Ergebnisse übereinstimmten.
Da die Elektrisierung des vorstehenden Teils 27 der Keramik, die in der Erläuterung der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, vor dieser Erfindung nicht erläutert worden ist, war eine Analogie auf der Basis der Patentvorveröffentlichung, wie vorstehend angegeben, unmöglich.
Bezugnehmend auf Fig. 10 hält ein kreisringförmiger dielektrischer Abstandshalter 25 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine stabförmige Kathode 21 und eine rohrförmige Anode 23 und hat Vorsprünge 27, 29 auf seiner einen Seitenfläche und seiner anderen Seitenfläche. Die eine Seitenfläche ist parallel zu der anderen Seitenfläche. Bezogen auf 1 Die Mitte der Dicke der Vorsprünge 27, 29 liegt näher an der Kathode 21 als die Mitte zwischen Kathode 21 und Anode 23. Der dielektrische Abstandshalter 25 ist aus einer Aluminiumoxidkeramik oder Berylliumoxidkeramik hergestellt.
Die Kathode 21 hat eine Achse und beide Seitenflächen des dielektrischen Abstandshalters 25 sind rechtwinklig zur Achse. Die Vorsprünge 27, 29 erstrecken sich rechtwinklig an beiden Seitenflächen des dielektrischen Abstandshalters 25. Die Vorsprünge 27, 29 haben koplanare innere und äußere Oberflächen, welche die Enden der Kathode 21 und der Anode 23 definieren.
Beide Seitenflächen des dielektrischen Abstandshalters 25 liegen Vakuum gegenüber und der dielektrische Abstandshalter 25 hat die Vorsprünge 27, 29 unter Berücksichtigung der Möglichkeit der Entladung an beiden Seitenflächen desselben.
Eine strichpunktierte Linie 31 zeigt die Mitte zwischen der Kathode 21 und der Anode 23 an und eine strichpunktierte Linie 33 zeigt die Mitte der Dicke des Vorsprungs 27 an.
Der dielektrische Abstandshalter 25 hat die gleiche Wirkung auf den Widerstand gegenüber Spannung wie der dielektrische Abstandshalter 25 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 11 wird die Aufmerksamkeit nun auf einen dielektrischen Abstandshalter 25 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gerichtet. Wie in der Fig. 6 definiert eine Kathode 21 eine planare Ebene von der Figur aus nach oben.
Der dielektrische Abstandshalter 25 ist zwischen der Kathode 21 und einer Anode 23 angeordnet und hat eine hohlzylindrische Form mit einer inneren und äußeren zylindrischen Fläche. Der dielektrische Abstandshalter 25 ist entweder aus Aluminiumoxidkeramik oder einer Berylliumoxidkeramik hergestellt, wobei die äußere zylindrische Fläche im allgemeinen gegossen ist. Die innere zylindrische Fläche dient als die vorstehend erwähnte Abstandshalterfläche und ist rechtwinklig zu der planen Ebene, um zusammen mit der Kathode 21 und der Anode 23 einen abgedichteten und evakuier ten Raum zu umschließen. Die äußere zylindrische Fläche ist mit der Atmosphäre in Berührung.
Eine Anzahl von scheibenförmigen Vorsprüngen 39 stehen rechtwinklig an der Abstandshalterseitenfläche vor, um zusammen eine Riffelung 39 zu bilden. Einer der Vorsprünge 39 ist der Vorsprung 27, der anhand der Fig. 6 beschrieben worden ist, welcher am nächsten zur Kathode 21 liegt und durch die Bezugsziffer 39A bezeichnet ist. Dieser eine der Vorsprünge 39 sollte den Kathodenabstand relativ zur ebenen Ebene und die Länge des Vorsprunges haben, die das Verhältnis von 0,4 oder größer, wie vorstehend beschrieben, erfüllen. Die Anzahl der Vorsprünge 39 entweder insgesamt oder mit Ausnahme des Vorsprunges 39A ist unmaßgeblich. Ähnlich den dielektrischen Abstandshaltern 25, wie anhand der Fig. 6 bis 9 und Fig. 10 beschrieben, entfernt der Vorsprung 39A die nachteiligen Wirkungen.
Bezugnehmend auf Fig. 12 ist ein dielektrischer Abstandshalter 25 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zylindrisch geformt und es sind zwei AC- Elektroden 57 und 59 am oberen Teil bzw. unteren Teil des dielektrischen Abstandshalters 25 angeordnet. Die Außenseite des dielektrischen Abstandshalters 23 ist gegossen und der Atmosphäre zugewandt. Die Innenseite des dielektrischen Abstandshalters 25 hält das Vakuum.
Wenn eine Wechselspannung an den zwei AC-Elektroden 57 und 59 anliegt, kann eine von beiden zur Kathode werden.
Da die Außenseite des dielektrischen Abstandshalters 25 gegossen ist, um den Widerstand gegenüber Spannung zu halten, ist der Gegenstand eine Gegenmaßnahme zur Innenfläche des dielektrischen Abstandshalters 25.
Daraus folgt, daß der dielektrische Abstandshalter 25 einen Vorsprung 27 und 29 (zwei insgesamt) für den Widerstand ge genüber Spannung in der Nähe beider Wechselspannungs-Elektroden 57 bzw. 59 hat.
Da eine der AC-Elektroden 57 und 59 zur Kathode werden kann, ist die Elektrode in der Nähe des Vorsprunges als die Kathode zu betrachten und die vorstehende Formel kann zwischen dem Vorsprung und der Kathode angewendet werden.
Selbst wenn an diesen dielektrischen Abstandshalter eine Wechselspannung angelegt wird, ist die Entladung an der Keramikoberfläche begrenzt und die Charakteristik des Widerstandes gegenüber Spannung ist verbessert.
Der dielektrische Abstandshalter 25 ist aus einer Aluminiumoxidkeramik oder Berylliumoxidkeramik hergestellt.

Claims

1. Dielektrischer Abstandshalter (25) zur Verwendung in Vakuum zwischen einer Kathode (21) und einer Anode (23) mit Vermeidung von Oberflächenüberschlag, resultierend aus einer Spannung, die zwischen der Kathode und der Anode angelegt wird, wobei der dielektrische Abstandshalter eine Abstandshalterseitenfläche und einen Vorsprung (27) hat, der rechtwinklig an der Abstandshalterseitenfläche vorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß

der Vorsprung (27) ausgehend von der Abstandshalterseitenfläche eine Vorsprungslänge (b), ein kathodenseitiges Ende mit einem Kathodenabstand (a) relativ zur Kathode, ein anodenseitiges Ende und eine Dicke (c) mit einer Mittenebene (33) zwischen dem kathodenseitigen Ende und dem anodenseitigen Ende und näher zur Kathode als zur Anode, hat, wobei das Verhältnis (b/a) der Vorsprungslänge (b) zum Kathodenabstand (a) nicht kleiner als 0,4 ist;

wobei die Kathode keinen dem anodenseitigen Ende zugewandten Vorsprung (51) hat.

2. Dielektrischer Abstandshalter nach Anspruch 1, wobei die Kathode (21) eine Planarebene definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche eine zylindrische Fläche rechtwinklig zu der Planarebene ist, wobei der Kathodenabstand zwischen dem kathodenseitigen Ende und der Planarebene liegt.

3. Dielektrischer Abstandshalter nach Anspruch 1, wobei die Kathode (21) eine Stangenform mit einer Achse hat, die Anode (23) eine Rohrform hat, wobei die Abstandshalterfläche eine erste Seitenfläche ist, worin der dielek trische Abstandshalter (25) eine Kreisringform mit der ersten Seitenfläche rechtwinklig zu der Achse und einer zweiten Seitenfläche parallel zu der ersten Seitenfläche hat, wobei der Vorsprung erste und zweite zylindrische Vorsprünge (27, 29) aufweist, die sich ausgehend von der ersten und zweiten Seitenfläche rechtwinklig erstrecken, um koplanare innere und äußere Flächen zu haben, die das kathodenseitige und das anodenseitige Ende definieren.

4. Dielektrischer Abstandshalter nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Abstandsstück (25) eine Rillenstruktur (39) hat.

5. Dielektrischer Abstandshalter (25) zur Verwendung in Vakuum zwischen einer ersten (57) und zweiten (59) Elektrode mit Vermeidung von Oberflächenüberschlag, resultierend aus einer Wechselstromspannung, die zwischen der ersten und zweiten Elektrode angelegt wird, wobei der dielektrische Abstandshalter eine Abstandshalterseitenfläche und erste (27) und zweite (29) Vorsprünge hat, die rechtwinklig an der Abstandshalterseitenfläche vorstehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten und zweiten Vorsprünge eine Vorsprungslänge (b) zur Abstandshalterseitenfläche, eine Dicke (c) mit einer Mittenebene, die zu einer der ersten und zweiten Elektroden näher liegt als zur anderen Elektrode der ersten und zweiten Elektroden, und eine Vorsprungsseitenfläche parallel zu der Mittenebene hat, um einen Vorsprungsabstand (a) relativ zu der einen Elektrode der ersten und zweiten Elektroden zu haben, wobei das Verhältnis (b/a) der Vorsprungslänge (b) zum Vorsprungsabstand (a) nicht kleiner als 0,4 ist.