Elektronenröhre

Abstract

 In einer Elektronenröhre mit einer stark emittierenden Kathode (1), einer Anode (4) und mindestens einem selbständigen ersten Gitter (2) zwischen Kathode (1) und Anode (4), weist die Kathode (1) stark emittierende und höchstens schwach emittierende Bereiche (7.1, 7.2, 7.3 resp. 8) auf. Die stark emittierenden Bereiche (7.1, 7.2, 7.3) sind hinter Oeffnungen (6) des ersten Gitters (2) angeordnet und die höchstens schwach emittierenden Bereiche (8) entsprechen einem Schattenwurf des der Kathode (1) benachbarten ersten Gitters (2) auf die Kathode (1).

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre mit einer Kathode, einer Anode und mindestens einem selbständigen ersten Gitter zwischen Kathode und Anode.

Stand der Technik

[0002] Elektronenröhren der genannten Art sind seit langem bekannt und im Handel erhältlich. Die Kathode einer solchen Elektronenröhre ist ganzflächig mit Osmium bedeckt, um höhere Stromdichten erreichen zu können. Das Osmium hat dabei die Aufgabe, die Austrittsarbeit der Elektronen zu erniedrigen.

[0003] Eine osmiumbeschichtete Dispenserkathode ist z.B. aus dem Patent EP-0 156 454 oder aus dem Technical Bulletin #116, "Osmium coated dispenser cathodes - 'M' Type", Spectra-Mat Inc., 1240 Highway 1, Watsonville, California CA 95076, USA, bekannt.

[0004] Weitere Veröffentlichungen, die sich mit Schichten hoher Emissivität für Kathoden befassen sind:
- Japan J. Appl. Phys. 1, Regul. Paper short Notes (Japan), Vol 27 No. 8, S. 1411-14, August 1988, S. Yamamoto, S. Taguchi, I. Watanabe, S. Sasaki. Zum Erhöhen der Elektronenemission einer mit WSc₂O₃ bedeckten, imprägnierten Kathode wird eine monoatomare Oberflächenschicht bestehend aus Ba, Sc und O abgeschieden.
- "High current density cathodes - an update", M. Feinleib, M.C. Green, IEDM 84, S. 314-317. Um die störende Wirkung der Interdiffusion zu verringern und die Emission zu stabilisieren, wird eine Wolfram-Matrixkathode mit zwei Schichten abgedeckt. Als erste Schicht dient eine Os- oder Os/Ru-Schicht, und als zweite eine W/Os-Legierung.
- "Modern dispenser cathodes", J.L. Cronin, IEE Proc. Vol. 128, Pt. 1, No. 1, 19-31, Februar 1981. Darin wird u.a. eine M-­Typ Dispenserkathode beschrieben (bestehend aus porösem und mit Barium-Calcium-Aluminat imprägniertem Wolfram), welche mit einer dünnen Schicht aus Os/Ru oder Os/Ir bedeckt ist.
- "Long Life High Reliability Iridium-coated M-Type Dispenser Cathode", Ioshiaki Ouchi, Sakae Kimura, Toshiharu Higuchi, Kasou Kobayashi, Toshiba Review No. 157, Frühling 1987, S. 25-29. Imprägnierte Dispenserkathoden, die mit Os, einer Os/Ru-Legierung oder Ir beschichtet sind (sog. M-Typ Kathoden), haben wegen ihrer etwa um 100° niedrigeren Arbeitstemperatur eine höhere Lebensdauer als S-Typ Kathoden ohne Oberflächenmetallisierung.
- "Performance analysis of three different M-type dispenser cathodes", B. Latini, P. Cristini, I. Fragala, G. Marletta, Int. Conf. on Microwave Tubes in Systems, Problems and Prospects (Conf. Publ. No. 241), Heft 22-23 Oktober 1984, S. 35-41. Verschiedene M-Typ Kathoden wurden auf ihre Emissivität hin untersucht und mit S-Typ Kathoden verglichen. Bei 1300 K ergab sich bei einer Os(80%)/Ru(20%)-Beschichtung eine Erhöhung der Emissivität um den Faktor 4.2, bei einer Os(50%)/W(50%)-Beschichtung eine Erhöhung um den Faktor 3 und bei einer Ir(100%)-Beschichtung eine Erhöhung um den Faktor 1.6.
- "Dispenser Cathodes: The Current State of the Technology", L. R. Falce, IEDM - 83, S. 448-451. Dieser Artikel verschafft einen Ueberblick über die gängigen Arten von Kathoden.

[0005] Ein Problem bekannter Elektronenröhren hoher Stromdichte stellt die Gitterbelastung durch Elektronenbombardement dar. Sie führt zu einer unerwünschten thermischen Emission des Gitters, welche daher rührt, dass sich Kathodenmaterial während des Betriebs durch Abdampfen auf dem Gitter niederschlägt und dadurch die Austrittsarbeit der Elektronen erniedrigt.

Darstellung der Erfindung

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenröhre der eingangs genannten Art anzugeben, die auch bei grossen Stromstärken eine niedrige Gitterbelastung aufweist.

[0007] Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die Kathode sowohl stark emittierende als auch höchstens schwach emittierende Bereiche aufweist, wobei die stark emittierenden Bereiche hinter Oeffnungen des ersten Gitters angeordnet sind und die höchstens schwach emittierenden Bereiche einem Schattenwurf des der Kathode benachbarten ersten Gitters auf die Kathode entsprechen.

[0008] Der Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung liegt darin, dass der Strom geladener Teilchen nur dort erzeugt wird, wo er auch zum Tragen kommt. Er wird damit gleichsam auf die Oeffnungen des Gitters fokussiert. Die vorzugsweise zylinderförmige Kathode gewährleistet die nötige Stabilität und Präzision bei den üblicherweise sehr kleinen Abständen zwischen erstem Gitter und Kathode.

[0009] Bei besonders feinen Gitterstrukturen wird vorzugsweise ein Blechgitter verwendet. Solche Gitter lassen sich besser herstellen und sind mechanisch weniger empfindlich als Drahtgitter.

[0010] Besonders vorteilhaft sind Graphitgitter, da sie auch bei grösserer Strombelastung nur sehr geringe temperaturbedingte mechanische Verformungen erleiden. Auch bei einer Elektronenröhre mit einer erfindungsgemäss strukturierten Kathode treten nämlich Gitterströme auf, die zu Temperaturerhöhungen führen. Wenn das Gitter nun sehr fein und nahe an der Kathode ist, dann können Verformungen des Gitters die geometrische Ausrichtung in der Röhre empfindlich stören.

[0011] Zu den bevorzugten Graphitgittern gehören insbesondere Pyrographit- und Elektrographitgitter.

[0012] Die Erfindung eignet sich aber auch im Zusammenhang mit herkömmlichen Drahtgittern.

[0013] Bei einer einfachen Ausführungsform sind die Oeffnungen im Gitter rautenförmig oder rechteckig. Damit haben auch die stark emittierenden Bereiche eine regelmässige, gitterartige Form.

[0014] Eine Tetrode mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten Kathode vermag hohe Ströme zu schalten, ohne die beim Stand der Technik vorhandene hohe Belastung des Steuergitters zu zeigen.

[0015] Um die Emission in den höchstens schwach emittierenden Bereichen weiter abzusenken, kann die Kathode dort vorzugsweise mit einer Schicht, z.B. aus Mo/Ru, passiviert werden.

[0016] In den stark emittierenden Bereichen ist die Kathode vorzugsweise mit einem Material aus der folgenden Gruppe beschichtet: Sc₂O₃/W, Os/Ir, Os/Ru, Os/W, Ir, Os, Os + W/Os, Os/Ru + W/Os. Wegen der starken Erhöhung der Emissivität sind Os, Os/Ru, Os/W besonders bevorzugt. Eine spezielle Gruppe stellen ausserdem die Zweifachschichten aus Os + W/Os, Os/Ru + W/Os dar, wegen ihren die Interdiffusion hindernden Eigenschaften.

[0017] Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, als Kathode eine sogenannte Matrix- oder Dispenserkathode zu verwenden, die für ihre Stromkapazität bekannt ist.

[0018] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung und den Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0019] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Tetrode;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Tetrode; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Kathode der Tetrode.

[0020] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0021] Fig. 1 zeigt gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Tetrode im Längsschnitt.

[0022] Eine zylindrische Kathode 1, ein der Kathode 1 benachbartes, erstes Gitter 2, ein zweites Gitter 3 und eine zylindrische Anode 4 sind koaxial zu einer gemeinsamen Achse 5 angeordnet.

[0023] Das erste Gitter 2 ist z.B. ein Blechgitter mit Oeffnungen 6. Das zweite Gitter ist entsprechend ausgebildet.

[0024] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode in der Art einer Matrixkathode aufgebaut, wie sie z.B. aus der zitierten Patentschrift EP-0 157 454 bekannt ist. Dabei ist eine poröse Wolframmatrix mit einem bariumhaltigen Stoff getränkt.

[0025] Um nun gemäss der Erfindung die Gitterbelastung zu verringern, ist die Kathode 1 selektiv mit einer stark emittierenden Schicht bedeckt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine osmiumhaltige, d.h. osmierte Schicht. Im Sinn der Erfindung befinden sich stark emittierende Bereiche 7.1, 7.2, 7.3 hinter den Oeffnungen 6 des ersten Gitters 2. Dazwischen sind ein oder mehrere höchstens schwach emittierende Bereiche 8 vorgesehen. Die höchstens schwach emittierenden Bereiche 8 entsprechen einem gedachten Schattenwurf des Gitters 2 auf die Kathode 1.

[0026] Der erwähnte Sachverhalt wird in Fig. 2 veranschaulicht. Sie zeigt einen Querschnitt durch die Tetrode von Fig. 1. Der (gedachte) Schattenwurf entsteht dabei durch eine Projektion des ersten Gitters 2 in radialer Richtung (bezogen auf die Achse 5). Die stark emittierenden Bereiche 7.1, 7.4, 7.7 werden durch den höchstens schwach emittierenden Bereich 8 getrennt.

[0027] Fig. 3 schliesslich zeigt eine Draufsicht auf die Kathode 1, wenn die Oeffnungen des Gitters 2 rechteckig sind. Die stark emittierenden Bereiche 7.1, 7.2, ..., 7.9 sind in diesem Fall Rechtecke, die in zwei zueinander senkrechten Richtungen ein regelmässiges Muster bilden. Der höchstens schwach emittierende Bereich 8 trennt die stark emittierenden Bereiche 7.1, 7.2, ..., 7.9 in gleicher Weise wie das Gitter 2 die Oeffnungen 8.

[0028] Im Prinzip ist die Form der Oeffnungen von untergeodneter Bedeutung. In der Praxis werden jedoch meist regelmässige Gitter verwendet, die z.B. rautenförmige resp. rechteckige Oeffnungen haben.

[0029] Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Strom geladener Teilchen, welcher unerwünschterweise auf das erste Gitter 2 auftrifft, weitgehend unterbunden ist. Die emittierten Elektronen werden vielmehr ganz gezielt durch die Oeffnungen 6 des Gitters hindurch geführt. Damit erhitzt sich das Gitter auch nicht mehr so stark und es kann nicht mehr in der Art einer parasitären Kathode die Elektronenröhre störend beeinflussen.

[0030] Die osmierten Bereiche weisen in der Regel eine zwei bis dreimal höhrere Emissivität auf als die nicht-osmierten Bereiche. Wenn das Verhältnis noch vergrössert werden soll, dann werden die nicht-osmierten Bereiche vorzugsweise zusätzlich mit einer emissionshemmenden Schicht passiviert. Dafür eignet sich eine im wesentlichen aus Mo und Ru bestehende Schicht (Mo/Ru-Schicht) besonders gut. In einem solchen Fall emittieren die Bereiche im Schattenwurf des ersten Gitters nicht nur schwach, sondern im wesentlichen überhaupt nicht.

[0031] Eine erfindungsgemässe Kathode lässt sich mit bekannten Mitteln herstellen. Insbesondere bei Dispenserkathoden, welche bisher in einem abschliessenden Prozessschritt z.B. ganzflächig osmiert worden sind, bedeutet es nur eine kleine Umstellung, die Kathode vor dem Osmieren mit einer geeigneten Maske abzudecken, sodass eine erfindungsgemäss strukturierte Osmiumschicht entsteht.

[0032] Andererseits ist es auch möglich eine fertige Kathode in einem zusätzlichen Schritt mit einer erfindungsgemäss passivierenden Schicht zu versehen, die wie beschrieben im wesentlichen dem Schattenwurf des ersten Gitters entspricht.

[0033] Was bisher im Zusammenhang mit Os gesagt wurde gilt natürlich sinngemäss für die bevorzugten Schichten aus Sc₂O₃/W, Os/Ir, Os/Ru, Os/W, Ir, Os, Os + W/Os, Os/Ru + W/Os. Im Prinzip eignen sich aber all jene Materialschichten, die eine Herabsetzung der Austrittsarbeit (Work function) der Elektronen zur Folge haben.

[0034] Das Gitter kann auch als Graphitgitter (z.B. Pyrographit, Elektrographit) ausgebildet sein. Solche Gitter ertragen höhere Strombelastungen und erlauben somit, die Elektronenröhre insgesamt bei höheren Stromdichten zu betreiben.

[0035] Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf Tetroden. Sie findet überall dort Verwendung, wo vor einer Kathode mindestens ein selbständiges Gitter angeordnet ist. Demzufolge kann die Erfindung sowohl bei Trioden, als auch bei Pentoden und noch komplexeren Elektronenröhren eingesetzt werden.

[0036] Es ist auch offensichtlich, dass die Zylindersymmetrie nicht eine zwingende Voraussetzung, sondern nur ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist. Entsprechend eignet sich die Erfindung auch für ebene Strukturen.

[0037] Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit der Erfindung Elektronenröhren mit grossen Strömen und gleichzeitig geringer Gitterbelastung zur Verfügung gestellt werden.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0038] 1 - Kathode; 2 - erstes Gitter; 3 - zweites Gitter; 4 - Anode; 5 - Achse; 6 - Oeffnungen; 7.1,...,7.9 - stark emittierende Bereiche; 8 - höchstens schwach emittierende Bereiche.

Ansprüche

1. Elektronenröhre mit

a) einer Kathode,

b) einer Anode und

c) mindestens einem selbständigen ersten Gitter zwischen Kathode und Anode,
dadurch gekennzeichnet, dass

d) die Kathode sowohl stark emittierende als auch höchstens schwach emittierende Bereiche aufweist, wobei die stark emittierenden Bereiche hinter Oeffnungen des ersten Gitters angeordnet sind und die höchstens schwach emittierenden Bereiche einem Schattenwurf des der Kathode benachbarten ersten Gitters auf die Kathode entsprechen

2. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode in den stark emittierenden Bereichen eine Schicht aus einem Material der Gruppe Sc₂O₃-W, Os-Ir, Os-­Ru, Ir, Os, W-Os, Os + W-Os, Os-Ru + W-Os aufweist.

3 Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode zylinderförmig ist und dass Kathode, Gitter und Anode zylindersymmetrisch angeordnet sind.

4. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbständige Gitter ein Blechgitter ist.

5. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbständige Gitter ein Drahtgitter ist.

6. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbständige Gitter ein Graphitgitter ist.

7. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungen des ersten Gitters rautenförmig oder rechteckig sind.

8. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sinn einer Tetrode genau zwei Gitter zwischen Kathode und Anode vorgesehen sind.

9. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode in den höchstens schwach emittierenden Bereichen mit einer passivierenden Schicht bedeckt ist.

10. Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Oxidkathode, insbesondere eine Matrixkathode ist.

Zeichnung